（力学专业论文）基于液固耦合作用下钻柱纵向振动分析.pdf

s u p e r v i s o r ：p r o f y ug u i j i e v i c ep r o f l ir u i y o n g c o l l e g eo f a r c h i t e c t u r e & s t o r a g ee n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 i i i ii ii t11 1 1 11 1i i iii ii y 18 7 6 3 4 8 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者躲摊 眺川1 年r 月7 。日 j 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 学 指 同上。 日期：2 。年f 月孑p 日 日期：2 i1 年j 月；勺日 摘要 石油钻井中，井下湍流环境下柔性多体系统的强非线性固一液耦合动力学机理研究、 其动力学行为与结构参数的关系、井眼内钻具的动力学特性及钻井液水力因素对井眼轨 迹的影响一直是实现井眼轨迹的预测和仿真技术的关键问题，且是开发钻井轨道设计和 井眼轨迹监测三维可视化系统的基础内容。本论文和以往单独分析钻杆纵向振动不同， 将井架、游动系统、顶驱装置、钻杆柱等作为一个柔性多体系统，开展基于液固耦合作 用下起下钻和钻进过程中钻柱系统纵向振动特性分析，对优化钻井参数以及钻具组合来 避免共振、延长钻柱寿命、提升钻井速度有具有重大的工程实际意义。 起下钴过程中，由于上提或下放钻柱时速度的变化以及在进入钻井液或离开钻井液 时钻杆工作环境的突变，导致钻柱与钻井液、井壁相互作用，激励柔性多体系统产生振 动，其激振频率也会对随钻测量系统泥浆脉冲信号的传输产生干扰。本文把起下钻时内 外钻井液对钻柱系统的作用力折算成等效的附加质量，首先推导了多体钻柱系统在固液 耦合条件下纵振方程和频率方程，同时比较m a t l a b 固有频率计算值和a n s y s 模拟 值，验证了理论推导的合理性。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。为起下钻钻井参数的优化提供一定的参考。 其次，结合柔性多体钻柱系统和顶部驱动钻井装置的特性，基于弹性振动理论及有 限单元法，建立了钻进过程中柔性多体钻柱系统纵向振动固液耦合动力学方程。采用 a n s y s 有限元计算软件对1 7 0 0 m 柔性多体钻柱系统在垂直井中的整体固液耦合纵向振 动模态进行了分析，以及对承受自重、钻头静钻压等轴向载荷时的柔性钻柱系统纵向振 动瞬态进行了分析。通过固有频率的转换，得到了引起共振的临界转速；对不同钻具组 合下的固有频率及振型的分析，总结了轴向载荷以及不同钻具组合对钻柱固有频率的影 响规律。瞬态仿真分析中，得出了井眼内钻井液对柔性钻柱系统的影响规律：井口处纵 振强度最为微弱；井眼内钻井液能有效的降低了钻杆柱在钻井过程中的纵振振幅，大大 地削弱了钻柱的纵向振动强度，使钻杆柱在钻井过程中得到了合理的保护，延长了钻柱 的工作寿命。 关键字：柔性多体钻柱系统，固液耦合，起下钻，纵向振动，有限元 s t u d y o nl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no fd r i l ls t r i n g b a s e do nf s l y i ny o u c a i ( e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f y ug u i j i ea n dv i c ep r o f il ir u i y o n g a b s t r a c t i nd r i l l i n ge n g i n e e r i n g ，t h es t u d yo ns t r o n gn o n l i n e a rs o l i d - l i q u i dm e c h a n i s mo ff l e x i b l e m u l t i - b o d ys y s t e mi nt u r b u l e n te n v i r o n m e n t ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd y n a m i cb e h a v i o ra n d s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，d y n a m i cb e h a v i o ro fb h aa n dt h ei m p a c to nw e l lt r a j e c t o r yb ym u d a r ea l w a y st h ek e yi s s u e sf o rp r e d