（油气井工程专业论文）底部钻柱振动特性及减振增压装置设计研究.pdf

s t u d yo nv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fb o h o md r i l l i n gs t r i n ga n d d e s i g no fd r i l l i n gs t r i n gs h o c ka b s o r p t i o n & d o w n h o l e h y d r a u f i cp r e s s u r i z i n gs y s t e m w e iw e n - z h o n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g u a nz h i - c h u a n a b s t r a c t d o w n - h o l eh y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y st o i m p r o v et h er a t eo fp e n e t r a t i o nu n d e rt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n so fd r i l l i n gt e c l n o l o g y t i i i s p a p e rh a v ep r e s e n t e dan e wk i n do fc o n c e p tw h i c hw i l li n t e g r a t ed r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o n r e d u c i n gw i t hb o t t o mh o l ed r i l l i n g f l u i dp r e s s u r i z i n gt od e s i g nav i b r a t i o nr e d u c i n ga n d p r e s s u r ei n c r e a s i n gd e v i c eb a s e do nt h es t u d yo fe x p e r i m e n to fb o t t o mh o l ed r y i n gs t r i n g v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sk i n do fd e v i c ew i l la b s o r be n e r g yg e n e r a t e df r o mt h e l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no ft h ed r i l l i n gs t r i n ga si t so w np o w e ri nt h ep r o c e s so fd r i l l i n g , a n d t a k ea ( i v a n 纽d g eo ft h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no ft h ed r i l l i n gs 喇田gt oa c h i v et h et o - a n d - f r o m o v e m e n to ft h ep i s t o nl o c a t e di nt h ep l u n g e rp u m p a st h em e a nw h i l et h ed r i l l i n gf l u i dg e t p r e s s u r i z e db e c a u s eo ft h ec o m p r e s so ft h ev i b r a t i o no ft h ed r i l l i n gp r e s s u r e t h e r e f o r e ，t h e e f f e c to fb o t t o mh o l ep r e s s u r ei n c r e a s i n ga sw e l la st h ee f f e c to fd r i l l i n gs t i n gv i b r a t i o n r e d u c i n gh a v eb e e ng a i n e da tt h es a m et i m e 叻em e r i to ft h i sn e wt y p eo fd e v i c e nb e d e s c r i b ea st h en e wd e s i g n e dd e v i c ei sm o r es i m p l i f i e dc o m p a r et ot h ep r i o ro n e sw i t hm o r e c o m p l i c a t e dr e v e r s i n ga g