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。      

流体作用下钻柱运动状态试验研究

考虑钻柱在井口、井底的位移边界条件和力边界条件,建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置,进行了不同激振频率、不同轴向激振力、不同排量条件下的杆柱振动试验和不同轴向激振力、不同转速、不同排量条件下的杆柱旋转试验。试验结果表明,激振频率、转速和循环流体是影响钻柱运动状态的主要因素。在空气介质的情况下,随着激振频率的增加,杆柱的横向位移基本保持不变,轴向激振力、轴向加速度有显著增加;在循环流体作用下会减小轴向激振力、轴向加速度的增长趋势。在空气介质的情况下,随着转速的增加,轴向激振力变化不大,而钻柱的横向位移、杆柱轴向加速度均呈现出增加的趋势;但在循环流体的作用下,轴向激振力、振幅及钻柱的加速度振幅都降低,加速度振幅也显著降低。可见,流体循环可明显改善杆柱振动。     

井下钻柱振动信号的测量及振动激励源研究

为深入认识钻井过程中井下钻柱振动的特征、明确振动激励源,利用ESM存储式测量系统对某超深井旋转钻进过程中的振动信号进行了测量,并分析了钻柱粘滑和涡动的主要特征;以此为基础,分别采用快速傅里叶变换和短时傅里叶变换方法对钻柱振动信息进行频域和时频分析,确定了引起钻柱振动的主要频率,进而明确了其振动激励源。研究发现:钻柱发生粘滑运动时,三轴加速度呈同步周期性变化,其周期为10 s,主要频率成分为0.1 Hz;钻柱发生涡动时,三轴加速度均呈杂乱无章的不规则波动,主要振动频率为钻头转速的2倍频、转盘转速的1～5倍频。实例分析结果表明,引起钻柱涡动的激励源主要有钻头与地层的相互作用、稳定器或Power-V系统与井壁的摩擦等,为制定减振措施提供了理论依据。      

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。     

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.     

钻柱轴向振动仿真与井底状态监测方法探讨

在钻柱轴向振动的研究中 ,为了弥补先前的变量分离法和有限单元法存在的不足 ,提出了广义传递矩阵法。根据钻柱结构、受力和运动特性 ,建立了适合任意钻柱组合 ,且能真实反映钻柱系统的轴向振动的计算机仿真模型。引入描述钻柱轴向振动特性的广义状态向量 ,可简化复杂的工程计算问题。针对不同的测量方法 ,可仿真钻柱不同截面与不同功用的振动量。实现的两种仿真方案中 ,方案 (1)可用来优选钻头、优化设计钻具组合和优选钻井参数 ;方案 (2 )可用来随钻监测井底工况、井底岩石性质和钻头工作状态     

基于振动实测的非均质地层钻头失效分析与对策

四川盆地作为国内页岩气开发的重点区域,通过近几年的不断攻关和实践,机械钻速得到了提高,但由于受地层复杂、可钻性差、非均质性强等地质因素的影响,导致井下钻柱系统不良振动剧烈,容易出现钻头损坏严重、钻速较低等问题,严重影响了钻井时效。为了解决上述难题,以该盆地涪陵工区上二叠统龙潭组—中二叠统茅口组为例,采用井下振动高频测量工具的实测手段,测量了钻头—钻柱系统的动态振动加速度参数,结合地层的岩性和矿物组分分析,研究钻头失效原因与对策,并开展了现场试验。研究结果表明:①在非均质地层中钻进的钻头—钻柱系统产生了大于40 m/s~2的高幅值瞬时冲击振动,高幅值的瞬时冲击是导致钻头先期失效的主要原因;②提出了抑制高幅值的瞬时冲击振动采用"减振+增压"工具组合和避免井下工具共振的钻井参数;③采用钻井新参数的试验井比邻井的高幅值瞬时振动降低了17%,单只钻头进尺增加24%,钻头工作环境得到了较大的改善,钻头使用数量减少。结论认为,该研究成果能够有效地改善钻头—钻柱系统的振动状态,有利于达成延长钻头使用寿命的目标。     

