（机械工程专业论文）钻柱起下钻振动分析与井眼轨道设计软件开发.pdf

摘要 起下钻时钻柱振动是非常复杂的动力学问题，钻柱振动不仅会影响钻柱的寿命，而 且还会严重影响无线随钻测量m w d 和无线随钻测井l w d 时钻井液泥浆的脉冲信号，产生信 号噪声。该噪声会使模拟信号失真，使数字信号产生误差，并导致信道的传输能力发生 变化，最终限制信息的传输速率。因此，分析起下钻时钻柱的振动情况，特别是起下钻 时的井口钻柱载荷变化、波动压力大小、反压差存在以及钴柱固有频率特性等因素，一 方面可以为有效减小起下钻时钻柱振动，减少噪声产生，增强钻井液泥浆脉冲信号的传 输精确度和传输速率等提供理论基础；另一方面可以为预测井下工况、分析钻井事故以 及开发井眼轨道三维可视化软件等提供必要的前提和基础，为新的钻井技术和工艺提供 必要昀理论支撑和技术手段。本课题来源于中国石油天然气股份有限公司钻井工程技术 研究院项目“并下控制工程基础理论与旋转导向中的声波传输技术研究”子课题项目“井 下多体系统动力学研究”( 项目号2 0 0 8 c 2 1 0 0 ) ，本文着重研究并下多体系统动力学中的 起下钻时钻柱振动分析及井眼轨道设计软件开发应用。 论文首先阐述了钻柱振动的整体状况，分别对钻柱的纵振、扭振、横振进行了理论 研究，分析了三种振动形式的产生原因、典趔力学模型及数学模型的建立与求解。推导 了三种振动形式下钻柱固有频率的计算公式及共振的临界转速，得出了钴柱共振的规律。 其次，在充分考虑钻柱内外钻井液情况下，着重探讨了起下钴液固耦合作用下钻柱 的力学特性。分析了钻柱在起下钻过程及悬空状态下的受力状况，对起下钻时钻柱的结 构动力学及波动压力进行了研究，建立了起下钻钻柱动态波动压力的微分方程；对钻柱 起下钻过程中钻井液的动力学特性进行了分析，分别给出了钻井液流体在不同情况下的 运动方程；推导了基于幂律流体下钴柱在不同状态的许用起下钻速度，给出了起下钻过 程中的总体要求：建立了起下钻时钻柱的纵向振动方程和频率方程，并对三种不同振动 形式进行了模态分析，分别探讨了相关参数对钻柱固有频率的影响规律。 最后，在以上钻柱振动理论研究基础之上，特别是对起下钻时钻柱振动深入研究基 础上，以钻井目标实现为基本前提，以井眼几何学为理论基础，以计算机软件h 4 a t l a b 为 应用手段，以井眼轨道控制技术为制约条件，开发编制了一款井眼轨道设计的三维可视 化软件，并应用现场钻井数据进行了模拟运算，达到了预期效果。 关键词：起下钻，钻柱振动，模态分析，固有频率，井眼轨道 v i b r a t i o na n a l y s i so fd r i l ls t r i n gd u r i n gt h et r i pa n dt h ew e u t r a je c t o r yd e s i g ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t w a n gx i a n f e n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a ow e n s h e n g a b s t r a c t v i b r a t i o no fd r i l ls t r i n gd u r i n gt r i p p i n gi sav e r yc o m p l e xd y n a m i cp r o b l e m ，i tw i l ln o t o n l yr e d u c et h es e r v i c el i f eo fd r i l ls t r i n g ，b u ta l s ow i l la f f e c tt h ep u l s es i g n a lo fd r i l l i n gm u d d u r i n gm e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n g ( m w d ) a n dl o g g i n gw h i l ed r i l l i n g ( l w d ) w h i c hm a y c a u s es i g n a ln o i s e t h i sk i n do f n o i s ew i l ll e a dt ot h ed i s t o r t i o no fa n a l o gs i g n a l ，e r r o r si nt h e d i g i t a ls i g n a l ，c h a n g eo f c h a n n e lt r a n s m i t t a b i l i t ya n de v e n t u a l l yr e s t r i c tt h et r a n s m i s s i o nr a t e s oa n a l y s i so fd r i l ls t r i n gv i b r a t i o na n ds o r t i ef a c t o r sd u r i n gt r i p p i n gs u c ha sl o a do fd r i l l s t r i n ga tw e l l h e a d , f l u c t u a t i o np r e s