e n t , a n di ta l s oe l i m i n a t e da n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o rw h i c hc o n t r i b u t e t ot h es h o r tl i f ec y c l eo ft h ed e v i c e s oi tm u s tb ei n o r es u i t a b l et ot h ep u r p o s eo fd o w n - h o l e p r e s s u r ei n c r e a s i n gu n d e rt h eh a r s hw o r k i n gc o n d i t i o n si n t h eb o t t o mh o l e t b i sp a p e rc o m m i t e dt ot h es i m u l a t e de x p e r i m e n ts t u d yt a r g e t e dt ot h eb o t t o mh o l e d r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si ns t r a i g h th o l e su s i n gt h eb o t t o mh o l ed r i l l i n gs t r i n g d y n a m i c ss i m u l a t e de x p e r i m e n t a ld e v i c e h a v i n ga n a l y s e dt h ed a t a , d r i u m gs t r i n gv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dd o w n - h o l ed r i l l i n gp r e s s u r ea l t e r n a t i n gr e g u l a t i o nh a v eb e e ng a i n e df o r f i v es e t so f b h a u n d e rd i f f e r e n ta r m i n gp a r a m e t e r sc o n d i t i o n , a n dp r e s e n t e da m p l i t u d er a n g e a n df l e q u e n o yr a n g ef o rw e l l b o r es i z e d3 1 1 i m ma n d2 4 4 5 m mu n d e rn o r m a lu s e dd r i l l i n g p a r a m e t e rc o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yh a sp r e s e n t * de x p e r i m e n t a lc r i t e r i af o ri n c r e a s i n g d o w n - h o l ed r i l l i n gf l u i dp r e s s u r eu s i n ge n e r g yg e n e r a t e db yd r i l l i n gs 堍l o n g i t u d i n a l v i b r a t i o n , a n dp r e s e n t e dd e s i g nc r i t e r i af o rt h ed e t e r m i n a t i o no f d e v i c ep a r a m e t e r s a c c o r d i n g t o t h es t u d yr e s u l to ft h el o n g i t u d i n a ld r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s , t h eo v e r a l l s t n l c t u r eo ft h ed e v i c eh a sb e e nd e s i g n e da n dt h ei n t e n s i t yc h e c kf o rs o m ec r u c i a lp a r t sh a s b e e nc a l c u l a t e d 1 1 1 eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ed e v i c eh a sb e e n a n a l y s e da n ds i m u l a t e du s i n gs l m u l n ka n dp r o e n d i e 职w i l d f i r e , a sa r e s u l tt h e f e a s i b i l i t yo ft h et h e