深井钻柱粘滑振动特性分析
贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖
【摘要】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.
【期刊名称】《石油矿场机械》
【年(卷),期】2018(047)006
【总页数】7页(P1-7)
【关键词】钻柱系统;切削作用;耦合振动;粘滑振动
【作者】贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖
【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249
【正文语种】中文
【中图分类】TE921.2
钻具在切割岩层时受到摩擦、压强、岩石质地等因素影响，经常会出现钻柱振动现象，造成严重的钻井问题，例如脱扣、跳钻、钻头的提前失效、较低的机械钻速以及BHA的失效等[1]。通常，钻柱振动被分为纵向、横向及扭转振动3种形式。本文研究的钻柱系统为旋转钻井系统，其广泛用于深层油气资源的勘探开发。在深井的钻井过程中，随着井深的增加，岩石硬度增加，塑性增加，地质条件更加错综复杂，并且随着钻柱长度的增加，钻柱的等效转矩刚度降低，传递转矩不足，在钻柱、钻头与井壁、井底的摩擦作用下，钻柱系统极易产生粘滑振动。钻柱粘滑振动被视为一种破坏性极大的扭转振动，将导致钻头及井下钻具的加速失效，严重影响钻井效率和钻井成本[2]。
1980年代，大位移钻井过程中出现的“粘滑”现象引起了钻井研究人员的注意，认为粘滑振动为扭转振动的一种特殊情况。1987年，Dawson等[3]从理论和试验研究了钻柱的“粘滑”现象，并与现场数据进行了对照，指出粘滑振动的滑脱状态是在钻头克服静摩擦阻力后出现的，其最大的转速可达常规转速的数倍；Kyllingstad和Halsey[4]通过建立简单的扭摆模型用以研究钻柱的粘滑振动，指
出当钻柱发生粘滑振动时，钻柱的振动频率会低于扭摆的固有频率，同时转盘转速下降，当钻柱处于滑脱阶段时，钻柱底部最大转速至少是转盘转速的两倍以上，并提出通过减小钻压或降低转速可以有效抑制钻柱的粘滑振动； Challamel等[5]基
于岩石破碎机理解释粘滑振动的基本原理，研究了钻头与岩石的相互作用对钻头的粘滑振动的影响；Richard等[6-7]通过钻头-岩石界面法则从钻头与岩石之间的摩擦接触和切削过程两部分对两种振动模式进行耦合，指出轴向和扭转振动的耦合是造成粘滑振动的根本原因，并对粘滑振动进行线性稳态分析及极限环分析。国内对于钻柱粘滑振动的研究起步较晚，研究成果也较少。黄根炉和韩志勇[8]将钻柱系
统等效成集中质量摆，分析钻柱系统在钻头转矩以及钻柱与井壁的摩擦转矩作用下
的稳定性，给出了钻柱产生粘滑振动的原因，分析了钻柱粘滑振动的影响因素并对顶部转矩负反馈减振法进行了讨论；牟海维等[9]通过建立粘滑振动的扭摆模型，
得出钻柱粘滑振动的力学规律，分析了钻柱长度对粘滑振动的影响；韩春杰等[10]通过建立大位移井钻柱的等效扭转摆模型，分析了在钻头与地层转矩及钻柱与井壁间摩阻转矩作用下钻柱的动态行为，指出粘滑振动是钻头克服摩阻转矩的结果；祝效华、汤历平等[11]通过建立钻柱集中质量扭摆模型，研究了深部地层钻头的粘滑振动特性和发生振动时钻头的运动规律。
目前，学者在研究钻柱系统粘滑振动特性时大多数采用了速度弱化摩擦模型来考虑钻头与地层间的相互作用。在这种方法中，认为粘滑振动是由钻压与地层的摩擦作用引起的，而速度弱化是由钻头与地层间的固有特性决定的，忽略了钻头的几何特性，也没有考虑钻头切削作用的影响。本文探讨当摩擦因数为常数，引入轴向自由度，考虑钻头的切削作用，系统是否会出现粘滑振动；分析了粘滑振动时系统钻井参数对粘滑振动的影响，为实际工程中抑制钻柱粘滑振动提供理论参考。
1 钻柱系统力学模型
旋转钻井系统主要由井架、钻柱、钻头3部分组成。其中钻柱由BHA和钻杆组成，BHA是由重型钢管组成，以向钻头提供一个较大的钻压，而钻杆是由轻型钢管组成。为了便于对钻柱粘滑振动的研究，将振动模型进行简化，给出如下假设：所研究的钻柱系统位于垂直井中；忽略钻头的横向振动[6]。
钻柱简化的集中参数模型如图1所示，Kt、Ka分别为钻杆的等效扭转刚度、等效轴向刚度，Ct、Ca分别为扭转粘性阻尼、轴向粘性阻尼，I和M分别为BHA的
等效惯性矩和等效集中质量。钻柱的顶端施加的轴向恒力H0代表大钩载荷，恒定的角速度Ω0代表上部转盘驱动转速。
图1 钻柱系统轴向-扭转耦合简化模型
根据拉格朗日原理，推导出钻柱系统轴向-扭转耦合动力学控制方程为
(1)
(2)
式中：W0为正常钻进时钻头的钻压。
1.1 钻头与岩石相互作用法则
为了研究钻柱系统的轴向-扭转耦合振动特性，引入钻头与岩石相互作用法则。首
先以持续稳定破岩的单刀翼作为研究对象(如图2)，钻头的切削运动由2个独立过程组成：①发生在切削面的切削过程；②岩石与摩擦底面间的摩擦接触过程。Fc
为刀具作用于切削面的切削力的合力，Ff为作用于摩擦底面的摩擦力的合力，分
别将其沿水平方向(下标为s)和垂直方向(下标为n)分解，切削力与摩擦力可分别表示为[7]
Fcs=εwd，Fcf=ζFcs，Ffs=μFfn，Ffn=σwl
(3)
式中：ε为岩石的固有比能；ζ为与切削力方向相关的特征量；μ为摩擦因数；σ
为摩擦面的最大接触压力；d为刀翼的切削深度；w为钻头切削刀翼宽度；l为摩
擦底平面的长度。
图2 单刀翼受力分析简图
转矩T与钻压W可以被分解为切削与摩擦两个分量，分别为Tc、Tf和Wc、Wf，即
T=Tc+Tf，W=Wc+Wf
(4)
钻头所受转矩和钻压的切削分量分别表示为
式中：a为钻头半径。