s u r e ，b a c k p r e s s u r ea n dn a t u r a lf r e q u e n c yo fd r i l ls t r i n gw i l l p r o v i d et h e o r yb a s i sf o re f f e c t i v e l yr e d u c i n gt h ev i b r a t i o no fd r i l ls t r i n g ，d e c r e a s i n gs i g n a l n o i s ea n de n h a n c i n ga c c u r a c ya n dr a t eo ft r a n s m i s s i o n m e a n w h i l e ，i tc a l la l s oc a np r o v i d e n e c e s s a r yp r e m i s ea n ds u p p o r tf o rp r e d i c t i n gd o w n h o l ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n a l y z i n gd r i l l i n g a c c i d e n ta n dd e v e l o p i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r eo fw e l lt r a c k i tc a l la l s o p r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r t a n dt e c h n i c a lm e t h o df o rf l e wd r i l l i n gt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s t h i s s u b j e c to r i g i n a t e sf r o mt h es u b - p r o j e c t u n d e r g r o u n dc o n t r o le n g i n e e r i n gt h e o r ya n ds o u n d w a v et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo fr o t a r ys t e e r i n gr e s e a r c h o ft h ep r o j e c t u n d e r g r o u n dm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c sr e s e a r c ”( n o 2 0 0 8 c - 2 1 0 0 ) h o s t e db yd r i l l i n ge n g i n e e r i n g t e c h n o l o g yr e s e a r c hi n s t i t u t eo fc n p c t h ep a p e rf o c u s e so i lt h ea n a l y s i so fd r i l ls t r i n g v i b r a t i o no fm u l t ib o d ys y s t e md y n a m i c sa n dt h ed e v d o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd e s i g n s o f t w a r eo fw e l lt r a c k f i r s t l y , t h eg e n e r a lc o n d i t i o n so fd r i l ls t r i n gv i b r a t i o na l ei n t r o d u c e da n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i so fd r i l ls t r i n gt e n s i o n a lv i b r a t i o n ，l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na n dt r a n s v e r s ev i b r a t i o na r e c o n d u c t e di nt h i sp a p e r t h e n ，t h em a i nc a u s e so ft h r e ek i n d so fv i b r a t i o nf o r ma l ea n a l y z e d a n dt y p i c a lm e c h a n i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e la r ee s t a b l i s h e da n ds o l v e d f i n a l l y , t h e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fn