o r yo fd r i l l i n gs t r i n gs h o c ka b s o r p t i o na n dh y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gh a s b e e np r o v e d o nt h eb a s i so f t h ea b o v er e s e a r c h ，t h ed e s i g no f t h ea l lt h e p a r t s ，r e l a t i v ev a l v e s ， a c t i v es e e d l i n ga g e n t s ，u h pb i t , c o n n e c t i n gd e v i c e ，m a e h h 蛆n gd r a w i n g s ，o v e r a l la s s e m b l y d r a w i n g sa n ds oo i lh a v eb e e na c h i v e d ，t h e nt h ep r o d u c t i o no fd r i l l i n gs t r i n gs h o c ka b s o r p t i o n a n dh y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gs y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e mo fp r o t o t y p eh a sc o m p l e t e d i nt h e f i r s td o w n - h o l ee x p e r i m e n ti nm e s o z o i ce r a t h e mo fz h u a n g g u1 0 - 5 8w e l ll o c a t e di ns h e n g l i o i l f i e l d , t h er e s u l tp r o v e dt h i st y p eo fd e v i c ec a l li m p r o v ed r i i l i i l gs p e e dg r e a t l y 1 k e x p e r i m e n t a ld i s t a n c ei s3 4 5 7 5 mt o3 4 8 2 5 m ，a n dt h ec t r i n i n gd e p t hi s2 5 0 mw i t ht h e a v e a g ed r i l l i n gs p e e d o f6 2 0 m p a ( t h ea v e r a g ed r i l l i n gt i m eo f9 6 7 m i r m ) 耶砖出i t t i n gs p e e d i s8 2 5t i m e sg r e a t e rt h a nt h es a l t ed r i l l i n gd i s t a n c ei nt h en e a r b yw e l lw i t h o u tt h ed e v i c e k e y w o r d s ：d r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o n , s h o c ka b s o r p t i o n , h y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gs y s t e m , u l t r a - h i g hj e t , d r i l l i n gs p e e d i n c r e a s e 关于学位论文的独创性声明 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鹳确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：荔血量垃日期：口7 年，二月u 日 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。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：纽羔窆 指导教师签名： 日期；0 7 年，p 月，歹日 日期； 矽年 月9 日 底部钻柱振动特性及减振增压装置设计研究 创新点摘要 l 、运用底部钻柱动力学模拟试验装置，通过室内实验，对直井眼中底部钻柱的纵向振 动特性进行了模拟实验研究。分柝得出了五种常用底部钻具组合( b 姒) 在不同钻进 参数条件下的钻柱振动特性以及井底钻压波动规律，给出了3 1 1 1 m 和2 4 4 5 m 井 眼中常用钻井参数条件下井底钻压波动的幅度范围和频率范围。为合理利用钻柱纵 向振动能量实现井下钻井液增压提供了实验依据，为井下减振增压装置主体结构参 数的确定提供了设计依据。( 见第2 章) 2 、减振增压装置工作原理与整体结构设计上的创新。