岩性实时识别方法研究

钻柱振动信号是一种非常复杂的振动波,它包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动、钻头与地层相互作用所激发的振动,钻柱与井壁相互碰撞和粘卡 - 释放引起的振动等。研究表明,钻具振动的高频段是钻头与岩石作用时所产生的应力波,它能够反映出所钻地层的特性。岩石的力学性质决定了高频段振动波的能量大小和振动频率特征。试验数据表明,不同岩性的岩石在破碎时会产生一个或多个与岩性相关的主频,且谱峰的位置、谱峰能量的大小和谱峰的数目不同,从而为岩性实时识别和地层分层提供信息。在分析钻具振动影响因素的基础上,介绍了利用加速度传感器测量钻具振动的方法,通过频谱分析给出了四种典型岩石破碎时的频谱特征曲线,探讨了利用振动频谱特征进行岩性实时识别的方法。     

埋地天然气管道泄漏振动信号传播特性研究

埋地天然气管道泄漏引起的气流会推动周边土壤产生振动。通过测量加速度可对振动信号在土壤中的衰减进行测量,从而判断有无泄漏。通过模拟埋地管道气体泄漏,使用加速度传感器测量泄漏孔径2、4、6 mm,泄漏压力1.5、2.5、3.5 MPa工况下的加速度信号,分析了不同泄漏压力条件下的加速度信号在不同土壤介质的传播特性。结合ABAQUS软件对不同土壤介质的加速度衰减规律进行了仿真。研究结果表明,峰值加速度信号在土壤中呈指数衰减特性,试验结果与仿真结果符合较好。研究结果可指导埋地天然气管道泄漏监测传感器的选型敷设和天然气管道的施工,防止事故的发生。     

顶驱钻井柔性钻柱动力学特性分析

与单独分析钻杆纵向振动不同,将钻柱、吊环、顶驱装置、水龙头、起升系统和井架组成的柔性多体系统与钻井液、井壁耦合进行分析。首先推导了多体系统在耦合条件下起下钻过程钻柱系统纵振方程和频率方程,把内外钻井液对钻柱系统的作用力折算成等效的附加质量,运用Matlab编程计算,得到钻柱前8阶固有频率的理论解,并与采用Ansys软件计算得到的数值解比较,验证了理论推导的合理性;其次,针对钻柱提升或下放速度与加速或减速所延续的时间的比值与动载的线性关系,对钻柱系统进行谐响应分析,得出了不同v/t值下钻柱系统的动力响应。为起下钻过程中合理的起升、下放速度和时间参数设计提供了参考依据。     

井下振动测量、分析原理研究

为了揭示钻头、钻柱系统的复杂振动现象,摸清井下工具的工作动态,避免异常振动带来的损害,必须进行井下振动测量工具的开发和应用。在多坐标系钻柱运动分析模型的基础上,建立了井下振动的运动和测量方程,证明通过安装三轴加速度计可以进行多种形式的井下振动测量和分析,并且给出跳钻、黏滑、横向振动（冲击）和涡动等异常振动情况判断分析方法,为井下振动测量工具的开发及井下振动分析发展提供理论支持。     

新型减摩阻工具的射流振荡动力学机理

在水平井段钻进时,钻柱与井壁之间的摩阻将抵消一部分钻压,使钻压很难传递到钻头,降低了钻压传递效率。为了降低钻井摩阻、提高钻进效率,研制出了一种新型射流振荡减摩阻工具(以下简称新工具),开展了新工具的动力学和振动减摩阻特性研究,进行了新工具算例分析与室内实验测试,并对其结果进行了对比分析。研究结果表明:①新工具能够产生射流振荡效果,形成脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,减小钻柱与井壁之间的摩擦阻力;②结合实际工况条件,随着钻压和转盘转速增大,钻头转速波动范围增大,产生钻柱黏滑现象的可能性降低;③算例分析与实验测试结果得到的振动速度均呈现明显的非线性规律,能够反映钻柱的真实振动特性。结论认为,算例计算与实验测试结果一致,验证了新工具结构设计的合理性和计算结果的准确性;新工具有效降低了水平井的钻井摩阻,不仅为实现油气井高效钻井提供了技术支持,也为新条件下的油气井钻井工具开发提供了参考。     