a t u r a lf r e q u e n c yo fd r i l ls t r i n ga n dc r i t i c a ls p e e do fr e s o n a n c eu n d e r t h r e ek i n d so f v i b r a t i o nf o r mi sd e r i v e da n dt h er e g u l a r i t yo f d r i l ls t r i n gv i b r a t i o ni sc o n c l u d e d f r o mt h ef o r m u l a s e c o n d l y , t h em a i nf o c u so ft h i sp a p e ri s t od i s c u s st h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r so fd r i l l s t r i n gu n d e rt h el i q u i d s o l i dc o u p l i n ga c t i o nd u r i n gt r i p p i n gw i t hf u l lc o n s i d e r a t i o no fd r i l l i n g f l u i di n s i d ea n do u t s i d et h ed r i l ls t r i n g t h ef o r c e sa c t i n go nt h ed r i l ls t r i n gd u r i n gt r i p p i n g a n di m p e n d i n gs t a t ea l ea n a l y z e da n dt h es t r u c t u r ed y n a m i c so fd r i l ls t r i n gd u r i n gt r i p p i n gi s s t u d i e d ，f l u c t u a t i o np r e s s u r ei sd i s c u s s e da n dd i f f e r e n t i a le q u a t i o no fd y n a m i cs u r g ep r e s s u r e o fd r i l ls t r i n gi se s t a b l i s h e d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fd r i l l i n gf l u i dd u r i n gt r i p p i n gi s a n a l y z e da n dm o t i o ne q u a t i o n so fd r i l l i n gf l u i di nd i f f e r e n ts i t u a t i o n sa r eg i v e n b a s e do n p o w e rl a wf l u i d ，t h ep a p e rd 嘶v e sa l l o w a b l et r i ps p e e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dg i v e s g e n e r a lr e q u i r e m e n td u r i n gt r i p p i n g a l s o ，i nt h i sp a p e rt h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o ne q u a t i o n s a n df r e q u e n c ye q u a t i o n so fd r i l ls t r i n ga r ee s t a b l i s h e d ，m o d a la n a l y s i so nt h r e ed i f f e r e n tk i n d s o fv i b r a t i o no fd r i l ls t r i n gi sc o n d u c t e da n dt h ee f f e c t so fr e l a t e df a c t o r so nt h en a t u r a l f r e q u e n c yo fd r i l ls t r i n ga l ed i s c u s s e d a tl a s t ，w i t ht h ep r e v i o u sd r i l ls t r i n gv i b r a t i o nt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，e s p e c i a l l yt h e i n - d e p t hs t u d yo fv i b r a t i o no fd r i l ls t r i n gd u r i n gt r i p ，at h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n