从基本原理上，所设计的减振增 压装置是通过吸收钻井过程中钻柱纵向振动的能量作为钻井液增压的能量来源，利 用钻柱的纵向振动带动井下柱塞泵的柱塞往复运动，并利用钻压波动压缩钻井液使 之增压，既实现了增压又起到了钻柱减振的效果。避免了以往的井下增压装置必须 具有的复杂换向机构、大大简化了井下增压装置的结构，消除了影响增压装置寿命 的一个重要因素，使之更利于在井下恶劣环境下实现增压目的和正常工作。( 见第3 章、第5 章) 3 、应用液压伺服系统仿真工具s i 删l i n l 【以及机械动态仿真工具p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 对减振增压装置进行了工作原理及机械结构运动仿真分析，从理论上论证 了减振增压原理的可行性。( 见第4 章) 4 、完成了减振增压系统的设计、加工和样机研制，并在胜利油田桩古1 0 一5 8 井中生界 地层进行了首次井下试验，证实了该装置能够显著提高钻井速度。试验钻进井段为 3 4 5 7 5 3 4 8 2 5 m ，钻进2 5 0 m ，平均机械钻速6 2 0 m h ( 平均钻时9 6 7 m i n m ) ；比 未使用减振增压装置的邻井相同井段和地层的机械钻速( 0 6 7 m h ( 平均钻时 9 0 1 0 m i n m ) ) 提高了8 2 5 倍。( 见第7 章) 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 1 1 问题的提出及目的意义 第一章引言 提高钻井速度是油气田勘探和开发对钻井提出的一个永恒的课题。油气钻井工程实 践已经表明，提高井底钻头喷嘴射流压力可以大幅度提高钻井速度。为此，在国内外的 钻井工程领域人们提出了对钻井液的地面增压和井下增压两种措施。地面增压由于所用 设备和工艺比较复杂、成本昂贵，尽管提高速度明显，但没有得到推广应用。关于井下 增压一直是近几年的研究重点，其主要优点是不必改变现有的钻井工艺及设备，在钻头 以上安装一个增压装置，就可以使部分钻井液的压力达到l o o m p a 以上，达到高压射流 辅助破岩的目的，现有的井下增压装置的工作动力都是来自钻井液本身所携带的压能， 基本工作原理都是将整体钻井液的部分能量集中提供给小部分钻井液，但由于在这种原 理限定下，要求增压装置必须具有复杂的液压转换机构( 以活塞式增压装置为代表) 或 复杂的液能一机械能一液能的转换机构( 离心式增压装置) 。而在井下有限的空间条件 和恶劣的工况条件下，如此复杂的机构很难实现或很难正常工作。因此，到目前为止， 尽管研究人员进行了艰苦的努力和潜心的研究，还没有一种在不改变现有的钻井工艺及 设备的条件下，使井下钻井液射流压力超过1 0 0 1 1 p a 的井底增压装置在钻井中进行工业 性应用，仍停留在可行性研究或样机的设计、研制和实验阶段。 钻柱的振动现象是在直井钻井中经常遇到的复杂情况。特别是勘探领域越来越宽 广，所钻遇地层的岩性硬度等状况越来越复杂的情况下，钻柱的振动问题也越来越难以 解决。钻柱的振动不仅影响到钻并的施工效率，在频繁剧烈地发生时还会造成钻柱的断 裂破坏等事故，从而加大了施工成本，造成了比较大的经济损失。钻柱的振动中纵向振 动是危害最明显、发生最频繁的振动形式。钻柱沿波形井底旋转所引起的纵向振动和动 载通常是人们研究钻柱受力与疲劳破坏的重要因素。钻柱的纵向振动常常使钻压不能均 匀地加在钻头上，钻头因钻压的剧烈振荡跳动而跳离井底，产生冲击载荷又使钻头轴承 和镶齿过早地破坏。所以保证钻柱的安全、提高钻柱系统的工作寿命变得尤其重要。在 钻井过程中，钻柱的受力状况和工作环境异常恶劣，是一个极其复杂的动力学系统。在 这种情况下，我们要减轻钻柱的振动尤其是直井中的纵向振动其意义就变得不容忽视。 该课题是从另外一种新的原理出发，利用钻井过程中由于钻柱纵向振动所引起的井 底钻压波动作为能量来源。通过钻柱的纵向振动带动井下柱塞泵的柱塞上下运动，并利 用钻压波动压缩钻井液使之增压。研制一种集钻柱减振和钻井液增压功能于一体的钻柱 减振增压装置，使钻头喷嘴射流压力达到i o o m p a 以上，有效地实现超高压射流钻井， 以达到提高钻井速度，降低钻井成本的目的。利用钻柱振动原理所设计的井下增压装置。 可以使整体结构大大简化，更利于在井下环境下实现增压目的和正常工作。同时，又起 到了钻柱减振效果。该课题的完成对提高钻井速度尤其是深井钻速将具有重要的影响。 第1 章引言 1 2 国内外现状及发展趋势 1 2 1 钻柱力学及振动特性研究进展 1 9 9 1 年，s d a l l e y 等“1 在纵向振动实时监测在改善钻具组合可靠性中的应用 中说，直井钻井环境中的纵向冲击和振动是有据可查的。潮d 仪器先前测量到了一些数 据，这些数据证明底部钻具振动要比钻柱的纵向振动严重得多。该振动的测量数据已经 超过了2 0 0 g s 并能造成多种钻具组合的失效，例如，钻铤的连接，操纵系统，钻头以及 m w dt 具组合等。现在已经有多种演算模型可以针对多种钻具组合下的临界转速。这些 模型是有效的，尽管如此，在多变的现场直井钻井环境中这些模型又不是太可靠。较好 的操控能够完成对钻具组合纵向振动的数据测量。