水平井侧钻过程中钻柱横向振动规律的研究

在水平井的侧钻过程中,钻柱很容易发生横向振动,引发钻柱失效、井眼扩径等严重事故。鉴于此,全面地分析了侧钻水平井钻柱的横向振动,以近井底长钻柱单元为研究对象建立了这种振动的力学模型,研究了横向振动的动力学规律,获知了钻柱横向振动的共振频率的分布规律。振动规律的实际应用反映了钻柱横向振动规律理论分析的正确性。侧钻水平井钻柱横向振动规律的研究对水平井在侧钻过程中保持井壁稳定、减少钻柱失效、提高钻速和降低钻井成本具有重要的理论价值和实际意义。     

钻柱在内外钻井液流共同作用下的横向振动

利用固液耦联振动理论的较新研究成果，在建立考虑内外钻井液液动压力的钻柱横向振动数学模型基础上，给出了求解其固有频率和振型函数的方法和步骤，并就钻柱在内外始并液流共同作用下的钻柱横向振动问题进行了机理分析。     

钻井液对钻柱横向振动和稳定性的影响

作者在假设无扶正器的钻柱为均质等截面弹性管、两端为铰支座的条件下,研究了钻井液流动对钻柱横向振动和稳定性的影响,导出了振动的频率方程和失稳的临界方程。钻井液在钻柱内流动将增加钻柱横向振动惯性质量、侧向惯性作用力和诱导钻柱振动。当钻柱的轴向力一定时,钻井液流速增大,钻柱横向振动频率降低。流速大于钻柱振动基频为零的流速时,钻柱将发生失稳现象。     

钻柱外钻井液对钻柱横向振动的影响

将钻井液假设为理想流体，在不考虑钻井液沿轴向流动的情况下，引入附加质量和附加质量系数的概念。讨论了钻柱与井壁环形空间内钻井液对钻柱横向振动的影响。举例计算结果表明，钻柱外钻井液所引起的附加质量与钻柱本身的质量为同一数量级，尤其当井筒直径相对较小时，附加质量与钻柱本身的质量几乎相等。在对钻柱进行动力学分析时，这一有限空间内的钻井液对钻柱横向振动的影响是不可忽视的，而这种影响主要取决于井筒直径和钻柱外径的比值。     

深井高温对钻柱横向振动固有频率影响研究

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因。钻柱在深井段处在一个高温的环境下,温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。为此,分析了井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响,推导出井下任意温度时在轴向力作用下钻柱横向振动固有频率的计算公式。通过实际算例,分析了考虑轴向力因素时井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响。计算结果表明随着温度的升高,钻柱横向振动的固有频率逐渐降低,其降低的幅度随着轴向压力的增大而增大;轴向压力较大时,温度对钻柱横向振动一阶固有频率的影响远大于对二阶固有频率的影响;轴向压力对钻柱一阶固有频率随温度变化的影响程度远大于轴向拉力的影响程度。     

井下温度对钻柱横向振动固有频率的影响

在钻柱横向振动固有频率一般表达式的基础上，研究了井下温度对钻柱横向振动固有频率的影响，结果表明：随着温度的逐渐升高，钻往横向振动的固有频率逐渐降低。给出了按常温算得的钻柱横向振动因有频率加上一个修正项来计算井下高温条件下钻柱横向振动段固有频率的具体公式及计算实例。     

钻柱横向振动中钻井液阻尼问题的理论分析

本文从理论上分析和讨论了在钻柱系统发生横向振动时钻井液流体对它的阻滞作用,并推导给出了求解钻柱横向振动中钻井液阻尼系数的具体表达式。     

钻柱横向非线性振动分析

以往的钻柱横向振动研究大都忽略了非线性因素, 为此应用摄动法分析了钻柱横向非线性振动, 推导出钻柱横向非线性振动的频率和主振动的一次摄动解公式。分析公式表明, 钻柱横向线性振动仅是钻柱横向非线性振动的一种特殊情况; 非线性因素提高了钻柱横向振动的频率, 改变了主振动的性态, 使其不再成为简谐运动; 非线性因素对频率的影响程度随着振幅、轴向压力和钻柱长度的增大而增加。对于受较大轴向压力作用长钻柱的横向振动, 应当考虑非线性因素的影响。     

钻柱在钻井液反馈影响下的横向振动

在假设钻柱为无扶正器的均质等截面弹性管，且两端为铰支的情况下，既考虑钻柱内钻井液流速和轴向力对钻柱振动的影响，又考虑振动的钻柱对钻井液的反馈影响，建立了钻井液在钻柱内流动时钻柱横向振动微分方程，推导出钻井液波动压力计算式，并给出了钻柱横向振动固有频率方程。定性分析时取频率方程前两阶进行近似计算，讨论了钻井液滚动压力对钻柱固有频率的影响。     

对钻柱在反转情况下横向振动规律的研究

目前对钻柱横向振动的研究基本上忽略了横向振动的激发来源和轴向力的存在。文章针对钻井工程中钻柱横向振动的实际情况,建立力学模型。从理论上分析了轴向载荷存在的情况下钻柱横向自由振动的规律,获得了钻柱横向振动固有频率。提出了钻柱反转自激横向振动,分析了钻柱的横向最大弯曲挠度、弯曲应力与钻柱的横向固有频率的关系。为进二步解决钻柱的横向振动问题奠定了基础。     

