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。     

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。      

钻柱系统粘滑振动稳定性分析及减振方法探讨

随着深井、超深井的发展,钻柱系统粘滑振动严重影响着钻井速度、钻井成本和钻井安全。钻头切削岩石的摩擦力是钻柱系统发生粘滑振动的主要因素。针对钻头切削岩石的实际工况,分析了钻头—岩石的切削模型,建立了其相互作用的摩擦模型,得出钻头处扭矩随转速的变化趋势。从能量守恒出发,分析了钻柱系统粘滑振动的稳定性,计算得出了钻柱系统粘滑振动稳定时的临界钻压。将临界钻压公式描绘成钻柱振动状态的钻压—转盘转速关系图,并在此基础上探讨了粘滑振动的减振方法,以期为钻井过程中减少钻柱的粘滑振动提供参考。     

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。     

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。      

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行.针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型.研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预...     

水平井钻柱-井壁摩擦诱导黏滑振动机理研究

水平井钻柱系统黏滑振动严重威胁井下钻柱及工具的安全性.为了揭示水平井钻柱系统与井壁非线性摩擦诱导钻柱系统黏滑振动机理,基于质量-弹簧-阻尼离散方法及Stribeck摩擦理论,建立了水平井全井钻柱系统非线性动力学模型.对无钻压加载条件下的水平井钻柱系统在不同井段和不同钻井工况参数下的动力学响应进行了分析.分析结果表明:钻...     

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结合从现场实际测得的钻柱振动数据较全面地研究了钻柱振动的特征。并分析了由各种振源引起的钻柱振动特征，包括由钻头与地层之间的相互作用、不规则井壁对钻柱的作用、钻头失效、钻柱的自激振动、地面泥浆泵以及地面动力传动设备等引起的钻柱振动。尤其是对地面动力传动设备引起的钻柱振动，文中作了较详细地分析，为进一步研究钻柱振动及今后发展钻柱振动识别技术，打下了良好的基础。     

牙轮钻头及钻柱系统扭转振动仿真模型

利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法 ,在考虑了钻头与岩石互作用力学模型的基础上 ,建立了钻头和钻柱扭转振动动力学仿真模型。通过仿真计算可预测钻头处阻力扭矩、钻柱顶部扭矩和钻头转速的变化情况。对 8 英寸XHP2S钻头做了仿真 ,结果表明 ,钻头处受岩石的阻力扭矩是随机变化的 ,并有负扭矩出现 ,扭矩的变化幅值随静钻压的增加而增加 ;钻柱顶部转盘施加的扭矩变化不如底部剧烈 ;钻头的转速在局部有较小的波动 ,其总体变化较为平缓。     

Stick-slip oscillations of drag bits by considering damping of drilling mud and active damping system

This paper studies self-excited stick-slip oscillations of a rotary drillstring with a drag bit. In previous researches coupling between torsional and axial vibration was studied for a system with two degrees of freedom and without considering the effects of rotary table, damping of drilling mud and active damping system. In this research, for the first time a complete model is considered. This model is a discrete model with two degrees of torsional freedom and one degree of axial freedom. Both frictional contact and cutting process at bit-rock interface have been considered by bit-rock interaction law. There is a coupling between torsional mode and the axial mode through this law. In this paper, the effects of damping, active damping ratios and bit-rock interaction number have been studied on stick-slip motion. The equations of motion have been solved by numerical method. The technique of solution is Euler-forward finite difference technique. This research shows that by increasing the damping of drilling mud, bit parameter and by appropriate selection of active damping ratios, stick-slip oscillation of bit can be avoided and oscillation of rotary table be damped.     

分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。     

钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动,其钻压的振幅一般为平均钻压的30%左右;同时,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为,对于新型钻头的设计以及钻井力学研究都有着较好的指导意义。     

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。     

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。     

脉动式扭转冲击钻井工具工作特性分析与测试

为抑制PDC钻头钻进硬地层时的粘滑振动,设计了一种可以为PDC钻头提供周向冲击载荷的脉动式扭转冲击钻井工具,并在介绍其结构设计和分析其工作原理的基础上,建立了计算其周向扭矩、直井工况下冲击功的数学模型,通过算例分析了其工作特性。分析结果表明:脉动式扭转冲击钻井工具的周向扭矩随排量增大而增大,随节流喷嘴直径增大而减小;在直井中的冲击功随钻柱扭矩和扭转角度增加而增大,随钻压增大而减小。脉动式扭转冲击钻井工具样机性能室内测试结果表明,该钻井工具能实现高频扭转冲击,且其工作频率、周向腔体压差和周向扭矩均随排量增大而增大。研究和测试结果表明,脉动式扭转冲击钻井工具的结构设计合理,能够为PDC钻头提供周期性扭转冲击载荷,抑制PDC钻头的粘滑振动。