空气钻井条件下钻柱振动特性研究

空气钻井过程中钻柱损坏问题严重,直接影响到了钻井成本并威胁钻井安全,共振是引起钻柱失效的主要原因之一,故需要对其振动特性进行分析和研究。为此,在理论分析的基础上,建立了钻柱振动有限元模型,利用ANSYS软件对空气钻井钻柱振动特性进行了数值模拟。研究结果表明：扭转和纵向振动固有频率数值较大,共振区域窄;横向振动固有频率很小且各阶频率间隔小,共振区域宽;钻柱扭转、纵向振动和横向振动特性受钻柱长度影响很大;空气钻井中钻柱纵向振动和横向振动的固有频率比常规钻井中钻柱振动的固有频率要高很多。谐响应分析结果表明：钻井液的存在使钻柱低频共振响应显著加强,而高频共振减弱;钻井液对钻柱安全有着积极的影响。在进行空气钻井时,需要根据不同的钻柱长度和钻柱组合,动态选择合理的转盘转速。该研究成果对空气钻井转速优选具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

大位移井井下钻柱耦合动力学分析研究

兴古7-H173大位移作业工况复杂,井下钻柱由于钻压、转速等因素容易发生耦合振动,研究大位移井井下钻柱纵向、横向、扭转三维耦合振动规律对减少钻具疲劳失效至关重要。文章建立大位移井钻柱耦合动力学有限元模型并求解,模型主要考虑了三维振动位移随时间的变化,同时考虑了井底钻压波动对耦合振动频率的影响,结合理论和现场进行分析,通过数值模拟发现,钻具耦合振动存在周期性变化规律,井底钻压波动越大,井下钻柱耦合振动频率幅值越大,但振动周期未发生明显改变,振动频率在一阶固有频率与二阶固有频率幅值之间的波动范围减小;转速越高,振动周期明显减小,振动频率在一阶固有频率与二阶固有频率幅值之间波动范围减小,越容易达到共振幅值。通过现场试验可以发现,井下钻柱振动存在周期性波动,高钻压、高转速条件下井下钻柱振动明显加强,而降低钻压、转速,振动明显减弱,与数值模拟规律接近,具有一定适用性,为大位移井下钻柱振动研究提供了可靠性意见。     

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。     

钻柱轴向与横向耦合振动的有限元分析

钻柱在钻井施工过程中的受力状况十分复杂,钻柱轴向与横向振动的耦合影响着整个钻进过程。以定向井钻柱为研究对象,利用有限元法建立了对整体钻柱进行受力分析的数学模型。在对钻柱单元进行线性分析的基础上,考虑钻柱横向振动对轴向变形的影响,建立了钻柱耦合振动的动力学方程,编制了计算程序,计算出了钻柱发生轴向与横向非线性耦合振动的共振频率。     

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     

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。     

钻压波动导致的钻柱参激振动分析

研究和探讨了钻柱轴向压力随时间变化时所激发的钻柱振动问题，建立了变参数的钻柱横向振动方程，然后利用多尺度方法对这一钻柱参激振动响应及动力失稳进行了分析和计算。     

三牙轮钻头钻进时钻柱轴向振动的特征

由于三牙轮钻头的特殊几何结构,钻进过程中在岩层顶部容易形成一个三脊状井底,正是这一三脊状井底,当钻头旋转一周时钻柱轴向三次凸凹变化,由此在轴向产生1倍、2倍和3倍及其更高次倍于转盘转速rpm的谐波振动.另外,三牙轮钻头与地层作用破岩时牙轮牙齿产生啮合振动,由于三脊状井底对啮合振动进行幅度调制形成调幅信号,根据调幅信号的频率特征,振动信号在频域表现为具有一定边带的一束谱线,它是钻头工作正常的“健康信号”.本文总结出了三牙轮钻头钻柱轴向振动的一般规律,并通过华北油田固108井实际测量数据分析,这一特征已经得到现场数据的验证.     

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。     

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。     

钻井液液动压力对钻柱纵向振动的影响

从理论上研究了钻井液在钻柱弹性振动下的液动压力对钻柱纵向振动的影响,建立了考虑钻井液液动压力的钻柱纵向振动微分方程,并给出了这种情况下钻柱纵向振动的频率方程。     

深井中钻柱动力学机理研究

为合理设计深井中的钻柱结构，提高钻具寿命，防止井下断钻具事故，讨论了钻柱的纵向振动、横向振动、扭转振动及进动之间的相互耦合关系，并指出了钻柱振动的危害和减少振动的现场措施。介绍了两种研究钻柱振动动力学的方法──有限元法和机械阻抗法。经举例说明深井中大井眼小钻铤的危害性，认为大井眼小钻铤的环空较大，钻铤的刚度较弱，在轴向力作用下易屈曲，激发横向振动，且钻铤的横向变形较大，因振动引起的交变应力也较大；纵向振动易出现动力失稳而诱发横向振动，横向振动又易诱发扭转振动。建议使用大井眼大钻铤设计方案。     

导致钻铤失效的井下振动分析及其解决方案

在某些区块或地层尤其是大井眼钻进时,因井下存在较为严重的振动,钻铤出现频繁的疲劳破坏,且多数刺漏、断裂处于螺纹根部。分析上述钻铤失效的原因后发现:井下严重的振动所引起的循环往复弯曲应力导致了该种疲劳破坏。为此,对井下振动模式进行理论分析,包括纵向振动、横向振动和粘滑(扭转)振动及力学界建立的物理模型,从理论角度剖析了实际井下不同振动形式可能产生共振的危害和理论依据;然后根据钻柱井下横向振动情况及涡动规律,分析了根据既定的边界条件确保稳定的钻井参数的最佳区域,阐释了在最佳区域内钻井,既可以保持钻具的稳定或消除涡动和粘滑振动以获得最大机械钻速,还可以减少或消除下部钻具尤其是钻铤的交变应力疲劳的认识。最后提出了减弱和消除井下振动的解决方案:(1)根据特定的钻具组合、钻井环境,运用上述建立的物理和数学模型,可以较为方便地计算出应该避免的可能引起井下共振的转速及相关参数,且共振转速恰恰就是最佳防振转速,利用井下振动分析软件在钻具组合设计和现场施工时可以避开共振频率;(2)V形扶正器是一种新颖且高效的减弱和消除井下横向和粘滑振动的工具。