钻头所受转矩和钻压的摩擦分量间的关系可表示为
2Tf=μaγWf
(6)
式中：γ表征为不同结构形状钻头的轴向载荷和切削载荷之间的关系，是钻头空间分布特性的几何参数，其取值一般大于1。
钻头破岩的临界摩擦分量可表示为
(7)
假设钻头不存在横向振动，PDC钻头由n片相同刀翼组成，且每两片刀翼之间的夹角均为2π/n。当钻头钻进时，每个刀翼的切削深度dn相同，dn可以根据钻头的轴向位移U求得[12]。
dn(t)=U(t)-U(t-tn)
(8)
其中，时滞tn是钻头转动2π/n所需的时间，由式(9)确定。
φ(t)-φ(t-tn)=2π/n
(9)
钻头的等效摩擦长度和整个钻头的切削深度可表示为l=nln，d=ndn。
假设在正常钻进条件下，摩擦转矩足够大，可以抑制钻头的反向转动，因此在tk 时刻钻头粘滞的条件为：
=0(t=tk)
(10)
在粘滞阶段，顶部转盘依旧转动，钻柱因扭转不断积累转矩T=K(φ-Ω0t)，当钻柱
所积累的转矩足以克服切削岩石所必要的转矩(Tc+Tf)，此时钻头开始滑动，其滑
动时刻tp可由式(11)求得。
(11)
其中，φk=φ(tk)，dk=d(tk)。
2 控制方程求解
2.1 无量纲参数的提出
钻柱系统稳态钻进时有16个控制参数：BHA等效集中质量M和转动惯量I，钻
杆的等效扭转刚度Kt、等效轴向刚度Ka ，扭转粘性阻尼Ct、轴向粘性阻尼Ca，地层的固有比能ε，与切削力方向相关的特征量ζ，与地层内摩擦角相关的摩擦因
数μ，刀翼与岩层接触界面的最大接触压力σ，摩擦底平面的长度l，钻头半径a，钻头的几何参数γ，钻头刀翼数n，稳态钻压W0，稳态转矩T0。为了方便进一步研究粘滑振动的特性，有必要减少物理参数个数，在此引入反映钻柱结构总体响应的时间尺度和体现钻头与地层相互作用的长度尺度。
(12)
时间尺度t*正比于扭转振动的一阶模态的周期，而长度尺度L*则反映了钻头切削
深度。无量纲化的钻柱系统的运动学和动力学参数如下：
(13)
同样，定义无量纲切削深度
(14)
以上所有变量都是关于无量纲时间τ的函数，τ可定义为：
(15)
设钻头的切削深度为
(16)
表示切削深度的扰动，可表示为
(17)
其中，
根据式(9)可推导出扰动时滞的代数方程如式(18)。
(18)
2.2 无量钢控制方程
根据钻头与地层相互作用法则，可得到钻柱系统无量纲化动力学控制方程。
φ″(τ)+2kφ′+φ(τ)=n[v0(φ(τ)-φ(τ-τn))/
(19)
u″(τ)+2ξηu′+η2u=nψ[v0(φ(τ)-φ(τ-τn))/
(20)
其中，
关于钻头几何特征、磨损状态、钻柱结构的集中参数、钻柱系统轴向阻尼比、钻柱轴向与扭转固有频率、扭转阻尼比可分别表示如下：
(21)
3 轴向-扭转耦合系统无量纲参数影响分析
钻井过程中的钻柱系统是一个非常复杂的系统，根据钻柱的工作环境及钻头的运动方程可知，钻头的几何结构、钻柱的结构与钻压、转盘转速、粘性阻尼等因素均对钻柱系统的粘滑振动产生影响。本文将详细分析钻头角速度、钻压、钻柱系统粘性阻尼比、钻头刀翼数对粘滑振动的影响。
钻柱系统无量纲化参数如表1所示。
表1 钻柱系统无量纲参数转盘角速度ω04.0钻压W07.0刀翼数n6钻头几何特征集中参数β0.4 钻头磨损状态的集中参数λ0.7钻柱结构特征集中参数ψ14.0钻柱
扭转阻尼比κ0.02钻柱轴向阻尼比ξ0.02钻柱轴向与扭转固有频率η1.6
3.1 建立仿真模型
利用建立的控制方程，采用Simulink模块对单自由度系统振动模型进行控制仿真，仿真框图如图3所示。采用Variable Time Delay模块实现时滞。控制方程由MATLAB function模块实现，通过MATLAB 编程链接到Simulink当中。采用变步长四阶/五阶龙格库塔积分法，并设相对误差限为1×10-3。
3.2 钻柱系统控制参数对粘滑振动的影响
3.2.1 角速度的影响
钻头处于粘滞时刻时，钻头滞后于转盘的角位移不断增加，其增速主要是由转盘转速确定。因此，角速度ω0必然对粘滑振动产生影响。为研究角速度ω0对粘滑振动的影响，表1中其他参数不变，只改变转盘角速度ω0的值，ω0的取值分别为3.0、4.0、4.5、5.0。
不同转盘角速度ω0下钻头角速度时程响应曲线如图4所示。由图4可知，当角
速度ω0为3.0、4.0、4.5时，钻柱系统发生了粘滑振动，而角速度ω0为5.0时，钻头角速度始终大于0，没有形成粘滑振动。由此推断，过小的角速度ω0会导致粘滑振动的发生，并且系统存在临界角速度，使得角速度ω0小于该临界值时粘滑振动产生；而角速度ω0大于该临界值时粘滑振动并不产生。在角速度ω0增大到
粘滑振动失效之前，随着角速度ω0的增大，钻头粘滞阶段时间减小，但钻头在发生滑脱过程中所能达到的最大角速度在不断增大，且可达到转盘角速度的2～3倍，钻头的振动加剧。因此，可以通过提高转盘转速来抑制粘滑振动，但现场试验数据分析表明，随着转盘转速的增加，机械钻速会出现先增加后降低的趋势，尤其是在遇到可钻性较差的地层时钻速过高，会导致钻齿与井底接触时间变短，从而出现钻速降低，钻井效率降低的现象。在实际钻井过程中不可一味的提高转盘转速来抑制粘滑振动的发生。
图3 Simulink仿真框图
图4 不同角速度ω0下钻头角速度时程响应曲线
3.2.2 钻压的影响
钻头处存在钻压是钻柱系统存在粘滑振动的必要条件，钻压是影响钻头与地层间转矩大小的一个重要因素，钻压的改变将直接影响到钻头的运动响应。保持表1其
他参数不变，只改变钻压的大小，参数分别选取为6.5、7.0、8.0、9.0。
钻柱系统在不同钻压情形下钻头角速度的时程响应如图5所示。由图5可知，当