i c t i o no fw e l lt r a j e c t o r ya n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h e y a l s oc o n s t i t u t eb a s i cc o n t e n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft r a j e c t o r yd e s i g na n dt h ev i s u a l i z a t i o n s y s t e mf o rm o n i t o r i n g u n l i k et h ep a s ts i n g l el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na n a l y s i so fd r i l ls t r i n g ， a c c o r d i n gt ot h ef l e x i b l em u l t i - b o d ys y s t e mc o n s i s t so fd e r r i c k ，t d s ，t r a v e l i n ga s s e m b l ya n d d r i l ls t r i n g ，t h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na n a l y s i so nr o u n dt r i pa n di nd r i l l i n gw a sc a r r i e do u t b a s e do nf s i i th a dg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ra v o i d i n gr e s o n a n c e ，e x t e n d i n gd r i l ls t r i n gl i f ea n d i m p r o v i n gd r i l l i n gr a t eb yo p t i m i z i n gd r i l l i n gp a r a m e t e r sa n db h a o nr o u n dt r i pp r o c e s s ，b e c a u s eo ft h ec h a n g e so fv e l o c i t ya n de n v i r o n m e n t a ls a l t a t i o n w h e nt h ed r i l ls t r i n ge n t e ri n t oo rd e p a r tf r o mt h ed r i l l i n gf l u i d ，t h ei n t e r a c t i o na m o n gd r i l l s t r i n g ，m u da n dw e l lw a l le x i s t e d ，t h r o u g hw h i c ht h ev i b r a t i o na p p e a r e d a n dt h ev i b r a t i o n w o u l dm n gi n t e r f e r e n c ef o rt h et r a n s m i s s i o no fm u dp u l s es i g n a l t h ee f f e c to fm u di n s i d e a n do u t s i d et od r i l ls t r i n gw a sc o n v e r t e dt oe q u i v a l e n ta d d e dm a s s ，a n dt h ev i b r a t i o na n d f r e q u e n c ye q u a t i o no fm u l t i b o d ys y s t e mw e r ed e d u c e do nr o u n dt r i p t h e nt h ee x a c t s o l u t i o n sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa c q u i r e db yu s i n gm a t l a bs o f t w a r ew e r ec o m p a r e d 、析t l lt h e n u m e r i c a ls o l u t i o nt h r o u g ha n s y ss o f t w a r e ，w h i c hv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yo ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed y n a m i cl o a da n d v e l o c i t y t i m er a t i o ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i so fd r i l ls t r i n gw a sp e r f o r m e d ；t h e r e f o r e ， d y n a m i cr e s p o n s e su n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t ya n dt i m er a t i o sw e r eo b t a i n e d t h i sw o r k p r o v i d e dr e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z i n go fd r i l l i n gp a r a m e t e ro nr o u n dt r i po p e r a t i o n s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ff l e x i b l em u l t i b o d yd r i l ls t r i n gs y s t e ma n dt d s ， l o n g i t u d i n a l v i b r a t i o nk i n e t i c e q u a t i o n so fs o l i d l i q u i dc o u p l i n go ft h es y s t e mw e r e e s t a b l i s h e db a s e do ne l a s t i cv i b r a t i o nt h e o r ya n df e m t h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nm o d e l a n a l y s i so n17 0 0 me n t i r es o l i d - l i q u i dc o u p l i n gd r i l ls t r i n gs y s t e mw a sp e r f o r m e dw i t ht h e s o f t w a r ea n s y s ，a l o n gw i t ht h et r a n s i e n ta n a l y s i su n d e rt h ea x i a ll o a dc o n t a i n e dd e a dl o a d a n ds t a t i cw o b t h ec r i t i c a ls p e e do fr e s o n a n c ew a so b t a i n e df r o mt h et r a n s f o r m a t i o no f n a t u r a lf r e q u e n c y t h ei n f l u e n c e st on a t u r a lf r e q u e n c yb ya x i a ll o a da n dd i f f e r e n tb h aw e r e s u m m a r i z e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fn a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d eo fv i b r a t i o nf o rd i f f e r e n t b h a i nt r a n s i e n ta n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c el a w sf o rd r i l ls t r i n gs y s t e mb ym u dw e r eg o t t h e l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o ni n t e n s i t yo nw e l l h e a dw i l l sm o s tw e a k t h em u dc o u l dr e d u c et h e l o n g i t u d i n a la m p l i t u d ea n dw e a k e nt h ei n t e n s i t yo fl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n , f o rw h i c ht h ed r i l l s t r i n gw a sr