钻井液对钻柱振动特性影响分析

针对空气钻井存在钻具使用寿命短、钻具失效严重、钻具成本高的问题,应用ANSYS软件,建立了钻柱振动有限元模型,并对液体动力效应和浮力效应的淹没管道单元进行了数值模拟计算。以普光102-2井为例的计算结果表明,钻井液对钻柱振动特性有较大影响。考虑钻井液影响后,钻柱纵向和横向振动各阶固有频率均有较大程度降低,且随钻井液密度增大固有频率缓慢降低;但钻井液对扭转振动特性影响较小。谐响应表明,钻井液动力效应使钻柱低频共振响应加强,高频共振响应减弱,说明钻井液阻尼作用对钻柱的动力安全性有一定的积极意义,这正好与普光102-2井的典型钻柱失效事故的分析结果相吻合。     

钻井液对钻柱固有振动特性的影响

钻柱在钻井过程中主要进行旋转向下的运动，同时伴随纵向、横向、扭转和耦合振动。振动是导致钻柱失效的主要原因，而钻井液又是影响钻柱振动的关键。利用ANSYS软件建立钻柱整体有限元模型，采用Block Lanczos法进行固有振动特性分析，得出钻井液密度对钻柱纵向、横向和扭转振动固有频率及振幅的影响规律。钻井液密度降低，导致钻柱固有振动频率升高，振幅增大；钻井液的阻尼作用导致钻柱横向振动从钻头处开始向上逐渐减弱，直到井口处完全消失；当外界激振频率达到某种程度时，钻柱发生纵向和横向、横向和扭转耦合振动，导致振动更加剧烈。     

深海天然气水合物钻探取心钻柱振动模态分析

作为深海天然气水合物钻探取心系统必不可少的关键部件,钻柱在深海复杂环境钻探取心过程中承受着非常复杂的外力,不可避免地会产生横向振动、纵向振动、扭转振动及其耦合振动。钻柱的共振会引起钻柱本身甚至整个钻探取心系统的严重失效,进而导致无法成功获取深海天然气水合物岩心。为此,根据国内外相关振动理论的研究成果,结合深海天然气水合物钻探取心的特点,利用ANSYS有限元方法对钻柱转动过程中的横向振动、纵向振动及扭转振动进行了模态分析,确定出钻柱的固有频率和临界转速,为避免钻柱的共振提供了理论依据,同时还得出以下结论：①当外力的激振频率和钻柱的固有频率相同时,钻柱内的交变应力和振幅相当大,此时会引起钻柱的共振,整个钻柱的振动加强;②横向振动引起共振的可能性比较小,纵向振动和扭转振动引起共振的可能性较大。     

水平井直井段钻柱固液耦合横向振动分析

针对钻柱共振导致的钻具疲劳失效问题,以西南地区某水平井直井段钻柱为研究对象,采用流体数值计算软件,建立了钻柱内、外壁压力关于井深的函数。基于动力学理论,考虑钻柱内、外不同密度钻井液与钻柱耦合作用,通过有限元软件进行了水平井直井段钻柱横向振动分析,研究了钻铤长度和减震器安装位置对钻柱横向振动固有频率的影响规律,指出钻柱长度一定时,钻铤越长,钻柱横向振动的固有频率越大;安装减震器时,减震器安装位置与钻头距离增加,钻柱横向振动的各阶固有频率增大。研究结果可为水平井施工提供一定的指导。     

基于数值模拟的钻柱谐振响应研究

钻柱振动是钻柱疲劳失效的主要原因,特别是在气体钻井过程中,井眼内缺少钻井液的润滑减震作用,钻柱振动更为强烈。文章建立了钻柱振动有限元数值模型,采用SUBSPACE法对钻柱进行模态分析,计算出了钻柱纵向振动各阶固有频率;并利用FULL法分别对三牙轮钻头和空气锤激励时钻柱的谐振响应情况做了计算,对其响应位移和响应轴力进行了详细研究,得出使用三牙轮钻头时钻柱在低阶频率处纵向共振响应位移最大,对钻柱的损害最大;使用空气锤时,钻柱在高阶频率处易发生共振,响应轴向力较大。     

基于ANSYS的钻柱扭振模态分析

应用ANSYS软件建立了钻柱的扭转振动有限元模型。经过合理的假设,通过模态分析技术计算分析得出了钻柱扭转振动规律。分析结果表明,钻柱扭转振动的固有频率随着钻柱长度的增加而显著减小;通过采用合理的钻机转速,可以避开临界转速,避免引起共振;钻柱扭转振动最大角位移位置因主振型的阶数不同而变化。该项研究结果对于常规的回转钻进中采用合理的减振措施等方面具有现实的指导意义。     