钻压为7.0、8.0、9.0时钻柱系统发生了粘滑振动，而钻压为6.5时，没有形成粘滑振动。由此推断，钻压过大会导致粘滑振动，并且系统存在临界钻压使得钻压大于该临界值时粘滑振动产生；而钻压小于该临界值时，粘滑振动并不产生。随着钻压的升高，钻头粘滞阶段时间增加，钻头在发生滑脱过程中所能达到的最大角速度在不断增大，且可达到转盘角速度的2～3倍，由此可知钻压越高粘滑振动越剧烈。因此，可通过减小钻压来抑制粘滑振动的发生，但是在钻头破岩过程中，钻压越高，钻头刀翼在钻压作用下吃入地层更深，通过减小钻压会减低机械钻速。在实际钻井过程中需综合其他钻井参数进行调剂，不可一味通过降低钻压来抑制粘滑振动的发生。
图5 不同钻压下钻头角速度时程响应曲线
3.3 钻柱系统结构参数对粘滑振动的影响
3.3.1 粘性阻尼的影响
保持表1中其他参数不变，只改变阻尼比κ，ξ的大小，研究粘性阻尼比对粘滑振动的影响。所选取轴向阻尼比等于扭转阻尼比，即κ=ξ，分别为0、0.02、0.04、0.05。
不同粘性阻尼比下钻头绝对角速度时程响应曲线图6所示。由图6可知，并非所
有粘性阻尼比情况下都会产生粘滑振动，当阻尼比为0、0.02、0.04时，钻柱系
统发生了粘滑振动，而当阻尼比增大到0.05时，钻头粘滑振动现象消失。由此推断，系统存在临界阻尼比，使得阻尼比小于该临界时，粘滑振动产生；而阻尼比大于该临界值时，并不产生粘滑振动。从图6中还可以看出，当系统粘性阻尼比逐
渐增大时，钻柱系统的振幅逐渐减少，钻头处于粘滞阶段的时间也逐渐减少。增大粘性阻尼系数，在一定程度上可以减缓或者抑制钻柱系统粘滑振动的发生。
图6 不同粘性阻尼比下钻头角速度时程响应曲线
3.3.2 刀翼数的影响
由式(9)可知，钻头的刀翼数n将对时滞tn和钻头切削深度产生影响，刀翼数n较少时，时滞tn较大，钻头的切削深度较少。同样保持表1其他参数不变，改变钻头的刀翼数n，研究钻头刀翼数对粘滑振动的影响，刀翼数n分别取4、6、8。
不同刀翼数下钻头角速度时程响应曲线如图7所示。随着钻头刀翼数的增加，钻
头处于粘滞阶段的时间减少，钻柱系统的振幅也随之减少。当刀翼数增大到6时，钻头粘滑振动现象消失。合理选择较大的钻头刀翼数在一定程度上可以减缓或者抑制钻柱系统粘滑振动的发生。
图7 不同刀翼数下钻头角速度时程响应曲线
4 结论
1) 通过对钻柱系统合理的假设和简化后，考虑轴向-扭转两种模式建立旋转钻井系
统集中质量模型。采用的钻头与地层间的相互作用模型中，既考虑了摩擦过程，又考虑了切削过程，并通过切削过程将轴向与扭转模式耦合起来，引进了无量纲参数，并得到了无量纲控制方程。
2) 运用MATLAB/Simulink编程软件对钻柱轴向-扭转耦合系统振动响应进行求解，分析了无量纲转盘角速度ω0、无量纲钻压钻柱系统粘性阻尼比κ、钻头刀翼数n
对粘滑振动的影响。
3) 在一定的钻井参数下，钻柱系统在转盘转速较低时会发生粘滑振动，转盘转速
越低，粘滑振动越激烈；钻柱系统存在发生粘滑振动的临界值，当转盘转速不断增大到临界值时，钻柱系统粘滑振动消失。
4) 在一定的钻井参数下，钻柱系统在钻压较大时容易发生粘滑振动，钻压越高，
粘滑振动越激烈；钻柱系统存在发生粘滑振动的临界钻压，当钻压不断减小至临界值时，粘滑振动不断减弱直至消失。
5) 在一定的钻井参数下，粘性阻尼比对粘滑振动产生影响，阻尼比越小，粘滑振
动越激烈。钻柱系统存在发生粘滑振动的临界阻尼比，当阻尼比增大到临界值时，钻柱系统粘滑振动消失。增大粘性阻尼比，有利于减弱或抑制粘滑振动的发生，但是增大粘性阻尼，比会加大钻柱系统的能量耗散。
6) 钻头的刀翼数对粘滑振动产生影响，当系统发生粘滑振动时，增加刀翼数，可
能会减弱或抑制粘滑振动现象，减少刀翼数，粘滑振动更加激烈。
【相关文献】
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井下钻柱震动减阻理论与技术发展现状 随着我国开采水平的提升，水平井、大斜度井已经被广泛的应用在开采过程当中，钻柱与井壁之间，由于摩擦阻力会大，会产生拖压的现象，偶尔会产生无法施加转速，影响机械转速，甚至造成井下事故的现象。所以井下钻柱震动减阻理论的发展以及技术的革新会朝着减少转矩与井壁之间的摩擦阻力为方向进行发展。基于此，下文从井下钻柱震动减阻理论的现状分析入手，为其技术发展提供几点思考。 标签：钻柱震动;减阻理论;技术;现状 模组问题目前是各种复杂的钻井作业中最为凸显的一种问题，它尤其是体现在滑动的钻井过程当中会造成脱粘、粘阻非常严重，而且模组和大扭矩的存在会使得钻柱发生曲转，无法传递到钻头，延伸自动停止，钻井工作很难推进下去，甚至会出现一些安全事故。所以在一定程度上，井下模组产生的原因是多元的，而且它带来的危害是极大的。而对钻柱震动减阻理论进行研究，无疑是为提高更好的钻柱技术水平服务的，它对开采技术的革新有一定的推动作用。 1.井下钻柱震动减阻理论的研究现状 1.1钻柱震动减阻原理 钻柱震动减阻，主要是靠震动工具引起钻柱的震动，从而改变柱受力的情况而改变摩擦力的类型，将静摩擦力改为动摩擦力的过程，使动摩擦的系数小于静摩擦的系数，会在一定程度上减少钻柱所受到的阻力，从而提高震压的传递效率，也就是提高了钻柱的速度，进而为井眼长度延伸做了准备。钻柱震动可以通过改变中受力的状态，可以通過叠加的原理，使钻柱所受到的震动叠加到钻柱入井的速度当中，即改变注入井的平均速度。假设震动的变化是按正弦曲线的变化规律为基准的，就会得出一个钻柱入井的速度和震动幅度值之间的一个函数关系。结合函数关系就可以推断出，钻柱弹性作用的运动方向、周期与震动部分的分量是相反的，它可以有效的将摩擦阻力减少。例如通过计算发现，如果入口的速度值达到1/2的时候摩擦力几乎减少为原来的70%左右。通过这个原理就可以建立起入口速度和摩擦力之间的关系。这也是，钻柱震动减阻研究的原始形式，它是假设摩擦力和运动速度无关的基础之上的。 1.2钻柱震动模型 井下钻柱震动减阻理论的核心研究主要是钻柱震动模型的研究。在最近几年当中经常出现的模型有间隙元理论、分段计算方法、分析非线性有限元方法，其中间隙元理论是在2002年建立的，它主要适用于计算水平井的整体摩擦阻力的三维力学模型，它在一定程度上考虑到抗弯刚度和井传以及井壁之间的初始间隙和随机接触的状态。从三维空间的角度整体分析钻柱和紧密的接触力、摩擦力以及钻柱轴线的分布规律。而分段计算法是2006年提出来的一种大位移摩阻扭矩