s o f t w a r eo fw e l lt r a c kd e s i g ni sd e v e l o p e db ym a t l a bl a n g u a g eb a s e do nt h eb o r e h o l e g e o m e t r y a n a l o gc o m p u t a t i o nu s i n gd r i l l i n gd a t as h o w st h a tt h es o f t w a r er e a c h e st h e e x p e c t e de f f e c t k e y w o r d s ：p i p et r i p ，d r i l lv i b r a t i o n , m o d a la n a l y s i s ，n a t u r a lf r e q u e n c y ，w e l lt r a j e c t o r y 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 1 1 1 课题的来源 石油号称工业的血液，“黑色之金 ，是一个国家最重要的战略性资源之一，也是 一个国家未来发展的关键因素之一。近年来，随着经济和工业的迅猛发展，世界各国对 油气资源的需求量急剧增加，石油的开采不仅关系到一个国家的民生和工业，而且关系 到国防的安全。如何把深埋在地下的油气资源尽可能多的开发出来，是我们亟需解决的 的一个问题。目前，伴随着科技的进步，钻井技术也得到了迅猛发展，出现了很多新的 钻井工艺和钻井方法，但同时也面临着许多新的技术难题：如钻柱、井壁两者之间的摩 擦问题、钻柱井壁和钻井液的液固耦合问题、钻柱失效问题、钻井信号传输噪声问题、 轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化问题等钻柱力学方面问题严重制约了我国油气资 源的勘探开发【1 1 。 针对以上技术难题，笔者就钻柱的失效问题( 主要是钻柱振动引起的) 及井眼轨迹 三维可视化方面做了一定深入的研究。本课题来源于中国石油天然气股份有限公司钻井 工程技术研究院项目“井下控制工程基础理论与旋转导向中的声波传输技术研究”子课 题项目“井下多体系统动力学研究”( 项目号2 0 0 8 c 2 1 0 0 ) 。本文着重研究井下多体系统 动力学中的起下钻时钻柱振动分析及井眼轨道设计的三维可视化软件开发应用。 1 1 。2 课题的研究意义 随着我国钻井技术的不断发展，近代钻井深度的不断增加，从陆地油田向未知海 洋的不断探索，对钻井工艺、钻并设备及人员素质的要求愈加严格，特别是对钻柱的结 构及性能提出了前所未有更加苛刻的要求。实践证明，钻柱在几千米甚至近万米长的井 下受力状况是相当复杂的，它在钻井工具和设备中属于比较薄弱的环节，严重影响着钻 井效率的提高。因此，选用可靠的钻柱，是安全快速优质地钻达预定深度的必要前提保 证。这不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且应该具体问题具体分析，根据钻柱 在井下的实际工作条件，正确分析钻柱在起下钻及钻进过程中的受力状况，合理地设计 钻柱。然而，值得注意的是，钻柱的破坏大多是由钻柱失效引起的，所以有必要探讨钻 柱失效产生的机理和影响因素，采取有效技术措施减少钴柱失效。 钻柱失效问题乃是约束其钻井效益提高的关键因素之所在，而强烈的钻柱振动又是 引起钻柱失效的根本原因。强烈的钻柱振动会导致系列的技术与设备问题，如井下测 第一章绪论 量数据的不准确性、钻速的下降、井下钻采设备的破坏等，严重的影响了钻井工作周期 与成本。因此，分析钻柱的振动问题，探讨钻柱振动的主要原因，对于有效减少钻柱失 效问题，提高钻井效率，减少钻井成本显得至关重要。纵观国内外的钻井事故，不难看 出，每年都会有大量的因钻柱失效导致的钻井事故，而造成此类事故的原因就是由于钻 柱的振动问题。据非官方数据统计，我国川东北工区在2 0 0 7 年1 月到1 1 月共发生了4 7 次 钻具的失效事故c 2 ( 见下表1 - 1 ) 。 表1 - 1 川东北工区钻具失效次数统计表 t a b l e l - 1 d r i l l i n gt o o l sf a i l u r ef r e q u e n c ys t a t i s t i c si nn o r t h e a s t e r ns i c h u a n 失效类型失效次数( 次) 钻铤断裂 1 8 钻杆断裂 1 9 钻具脱扣 4 加重钻杆断裂 2 钻具附件失效 4 合计 4 7 在以上事故中，累计报废进尺达到了5 0 8 1 3 5 m ，钻井时间累计损失6 5 2 5 1 2 h ，造成 了巨大的经济损失。究其原因，事故的不断发生与钻柱的振动问题密切相关。表1 2 为 典型钻柱失效事故，图1 1 则是常见钻柱本体断裂形状。 表1 - 2 典型钻柱失效事故描述 t a b l e l - 2 d e s c r i p t i o no fi n c i d e n t si ns o m ea i ra n dg a sd r i l l i n gw e l l s 井号 事故类型井深转速事故现象 不断有严重的跳钻现象，悬重由7 6 0 可k n 突然 普光1 0 井断钻具 1 4 5 1 1 87 5 下降至6 8 0 k n ，注气压力下降。 