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。     

基于相似理论的水平受压钻柱试验装置研制

为了对水平井受压钻柱的动力学特性进行研究,基于相似理论推导杆柱的运动学微分方程,得出试验模型与现场原型之间参数的对应关系,研制了水平受压钻柱试验装置。该装置能够模拟水平井钻柱的钻压、转速、扭矩、激振频率、钻井液流动、钻柱与井筒之间的摩擦等工况,能够实现对水平井钻柱运动状态的实时监控,并据此得出钻柱的振动机理。通过轴承-转子系统动力学理论得到杆柱的运动学微分方程,并由相似理论推导出了水平受压钻柱运动状态试验研究所遵循的相似准则。研究内容能够为水平井技术的参数优化和水平井钻井装备的研制提供理论指导。     

热采水平井弯曲段套管柱失效载荷分析

热采水平井中套管柱受各种载荷耦合作用会产生应力集中而损坏。为此,采用有限元方法对热采水平井弯曲段套管柱失效载荷进行了分析。在建立套管柱受力等效模型和有限元计算模型之后,分析研究了多种载荷耦合作用下套管柱失效的临界应力和临界应变。研究结果表明,套管柱应力值和应变随着地层深度的增加和注汽温度的升高而增大,对于井眼弯曲段套管柱,井眼曲率越大,管柱应力值和应变越大。建议进行热采水平井套管柱设计时采用高强度管材,以提高材料屈服极限,减小轴向应变。     

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。     

深井钻具纵向振动规律分析研究

以深井中的整体钻柱为研究对象 ,建立了深井钻柱一维纵向振动分析模型 ,采用动力有限元理论建立了描述钻柱振动的动力学方程 ,并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件 ,最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析计算。通过对现场的统计分析发现 ,该分析计算结果具有很高的实用价值 ,对今后深井钻进中提高钻井效率、减少钻具失效有一定的指导意义     

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。     

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.     

横向振动对水平井眼中钻柱摩阻的影响研究

激振力的幅值和频率是影响横向振动类减摩阻工具性能的主要参数,利用自行研制的旋转激励载荷作用下摩擦力测试试验装置,研究了激振力的幅值和频率对钢-石板平面摩擦副摩擦系数的影响规律.试验结果发现,在激振频率为5,10和20 Hz条件下,与未施加激振力时的摩擦系数相比,当激振力增加到34.2 N时,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数分别减小21.6%,29.0%及34.4%;在激振力为11.4,22.8和34.2 N条件下,与未施加激振力时的摩擦系数相比,当激振频率增加到30 Hz时,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数分别减小22.8%、27.4%及39.0%.研究结果表明:在相同激振频率下,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数与激振力幅值呈线性负相关;在相同激振力幅值下,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数与激振频率呈对数负相关.      

水平井钻柱中传输井下信息声波频率的选择

水平井水平段钻进的钻柱具有独特性,且钻进时传输的井下信息量大,传输速度要求高,因此探索在水平井内利用声波来传输井下信息非常必要。利用有限差分法对加重钻杆及普通钻杆内声波传播的频谱结构进行了计算分析,对φ127.0 mm加重钻杆及普通钻杆、φ139.7 mm加重钻杆及普通钻杆中声波传播的频谱结构差异进行对比,探讨了材料差异对声波频谱的影响。研究结果表明,相同材料加重钻杆的频谱结构与普通钻杆相比,阻带宽度产生变化,通带中心位置基本不变;2种结构通带的交集随着频率的降低而增大;通带顶端毛刺的波度幅值变大、数量变少。φ127.0 mm加重钻杆与φ139.7 mm加重钻杆的频谱结构基本无差异。加重钻杆材料差异导致频谱结构变化较大,实际选频中不可忽略此差异。水平井钻柱中传输井下信息声载波的频率应该全面考虑上述因素,选择在频谱结构中通带的交集范围之内。     

水平井双封隔器管柱力学分析

水力压缩式封隔器在坐封时会使管柱产生轴向应力,严重时会影响管柱的强度。以水平井双封隔器管柱为研究对象,考虑2个封隔器分别坐封时井口压力的大小,基于拉梅公式、广义胡克定律和杆件变形理论,推导了在井口压力的作用下管柱的轴向力、轴向应力及变形量计算公式。计算结果表明,当封隔器Ⅰ、Ⅱ先后以10 MPa和15 MPa井口压力坐封时,封隔器Ⅰ、Ⅱ之间的管柱轴向应力由49.94 MPa降低为15.08 MPa,而弯曲段到封隔器Ⅱ之间的管柱轴向应力由58.05 MPa 增加到107.96 MPa。由此可知,后坐封的封隔器会使其到弯曲段的管柱轴向应力增加,而使其到先坐封封隔器的管柱轴向应力降低,所以管柱的危险截面出现在后坐封的封隔器到弯曲段之间。