深井钻柱粘滑振动特性分析 贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖 【摘要】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. 【期刊名称】《石油矿场机械》 【年(卷),期】2018(047)006 【总页数】7页(P1-7) 【关键词】钻柱系统;切削作用;耦合振动;粘滑振动 【作者】贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖 【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249 【正文语种】中文 【中图分类】TE921.2
钻具在切割岩层时受到摩擦、压强、岩石质地等因素影响，经常会出现钻柱振动现象，造成严重的钻井问题，例如脱扣、跳钻、钻头的提前失效、较低的机械钻速以及BHA的失效等[1]。通常，钻柱振动被分为纵向、横向及扭转振动3种形式。本文研究的钻柱系统为旋转钻井系统，其广泛用于深层油气资源的勘探开发。在深井的钻井过程中，随着井深的增加，岩石硬度增加，塑性增加，地质条件更加错综复杂，并且随着钻柱长度的增加，钻柱的等效转矩刚度降低，传递转矩不足，在钻柱、钻头与井壁、井底的摩擦作用下，钻柱系统极易产生粘滑振动。钻柱粘滑振动被视为一种破坏性极大的扭转振动，将导致钻头及井下钻具的加速失效，严重影响钻井效率和钻井成本[2]。 1980年代，大位移钻井过程中出现的“粘滑”现象引起了钻井研究人员的注意，认为粘滑振动为扭转振动的一种特殊情况。1987年，Dawson等[3]从理论和试验研究了钻柱的“粘滑”现象，并与现场数据进行了对照，指出粘滑振动的滑脱状态是在钻头克服静摩擦阻力后出现的，其最大的转速可达常规转速的数倍；Kyllingstad和Halsey[4]通过建立简单的扭摆模型用以研究钻柱的粘滑振动，指 出当钻柱发生粘滑振动时，钻柱的振动频率会低于扭摆的固有频率，同时转盘转速下降，当钻柱处于滑脱阶段时，钻柱底部最大转速至少是转盘转速的两倍以上，并提出通过减小钻压或降低转速可以有效抑制钻柱的粘滑振动； Challamel等[5]基 于岩石破碎机理解释粘滑振动的基本原理，研究了钻头与岩石的相互作用对钻头的粘滑振动的影响；Richard等[6-7]通过钻头-岩石界面法则从钻头与岩石之间的摩擦接触和切削过程两部分对两种振动模式进行耦合，指出轴向和扭转振动的耦合是造成粘滑振动的根本原因，并对粘滑振动进行线性稳态分析及极限环分析。国内对于钻柱粘滑振动的研究起步较晚，研究成果也较少。黄根炉和韩志勇[8]将钻柱系 统等效成集中质量摆，分析钻柱系统在钻头转矩以及钻柱与井壁的摩擦转矩作用下
钻柱 一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态与受力分析 三、钻柱设计 一、钻柱的组成与功用 （一）钻柱的组成 钻柱(Drilling String)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称. 它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。 （二）钻柱的功用 (1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭矩； (4)起下钻头； (5)计量井深。 (6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）； (7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）； (8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。 1. 钻杆 （1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 （2）结构：管体+接头 （3）规范： 壁厚：9 ～ 11mm 外径： 长度： 根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类： 第一类 5.486～ 6.706米(18～22英尺)； 第二类 8.230～ 9.144米(27～30英尺); 第三类 11.582～13.716米(38～45英尺)。 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12 ?丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。 ?钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。 ?钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）； NC系列 ?
