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。     

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。     

PDC钻头粘滑振动机理分析

建立扭转摆理论分析模型及钻头的运动方程,分析钻头粘滑振动的边界条件,研究钻头的运动形式及粘滑振动机理与影响因素。结果表明:钻头切削岩石时主动扭矩的循环积聚与释放以及钻柱与井壁的摩擦是引起粘滑振动的主要原因;钻头不稳定的受力是造成PDC钻头失效的主要原因。粘滑振动与钻井参数、地层特性、钻具参数及钻井液性能等有关,调整钻井参数,或使用水力加压器、扭转冲击器等工具可以减少振动。     

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。     

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。      

PDC钻头扭转振动特性分析及减振工具设计

为了抑制PDC钻头在钻进过程中的扭转振动,建立了PDC钻头的扭摆模型,对PDC钻头切削齿切削岩石时的受力情况进行了分析,得出钻压和扭矩之间的关系,分析了钻压的波动对PDC钻头扭转振动的影响,根据分析结果设计了PDC钻头扭转振动的减振工具,给出了工具中螺旋升角的设计准则。研究结果表明:钻压的波动会直接造成PDC钻头的扭转振动,且钻压的波动幅度越大,PDC钻头的扭转振动越严重。设计的减振工具是通过将一部分波动的钻压转换为切削扭矩的方式来实现钻头处扭矩的平衡,从而抑制扭转振动,工具中螺旋升角的取值与PDC钻头切削齿的后倾角相关且成反比。研究结果为抑制PDC钻头的扭转振动提供了理论依据。     

钻具粘滑现象分析及软扭矩系统在长北气田的应用

钻井过程中钻具经常会因扭矩过大而"憋停",当扭矩达到某一值后钻具会突然快速释放,这种现象通常称为钻具粘滑。钻具的粘滑经常伴随井下震动,容易引发金刚石钻头崩齿,从而缩短钻头寿命,也会引起井下仪器(MWD/LWD)失效。钻具的粘滑跟井下钻具组合和所钻地层岩性有关。粘滑现象是一种阈值现象,即低于临界转速粘滑就会发生。软扭矩系统针对粘滑现象作用机理而研发,通过降低临界转速,有效地控制了钻具粘滑。该系统在长北气田进行了推广应用,从源头上消除了钻具粘滑现象,保护了钻头和井下仪器,应用效果良好。     

井下粘滑振动强度量化评估方法研究与应用

井下钻具粘滑振动是影响钻头破岩效率,引发钻具失效的主要因素之一。建立井下钻具力学模型,能够量化评价粘滑振动强度、提高钻头破岩效率、降低钻具事故。为此,依据粘滑振动表现特征定义了三种主要类型粘滑振动。在牛顿运动方程的基础上,建立了频率域下,单自由度、有阻尼钻柱受迫粘滑振动预测模型,对描述井下钻柱受力状态更加准确。在此基础上,采用半解析传递矩阵方法建立粘滑振动状态下钻柱各点内力波动变化与地表参数变化特征响应关系,减少了模型求解所涉及到的未知变量,提高了计算效率。同时,将粘滑振动状态下的钻柱响应特征的表征参数整合成一个综合指数,实现了粘滑振动强度量化评价。井下振动存储式测量短节对模型计算结果现场试验验证,振动强度计算结果与实际测量值基本相符,机械钻速同比提高20%以上。 建立的井下粘滑振动强度评价方法能够改善钻头破岩效率并保护钻具。     

泵站输油管道振动原因及减振方法研究

在载流管道系统中,任何一个局部振动都会引起整个系统的振动,这些振动有的来源于流体的诱发振动.还有的来自装置的某些激励,当流体或机械的激振频率与管道系统的固有频率相接近时,会引发共振现象.针对太阳升泵站输油管网运行过程中出现的振动问题,结合现场测试结果,采用理论分析的方法找出其振动原因,并采用减振的方法,有效地将振动能量传递或消除掉,该方法的优点是结构体系不改变,经济投入又不高.     

JZZY-1型井下钻柱减振增压装置结构优化及现场试验

现场试验结果表明,利用钻柱的纵向振动可以实现井下钻井液增压以达到超高压射流辅助破岩的目的。井下钻柱减振增压装置能够大幅度提高钻井速度。为进一步提升井下钻柱减振增压装置的工作性能,对其结构进行了优化,并研制了井下钻柱减振增压装置用超高压钻头流道系统。优化后的装置整体结构大大简化,每个零部件的加工、安装、拆卸和维修都比较容易;研制的超高压钻头流道系统无需生产专用钻头,与普通钻头组装后便可配合井下钻柱减振增压装置使用。在胜利油田临盘地区的2口井现场试验评价表明,改进后的井下钻柱减振增压装置配合超高压钻头流道系统结构可靠,工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求。     

注水泵入口管振动分析与减振

注水泵入口管振动分析与减振程木根金陵石化公司炼油厂南京２１００３３关键词往复泵，管道振动，减振ＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤＶＩＢＲＡＴＩＯＮＲＥＤＵＣＴＩＯＮＦＯＲＩＮＬＥＴＯＦＷＡＴＥＲＦＩＬＬＩＮＧＰＵＭＰ￥ＣｈｅｎｇＭｕｇｅｎ．（Ｒ...     

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。     

钻柱系统纵向振动等效网络分析

忽略阻尼对钻柱振动的影响,在一维钻杆纵向振动方程的基础上,推导出单根钻杆和多根相同钻杆纵向振动的等效网络。利用等效网络级联理论,结合钻柱系统边界条件,给出了钻柱纵向振动的等效网络和机械等效阻抗表达式,并阐述了根据机械等效阻抗确定钻柱纵向振动机械共振频率的原理和方法。由等效网络分析法和ANSYS有限元法对2例钻柱纵向振动机械谐振频率的计算结果表明,利用等效网络分析法计算钻柱纵向振动的机械谐振频率,具有直观、简单易用、计算速度快的特点,其计算结果与ANSYS有限元法的数值模拟结果一致,是一种行之有效的方法。     

减振器减振效果的控制因素分析

石油钻井现场对井下钻柱纵向振动的控制普遍使用井下减振器，利用隔振原理来降低钻柱振动。采用钻柱的连续系统振动模型，对井下减振器的作用进行分析，得出减振器的效果与减振器的刚度、转速、钻压、减振器的安装位置之间的关系：减振器的刚度愈小，吸振性能更好；装有减振器的钻柱应尽可能在高于80 r/min的转速下工作；减振器的减振效果与钻压关系较复杂，适当提高钻压可降低共振转速，降低动载传递系数，但效果不如增加转速明显；在合理位置安装减振器，既能起到保护钻头和钻柱的作用，又能达到提高机械钻速的目的。     

有限元法解波动方程偏移过程中的稳定性分析

在使用有限元法求解波动方程偏移过程中,由于未知量数目巨大,需要花费大量的计算机存储空间和计算时间。选取合适的空间网格距离和时间迭代步长,是该方法应用到实际资料处理中的关键。解决这个问题需要稳定性理论的指导。已往有关这方面的结论,因求解大型矩阵特征值比较困难,一直未能给出有直接指导意义的稳定性临界公式。本文采用矩阵直接乘的分解方法,得到有限元计算模式中的稳定性临界公式。     

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。