大位移井钻柱振动规律研究与应用

在大位移井钻井工程中钻柱受着各种振动，当各种振动共振时，钻柱承受着非常大的动载，很容易受损，同时，钻柱的振动影响着井壁的稳定，严重威胁着井下的作业安全。以大位移井近井底的钻柱为研究对象，分析了钻柱振动行为所遵循的规律。采用线性分析法，获得了大位移井钻柱横向振动和扭转振动的频谱方程。同时获得了钻柱各种共振频率的分布。经分析表明：大位移井钻柱的横向振动和扭转振动的共振频率与实际钻井转速非常接近，应合理选择转速以减小钻柱共振的发生。文章的分析研究为大位移井钻柱动态行为的研究提供了理论依据。     

钻柱振动模态分析方法及其应用

根据振动理论和有限元方法,研究了钻柱振动的模态。考虑钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动之间的耦合关系,建立了钻柱振动分析的综合模型。结合实例研究了钻柱振动的固有频率及其振型,分析了跳钻和蹩钻情况下钻柱的共振频率及临界转速。该分析研究对探讨钻柱的动力学特性和现场钻具防断具有一定的意义。     

在役钻柱的纵向振动模型的分析与研究

钻柱振动分析是一个非常复杂的动力学问题,也是国内外钻井界正在深入研究的问题。实际钻井中的钻柱振动可能是纵向振动、横向振动或扭转振动以及它们相互祸合的振动,钻柱的疲劳破坏、粘扣现象和大部分刺扣泄漏事故也都与钻柱振动有直接关系,特别是与钻柱的纵向振动有关,为减少纵向振动在钻井过程中的危害,优化钻具组合避免纵向共振,建立了钻柱的纵向振动模型并给出了相应的边界条件、初始条件和振动方程,为进一步研究钻柱的振动问题打下基础。     

井下温度对钻柱扭转振动固有频率影响的讨论

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因,钻柱工作在井下的高温环境中,温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。分析了井下温度对钻柱扭转振动固有频率的影响,推导出了井下任意温度时钻柱扭转振动固有频率的计算公式。通过实际算例,讨论了井下温度对钻柱扭转振动固有频率的影响。分析结果表明:钻柱扭转振动固有频率随着温度的升高而降低,不管钻柱多长,二阶固有频率的降低幅度都大于一阶固有频率的降低幅度,但二者差别不大。当井下温度不超过200℃时,钻柱扭转振动固有频率的变化幅度不会超过常温下计算值的3.7%。当温度升高时,钻柱扭转振动固有频率的降低幅度与钻柱长度关系很小,可以忽略钻柱长度的影响。任意温度时钻柱扭转振动固有频率与温度成近似线性关系,可以根据常温下的计算值和温度变化值通过一个简单的一次函数来计算,避免了求解超越方程的困难。     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

气体钻井钻柱失效因素分析与对策研究

文章通过对2005～2021年期间川庆气体钻井所发生的76次断钻具故障的统计分析,认为气体钻井中钻具失效的主要原因在于钻具疲劳、钻具振动、化学腐蚀以及高速冲蚀破坏等几个方面。其中,采用空气锤钻进时,在冲击力作用下钻具的瞬时中和点上移,疲劳点不一定集中于近钻头的?228.6 mm钻铤;高频段的钻具振动对钻具产生的破坏影响较小,而低频段的钻具振动会引发低阶钻柱共振,进而引起钻具振动失效;在地层产水条件下实施气体钻井时,钻具易发生溶解氧腐蚀和二氧化碳弱酸性腐蚀,造成钻具的点蚀破坏;井底岩屑伴随高速气体呈间歇性的高速撞击钻柱形成冲蚀破坏,是造成钻具磨损失效的主因。基于上述原因分析,从优化钻具组合、完善雾化基液缓蚀工艺和气体注入参数等方面提出了具体的对策,为减少后期气体钻井过程中钻具失效机率做参考。     