内平式：主要用于外加厚钻杆。特 点是钻杆通体内径相同，钻井液 流动阻力小；但外径较大，容易 磨损。 贯眼式：主要用于内加厚钻杆。其 特点是钻杆有两个内径，钻井液 流动阻力大于内平式，但其外径 小于内平式。 正规式：主要用于内加厚钻杆及钻 头、打捞工具。其特点是接头内 径<加厚处内径<管体内径，钻井 液流动阻力大，但外径最小，强 度较大。 三种类型接头均采用V型螺纹， 但扣型、扣距、锥度及尺寸等都 有很大的差别。 NC型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NC—National Coarse Thread，（美国）国家标准粗牙螺纹。 xx—表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。 如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。 NC螺纹也为V型螺纹, 表2-17所列的几种NC型接头与旧API标准接头有相同的节圆直 2. 钻铤 结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米）， 重量大，刚度大。 主要作用：(1)给钻头施加钻压; (2)保证压缩应力条件下的必要强度; (3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (4)控制井斜。 类型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 常用尺寸：6-1/4〃，7 〃，8 〃，9 〃 3.方钻杆 类型：四方形、六方形 特点：壁厚较大，强度较高 主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。 4.稳定器 类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。
钻柱工作状态及受力分析 一、钻柱的工作状态 在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作。在起下钻时，整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。实际上，井眼并非是完全竖直的，钻柱将随井眼倾斜和弯曲。 在正常钻进时，部分钻柱（主要是钻铤）的重力作为钻压施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。在钻压小和直井条大钻压，则会出现钻柱的第一次弯曲或更多次弯曲（图1）。目前，旋转钻井所用钻压一般都超过了常用钻铤的临界压力值，如果不采取措施，下部钻柱将不可避免地发生弯曲。 在转盘钻井中，整个钻柱处于不停旋转的状态，作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。钻柱上部的受拉伸部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。在钻进过程中，通过钻柱将转盘扭矩传送给钻头。在扭矩的作用下，钻柱不可能呈平面弯曲状态，而是呈空间螺旋形弯曲状态。 根据井下钻柱的实际磨损情况和工作情况来分析，钻柱在井眼内的旋转运动形式可能是自转，钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转；也可能是公转，钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；或
者是公转与自转的结合及整个钻柱或部分钻柱做无规则的旋转摆动。从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向上是均匀一致的，那么钻柱是哪种运动形式取决于外界阻力（如钻井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但总以消耗能量最小的运动形式出现。因此，一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。 在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。这样，钻柱弯曲就可以简化成不旋转钻柱弯曲的问题。 在井下动力钻井时，钻头破碎岩石的旋转扭矩来自井下动力钻具，其上部钻柱一般是不旋转的，故不存在离心力的作用。另外，可用水力荷载给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。 二、钻柱的受力分析 钻柱在井下受到多种荷载（轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩）作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱的受力的情况是不同的。 1、轴向拉力和压力 钻柱受到的轴向荷载有自重产生的拉力、钻井液生产的浮力和施加钻压产生的压力。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/2419371383.html, 钻柱纵向\横向振动分析研究进展 作者：刘磊刘剑辉 来源：《硅谷》2011年第03期 摘要：钻井是石油生产中的重要环节，而钻柱更是重中之重。主要阐述当前钻柱振动研 究的基本方法和基本理论。通过对钻柱纵向、横向振动的分析，找出振动规律。这些研究对于钻柱乃至整个生产过程的安全性有十分重要的作用。 关键词：钻柱；振动；安全性 中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210025－01 0 引言 石油行业中，生产中的各个环节紧密联系。石油钻井是油田生产中最基础的环节，钻井的质量直接影响到后续生产；钻井也是生产各个环节中投入最大、难度最大的。