钻进扭矩无变化，钻柱振动剧烈，立压无明显 普光1 0 1 井 断钻具2 7 8 0 6 16 0 变化。 普光1 2 断钻具3 3 7 1 7 95 0钻柱振动明显加剧，悬重突然下降。 钻进扭矩无变化，钻柱振动剧烈，悬重由1 5 0 k n 普光1 0 2 2 井断钻具 2 3 4 8 46 5 突然下降至9 0 0 k n ，立压2 0 m p a 降至1 9 m p a ， 立压无变化。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 1 钻杆本体断裂照片 f i g l - 1 p i c t u r eo fb r o k e nd r i l ls t r i n g 钻井实践表明，钻柱振动在实际的钻井过程中是不可避免的。特殊情况下，钻柱的 轻微震动有利于钻井作业的进行，而绝大数情况下钻柱的剧烈振动将会导致严重钻井事 故的发生，造成难以想象的经济损失。一般情况下钻柱的振动可能有以下几个方面的原 因造成： ( 1 ) 由于井底的不平稳性及地层岩性的各向异性引起钻头振动，进而造成钻 柱的振动；( 2 ) 由于牙轮钻头的浮动轴承结构及牙齿的高低起伏性，当其破碎岩石时 引起的振动；( 3 ) 由于钻进过程中方位角和井斜角的不断变化，导致钻杆柱与井壁的 摩察产生振动：( 4 ) 由于牙轮钻头浮动轴承的松动及严重的磨损引起的冲击振动；( 5 ) 泵压的波动、钻井液的循环流动引发的钻柱振动：( 6 ) 钻压的改变、转速的升降、扭 矩增大等钻井参数的不断变化引起钻柱振动。 钻柱的振动问题不仅涉及到钻柱自身的动力学性能，而且还受地质条件、钻头工况、 钻柱工作环境以及钻井工作过程中一些其它外围介质等诸多复杂因素影响，是一个复杂 的系统动力学问题。钻柱的振动不仅会产生振动噪声，而且还会严重影响无线随钻测量 m w d 和无线随钻测井l w d 时钻井液泥浆的脉冲信号，产生信号噪声。噪声是影响数据 传输效率的一个重要因素，它能使模拟信号失真，使数字信号发生错误，并随之限制信 息的传输速率。在随钻测井过程中，噪声主要来源于钻头与地层相互作用产生的钻井噪 声、起下钻钻柱与井壁的摩擦和地面接收系统带来的环境噪声，即地面噪声和井下噪声， 这些噪声会随钻井参数的变化而变化，而噪声水平的高低会改变信噪比的大小，并最终 3 第一章绪论 导致信道的传输能力发生变化。因此，为了更清楚地了解钻柱的实际工作状况，有必要 对该问题进行深入的探讨研究，从而为有效减少噪声产生，极大增强信号的传输精确度 和传输速率、开发钻井轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化系统、有效预防钻井事故以 及优化钻井过程等工作提供必要的前提和基础，为新的钻井技术和钻井工艺提供必要的 理论支撑和技术手段。在钻井工程中，钻井大致可以分为两个状态一钻进状态与起下 钻状态。由于受到不同井身结构、不同钻具组合、钻井液密度及流变性、泥浆性质( 包 括屈服值与密度) 、温度、钻铤直径、钻头和喷嘴以及起下钻速度( 或者加速度) 等不 同因素的影响，使得钻柱在井内上下运动时产生了较大的压力波动与反压差，从而导致 钻柱在起下钻过程中剧烈振动现象的发生。起下钻过程中，井口钻柱载荷的大小和压力 波动是钻井施工者们最为关心的参数，它是导致起下钻时钻柱振动的关键因素之所在， 因此分析起下钻时的井口钻柱载荷变化、波动压力大小及反压差的存在因素，对于有效 减小起下钻时钻柱振动、预测井下工况、分析钻井事故以及开发井眼轨迹三维可视化软 件提供必要的理论支持显得至关重要。对该课题的攻破，一方面可以直接节约钻井成本， 从而提高钻井效益；另一方面，可以为开发钻井轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化系 统提供必要的理论支撑和技术支持，也进一步为研发新的钻井技术和钻井工艺增砖添瓦。 1 2 国内外研究现状 钻井工程中，一套完整的钻井系统大体可以分为井下配套设备和地面驱动设备，而 井下配套设备主要包括钻头与钻柱。钻柱是钻井工程中的重要工具，在钻井过程中，它 是联接地面与地下的枢纽，起着至关重要的纽带作用。钻柱由不同的部件组成，它的组 成随着钻井条件和钻井方法的不同略有差别。通常情况下，我们将方钻杆、钻杆、钻铤、 稳定器、配合接头、保护接头及其他可选组件( 如稳定器、振击器、减振器、螺杆、扩 眼器、键槽破坏器等) 组成的管串称为钻柱，如图1 2 所示。 在转盘钻进时，破碎岩石所需要的能量就是通过钻柱所传递的，此外，它还用来循 环井内钻井液，同时为井底施加有效钻压等。在钻井过程中，井下各种工况的反应以及 钻头的磨损情况等，均是通过钻柱和各种仪表参数变化上传到地面上来的；经过技术工 程师对这些参数变化的进一步分析，从而确定是否需要更换钻头以及井下地层的各种变 化情况。因此，只有在合理的钻柱设计、正确的使用钻柱情况下，才能精确测量钻井参 数的变化，合理运用钻井技术，提高钻采效率，增加油田开采量。此外，除了正常的钻 进外，打捞落物、取心、挤泥浆、地面测试以及井下复杂情况的处理等其他作业情况， 均是通过钻柱选行的。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 随着世界各地陆地钻井向海洋钻井的不断迈进，钻井深度的不断增加，钻井环境的 不断恶劣以及钻井工艺的不断提升，对钻柱材质及其结构提出了更加严格的要求。