钻柱纵向受迫振动的广义传递矩阵法

钻柱纵向受迫振动的研究在钻柱的三种振动形态中最为重要。本文建立了能更真实反映钻柱系统的纵向受迫振动模型,此模型适合于任意组合钻柱。分析钻柱各种能量损耗后,给出钻柱纵向振动时的阻尼系数计算公式。根据钻柱纵向受迫振动的特点,本文提出广义状态向量的新概念,并且用此向量描述钻柱的振动状态。用广义传递矩阵方法研究钻柱纵向受迫振动的一般规律,克服了直接求问题的解析解存在的困难。文章给出计算任意组合钻柱系统的纵向受迫振动的稳态响应的一般公式和不同测量条件下求状态向量的不同途径。     

钻柱瞬态动力学失效分析

目前钻柱瞬态动力学的研究大部分处于理论阶段,计算工作量大,而且针对钻柱的动态失效分析还比较少。为此,考虑钻柱轴向力的作用,在一定条件下发生屈曲,诱发横向振动,使钻柱的一些部位与井壁碰撞,建立钻柱的动力学模型;通过ANSYS软件,用Newmark方法,分析钻柱承受任意随时间变化的钻压的动力响应,提取钻柱上的危险点。实例计算和分析结果表明,钻柱的实际断点一般都接近危险点,且断点处交变应力的变化幅度比较大,从而为钻柱的失效和断裂提供了理论依据。     

自动垂直钻井中井斜动态测量理论与实验研究

井斜动态测量是指在钻井过程中对井眼的井斜角、工具面角等物理量的实时检测和信息的提取,比静态测量复杂,钻具的振动和转动均会导致相应的井斜测量信号严重失真,但其中的振动信号可用低通滤波器滤除,而钻具转动对加速度计所产生的离心力导致的测量信号的失真,则必须通过诸如转速补偿之类的修正才能去除.低通滤波器可选用一定阶数和转折频率的巴特沃斯滤波器,而加速度计输出的转速补偿则须预先对加速度计进行标定.利用专门的实验装置对井斜动态测量的方法及其具体实现进行了有效的验证.     

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。     

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文章分析研究了大位移井钻井过程中对钻具破坏很强的一种扭转振动：“粘滞—滑动”,这种振动在大位移井钻井过程中发生的概率比较大,表现为或停或转的状态,转动的瞬间钻头以很大的速度冲出,引起钻头与地层、钻柱与井壁强烈碰撞,因此引起钻具失效。通过建立大位移井钻柱的等效扭转摆模型,分析了在钻头与地层扭矩及钻柱与井壁间摩阻扭矩作用下钻柱的动态行为,给出了钻柱所受摩阻力与钻柱动态位移之间的函数关系。分析了钻柱“粘滞—滑动”振动所遵循的物理规律,获得了大位移井“粘滞—滑动”共振频率的分布。结果表明：大位移井的“粘滞—滑动”现象表现为低频反应。根据“粘滞—滑动”共振所满足的条件,通过调整钻井参数可以避免“粘滞—滑动”现象的发生;扭转负反馈对“粘滞—滑动”现象有一定的阻碍作用。该问题的分析结果具有较高的理论价值和实际意义,对大位移井钻进中如何减少钻具失效问题提供力学依据。     

径向振动对旋转钻柱摩阻扭矩的影响

大位移井已被广泛应用于非常规油气资源的勘探开发当中，但在大位移井大斜度稳斜段钻进过程中，如果扭矩过大易造成钻柱失效，而目前关于水平段径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响规律的研究则较少，并且多集中于产生径向振动工具研制和摩擦系数测量等方面。为此，在分析径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响原理的基础上，设计了不同型号截面外形为椭圆形的钻杆减磨接头模型；采用自行研制的减摩降扭工具性能试验装置，对不同钻速、转速条件下安装有不同钻杆接头模型的水平旋转钻柱进行扭矩测试；进而探究了径向振动对钻柱摩阻扭矩的影响规律。研究结果表明：①随钻杆接头椭圆截面长短轴半径比的增大，扭矩均值和扭矩波动最大幅值均先减小后增大，长短轴半径比为1.065时，扭矩的均值和最大幅值均明显降低，可以起到减摩降扭的作用；②减小钻速和转速，可以降低扭矩均值；③转速超过45 r/min后，扭矩最大幅值随转速的增加变化不大；④扭矩波动基频与转速呈近似线性关系，与钻速和长短轴半径比无关。结论认为，该研究成果可以为大位移井水平井钻柱接头设计与应用提供帮助。