在石油钻井中，钻柱能否安全工作，不仅影响到油田安全；通过降低油田钻柱的失效事故，也能极大程度提高油田的经济效益。在众多导致钻柱失效的原因中，由于钻柱振动产生的危害不容忽视。 对钻柱危害最大的振动主要为钻柱横向和纵向振动。对钻柱振动的研究历来是国内外学者的重要研究方向。上世纪80年代开始众多学者对其进行了深入的分析，近年来随着计算机技术和有限元分析技术的提高，计算机仿真分析也成为了一个重要的研究方法。但是，钻柱的振动是一个极其复杂的过程，许多理论和研究成果还待进一步修改和完善。 1 钻柱振动危害 钻柱振动会对油田生产带来极大危害。首先，由于钻柱的振动，会产生交变载荷，长期工作在交变载荷下容易导致钻柱的疲劳失效，钻柱疲劳破坏是一种典型的钻柱失效形式。在井眼中，套管是井壁唯一的保护层，钻柱在套管中工作，由于钻柱和套管的接触，加大了套管的磨损程度。而且当钻柱的固有频率与激励频率接近时，钻柱会发生共振，此时钻柱受到的影响是最大的。在油田生产中，钻柱失效不胜枚举。 2 钻柱振动基础理论 目前，国内外学者对钻柱进行了一系列的研究分析，主要还是基于一些基本振动理论进行的分析。这其中最主要的方法就是非线性分析方法。基于这些理论和方法完成了对钻柱纵向、横向的振动分析。
超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析 滕学清;狄勤丰;李宁;陈锋;周波;王敏 【摘要】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.%Complicated stick-slip vibration might induce drilling tool failure and negatively impact drilling efficiency.Much research has been conducted on the mechanisms that cause the generation of such a vibration but they have not been able to arrive at a confirmed conclusion.In this paper,we present a study in which we used ESM drill string vibration measuring devices and tri-axial accelerations of a downhole drill string in an ultra-deep well.Through the analysis of tri-axial acceleration,the stick-slip vibration features of the drill string were reviewed.Research results showed that massive stick-slip vibration occurred in the concerned interval with a
______________________ * 李子丰(1962),男,河北迁安人,1983年毕业于大庆石油学院钻井工程专业,1992年于石油大学(北京)油气田开发工程专业获博士学位,1992-1994年任哈尔滨工业大学力学博士后。现任燕山大学石油工程研究所所长,教授,博士生导师,河北省石油学会和振动工程学会理事,从事石油钻采工程方面研究。地址：（066004）河北省秦皇岛市燕山大学石油工程研究所。电话：（0335）8079211。E-mail:zfli@https://www.doczj.com/doc/2419371383.html, 。 1 减振器的位置对钻柱纵向振动的影响 李子丰1 张书瑞2 郭盛堂2 刘卜2 (1 燕山大学，2 大庆石油管理局钻井一公司) 提 要 概述了海拉尔深井钻井面临的钻具破坏问题和解决问题的途径。介绍了位移激励法的钻柱纵向振动的数学模型和力学分析软件。对减振器的安放位置对钻柱纵向振动的影响规律进行了研究。数据表明，减振器的安放位置对钻柱的纵向振动影响很大。在一些条件下，减振器能起到减小钻柱振动的作用；但在另一些条件下，减振器还会增加钻柱的振动。减振器直接接在钻头上减振效果良好。 关键词 钻柱,纵向振动,数学模型,减振器,共振,防振 海拉尔深井钻井面临的钻具破坏问题和解决问题的途径 随着大庆油田的不断开发，寻找新的接替资源已成必然。海拉尔地区是大庆油田外围勘探的重点， 并取得了重大突破。 海拉尔地区深井钻井的主要困难是钻具破坏。其主要形式是钻铤断扣和粘扣。尽管在钻具防破坏上加大了科研和生产投入，（1）更换了切扣、修扣钻铤，（2）对于深井钻具组合采取上下倒换、探伤等措施，但发生钻铤断裂事故的次数仍然很多。2005年共发生钻铤断裂事故10次，平均断裂频次为0.4次/口，严重地制约了该区钻井速度和经济效益。2006年海拉尔地区预计钻井21口，平均井深较上年有所增加。如果钻具断裂次数下降，可大大提高该区的钻井速度，同时带来相应的经济效益和社会效益。 减少钻具破坏的主要途径有：（1）提高钻具的强度和抗疲劳性能，主要包括丝扣的设计、加工、表面处理、无损检测、维护和修复；（2）采用振动比较轻的钻进方式，如某些类型的PDC 钻头钻进、井下动力钻具钻进等；（3）采用减振工具，如减振器和防涡稳定器；（4）选择合理的转速避开共振区。 钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动。它们相互作用、相互影响,并以纵向振动为主1 。本文仅研究钻柱的纵向振动，并主要探讨减振器的位置对钻柱纵向振动的影响。 位移激励法的钻柱纵向振动的数学模型2-4 井底不平,使钻头上下振动是导致钻柱振动的直接原因。取自硬地层的岩心证明了用三牙轮钻头钻进时井底为高低不平的三瓣状。这种三瓣状井底使三牙轮钻头每转一周上下振动三次。多年来对钻柱振动的测定也得了相同结论。