气体钻井钻柱疲劳失效周期分析

钻柱的频繁失效严重制约着气体钻井的发展。为研究钻柱的疲劳失效周期,以深直井全井钻柱为研究对象,基于疲劳寿命预测的Forman模型,综合考虑深直井钻柱的动力学特性和气体钻井过程中局部热因素对钻柱疲劳寿命的影响,建立了气体钻井钻柱疲劳寿命计算方程。以川西某实钻井为例,利用建立的气体钻井钻柱疲劳寿命计算方程,对气体钻井条件下的钻柱疲劳寿命进行了计算,并与该层段钻井液钻井参数下的钻柱疲劳寿命进行了对比,初步获得了气体钻井与钻井液钻井的钻柱疲劳寿命关系模型。分析结果表明,气体钻井的钻柱疲劳寿命对初始裂纹非常敏感,初始裂纹越大钻柱寿命下降越明显;气体钻井各井段钻柱的疲劳寿命均明显低于钻井液钻井。      

陕北富县探区钻具失效原因分析及对策研究

统计分析表明，陕北富县探区频繁发生钻具失效的主要原因是钻具在井下承受的交变应力较大，从钻具优选、钻压和转速匹配、钻井液性能等方面优选了适合该地区安全钻进的钻具组合与工艺技术，从而减少了钻具失效事故的发生。以两口井为例，介绍了钻具失效事故的处理与预防，对今后钻井施工有一定的借鉴作用。     

气体钻井钻柱振动特性及控制措施

为解决气体钻井钻柱频繁失效的实际问题,综合考虑钻柱纵横扭耦合振动,根据气体钻井全井段钻柱系统动力学模型分析了气体钻井钻柱的振动特性,并从减振抑振角度提出了空气锤钻井工艺和采用减振减阻工具两种振动控制措施。以川西某实钻井气体钻进段为例,在利用美国ESSO公司现场数据验证全井段钻柱系统三向耦合振动力学模型可行性与结果可靠性的基础上,量化评价了常规气体钻井和采用振动控制措施气体钻井工艺的钻柱振动特性。对比分析表明,这两种工艺措施的减振抑振效果明显,不仅能够有效减弱气体钻井中下部钻柱的振动强度,而且使上部钻柱的动态应力也大大降低。     

气体钻水平井的钻柱振动分析

在水平井的钻井过程中,钻柱处于复杂的运动状态,振动是一种常见的现象,钻柱的共振是引发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大,容易失效。以气体钻水平井的钻柱为研究对象,利用ANSYS软件分析了钻柱的轴向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动,建立了钻柱各种振动的模型;通过实例分析获得了钻柱振动的规律,得到了水平井钻井过程中钻柱各种共振频率。该项研究为减少水平井钻具受损、优化钻井参数、避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。     

气体钻井钻柱动态应力特征

气体钻井的循环介质为气体,黏滞效应远小于泥浆,因此气体钻井钻柱的失效情况比较严重。针对具有超细长比特征的全井钻柱,加入钻柱与井壁的碰撞模型,运用有限元节点迭代法,通过对碰撞冲击应力条件下气体钻井与泥浆钻井的动力学特性分析对比,探讨了气体钻井钻具的失效机理。分析表明,气体钻井的涡动频率和涡动速度明显高于泥浆钻井,气体钻井时钻柱与井壁的碰撞更为频繁且冲击应力比泥浆钻井更大,成为导致其钻柱失效的主要因素之一。     

深井钻柱振动规律的分析及应

钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻柱的振动问题，以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动。首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型，获得了钻柱振动所遵循的物理规律，得到了钻柱的各种共振频率。然后，结合实际对振动规律进行了应用，该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。     

基于可靠性理论的钻柱疲劳寿命预测

钻井过程中极易发生钻柱疲劳失效事故,不仅影响钻进速度,而且大大降低了钻井效益,因此准确预测钻柱的疲劳寿命,对于提高钻柱的安全可靠性、减少钻井事故的发生具有重要意义。根据钻柱疲劳裂纹的扩展与钻柱的应力状态有关,首先对钻柱进行了应力状态分析,并进行了等效应力合成。在应力分析的基础上,结合可靠性理论,确定了影响钻柱疲劳裂纹寿命的随机性参数:钻压、转盘转速以及疲劳裂纹初始长度。结合Form an模型建立了钻柱I、III复合型疲劳裂纹扩展速率的计算模型。算例分析表明,该模型能够计算相应可靠度下钻柱疲劳裂纹的循环寿命,且计算结果与现场钻柱的使用寿命比较接近,能够满足现场钻井工程的精度要求。该模型具有一定的实用性,为钻柱疲劳寿命的准确预测提供了理论依据。