通过 理论分析及其现场经验得知，钻柱在较短井深内受力状况并不复杂，但随着钻井深度的 不断增加，在几千米甚至上万米的井况下，其受力状况十分复杂，也成为了钻井环节中 较为易损的钻井工具之一。选用可靠钻柱，是保证快速优质安全钻达预订井深的必要条 件。因此，我们必须要根据实际地层工况，从性能选材、尺寸配合上合理选择钻柱，正 确分析钻柱在静止和运动状态下的受力状况，进行必要的计算，设计出合理的钻柱。通 过现场实践，我们知道疲劳破坏是引起钻柱破坏的主要原因，探讨疲劳失效产生机理及 影响因素，采取各种技术措施减少疲劳破坏，从而延长钻柱的使用寿命。 钻柱在钻井工程中起着十分重要的作用，归纳起来主要有以下几方面： ( 1 ) 为钻头施加钻压，破碎岩石；同时通过观察钻柱的运动状况，可以大体了解地 层的地质情况、井下底部钻具组合的工作情况以及井眼状况等： ( 2 ) 建立井内钻井液循环通道，并传递水力能量；此外，进行必要的特殊作业，如 处理并下特殊事故、挤水泥、取心、打捞井下落物等； ( 3 ) 将地面的能量传递给钻头( 传递扭矩) ，达到破碎岩石目的； ( 4 ) 依据钻柱的实际长度计算钻井的未知井深； ( 5 ) 起下钻头，安放尾管、下电测工具、中途测试( 即对压力状况及地层流体进行 必要的测试与评价) 等。 此外，钻柱的各个组件也分别起着非常重要的作用。方钻杆位于钻柱的最上端，其 驱动部分断面为中空的四边形或六边形，高强度合金钢制造，其壁厚比钻杆壁厚大三倍 左右，具有高抗拉和抗扭强度，用来承受钻头和旋转钻柱所需的巨大扭矩，同时用来承 受整个钻柱庞大的重量。目前规范尺寸有：21 2 ”，3 ”，31 2 ”，41 2 ”，51 2 ”。 为了防止方钻杆旋转时自动卸扣现象的发生，方钻杆上端面，即到水龙头的所有连接部 位均采用左旋丝扣( 反扣方式) ，相反，在下端面，即到钻头所有连接部位均采用右旋 丝扣( 正扣方式) ，这样在转盘的作用下，方钻杆带动整个钻柱旋转时，丝扣越来越紧， 有效地避免了自动卸扣现象的发生。同时，为了有效地保护丝扣，避免经常拆卸部位丝 扣的磨损，往往会在易磨损部位安装保护接头，也有效的避免了由于磨损带来的卸扣现 象的发生。钻柱的基本单元即为钻杆，它是钻柱的主要组成部分，由厚度为8 1 2 r a m 的 无缝钢制管材制成，具有较强的韧性和刚度。钻杆的基本结构是管体加接头，其主要作 用是加深井眼、传递转盘扭矩及输送钻井液。因此，钻杆在石油钻井中扮演着非常重要 5 第一章绪论 的角色。相对而言，接头和丝扣在钻柱的各个组件连接中起着举足轻重的作用。在钻柱 中，接头主要有钻杆接头、配合接头和保护接头等。其中，钻杆接头是钻杆的主要组成 部分，其壁厚及外径较大，强度较高。而钻铤则位于钻柱最下方，主要包括光钻铤、螺 旋钻铤和扁钻铤三类。其结构特点是管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大( 3 8 5 3 毫米) ，重量大，是钻杆质量的4 6 倍，刚度大。钻铤主要有四大作用，其首要作用是 给钻头施加钻压；其次减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；再就是保证 压缩条件下的必要强度；最后就是控制井斜。加重钻杆是一种新型钻柱构件，其单位长 度重量是中等的，兼有钻铤和钻杆的功能。与钻杆的不同之处就是，加重钻杆中部有 耐磨带，耐磨带能起到稳定器的作用，管体两端和中部有超长的外加厚接头或外加厚 段，提高加重钻杆在钻柱中的刚度，减小井斜。钻柱的疲劳失效主要发生在钻杆上， 这是由于钻铤的横截面积较钻杆的横截面积大，因此从钻头上传递来的应力，在遇到断 面急剧发生变化时，往往会在钻杆处产生弯曲应力集中，导致疲劳失效的发生。相反， 如果我们在钻铤与钻杆之间加入加重钻杆，使横截面积变化得到缓冲，就可以尽可能的 避免应力集中现象的发生，从而降低事故率。此外，加重钻杆较钻铤来说具有明显的优 点，它易打捞、易搬运、成本相对较低及可有效缩短起下钻时间等，此外还能保持定向 井的方位，起到稳斜作用。稳定器，用来提高钻头工作时的稳定性，延长钻柱工作寿命。 稳定器的类型主要有三种：刚性稳定器、滚轮稳定器和不转动橡胶套稳定器。不同的稳 定器适用于不同的范围，拥有各自的优缺点，因此在选择使用稳定器时，要根据具体问 题具体分析。 图1 2 钻柱基本组成 f i 9 1 - 2 b a s i co fd r i l ls t r i n g 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 1 国外钻柱振动的研究现状 国外对钻柱及钻柱动力学的研究起步较早，早在1 9 2 9 年国外学者就提出了一些列钻 柱力学理论。起初，国外学者并没有提出一系列比较成熟的理论，仅仅是在钴柱的振动 方面进行了简单的分析研究，建立了一些简单的力学振动模型，取得了少量的成果，主 要体现在解决了直井的走向问题、利用钻柱本身重力钻直井以及单纯的分析了钻柱的纵 向弯曲问题【4 。然而早期的钻柱动力学研究受当时技术条件的约束，其认识水平、模 拟实验的方法以及研究所用技术手段均与钻柱实际的受力情况差距较大，因此其研究结 果的适用性具有一定的局限性。