激励位移法以钻头位移为定解条件之一。 一、基本假设 (1)钻柱处于线弹性变形状态;(2)钻柱横截面为圆形或圆环形;(3)井筒轴线是垂直向下的;(4)钻柱轴线与井筒轴线重合;(5)略去钻柱的横向和扭转振动;(6)钻井液为牛顿流体;(7)钻井液的动压力为零;(8)略去温度的影响;(9)略去钻柱重力、平均钻压、钻井液浮力、钻柱的匀速运动等静力的影响;(10)仅研究钻柱纵向振动特性。 二、力学模型与坐标系 钻柱纵向振动的同时,起升系统也随着振动,因此,纵向振动系统应该包括井架、钢丝绳、游车、水龙头和钻柱,简图见图1。
从数据与仿真结果探讨气体钻井中钻柱动力学的特 性 相关才子的毕业论文这样描述：根据气体钻井全井段钻柱动力学模型，以川西某实钻井(该井井深为4693．15m，三开和四开部分井段由气体钻井完成)的钻井参数、钻具组合和实测井眼扩大率为计算参数，研究气体钻井钻柱动力学特性如下： 1 基本数据 钻具组合：声241．3mm钻头+回压阀+声177．8mm无磁钻铤1根+≯177．8mm钻铤20根(7"DC)+JZ—T178机械式随钻震击器+旁通阀+拳127mlTl加重斜坡钻杆(5”HWDP)12根+声127mm斜坡钻杆(5”DP)+方钻杆。 钻井参数：钻压为5X104N，转盘转速为5．24rad／s，井口处注入气体压力为2MPa、气体密度为24kg／m3、气体黏度为2．0×10‘5Pa·S。 2仿真结果分析 根据气体钻井钻柱动力学模型和案例井的实钻参数，开展了气体钻井钻柱系统的动态特性仿真。限于篇幅，在此仅讨论工程界最关注的动态钻压、钻头振动轨迹和井口的动态阻力矩。动态钻压和钻头振动轨迹(幅值)相结合可反映出近钻头处钻具组合的振动剧烈程度。 首先将钻柱动态仿真结果与美国ESSO公司现场所测数据对比，以验证动力学计算结果的可靠性。由于目前尚未有气体钻井钻柱振动的井下测量数据来源，因此采用ESSO公司的泥浆钻井钻柱振动数据来侧面验证。 常规气体钻井实钻钻压围绕静钻压5×104N上下剧烈波动，振幅约为静钻压的20％～60％；最大瞬时钻压达(15～45)×104N，约为静钻压的3～9倍。ES-sO公司现场测量数据：钻压平均波动范围约为静钻压的25％～50％，最大瞬时钻压可达静钻压的3．5倍。 常规气体钻井钻头在仿真历程的大部分时刻内的跳动幅值为0～12mm，峰值为26mm。跳动较为剧烈。ESSO公司现场测量数据为：在正常情况下钻头跳动幅度为1．6mm甚至更小．个别情况下极限峰值可达25．41Tim。另外，钻头转速响应情况可看出常规气体钻井钻头的涡动非常明显，钻头常沿井壁反转。 常规气体钻井钻柱阻力矩波动范围很大，幅值为(一7～5)kH·m，均值为一3kN·m。ESSO 公司测量了泥浆钻井中钻柱的井底扭矩(井底扭矩表征主动扭矩与扭转摩阻之差)，测量表明：井底扭矩的变化幅度大约是井底平均扭矩的20％～40％，最大值达到平均扭矩的2．4倍。
海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用 隔水管是海上自升式钻井平台石油钻井的第一个环节，应用三角级数描述用隔水管的挠曲方程，同时根据雷利法（L.Rayleigh）在求得隔水管系统的相对变形以后，由系统的能量平衡求得其振动频率方程，应用这种方法对于我们研究隔水管的振动特性及其对于钻井作业状态的影响，在海洋石油钻井工程中有很重要的指导意义。通过隔水管振动特性与钻柱横向振动的结合，可以在钻井作业的转速选择上提供参考依据，将钻柱与隔水管的谐振研究与作业安全结合起来，对于统筹管理海上钻井作业有着重要的现实意义。 标签：海上钻井平台;隔水管;挠曲方程;横向振动;固有频率 1隔水管振动特性研究意义 自升式钻井平台在海上进行钻井作业时，通常在海底泥线钻孔一定深度后下入30”隔水管，由此建立钻井液的闭式循环系统，隔水管施工作业质量关系到该井后续各工序的顺利与安全。隔水管顶部通过钢索与钻井平台连接固定，泥线以下部分用水泥浆封固。作业中由于隔水管的振动加上与海流的作用，造成表层钻进时，钻柱与隔水管之间的敲击与振动，以致隔水管的快速接头处发生严重的偏磨，其磨损严重的个别管子接头处，深度竟达到10～15mm之多，由此可见：研究隔水管的横向振动问题，选择合理的钻井参数避免钻具与隔水管之间的谐振，对于我们保护和使用好隔水管，保证钻井作业安全，具有重要的现实意义。 2 隔水管的挠曲变形分析 2.1隔水管的挠曲方程数学模型推导 我们知道：通常情况下，隔水管在海上使用时，采用先钻孔后下入隔水管再用水泥浆封固的方法，但通常均是隔水管入泥线以下约50m，因此我们可以将底部视为插入的嵌固端，而在隔水管的顶部我们则是在其上部用4只1-3/4”的大顶丝将其顶在钻井平台井口平台的中心，这样就相当于一个上下可以滑动的固支端。 为研究问题方便起见，我们首先沿隔水管的轴线方向建立坐标，为研究问题简便起见，我们暂不考虑隔水管受到的波浪力，仅考虑隔水管受到顶部的轴向力P，可知此时隔水管的挠曲方程，用三角级数方程表示十分简便和快捷，此时的挠度曲线方程为：[1] 将上式写成和的形式可得到： 由于系数an的增量dan引起的位移增量为： 在隔水管柱的轴向方向，轴力P做功为：
