钻柱的粘滑振动

粘滑振动作为一种新的机理被用来解释油气井钻探中的大幅扭转振动。按照新的机理,油田数据记录被确证与模拟。从数值模拟得到的分析结果以95.6％的精度与油田数据一致。钻柱粘滑振动之物理现象可用相平面中相轨迹的产生加以解释。钻井中的冲击现象也可用粘滑振动来解释。本文将讨论粘滞阻尼、转速与固有频率对粘滑振动的影响。     

钻柱的粘滑振动规律分析

钻柱的粘滑振动是由强烈的扭转振动和井下摩阻导致的一种破坏性极强的扭转振动。这种振动表现为,在一段时间内钻头静止不动,当加在钻柱上的扭矩足够大时,钻头突然高速转动。首先建立一个钻柱粘滑振动力学模型,分析了粘滑振动的运动方程,得到钻柱粘滑振动的一般规律。钻柱的粘滑振动是一种强烈的低频振动,在振动过程中钻头的瞬时转速很高,最大转速甚至超过了转盘转速的2倍。讨论了钻柱长度对钻柱粘滑振动的影响,随着钻柱长度的增加粘滑振动的频率降低,钻头最大转速增加,粘滑振动更加剧烈。     

大位移井钻柱粘滑振动机理分析及减振研究

通过将钻柱系统等统一成一个集中质量摆,分析了在非线性钻头扭长和钻柱与井壁间摩扭矩作用下钻柱系统的稳定性,并从钻柱氯转振动能量度,阐明了钻柱产生的粘滑振动的原因,在对非线性钻头扭矩和钻柱与井壁间摩扭矩进行适当简化的基础上,给出了钻柱产生的粘滑振动的判别式,分析了钻柱粘滑振动的影响因素及防止和消除钻柱粘滑振动可能 的途径和措施,并对顶部扭矩负反馈减振方法进行了讨论,给出了其数值模型拟结果。     

钻柱粘滑振动仿真和控制策略研究

在深井和超深井钻探过程中存在钻柱粘滑振动,不仅造成机械钻速降低,驱动能量浪费,而且会加速钻具的老化和失效,严重威胁钻井安全。以钻柱旋转系统为研究对象,建立转盘、BHA(Bottom-Hole Assembly)和钻头的二自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转刚度、粘滞阻尼和岩石钻头相互作用等高度非线性摩擦。通过MATLAB/Simulink仿真模块对该模型进行仿真试验,分析了实际钻井过程中钻柱产生的粘滑振动特性。为抑制钻柱的粘滑振动,设计1套基于PID控制策略的双闭环控制系统。该研究结论对工程实践中钻柱粘滑振动的抑制具有重要意义。     

深井钻柱粘滑振动特性分析

粘滑振动严重影响钻柱系统的机械钻速,进而增加钻井成本,影响完井周期。为研究深井钻柱系统的粘滑振动特性,采用集中参数模型,通过钻头与岩石相互作用原则,既考虑钻头的摩擦作用,又考虑钻头的切削作用,建立钻柱系统轴向和扭转的耦合振动无量纲控制方程。基于MATLAB/Simulink软件对钻柱系统振动响应进行数值求解,分析了无量纲化控制参数,即转盘角速度、钻压以及粘性阻尼比、刀翼数对钻柱粘滑振动特性的影响。结果表明,确定的钻柱结构和系统参数存在发生粘滑振动的临界值,增大转盘转速、减小钻压、增大阻尼比到临界值时,钻头粘滑振动消失,同时增加刀翼数也会使粘滑振动得到抑制。     

超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析

粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论。采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征。结果表明:实测井段发生了大量的粘滑振动,粘滑振动频率约为0.11 Hz,粘滑振动周期约为9.0 s,粘滞时长达4.0 s,滑脱阶段井下钻柱转速最大达330.0 r/min,约为地面转速的2.75倍;粘滑振动与地面测量扭矩波动具有很好的对应关系,说明可以通过地面测量扭矩特征初步判断井下钻柱是否产生粘滑振动。频域分析结果表明,当发生滑脱运动时,径向加速度的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值最大,同时还包含横向共振频率和与井壁接触产生的外激励频率等,但轴向振动的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值较小,表明钻柱粘滑振动过程中扭转振动最为突出,并存在强烈的横向振动和较弱的轴向振动。研究结果对描述粘滑振动的特征、判断超深井钻井过程是否发生粘滑振动和及时采取消除粘滑振动技术措施具有指导作用。      

钻柱力学研究现状及进展

钻柱力学是井眼轨道设计和控制、钻柱设计及钻井参数优选的基础。从钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态、钻柱动力学基本方程、钻柱的拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱振动与涡动等方面分析了钻柱力学的发展状况。钻柱力学已经形成了比较完整的理论体系。钻柱静力学发展快，计算精度高。动力学发展则滞后较大，还有很多问题没有解决。结合现代钻井技术的发展趋势，对钻柱力学研究的未来走向做了初步探讨。基础理论研究、系统控制论理论与研究方法、动态特性测试及虚拟仿真技术将在钻柱力学的未来发展中扮演重要角色。     

井下钻柱纵向振动特性分析

针对钻柱纵向振动影响钻头寿命和加剧钻柱疲劳破坏的问题,把整体钻柱作为研究对象,建立钻柱振动方程,采用动力有限元方法求解该模型。研究表明,稳定器的数量及尺寸等参数对钻柱组合的纵向振动力影响不大,给出的钻柱纵向振动分析动力学模型和求解方法合理有效。     

旋转钻柱涡动规律的理论分析

本文对钻柱在井中的运动规律进行了较详细地分析，不仅再次说明了钻柱展到反向进动。文中给出钻柱从自转开始直到与井壁发生碰摩或涡动的具体变化过程和条件，并对其力学机理给予合理的解释。     