通常我们认为1 9 5 0 年是钻柱力学研究的开始阶段，在该 年l u b i n s k i 发表了一篇关于钻柱振动理论的文章【8 】，文中比较详细阐述了垂直井中钻柱 的受力状况，并给出了描述b h a 底部组合纵向受力与变形的微分方程，随后l u b i n s k i 发 表了多篇关于钻柱理论的著作，从而成为了研究钻柱理论的早期代表人物之一，奠定了 钻柱力学研究的基础。 上世纪6 0 年代初，d a r e i n g 等人探讨了钻柱在垂直井中的振动情况，着重对扭转振动 和纵向振动进行了分析研究，并取得了定的成果【9 1 1 】。1 9 8 0 年代初，m i l l h e i m a 和a p o s t a l 应用d a l e m b e r t 原理，对钴柱的振动问题进行了详细全面的分析，这是首次对钻柱振动 问题进行系统的分析，在钻柱静力学研究的理论基础之上合理引入摩擦力与惯性力的概 念，建 e 维动态有限元模型p 2 。随后在1 9 8 1 年，b e l o k o b y l s k i 等人通过“钟摆”模 型，对钻柱的扭转振动进行了详细的分析与研究，提出了一些新的理念。1 9 8 7 年d a w s o n 等f 1 3 】人对钻柱的“粘滑”现象进行了详细的理论分析与研究，结合现场实际工况，将 理论分析与实际数据相结合，明确了钻柱与井壁之间的非线性摩擦力是“粘滑”现象 产生的主要原因。紧接着，k y i l i n g s t a d 等人通过理论和实验对由钻柱振动所引起的“粘 滑”现象进行了系统分析，值得注意的是，k y i l i n g s t a d 等人研究的振动指的是由井壁与 b h a 之间在静态摩擦力与动态摩擦力共同作用下产生的。他们结合现场实际数据，不断 优化理论分析模型，从而发现了转速的提高可以有效避免钻柱的“粘滑”现象的发生。 在该结论基础之上，1 9 8 8 年h a l s y 等人提出了合理利用转盘的扭矩反馈系统，有效的消 灭“粘滑”现象。现阶段，转盘扭矩反馈系统正在定向井及大位移井钻井中广泛应用， 在消除“粘滑”方面具有十分显著的效果。到t 9 0 年代初，b e s a i s o n 等人先后提出了 “涡动理论”，认为井壁与b 眦间的啮合作用是引起大位移并产生涡动现象的关键所 在，进而引发了钴柱的振动，而v a n d i v e r 等人又进一步提出了涡动在不同的工况下具有 有不同的发生状态。同时，b r e t t 等人指出当镶齿钻头与井壁磨合时会因侧向切向力过高 7 第一章绪论 而产生涡动现象。但是，由于早期学者们并没有考虑到非线性因素对钻柱振动的影响， 因此分析误差较大。然而，在1 9 9 2 年前苏联学者m i z a j a n z a d e 等人先后发表了多篇有关 钻柱动力学方面的文章，通过建立钻柱的纵向振动非线性数学模型，详细论述了钻柱的 非线性振动问题，进一步提出了在钻柱的剧烈振动中存在混沌、涡动及突变现象的发生。 国外在起下钻时钻柱振动方面研究也起步较早。起下钻钻井作业时，井口钻柱载荷 大小与井眼波动压力的大小是钻井工程师们最为关心的参数，它们直接影响着井眼内系 统的压力平衡，是产生井眼不稳定、井喷井漏现象的主要原因之一，同时也是平衡压力 钻井设计钻井液附加密度的主要依据。国外对波动压力的研究起源于本世纪三十年代初， 学者们系统论述了波动压力产生的原理、计算方法及其预测方法，为起下钻时钻柱振动 分析研究打下了坚实的理论基础 1 舢1 8 1 。波动压力的研究方法也经历很长时间的发展，起 初主要运用的是b u r k h a r d t 稳态法【1 6 1 ，发展到后来l u b i n s k i 的瞬态法【1 9 1 ，其局限性是没有 全面考虑钻柱内外钻井液的振动，仅仅对钻柱内外液柱的纵向振动进行了分析。此外， 七十年代中期以前的研究主要是建立在环空稳定流动基础上的，因此计算出来的波动压 力不够精确，误差较大；七十年代后期，l u b i n s k i 突破前人思维，首次提出了运用伯格 龙图解法建立基于环空不稳流基础上的波动压力模型1 9 1 ；八十年代中期，l f l t 2 进一步 完善了鲁宾斯基的波动压力计算模型，并公开发表了设计模型的应用结果；九十年代初， m i t c h e l 2 1 1 进一步总结了瑚模型的弊端，在此基础上进行了全面系统的分析，在考虑了 钻柱轴向弹性变形的同时，运用有限元分析法，建立了一个比较精确、完善的波动压力 计算模型，通过该模型的分析验证，得出了钻柱的轴向运动对波动压力的改变影响甚微 结论。 1 2 2 国内钻柱振动的研究现状 国内对钻柱动力学行为的研究起步较晚。起初，章扬烈等人在八十年代末期发表了 一篇关于钻柱动力学方面的文章，标志着我国钻柱动力学研究进入起步阶段。首先建立 了室内钻柱试验台，借助完善的实验平台，多次模拟、实验、总结分析，进而提出了旋 转钻柱运动学理论，认为该反转运动的存在是钻柱发生疲劳破坏的主要原因之一【2 2 】，该 理论得到了国际石油学者们的重视与认可。 赵国珍、龚伟安【2 3 】于1 9 8 8 年出版钻井力学基础，这是我国研究钻柱振动力学较 早的一本参考书，书中详细介绍了垂直井中钻杆柱的各种振动问题，为后来研究其他井 况的钻柱振动问题打下很好的理论基础。1 9 9 9 年，中国工程院院士李鹤林等人1 2 4 n t - i t 版了 石油钻柱失效分析及预防，详细介绍了国内外有关钻柱结构性能研究及其疲劳失效 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的的最新成果。