e a s o n a b l ep r o t e c t e da n dt h ew o r k i n gl i f ew a se x t e n d i n g k e yw o r d s ：f l e x i b l em u l t i b o d yd r i l ls t r i n gs y s t e m ，f s i ，r o u n dt r i p ，l o n g i t u d i n a l v i b r a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究意义l 1 2 井下多体系统动力学国内外研究现状2 1 3 本论文主要研究工作9 第二章基于液固耦合作用钻柱纵向振动理论分析l l 2 1 起下钻时液固耦合作用下钻柱的动力学特性分析1 1 2 1 1 起下钻时钻柱纵向振动方程1 2 2 1 2 起下钻时纵向振动的频率方程1 5 2 1 3 起下钻钻柱液固耦合动力学分析1 6 2 2 柔性多体钻柱系统固液耦合动力学特性分析1 8 2 2 1 多体系统动力学理论一1 8 2 2 2 钻柱、钻井液动力学特性理论分析2 2 2 2 3 内、外钻井液流体对钻柱的作用力2 4 2 2 4 钻井液流体动力学分析2 7 2 2 5 钻柱、井壁及钻井液固液耦合理论分析2 9 2 2 6 柔性钻柱系统纵向振动理论分析。3 3 2 3 牙轮钻头与地层相互作用钻进模型3 5 2 3 1 地层各向异性指数3 5 2 3 2 钻头各向异性指数3 6 2 3 3 钻头与地层相互作用钻进模型3 6 2 4 本章小结3 7 第三章柔性多体钻柱系统固液耦合纵向振动分析3 9 3 1 基于有限元a n s y s 起下钻钻柱纵向振动分析3 9 3 1 1 纵向振动模态分析3 9 3 1 2 有限元a n s y s 模态分析及m a l a b 计算结果。4 0 3 1 3 谐响应分析4 1 3 2 钻进时柔性多体钻柱系统固液耦合纵向振动模态分析4 3 3 2 1 井下钻具共振的临界转速4 3 3 2 2 井下柔性多体钻柱系统固液耦合有限元模型4 3 3 。2 3 井下柔性多体钻柱系统纵向振动固有频率分析4 5 3 2 4 井下柔性多体钻柱系统纵向振动固有振型分析4 8 3 3 本章小结5 2 第四章柔性多体钻柱系统纵向振动瞬态动力学仿真5 3 4 1 基本假设与有限元模型的建立5 3 4 2 考虑钻井液影响时钻柱系统纵振瞬态动力学仿真分析结果5 4 4 3 不考虑钻井液影响时钻柱系统纵振瞬态动力学仿真分析结果5 7 4 4 本章小结5 8 结论：6 0 参考 攻读 致 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第一章绪论 “基于液固耦合作用钻柱纵向振动分析 是从石油钻井过程中钻柱系统动力学特性 中提炼出来的科学问题，其主要研究内容来源于“井下多体系统动力学研究。本课题 得到中国博士后科学基金“基于柔性多体固液耦合的机械系统动力学机理和行为仿真 ( 5 0 3 7 5 0 5 8 ) 、中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“井下控制工程学基 础理论研究 项目资助。本论文主要以起下钻与钻进过程中井下多体钻柱系统为对象， 分析研究两个过程中的系统动力学行为。 石油在人类社会中，是不可或缺的战略性资源，在开采石油过程中，需要有高投入 高产出的特点，同时钻修井成本也占了投入中的较大比重。石油钻井钻杆柱是石油工业 中用量大、质量要求高的管材，其工作于充满泥浆钻井液的狭长井眼里，承受压、拉、 弯、扭、液力等各种载荷，又受到地层的非均匀质性与各向异性干扰等，使得钻柱在井 下的受力情况非常复杂。一旦出现钻井事故，再加上修井时间周期长，将导致重大的经 济损失和时间损耗。据统计，仅1 9 8 8 年，我国各油田就发生了5 4 0 多次钻具事故次数， 直接经济损失超过4 0 6 0 万元【1 1 ；而塔里木油田在1 9 9 4 1 9 9 7 年间钻具事故次数多达1 4 6 次，直接经济损失3 8 7 7 万元。钻杆柱的失效事故越多，钻具损耗就越严重，同时也增 加了起下钻的时间，影响钻井作业的正常运行。 钻柱的振动问题在钻井过程中尤为突出，是导致钻柱失效与疲劳破坏最主要原因， 钻柱振动问题与钻杆柱自身的结构、动力学性能、钻柱复杂工作环境等诸多各类因素在 内的动力学系统问题有关。通过对该问题的深入研究，将使我们更清楚地了解钻柱的实 际工作状态，从而为开展井眼轨迹控制、预防与减少钻井事故以及优化钻井过程等工作 提供必要的前提和基础。由于井下钻柱的几何变形以及与井壁、钻井液之间耦合作用的 边界条件和相对运动关系十分复杂，要解决钻柱动力学中的几何和接触非线性问题以及 固液耦合问题，从而合理地描述钻柱系统，必须建立符合实际工况的力学模型和边界条 件。