多自由度钻柱参数激励振动的理论分析

对于多自由度的钻柱系统，由钻压波动所激发的参数激励振动进行了比较详细的理论分析，从多自由度情况下的变参数钻柱横向振动方程出发，针对各种不同边界条件，利用多尺度方法对其振动响应、动力失稳等现象予以分析和讨论，并求出了多自由度钻柱系统参数激励振动的近似解。参５     

钻井管柱振动信号系统仿真研究

为了了解管柱内部信号传递的过程与规律以及各种信号的组成,通过建立信号传递过程模型,基于Windows平台,利用Delphi开发工具开发了管柱振动系统仿真软件,对管柱振动信号进行了仿真分析,提出了开展管柱振动信号测试分析的步骤和方法,同时利用室内管柱振动试验对该方法的有效性进行了验证。分析结果表明,管柱振动信号波形大体上分为结构类信号和传递类信号,结构类信号在时域上往往在特定的时刻出现,传递类信号往往随测量系统的变化而相应变化;在管柱物理参数不变的情况下,可以利用结构类信号来确定管柱的几何结构以及撞击信号的源特征;通过分析传递类信号的变化规律可以获得管柱长度、敲(撞)击位置、传播速度、透射系数及反射系数等各种有用信息。研究结果为新的管柱振动信号解释方法的创立创造了一定条件,也为井下管柱的故障诊断、定位,管柱系统特性参数的确定以及信号分析提供了依据。     

井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响分析

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因之一，钻柱工作在井下一个高温的环境下，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轴向振动固有频率的影响，推导出了井下任意温度时钻柱轴向振动固有频率的计算公式。通过实际算例，分析了井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响。计算结果表明：钻柱轴向振动固有频率随着温度的升高而降低，其降低的幅度随着钻杆长度的增大而增大；当井下温度不超过200℃时，钻柱轴向固有频率的变化幅度不会超过常温下计算值的6．7％。任意温度时钻柱轴向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值通过一个简单的一次函数来计算。     

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。     

基于加速度传感器的钻柱振动测量方法研究

为了预防钻柱振动失效,采用加速度传感器测量钻柱的纵振、横振、扭振及耦合振动。给出了加速度传感器在钻柱上的安装位置和数量,建立了加速度传感器测试信号值与钻柱振动值的关系式。采用ANSYS数值仿真软件模拟了钻柱的4种振动工况,数值仿真得到的钻柱振动加速度值与理论计算结果误差<5%。为钻柱振动测量工具的设计提供了理论依据。     

固液耦合工况下钻柱的扭振频率分析

采用ANSYS有限元分析软件对钻柱在固液耦合工况下的扭振频率进行分析,得到了钻柱的前5阶扭转振动固有振型,并对钻井液、钻铤长度、钻柱长度等因素对钻柱各阶扭振频率的影响进行研究.结果表明:钻铤长度、钻柱长度均对钻柱的扭振频率有较大的影响,可以忽略井筒中钻井液、轴向载荷等因素对钻柱扭转振动的影响.     

钻柱振动录井的研究现状及发展趋势

钻进过程中钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,这种振动携带了井下钻头、所钻地层和钻柱的信息.利用在钻柱顶部测量的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的技术称之为钻柱振动录井.对钻柱振动录井技术的基本原理、钻柱振动特征、测量仪器、数据处理方法和存在的主要问题及发展趋势作了系统分析,认为:钻柱振动录井可用于井下工况监测、地层评价与钻前预测,具有很好的发展前景;钻柱的传播效应使井下振动信号发生了强烈畸变,发展钻柱振动录井的关键是引入新型信号分析方法,分离钻头、钻柱、地层信息,有前景的方法包括反褶积、小波分析、独立成分分析等;无线传输、多参数、多分量钻柱振动测量手段的应用将有助于信号分析和井下信息提取.     

反转激发的以拍形式存在的钻柱横向振动

在钻井过程中,横向振动对钻柱的影响十分显著。为了解决横向振动造成的钻柱失效问题,建立了钻柱横向振动的微分方程,获得了钻柱横向振动的基本规律。结合大庆油田升深7井,对钻柱横向振动进一步分析得到:反转是造成横向振动的主要原因,反转转速与环隙比有关,当环隙比较小时,反转转速与自转转速基本呈线性关系,当环隙比较大时,反转转速会出现偏离理论值的现象; 在研究钻柱横向振动时,钻柱横向振动固有角频率不仅与钻柱本身的性质有关,还与钻柱所受静态轴向载荷有关,钻柱振动部位距中和点的距离不同,重力与浮力对钻柱振动频率的影响也不同; 反转所激发的横向振动一般以拍的形式出现,由弯曲应力波叠加而成; 在钻柱既有反转又有自转的情况下,当弯曲应力角频率与钻柱横向振动固有角频率接近时,钻柱发生横向共振。     

小波理论在钻柱振动谱分析中的应用

在钻井过程中,钻头与井底岩面之间的冲击、钻柱与井壁之间的碰撞常引起强烈的振动。钻柱振动与钻压、转速、地层岩性、井身结构、钻头磨损状况等有关。它能引起钻柱的疲劳破坏,严重时可造成钻具断落及其它井下事故,甚至导致整个井眼报废。傅立叶方法分析钻柱振动谱,解释效果不理想,而小波分析能对各种时变信号进行有效的分解,能在不同频段上更细致地研究钻柱振动信号特征。在快速傅立叶变换方法的基础上,利用小波理论开发出了小波细化分析方法和小波包方法。经过室内实验和现场测试检验,小波分析能更清楚地反映数据的特征,得到的谱图更清晰,不仅为钻井工程监测和故障诊断提供依据,而且有助于建立钻井工况故障档案。