纵向振动的实时监测能够使操作员放 心地优选钻进参数减轻强烈的的振动，并能降低钻具组合疲劳破坏的风险。钻具组合要 随着井底条件和疲劳破坏几率的改变而改变。这样的话，传统上把累计工作进尺作为计 划时间表的条件就显得不够充分。用特殊的工具组合来监测累计振动循环能够加强对钻 具组合的维护。累计工作进尺应该是制约维护计划的主要因素，但是，累计振动循环和 累计工作进尺都应该作为钻具疲劳破坏的影响因素。一个钻具组合的累计振动数据库可 以由统计学分析的方法来确定疲劳破坏的几率。 1 9 9 2 年，s c r e w c a s t l e 等啪在纵向振动实时监测对钻井效率的提高和m w d 可靠 性的改善中说，许多b h a 和m w d 失效都是钻进过程中钻柱的剧烈冲击和振动直接造成 的。横向振动所引起的冲击含有巨大的能量，能够最大程度地破坏井眼中的电子设备， 剧烈的横向涡动能够造成工具接头的疲劳破坏和扭转破坏，能够降低牙轮钻头轴承的寿 命，破坏p i ) c 钻头的切削刃。研究者建立了许多模型用地面的测量数据来模拟纵向振动， 优选转速减轻纵向振动。但是现场数据显示这些模型在实际应用中是非常局限的定向 井中钻柱和井壁的接触减轻了钻柱的振动。在垂直井中，大部分模型对产生极限值的边 界条件有很高的灵敏度。我们发现了一个简单、实用而且成本很低的解决方案。在m w d 系统上加装一个加速度检波器来计量横向振动是有开发价值的，而且我们发现在海洋钻 井中的开发价值是相当可观的，每一两分钟装置就会自动向地面发送一次数字信号，根 据该信号，司钻就可以改变转速和钻压来减轻或者是消除纵向振动。如何减轻横向振动 就要看轴向和扭转振动的最小化情况了，因为它们之间有很微妙的关系。 1 9 9 3 年，屈展和张绍槐。3 认识到实际钻压在井底随时间发生波动，能使钻柱发生一 种与通常失稳完全不同的动力失稳现象后，利用钻柱纵向非线性振动方程与突变流形的 相似性，将突变理论应用到振动失稳问题中，建立了钻柱振动失稳突变模型，得出了失 稳的临界点和条件。 1 9 9 5 年，屈展又和刘德铸共同发表了钻柱振动问题及理论研究进展一文。文 中指出了钻柱振动对钻井所带来的危害，客观地分析了钻柱振动可利用的一面，并从钻 柱运动状态、环境和受力状况入手，分别列举了研究钻柱纵向振动、横向振动、扭转振 2 ! 里至苎查兰! 兰奎! 堡主兰壁丝苎 动较为典型的方法和数学模型，介绍了影响钻柱振动的几个关键因素。 1 9 9 6 年，马斐和施太和阿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，指出了当 链条和齿轮的牙齿有一定的磨损后，啮合冲击的威力将变得不容忽视，这种周期性的冲 击能够传递至转盘、方钻杆及整个钻柱，造成钻柱的振动，该文章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。 吕应民和蔡强康等”应用有限元法建立了钻柱隔振的力学模型，对钻柱进行了纵向 振动的动力响应分析和固有频率计算，比较了常规钻柱和隔振钻柱钻头处的位移、井口 处的位移以及钻压的变化。钻柱隔振后，其固有频率远高于常规钻井时的激振频率，因 此隔振后的钻柱可以避免发生共振现象，提高钻井效率。钻柱隔振理论可以为隔振器的 设计和应用提供可靠的理论基础。 1 9 9 7 年，姚恒申、江晓涛和刘清友啪建立的钻柱钻头系统纵向振动的随机微分方程， 通过对方程的求解并用牛顿第二定律对钻头和钻柱各处进行受力分析，表示了钻头和钻 柱各部位的受力过程，利用阈交问题分析方法计算了单位时间内钻头受力超过一定值 ( 如疲劳受力) 的平均次数，可直接应用于钻压、转速的合理控制和钻头的寿命预测。 1 9 9 8 年，张焱、陈平和施太和嘲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，介绍了两种研究钻柱振动动力学的方法，即有限元法和机械阻 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，且钻铤的横向变型较大，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。所以在深井中建议使用大井眼大钻铤方案。 孙超、刘巨保等嘲建立了整体钻柱瞬态动力学分析模型，运用n e w m a r k 方法求解钻 柱动力平衡方程，通过理论分析计算结果与室内模拟实验实测结果的对比分析，进行了 理论模型、分析方法与室内实验的相互验证。 刘清友、马德坤和汤小文“”在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上，将钻头 在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件，在适当简化的条件 下，利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的 弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下， 采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际 运动规律和动力学性能，改进钻头、钻柱的设计方法，预防钻头、钻柱早期失效奠定了 基础。 