要研究钻柱破坏形式、钻井工艺参数、井眼轨迹形成等方面问题，首先要以井下钻 柱系统动力学行为特征为研究基础，且该研究已成为油气钻井工程中不可回避的研究课 题之一，也是推行和评估新的钻井技术、钻井工艺和钻井装置的基础理论方法之一。同 时随着钻井技术的不断发展，对钻柱动力学的基础的研究的要求也越来越高。而开展井 第一章绪论 下钻柱力学的研究，有助于钻柱系统整体准确的力学分析和强度校核，且对钻井过程中 钻具组合和钻井参数优化、井眼轨迹的控制与设计都具有非常大的工程意义。而对钻柱 力学的其中一个分支钻柱动力学理论的研究，对全面整体描述钻井工况以及准确计算众 多亟需解决的力学问题具有重大的作用，既是理论基础和技术关键，也是钻井多体系统 力学分析的前提内容。 多体系统是指多个物体通过运动副连接而成的复杂机械系统，是一般机械系统最为 全面的完整抽象、高度概括和完整描述，是分析研究机械系统最优模型形式之一，其目 的就是在计算机技术的基础上进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。 近年来发展起来的一种先进的钻井装置顶部驱动钻井装置t d d s ( t o pd r i v e d r i l l i n gs y s t e m ) ，能够显著提高钻井作业能力及效率。它与转盘、方钻杆方式不同，顶 驱装置的顶驱部分与钻柱联系更加紧密，和井架构成了不可分割的多体系统；井架、顶 驱装置、钻柱、岩石、泥浆具有固一液耦合的特征。顶驱装置将钻机的动力系统由转盘 提升至井架上部水龙头处，在井架空中组成一套完整的柔性多体钻柱系统。在顶驱钻井 系统中，钻柱的扭矩、轴向荷载和钻柱三个方向的振动及其耦合振动均由顶驱装置承担， 造成顶驱装置处于强非线性随机振动中，对顶驱装置性能造成很大的影响。钻柱既是顶 驱装置的主要承载对象又是激振源，所处的工作环境也非常复杂，高温、高压，承受各 种载荷，而且与内外不同密度的钻井液耦合，承受内外钻井液对钻柱产生的作用力，最 终使得钻柱绕自身轴线自转的同时还绕井眼轴线公转，引起钻柱的横振、纵振及扭振， 其次与井壁的摩擦造成钻柱向后涡动，这些都加速了钻柱的疲劳破坏，大大缩短了钻柱 的有效使用寿命，同时也对井斜、井径造成较大影响。因此有必要研究以钻柱、井壁、 钻井液相互耦合系统下的多体系统动力学，建立钻井过程中基于钻具组合、钻井液、岩 石作用下的钻头动力学模型，以最终减少井下事故，提高钻井系统可靠性为目的。 1 2 井下多体系统动力学国内外研究现状 ( 一) 起下钻钻柱泥浆系统耦合纵向振动研究 起下钻时，钻井施工者最为关心的参效是波动压力和井口钻柱载荷的大小。井眼内 产生附加压力称为波动压力，波动压力的产生以及钻杆柱与泥浆的耦合振动对钻井的危 害极大，波动压力也会破坏井眼的压力平衡，进而导致井喷、井漏、井眼不稳定等现象 产生，研究波动压力与载荷关系能为平衡压力钻井时钻井液附加密度的设计内容提供理 论参考依据。另外，钻柱钻井液井壁的耦合纵向振动产生的激振频率也会对随钻测量 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统泥浆脉冲信号的传输产生干扰。 1 9 9 2 年，谢竹庄1 2 】对钻柱振动的能量传播进行了研究，认为起下钻时钻柱振动的能 量是以弹性波的形式传播的，当钻柱处在上提或下放的开始和末尾时，在悬点处的应力 会产生很大波动变化，其中以上提过程时差异最大，由此产生的速度波和应力波都会沿 钻杆柱向下传递，且把悬挂着的数千米长的钢质管柱看成为一个弹性体，认为它的应力 和运动均为截面的函数，由于自重造成的钻柱在悬点有很大的自重应力，上下活动钻柱 时悬点应力有很大的变化。悬点应力的变化造成钻柱的运动及泥浆压力发生一些非常大 的变化是值得重视的，但其缺陷在于分析钻柱弹性波时没有考虑内外钻井液柱的影响。 樊洪海等人1 3 j 以流体力学不稳定流体的基本理论为基础，建立了起下钻作业过程中井眼 内动态波动压力预测的理论模型。介绍了动态波动压力的基本方程及求解该方程的特征 线差分和方格网加插值的求解方法。给出了考虑不同井身结构、钻具组合、钻头和喷嘴 ( 包括泥包钻头) 、起下速度和加速度变化等因素影响后的边界条件及初始条件的处理 方法。其中采用了l u b i n s k i 给出的有关公式计算流道膨胀系数【4 】。 实践表明，钻柱在充满泥浆的井内上下运动会产生波动压力。上提钻柱产生的抽吸 压力使井底有效压力降低，下放钻柱产生的激动压力使井内压力增大。这两种压力都不 利于钻井作业的顺利进行，应加以控制，因此为了使起钻时保持井底有效压力大于或等 于地层压力，而下钻时保持易漏层位井内有效液柱压力小于其破裂压力，在9 5 年唐林【5 】 等人推导了基于幂律流体的许用起下钻速度计算式，对施工现场有着指导作用。随着计 算机模拟及仿真技术的快速发展，樊洪海【6 】开发了起下钻动态波动压力应用软件，其中 考虑到了不同井身结构、不同钻具组合、钻头水眼、钻头及泥包钻头、钻井液密度、钻 井液流变性及流变系数随井深的变化、不同起下速度和加进度、不同下钻井深、钻杆接 头及扶正器的影响。