此外，西安石油大学况雨春副教授等人【2 5 - 2 6 1 采用有限元分析法，通过建 立精确的下端边界条件，对钻柱的纵向振动进行了详细的研究，求出了钻柱的整体刚度 和整体质量，并利用n e w t o n 法建立了钻柱整体振动方程。另外通过模型分析，建立真实 边界约束条件，借助h o u b o l t 数字解法模型对钻柱的微分振动方程进行了求解。 署恒木、吕英民等人伫7 1 在充分考虑钻速、钻压、摩擦、井眼弯曲效应以及轴向力对 扭转、弯曲变形影响等因素的基础上，将阻尼简化为比例阻尼，钻柱与井壁的摩擦视为 瞬时碰撞，采用h a m i l t o n 原理建立了下部钻具组合的有限元动态方程。此外，刘延强等 人口8 2 刃在充分考虑钻柱与钻井壁的连续接触与完全碰撞情况下，利用d a l e m b e r t 原理建 立了井壁与钴柱的动态摩擦有限元方程。文中假定钻柱上某点与井壁的接触为瞬时滚动 接触且接触前后速度的平均值即为该瞬时的速度大小，同时将冲击力和阻尼力看作外载 荷，研究发现，钻柱在井中运动会对井壁产生明显的冲击作用，且钴柱振动无明显规律 性。 刘清友等人【3 0 1 首先建立了三牙轮钻头与地层岩石相互作用模型，将井底岩石与钻头 的作用力矩假定为下端边界，通过合理的约束条件，在弹性杆基础理论之上，利用有限 元建立了钻柱的扭转振动动力学模型，该扭转振动的产生是由于受到钻柱弹性变形及其 钻头与井底岩石之间作用力的结果。最后，在假定边界条件与初始条件的前提下，采用 数值微分法对扭振模型进行了详细求解，从而为进一步了解钻柱的实际动力学特性、井 下底部钻具组合的动力学特性以及控制井眼轨迹、有效预防钻柱疲劳失效奠定了良好的 基础。屈展、李子丰、周勇、邱利琼等人( 3 1 3 4 】也分别对钻井过程中钻柱的振动进行了深 入探讨，根据钻柱在不同运动状态、不同运动规律下建立各自相应的振动力学模型，较 为详细的给出了钻柱在不同状态下的固有频率的计算方法，同时对数学模型的正确性以 及力学模型的合理性进行了验证。 韩春杰、阎铁等人【3 5 弓刀重点对超深井、大位移井中的钻柱振动问题开展了深入研究， 总结出钻柱振动的潜在物理规律，确立了不同振型下钻柱的共振频率，认为钻柱的共振 是引起钻柱失效、b h a 破坏的关键之所在。共振是指当外界激励源的频率达到了钴柱自 身固有频率或是钻柱自身固有频率的整数倍时，引起钻柱振幅增大、剧烈振动的现象。 通过长期对实际现场情况的观察，证明了结论的正确性，从而为分析超深井、大位移井 等井况的钻柱力学动态行为坚定了理论基础，同时也为井下钻具组合的设计优化提供了 理论依据。 韩致信等人【3 乳3 9 】认为钻柱的纵向振动是导致钻柱失效的最重要原因。文中指出，钻 9 第一章绪论 。 柱的纵向共振将会引起跳钻现象的发生，而钻头的跳钻不仅降低了钻头的钻速，而且容 易造成钻头镶齿与轴承的过早损坏，从而严重影响了钻头的使用寿命。文中还指出，由 于钻杆向钻铤过渡时，横截面积发生突变，而钻柱的纵向振动则是导致其螺纹连接处发 生断裂的重要原因；此外，剧烈的纵向共振还可导致地面设备( 如转盘、绞车、井架等) 发生脉冲性的振动，从而也影响了设备的使用寿命。同时韩致信等人认为尽管前人提出 了多种钻柱纵向振动的模型，但是往往为了求解的方便将钻铤和钻杆作为等直杆加以考 虑，使得求解产生了较大的误差；于是他们根据钻柱的实际尺寸，建立离散的数学模型， 利用勒格朗日插值法推导了纵向振动的新的数学模型并迸行了特征值得求解。最后，通 过实际数值计算发现按离散型数学模型推导出来的钻柱固有振动角频率比按等直杆数 学模型推导出来的钻柱固有振动角频率要小。 1 9 9 2 年，谢竹庄【加】对钻柱在起下钻过程中的振动问题进行了深入研究，提出了钻柱 的振动是以弹性波的形式向下传播的，认为在钻柱的起升终点以及下放的开始阶段，悬 点处载荷将发生很大变化，载荷的较大变化将产生应力波与速度波，它们将沿着钻杆柱 向下传播，从而加剧了钻柱的振动现象。文中分别从弹性钻杆柱的平衡、突加常力作用 下杆的运动、钻柱中的弹性波、反压差的应用等方面对钻柱的振动问题进行了详细的分 析与研究，通过分析得出：钻井过程中，在钻柱的上下活动及起下钻时一定要遵循“轻 轻上提、缓慢下放、慢慢停止”的原则，尤其是在钻柱的上提时需要注意慢停，因为稍 不注意就会导致绞车急停情况的发生；过快过慢的起下钻柱均会对钻柱的振动产生显著 影响，从而减短了井下钻具组合的使用寿命。文中在进行理论分析及计算推导时忽略了 弹性波在传递过程中的衰减特性以及内外钻井液对钻柱的振动影响，并将钻柱假设为等 截面弹性杆，因此计算结果具有一定的误差性。 1 9 9 4 年苏义脑、季细星【4 1 】提出了将钻柱系统与内外钻井液视为一个整体系统的理念， 将钻柱一钻柱内液柱一环空中液柱的作为系统的整体模型，建立了整体系统的纵向振动 数学分析方程，对钻柱的纵向振动进行了分析研究。同时提出了钻铤直径、泥浆密度、 泥浆的屈服值、井口钻柱的运动速度、加速度均对反压差和波动压力具有较大的影响， 阐明了井上大钩载荷的变化与井下钻柱悬点载荷的变化具有相同的规律，为精确预测井 下工况和井眼轨道三维可视化软件的开发提供了理论基础。 1 9 9 5 年唐林【4 2 】等人以稳态波动压力理论为基础，充分考虑钻柱在正常起下钻时的各 种工况，分别建立了钻柱在装有回压凡尔、开泵状态以及无回压凡尔状态下的许用起下 钻速度的