高岩、刘志国和郭学增“”认为钻柱的共振与钻压、转速、泥浆性能等钻井参数有关， 3 第1 覃引言 通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象，达到优化钻井的目的。本文给出了钻柱轴 向振动的固有频率和振动传输公式。现场测量及计算表明，不是所有的固有频率点都会 引起钻柱的强烈振动，它取决于振动传输比，现场试验数据验证了计算公式。通过固有 频率的计算，分析了减振器对固有频率的影响以及固有频率随井深增加的变化趋势。 1 9 9 9 年，章扬烈、肖载阳“”在钻柱的剧烈振动与控制一文中论述了振动的多种 形式产生的机理、环境，征兆和控制措施。在钻井界的实践中提供了参考： 2 0 0 0 年，高岩“”在三牙轮钻头钻进时钻柱轴向振动的特征一文中指出，三牙轮 钻头的特殊结构使得它在钻进时容易在岩层的顶部形成一个三脊状井底，当钻头旋转一 周时钻柱轴向三次凹凸变化，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r 咿的谐波振动。另外，三牙轮钻头与地层作用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”。文章总结了 三牙轮钻头轴向振动的一般规律，通过实测数据分析，这特征已得到现场数据的验证。 吴泽兵、马德坤和况雨春“”认为研究钻柱振动时把钻柱下端当作铰支，假设激振源 为周期的，偏离实际。从建立符合实际的下端边界条件入手，着重研究钻柱的纵向振动， 用有限元法，求出整体质量、整体刚度，整体阻尼矩阵采用的是比例阻尼矩阵，利用牛 顿法得到钻柱的振动方程，另外钻头与岩石的相互作用模型得到真实的钻柱下端边界条 件，并利用h o u b o l t 数字解法模型求解振动微分方程。根据上述模型他们编制了用于分 析钻柱纵向振动的计算机仿真软件，并进行了大量仿真实验，通过对实验结果分析得到 了有意义的结论。 2 0 0 1 年，韩致信，李钫等“”提出了钻柱纵向自由振动的离散力学模型，根据l a g r a n g e 方程推导建立了相应的数学模型和特征值的计算式，并用实际算例进行了计算。计算结 果表明，按离散模型确定的固有振动圆频率比按连续等直杆模型确定的固有振动圆频率 略小考虑到实际钻柱系统的非等直性，可以认为离散模型的精度将高于连续等直杆模 型的精度。 王珍应、林建等“”为了弥补先前的变量分析法和有限元法存在的不足，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，一种用来优选钻头、优化设计钻具组合和优选钻井 参数；另一种用来随钻监测井底工况、井底岩石性质和钻头工作状态。 况雨春、马德坤等“”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 4 ! 旦至苎查兰! 兰奎! 堡主兰垒堡苎 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3 0 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。 朱才朝、谢永春和秦大同“”根据牙轮钻头的实际振动状态分析了钻头产生各种摆动 的机理，讨论了岩石与钻头之问的相互作用力，用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横 向、扭转三个方向振动相互耦合的系统动力学模型，并结合实例对牙轮钻头系统进行了 动态仿真 2 0 0 2 年，赵德云、杨海波、杨跃波“”以深井中的整体钻柱为研究对象，建立了深井 钻柱一维纵向振动分析模型，采用动力有限元理论建立了描述钻柱振动的动力学方程， 并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件，最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不 同的工况进行了分析计算。通过对现场的统计分析发现，该分析计算结果具有很高的实 用价值，对今后深井钻进中提高钻井效率、减少钻具失效有定的指导意义。 邱利琼在其发表的文章中指出钻井用钻柱在使用过程中受力比较复杂，钻柱不仅 存在纵向振动、横向振动，还存在扭转振动，并且3 个振动相互耦合，用一般受力分析 方法很难确定，作者采用能量法求出单元的动能和势能，利用拉格朗日方程建立起钻柱 系统动力学有限元模型，求出了系统质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵及系统载荷矩阵， 利用微分方程的数值计算方法对钻柱过程进行计算机仿真。通过研究得出了一套研究钻 柱系统动力学模型及求解方法，对新形钻柱的设计和钻井力学的研究具有指导意义。 1 2 2 减振器的研究进展 1 9 9 6 年，章扬烈、萧载阳。”在兰州石油机械研究所的钻杆柱模拟实验装置上对液压 减振器进行了研究。实验是用牙轮钻头在具有等高规则的波状井底上旋转，以模拟它在 受迫纵向振动和受迫扭转振动时的工作情况。反复的实验证明，弹簧常数适当的液压减 振器具有和橡胶减振器一样的多种良好性能。