他认为，以往传统的计算方法都是假定波动压力的产生是由环空内 钻井液稳定流动摩擦压力的损失引起的，而起下钻过程中井眼内的流动实际上是不稳定 流动，更准确的计算方法应以井内不稳定流为基础，考虑成动态波动压力才更符合实际。 国内外对波动压力产生的机理及计算方法进行了大量的研究。7 0 年代中期以前的方法 7 - s 都是基于环空稳定流动计算波动压力的，误差较大。7 0 年代末期开始研究动态波动压力 计算方法【9 以，目前较为完善。 其实，在对波动压力的研究早在上世纪3 0 年代就开始了，分析方法由b u r h a r d t 的稳 态法【4 】，发展至u l u b i n s k i 的瞬态法【l l 】。但l u b i n s k i 的瞬态法只对钻杆柱内外钻井液柱的纵 向振动进行了研究。因此，在此基础上，苏义脑等人【1 2 】根据钻杆柱钻井液流体的相互 3 第一章绪论 作用特性，在分析时把内外液柱与钻柱视为一个整体系统，由此建立的模型才能更真实 描述井下物理关系。基于此模型也建立了钻柱、钻柱内液柱和环空液柱系统的纵向振动 方程，并对波动压力和反压差的影响因素进行了深入探讨。 ( 二) 钻柱动力学研究现状 迄今为止，钻柱力学研究经过六十多年的发展，所取得的大量研究成果都被应用到 实际生产中，并带来了可观的经济效益。但由于钻杆柱工作环境是充满钻井液的狭长井 筒，这使得钻柱的受力变形和运动状态都非常复杂，时至今日，对钻柱力学特性还是无 法进行全面整体的描述，定量计算就更难以实现。特别是随着石油钻采过程中出现越来 越多的大位移井，深井、超深井、欠平衡井、水平井和大斜度井，井下钻具失效几率也 随之增加，井眼轨迹的控制难度上升，大大增加了钻井成本，因此，这就要求我们对钻 柱力学要有更深入的研究。为满足现代钻井技术要求，钻柱力学必然会朝着更符合实际 钻井工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。 钻柱力学是石油钻探工程的基础理论之一，它是指在数学与力学等基础理论和方法 研究的基础上，同时结合实验数据和钻井现场资料对井眼内钻柱的力学行为进行综合研 究的工程科学。一般来说，对钻柱力学的研究始于1 9 5 0 年，在这一年a l u b i n s k i 成为钻 井力学的奠基人，他对直井中钻柱的受力变形与运动状态进行了系统的分析，根据钻柱 系统纵向变形与受力情况分析，结合底部钻具组合( b h a ) 的运动状态，建立了钻柱纵 向振动的微分方程，并得到了一些研究成果：柔性钻柱体只绕自身轴线自转而不公转； 钻进过程中所有直井都会出现倾斜；运动钻柱在狭长井眼内会发生多次弯曲；钻柱自重 产生的钻压是钻杆柱的弯曲主要原因，可以忽略井壁、钻井液等因素对钻柱产生的影响。 他的研究成果中也包括了很多经典假设，比如对底部钻具组合( b h a ) 在上切点以上紧 贴下井壁的假设，在此前提下分析就简化得多，只分析上切点以下的钻柱段的受力与变 形。a l u b i n s k i 的这些研究成果也奠定了钻柱力学研究的基础。 上世纪6 0 年代，随着定向井的发展，学者们也主要致力于对定向井的研究，对钻柱 力学的研究相对较少了。这段时期，研究者们认为井眼曲率也是影响钻具组合受力变形 的因素之一，因此在研究井眼曲率的基础上，分析了井眼曲率对底部钻具组合( b h a ) 的受力与变形状态的影响，分析了多稳定器下钻具结构受力情况，从理论上对多稳定器 底部钻具结构有了一定的了解，也初步认识到了近钻头稳定器的作用，在之后对井斜力 和方位力展开了研究。 到了2 0 世纪7 0 n 8 0 年代中期，钻具组合力学研究的发展是最迅速的、取得的成果也 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 是最多的。期间的成果包括：( 1 ) 形成了包括能量法和微分方程法等多种建模方法，相 应的求解方法为有限单元法和差分法；( 2 ) 计算机被应用于底部钻具组合的力学性能分 析；( 3 ) 对底部钻具组合( b h a ) 井斜力和方位力开始了分析；( 4 ) 跟传统钻柱系统力学 模型建立方法不同，已经不再忽略钻柱自身的旋转运动以及钻柱井壁之间的间歇性碰撞 摩擦所带来的影响，更符合实际工况。 2 0 世纪8 0 至9 0 年代，学者们在前人研究的基础上对定向井和丛式井底部钻具组合的 力学特性进行了深入研究。跟以往的底部钻具组合的力学研究相比有一个显著的特点， 那就是对底部钻具组合的纵、横、扭三维受力进行了分析。在此期间，我国的著名学者 提出了纵横弯曲连续梁法，并逐步拓宽和完善之后形成了独立的一套理论，可进行井下 底部钻具、带弯角与变截面等组合的三维力学分析，此分析方法有着计算更加简便，精 确度更高的优势。 底部钻具组合动力学特性研究在上世纪9 0 年代得到了进一步的发展，研究对象开始 由部分发展到整体，逐步认识到全井多体钻柱系统动力学特性研究的重大意义，认识到 只是研究底部钻具组合已不能满足钻柱动力学研究的发展要求，更不能全面描述钻柱在 井筒中的实际运动状态，不能更准确的分析和计算钻杆柱的受力情况。因此，为达到研 究目标，学者们建立了垂直井中全井钻柱系统的横向振动、扭转振动和纵向振动的力学 模型。与此同时美国的学者们还建立了垂直井中钻柱系统的纵、横、扭耦合振动力学模 型，并对全井钻柱的涡动混沌力学行为进行了分析，考虑了钻柱与井壁之间的相互作用、 钻井液对钻柱的影响，另外还包括钻杆柱的屈曲分析，并取得了一系列的研究成果，这 些成果对全井钻柱运动状态的认识有所帮助，同时也能解决一些现场实际难题，具有很 大的工程实际作用。 工作于井眼内钻柱的运动状态是十分复杂多变的，这种状态是由多项因素所致：包 括细长钻柱自身、流动钻井液、井壁和井底岩石。在地面设备和钻压的驱动下，钻柱在 有限的井眼内开始旋转向下运动进行钻井作业，承受着内外钻井液流动的影响，并同时 遭受着井底岩石对其的反作用力。研究表明3 1 ，钻柱振动是导致井下钻杆柱失效与疲劳 破坏的最主要原因。我们知道，钻柱在井眼内工作时主要是旋转向下运动的，实际工作 期间总是伴随着各类振动状态。钻柱的振动一般分为四种形式：横向振动、纵向振动、 扭转振动以及涡动形式，但这四种振动在形态及机理上各不相同。章扬烈【1 4 】认为，通过 对这四种振动形式进行研究分析可知，涡动、横振、扭振、纵振这四种振动对井下钻柱 系统的危害程度是逐步减小的。钻柱涡动是指当钻柱在井中转速以顺时针方向绕自身轴 5 第一章绪论 线旋转的同时，由于钻柱受力的不平衡力或受其它扰动力的作用，也可能导致钻柱本身 也绕着井眼轴线进行公转。j a n s e n 等人基于非线性转子动力学建立了钻柱系统运动方程， 且此运动方程是无量纲的。h e i s i g 和n e u b e r t 在对模型进行线性分析的基础上，建立了钻 柱横向振动的固有频率方程，所得出的结论在与线性和非线性的动力学模型的模拟结果 比较后，证明涡动的存在性。c h e n 等通过分别对钻柱系统的的纵、横、扭以及涡动研究， 总结了各种振动形式对对钻头的影响规律：涡动总是伴有混沌现象的出现，且涡动振动 程度是非常强烈的，给钻柱系统也带来非常大的危害。另外钻柱处于涡动状态时，由于 钻头处的实际钻压和扭矩都非常小，有可能出现停钻现象。 钻柱动力学是钻柱力学理论的一个分支，主要是研究钻柱系统受多种动载作用下的 受力情况、运动状态和变形规律。实际的钻井过程中，钻柱系统的运动状态极其复杂， 尤其在钻头破碎地层岩石时地层岩石不平、钻柱发生三维屈曲现象以及钻井参数选取的 不合理产生共振等各种影响因素的综合作用下，钻柱的运动状态包括纵、横、扭振动以 及更为复杂的涡动和耦合振动，要精确的对钻柱运动状态进行描述和仿真是非常困难 的。从l u b i n s k i a t ”】发表了的第一篇有关钻柱力学的研究的文章开始，随着新型钻井工 艺与技术、力学与数学、计算机的快速发展，关于钻柱静、动力学的研究，国内外学者 都做了大量的工作，并取得了较大的研究成果，同时也提出了不少简化模型以及求解方 法，相对而言，静力学研究已较成熟。对钻柱动力学的研究始于上世纪6 0 年代， a m a c d o m l d 【1 6 】等人建立了钻柱分别承受轴向载荷、弯曲载荷和扭矩载荷时的有限元模 型，用以确定应力集中的区域。其中轴向载荷采用两自由度空间的轴对称模型，并与其 他两个方向的模型相联系。r f m i t c h e l l 和m b a l l e n 指出【l 引，钻井过程中一旦发生事故， 其更换失效部件导致钻井时间的延长所带来的成本和井眼报废的危险，使人们不得不去 研究井下钻具组合( b h a ) 的动力学特性。他们认为，井下钻具组合动力学模型的解析 解只能解决简单情况下的纵向和扭转振动问题，在复杂条件下底部钻井组合动力学特性 分析时，有限元法最为有效，因此，忽略了阻尼影响后采用了谐波有限元分析方法，同 时考虑将钻井液对钻柱的影响这算成附加质量计入钻柱的有效质量中，在此基础上对钻 柱的动力学行为进行了研究。上世纪8 0 年代初，k k m i l l h e i m 和m c a p o s t a l t l 7 1 率先在原 有的三维静立分析模型的基础上，同时考虑钻杆柱旋转所产生的惯性力和钻柱与井壁间 歇性接触产生的碰撞力，根据达朗贝尔原理，建立了底部钻具组合的动态力学模型。 k k m i l l h e i m 等人比较系统的研究了钻柱的动力学特性，讨论了钻头轨迹的主要影响因 素，但是模型中的某些假设与实际情况并不完全相符，对钻柱整体的动力学行为并没有 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 进行深入探讨和研究。 上世纪8 0 年代，e s k a u g e 分析了钻头准随即振动对钻柱纵向振动的影响规律，对钻 柱纵向合加速度进行测量【1 9 】，结果显示在钻头处存在着较大的轴向和旋转运动的准随即 分量，这些分量的形成是由于钻头对岩石的随机破碎以及地层的不均匀性、耦合振动特 性的综合影响。在其模型中，钻柱顶部的边界条件假设为固定端，底部的位移视为已知 量，同时忽略了重力的影响。