而双向减振器不仅制作复杂，价格昂贵， 最重要的是它的特性与钻井的要求相反，说明它是个错误的设计，加上使用中无法通过 调节钻压对它进行地面控制，故不适于在钻井中是用。另外得出一个结论就是，钻杆柱 本身就是一个良好的扭振缓冲装置，另行开发抗扭减振器全无必要。 1 9 9 7 年，刘巨保、张学鸿、苏华和殷朝阳馏1 选取整体钻柱为研究对象，考虑了井架、 钢丝绳的刚度以及泥浆的阻尼作用，建立起深并整体钻柱振动分析力学模型，并运用动 力有限元法对钻柱的纵向振动进行了分析计算，根据钻柱的固有频率、响应位移和轴力 值确定出减振器的最佳安放位置。经大庆油田深井典型钻具分析计算，给出了减振器在 井深3 0 0 0 4 0 0 0 m 时的最佳安放位置，对过去那种减振器放在近钻头处最佳的认识进行 了比较现场试验表明，减振效果明显，对降低钻柱的断裂事故起到了重要作用。 5 2 0 0 1 年，夏宏南、杨明合和刘刚o ”设计了一种新型减振器，泥浆压差式钻柱减振器。 该减振器利用钻柱内外的循环压差施加钻压，实现了钻头与钻柱的柔性连接。以泥浆作 为减振元件来吸收钻进过程中的纵向冲击振动能量，减振效果好，振动衰减快。它与普 通液压式减振器的不同在于减振性能不受温度的影响，不贮存钻头所产生的冲击能量， 是一种能同时起到保护钻柱和钻头并能控制钻压的减振工具。另外该减振器结构简单， 加工容易，便于维修。其元件不存在疲劳损坏。它克服了金属弹簧在冲击力作用下易疲 劳以及橡胶受高温的限制和受频率影响的缺点，故其使用寿命长，工作范围广。该减振 器具有不贮存能量之优点，即阻尼作用大，振动衰减快，能使钻头钻压较之所有其他减 振器都均衡、平衡。因此，减振性能好。该减振器特别适用于定向井钻井，能起到减振 器和加压装置的双重作用，克服定向井由于井壁摩擦地面指示钻压与钻头上实际钻压不 一致的问题，加压均匀。 2 0 0 2 年，王朝晋1 通过对减振器的作用进行分析和对新型吸振器的研究得出一系列 结论，认为减振器对钻柱纵向振动的减振作用与钻压无关，在钻井过程中，改变钻压可 以影响钻柱的纵向振动，不是改变了减振器的减振效果，而是因为钻压的变化使井底激 励产生了变化。减振器的减振效果主要决定于减振器的弹簧刚度，刚度越小，减振效果 越好。同时井底周期性的激励频率大时减振器的效果也越好。所以在钻井工艺允许的情 况下，最好选择刚度较小的减振器。新型减振器( 吸振器) 结构简单，其吸振单元不承 受钻柱的轴力和扭矩，因而不会对钻柱的可靠性造成影响，只要配用得当，将有良好的 减振效果。 1 2 3 国内超高压喷射钻井技术研究发展状况 国内喷射钻井技术研究始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 4 年原北京石油学院钻井室对淹没 非自由射流特性和喷嘴结构进行了系统的研究试验，取得了喷嘴水力学特性的有关数 据，建立了各种喷嘴剖面曲线方程。1 9 7 3 年开始研究喷射钻井工艺技术，研制出了喷 射式钻头、耐高压大功率钻井泵、固控装备、低固相不分散钻井液体系，改造了高压循 环系统。1 9 7 5 年在胜利油田王1 1 井进行了首次喷射钻井综合现场试验应用，泵压保持 在1 5 m p a 。高压喷射钻井比常规钻井机械钻速提高了1 倍，钻井成本下降1 3 蚓。 ( 1 ) 高压喷射钻井技术取得的主要成果 我国自从1 9 7 8 年应用高压喷射钻井技术以来，大致经过了三个发展阶段：第一阶 段，泵压为i o - 1 2 m p a ；第二阶段，泵压为1 4 1 5 m p a ；第三阶段，泵压为1 8 - 2 0 m p a 。实 践表明，随着泵压的上升，机械钻速大幅度提高，第二阶段比第一阶段机械钻速提高6 0 ， 成本下降6 1 ；，第三阶段比第二阶段机械钻速又提高4 0 ，成本又下降4 1 ，经济效益 十分显著嘲。 ( 2 ) 地面泵增压现场试验 6 曼至垫查兰! 兰查! 堡主兰垒堡奎 目前我国地面泵最高泵压已达到4 0 m p a ，机械钻速提高1 - 2 倍。江苏油田在真武地 区1 2 0 井钻井过程中将泵压从1 7 1 9 m p a 提高到1 9 2 2 m p a ，结果机械钻速平均提高 1 1 4 2 ，钻井综合成本平均降低3 。1 9 9 0 年，胜利油田在6 口井进行了泵压3 0 咿a 的 喷射钻井试验。结果表明，与泵压1 8 - 2 2 m p a 喷射钻井相比( 同类型井) 钻井速度提高 1 倍，直接钻井成本下降6 4 3 1 。 中原油田在卫9 5 1 5 1 井和卫3 7 9 井两口井进行了泵压2 5 m p a 的喷射钻井试验，平 均机械钻速比以前完成的同类型井提高了1 5 - 2 0 ，钻井成本减少6 1 9 元m 。2 0 0 1 年， 该油田在桥5 5 2 井进行了最高泵压3 4 m p a 的喷射钻井试验，机械钻速提高2 0 左右。 在卫2 2 8 0 井进行了最高泵压为4 0 m p a 的喷射钻井试验，机械钻速提高2 倍汹1 。地面泵 增压现场试验充分证明了高压喷射钻井技术的先进性，但因泵压较高，地面设备、管汇 以及井下钻柱存在各种不安全因素，投资大等问题，而未能在现场推广应用。 1 2 4 井下增压技术研究进展1 2 蜊j 水射流作为破碎岩石的一种方法，很早就在应用。