直至1 j 1 9 8 9 年，b r a k e l j d 等人给出了b h a 的瞬态动力学特 性的有限元法，在预测井眼轨迹的研究中，采用了地层与钻头之间的作用力的时间平均 值。1 9 9 0 年，a p o s t a l m c 等人利用机遇有限元法的力频响应( f f r ) 法对底部钻具组 合b h a 进行了瞬态振动分析1 2 0 】，其模型对于任意三维井眼的b h a 的动力学特性分析均 适用，模型除了考虑间歇性接触、阻尼与浮力等因素外，还考虑了转动的b h a 与地层相 互作用的影响。他们认为，集中质量矩阵的质量包含流体质量、结构质量、钻柱外部的 流动钻井液的惯性影响和非结构质量。缺点是，边界条件要求是时间的周期函数，而在 实际石油钻井工程是不现实的。 上世纪9 0 年代j a n s e n t 2 l 】根据稳定器之间钻柱的变形情况，对其进行了适当的简化， 他认为钻柱变形可视为正弦波，在转子动力学的基础上，对简化模型进行了非线性分析。 他指出，由于钻井液流体流速、带有稳定器的钻杆柱与井壁之间的碰撞等因素的干扰， 使得钻杆柱的由简单的绕自身旋转变为十分复杂的混沌运动，导致其动力学响应更为复 杂。b a r y s l l i l i k o v 等人1 2 2 j 提供了一种在给定环境条件下分析钻柱失效行为的方法，他们通 过对大量结果的统计分析得出，导致钻柱失效的原因有材料性能、结构的扭矩、拉力、 腐蚀环境和磨损程度，但简化了固液耦合的影响，与实际工况不完全相符。刘巨保等 人【2 3 】考虑了钻柱沿井眼圆周方向和井深与井壁之间的随机碰撞，建立了整体钻柱系统的 瞬态动力学模型，分析并采用了n e w m a r k 方法求解钻柱的动力学方程组，并对模型的 可行性进行了确认，认为模型是可行的。高德利【2 4 】通过总结前人对底部钻具组合研究成 果，指出人们对钻具组合的大挠度问题和动态特性的研究不够到位，还不能满足目前的 钻井技术要求。因此刘延吲2 5 】基于有限元理论及n e 嘶o n r a p h s o n 方法对弯曲井环空钻柱 结构进行了非线性分析。吴泽兵1 2 6 1 认为，国内外在研究钻柱振动时都把钻柱下端视为铰 支，而激振源设为周期性的，与实际工况还有很大的误差，不符合实际。焦永树【2 7 1 将非 线性动力系统理论用于钻柱力学研究，探讨了钻柱振动中可能出现的突变现象，但是没 有考虑固液耦合问题。 易先q a 2 8 】等人根据前人建立的三维空间钻柱力学基本方程，参照s 1 p 1 t i m o s h e n k o 7 第一章绪论 剪切梁理论，考虑进横向剪切力和剪应变对钻柱挠曲变形的影响，建立了钻柱力学剪切 变形理论的通用基本方程。该方程的建立完善和补充了钻柱力学基础理论，它能综合描 述钻压与横向剪切变形对钻柱横向振动固有频率的影响。屈展认为钻柱运动状态为旋 转，工作于充满钻井液流体的井眼内，因此可将其视为柔性转动系统，根据液固耦合 理论研究钻柱系统的涡动行为。但是目前用得最多的是顶驱钻井装置( t d s ) ，对于这 种钻机该力学模型已经不再适用了。赵德云 2 9 1 等人以深井的整体钻柱为研究对象，建立 了一维深井钻柱纵向振动力学模型。由于其研究对象是由钻铤、钻柱、接头、稳定器及 减振器等井下钻具任意组合而成，非常接近于实际钻柱整体状况，其研究成果有较高的 使用价值。李茂山等人考虑井下钻柱内、外钻井液影响，对井下底部钻具的横向振动进 行了分析，研究表明，与不考虑钻井液的影响相比，考虑钻井液的影响使钻柱的固有频 率降低。韩春杰【3 0 】等人采用微元线性分析方法对钻柱的纵向、扭转和横向振动进行了分 析，探讨了三种振动形式的振动规律，得出结论：扭转振动的共振频率随井深的增加和 钻柱的增长逐渐减小，纵向振动共振频率随井深的变化出现波动现象，横向共振最有可 能发生在中和点附近。该结论为减少钻井事故和优化钻具组合提供了一定的参考依据。 在肖文生【3 l i 的研究中，旋转运动下的钻柱被简化为一个内外含有流体的柔性转子系统， 对内外钻井液影响下的钻柱涡动行为进行了分析，分析结果显示，钻柱内外的钻井液对 钻柱的受力情况与运动形式有着重要的影响，钻柱与井壁的间歇性接触，也会使钻柱在 低速运转时出现涡动现象。章杨烈【3 2 】率先建立了国内第一个b h a 运动状态模拟装置，取 得了十分重要的试验研究成果。狄勤丰等人【3 3 】通过钻柱的动力学分析以及涡动研究，给 出了钻柱涡动时的疲劳强度较核公式，并编制了相应的程序，初步解释了钻柱接头附近 和稳定器附近的钻柱比较容易失效的机理。 在钻头钻进过程中，总是伴随着纵、横、扭以及耦合振动形式的出现，其中纵向振 动的出现是由于井底岩石不均匀，在钻压作用下钻头牙齿开始切削地层岩石进行钻井作 业时，牙齿与岩石相互作用的结果。高岩等人通过对牙轮钻头钻进时钻柱的纵向振动的 测量【3 4 3 5 1 ，通过对测量结果的分析，他指出，给钻柱带来巨大疲劳损坏的主要原因就是 纵向振动。当钻头纵向振动的频率等于钻柱固有频率或其整数倍时，就会出现钻柱共振 现象，也有可能出现跳钻蹩钻的现象。这种状态下钻柱内就会产生巨大的交变应力和振 幅，容