在我国可追溯到明朝以前，用水 力开渠、冲采砂锡等，1 9 3 2 年，砂锡矿区使用水枪开采锡矿。1 9 3 9 年，前苏联建成世 界上第一个水力采煤矿井。日本、美国和英国等也很重视水射流技术的研究。 美国1 9 3 8 年开始研究喷射钻井，当时人们没有充分认识到射流的作用，美国多数 学者认为水力参数只要满足清岩的需要就够了，再提高就是浪费。近几年来，通过对水 力破岩的进一步研究发现，喷射钻井中钻头压降一般为7 - 1 4 忡a 。对于一般的中硬岩石， 射流主要起清洗井底的作用，如果将射流的压力提高一个数量级，超过岩石的强度( 抗 压强度4 5 - 8 5 肝a ) ，会起到明显的作用，这已被室内和现场试验所证实。为此，一种新 的钻井技术“高压喷射钻井技术”产生了。 高压喷射钻井技术自2 0 世纪6 0 年代问世以来，在提高钻头进尺和机械钻速等方面， 都取得了突破性进展，为高效快速钻井开辟了广阔的前景，国外超高压喷射钻井技术研 究大体经历了以下三个阶段：第一阶段地面全排量增压，因地面机泵经受不了长时间超 高压运转而终止；第二阶段是地面局部排量增压，即地面两套机泵组，井下是内外双管， 但因承受高压的内管密封可靠性和安全性问题而终止；第三阶段井下局部排量增压，即 地面是常规机泵组，在钻头上方安装增压器，目前已进入工业性试验阶段。 2 0 世纪7 0 年代初美国开始进行了高压射流技术用于深井钻井的可行性研究与试 验。m a u r e r 等提出利用地面装置，将整个循环钻井液的压力提高到6 8 - 1 0 5 m p a ，在5 口 3 0 0 0 m 左右的深井中进行了试验，机械钻速提高2 3 倍。由于该技术要求整个循环系统 承受很高的压力，尽管可以获得很高的机械钻速，但因为当时钻井泵、地面循环管汇、 钻柱、钻头等均不能在这样高的压力下可靠地工作，未能推广应用。 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，美国f l o w d r i l 公司研制出一套用于射流辅助双管钻 7 井系统，在地面上利用增压泵将小排量( 约2 5 l s ) 的钻井液压力提高到2 0 0 m p a 以上， 采用双通道钻柱把大量的常规钻井液和小排量的超高压钻井液同时送到钻头。超高压钻 井液从钻头上的特殊喷嘴射出，以5 0 0 m s 以上的速度冲击破碎岩石；而常规钻井液仍 从普通喷嘴喷出，清洗井底和携带岩屑。该系统需要独立的高压地面管汇、立管、水龙 带、双水龙头和双层方钻杆。g r a c ef l o w d r i l 和g r a c e 钻井公司合作，共进行了2 2 次 现场试验，在t e x a s 的东部和西部各1 1 次，在直径为2 0 0 m 和2 2 2 ，2 m 的井眼共完成 进尺2 7 4 3 2 m ，机械钻速比常规钻井提高2 - 3 倍，证明射流辅助钻井可以大幅度提高钻井 速度。但该系统存在可靠性差、寿命短以及使用不方便等问题，而且价格昂贵，用户难 以接受，因而也未能获得推广应用。因此，近十年来人们又将超高压射流辅助破岩钻井 技术的研究重点转移到了井下增压装置的研究方面。 s d y e e n h u i z e n 等人率先把高压泵送到井下，进行了井下超高压泵实现射流破岩 或辅助破岩的试验研究。实现井下增压i o o m p a 以上，使机械钻速在相同条件下提高2 倍左右。通过1 9 9 5 年和1 9 9 6 年的两次井下试验证明，存在着使用寿命问题，一般仅能 在井下工作4 0 6 0 h ，同样难以得到推广应用，但它是井下辅助钻井高效破岩的研究发展 方向。 1 9 9 3 年后期，美国f l o w d r i l l 公司和天然气研究院( g r i ) 开始了一项庞大的用射 流辅助破岩的井下超高压泵的三年研究计划，该井下泵系统因为是水力驱动，可以将井 下常规钻井液的十分之一增压至2 0 0 - 2 4 0 m p a 来辅助切割破碎岩石。5 口井现场试验表 明，与常规钻井相比，该技术可提高机械钻速1 5 3 5 倍。井下增压泵比地面增压泵具 有下列优势：设备投资低；易于实现从常规钻井向超高压射流钻井方式转变，经济性好， 安全性高，可靠性强；市场前景更为广阔。井下超高压泵装在钻头上方，钻井液以常规 排量通过钻柱送至井下超高压泵，井下超高压泵将大约1 0 的钻井液加压至2 0 0 m p a 以 上。这部分超高压钻井液通过钻头的专用流道到达钻头的加长喷嘴，而未加压的钻井液 流向普通喷嘴。由于该技术在常规钻井液体系中应用，很容易实现超高压喷射钻井，近 期又出现了井下超高压泵专利技术，因此可以说它代表了目前超高压射流钻井方式研究 的发展趋势 我国自上世纪9 0 年代初以来，提出了静压式井下增压器的结构及水力设计方案， 它根据流体静压传递的帕斯卡原理，利用大活塞带动小活塞的方法上下往复运动产生超 高压小股射流。1 9 9 6 年，第一代全尺寸样机经过室内实验，输出压力在1 5 0 m p a 左右， 累计工作时间已超过l o o h ，但没能达到现场应用条件。目前国内外采用了串联和并联两 种并下增压回路技术，串联回路是利用地面钻井泵的全部流量作为动力来增压破岩，动 力缸卸荷的钻井液用来净化井底。并联回路是利用地面钻井泵的小