钻柱振动特性的仿真分析 邓昌松;宋周成;练章华;何银坤;汪鑫;陈新海 【摘要】The dill string vibration is inevitable during drilling process due to various causes.With in-depth research, it is recognized that the drill string vibration not only has negative influence on drilling operation, but also can be used to get a lot of underground https://www.doczj.com/doc/2419371383.html,ing a drill pipe model, the analysis was made on the vibration characteristics under dif-ferent working conditions; multiple modes of transverse vibration, longitudinal vibration and torsional vibration were ob-tained, as well as the corresponding stress-strain diagram.The vibration modes were compared with the diagram and the consideration was also made on the drill string failure modes in order to find out the correlation between vibration and drill string failure to make vibration helpful in production.%钻进过程中，钻柱振动是不可避免的，而且钻柱产生振动的原因是多方面的。随着研究的深入，人们不仅认识到钻柱振动对钻井作业产生的负面影响，还认识到利用振动可以得到许多井下信息。运用一根钻杆模型，分析了其在不同工作状况下的振动特性，得到了钻杆在横向、纵向、扭转振动的多阶振型，以及对应的应力应变图。对照振型和应力应变图，联系钻井实践中各种钻柱失效形式，以期从中找出一些振动与钻柱失效的关联，更好地利用振动去解决生产问题。 【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》 【年(卷),期】2015(000)009 【总页数】4页(P61-64)
钻杆多向耦合振动及其控制研究 钻杆的粘滑振动对钻削系统具有较强的破坏性,严重影响钻进效率。本文对钻杆的非线性振动进行了理论分析及数值仿真,得到了钻杆的粘滑振动特性以及参数对振动的影响情况,并针对粘滑振动进行了控制研究,主要内容如下:首先,基于转盘-钻头组成的两自由度扭转模型,在karnopp’s摩擦扭矩模型的基础上对钻杆产生的粘滑振动现象进行了描述与分析,得到钻头转速为零的粘滞状态以及滑动状态时最高转速达到理想转速的2倍以上。 通过理论分析以及数值仿真的验证得到了参数对粘滑振动影响情况的临界曲线,结果表明阻尼比增大会使钻杆的粘滑振动不断减弱,提高转盘转速可以有效地改善钻杆的粘滑振动,增大弹性刚度使粘滑振动的区域变小发生粘滑振动现象的机率变小。其次,基于钻杆纵向和扭转振动耦合的两自由度模型,结合钻头所受纵向力和扭矩模型的简化,利用平均法分析了纵、扭耦合振动的角频率与振幅的关系,讨论了主要工作参数以及外界介质参数对扭转振幅与纵向振幅的影响,此外还利用数值计算对理论分析进行了验证。 结果显示,转盘转速的增加会使扭转振幅以及钻头的角速度增大,但是适量增大转盘转速可以有效降低粘滞时间,减弱粘滑振动。钻头与岩石间的摩擦系数的增大会使相对角位移和钻头角速度同时增大,粘滑现象更加明显,粘滞时间变长。 纵向振动的振幅和速度符合钻杆粘滑现象强弱随转盘转速以及摩擦系数的变化规律,即粘滑振动越强,对纵向振动的影响越大导致纵向振动振幅和速度变大;粘滑振动越弱,对纵向振动影响越小使得纵向振动振幅和速度会减小。最后,针对上述所建立的钻杆扭转振动模型,对其进行滑模、PI以及滑模-PI控制研究。
结果表明这三种控制方法对粘滑现象有很好的抑制作用,但滑模-PI控制效果最好。此外还对纵-扭耦合振动进行了输入扭矩、纵向钻压以及同时进行PI 控制分析,总结得到同时对输入扭矩和钻压进行PI控制效果最好。
钻井液对钻柱振动特性影响分析 钻井液对钻柱振动特性影响分析 随着油田勘探和开发深入，钻井液在石油勘探中扮演着至关重要的角色。钻井液在钻井过程中起到了冷却钻头、清洗井孔、控制孔壁稳定等重要作用。然而，钻井液的使用也带来了一些问题，如钻柱振动。 钻柱振动是指在钻探过程中，由于地层结构、钻井液性质等因素的影响，使得钻柱发生震动的现象。钻柱振动不仅会影响钻具寿命和钻井效率，而且会影响到钻井自动化程度的提高。 本文主要研究钻井液对钻柱振动特性的影响，通过实验和理论分析探讨这一问题。 实验部分： 在实验中，我们先是选取了两种不同类型的钻井液，分别为石油基钻井液和水基钻井液，用来观察它们对钻柱振动特性的影响。 实验设备主要是一台高速万能试验机，试验中首先需要将液体加入到试验机中，以模拟真实的钻井液环境。然后在极限负载下加以振动，记录振动过程中钻柱产生的振幅和频率。 实验结果表明，不同的钻井液对钻柱振动特性的影响存在明显差异。石油基钻井液的密度大、粘度高，对钻柱振动有良好的
阻尼作用，可以有效控制钻柱振动。而水基钻井液的阻尼效果相对较弱，会加剧钻柱振动现象的发生。 理论分析部分： 通过理论分析，我们进一步探究了钻井液对钻柱振动特性的影响。理论模型主要基于新著名力学模型，包括杠杆作用、冲击力和液力反馈效应等。 实验结果和理论分析表明，钻井液对钻柱振动有着重要的影响，具体表现为两方面。 第一，钻井液对钻柱的动态特性有着非常显著的影响。特别是其密度、粘度等物理特性，对钻柱的阻尼作用有着不可替代的作用。因此，为了防止钻柱振动，需要选择良好的钻井液，以确保其阻尼作用。 第二，钻井液对孔壁的影响也会导致钻柱振动。特别是在孔壁稳定性较差的情况下，钻井液的影响特别重要。因此，在挑选钻井液时，也需要考虑其孔壁稳定效果。 综上，在钻井液的选择和使用中，需要综合考虑钻柱振动特性和孔壁稳定性等因素，以确保钻井过程的高效可靠性。对于以上研究结果，我们认为钻井液与钻柱振动有密切联系的本质在于： 首先，钻井液在钻井过程中需要扮演多重角色，包括冷却钻头、清洗井孔、控制孔壁稳定等，这些角色均需要通过液体介质来
PDC 钻头粘滑控制技术现状及发展趋势 王宏伟;韩飞;纪友哲;石红玫 【摘要】随着石油工业的发展，石油勘探开发的重点逐步转向深井、超深井。PDC 钻头在非均质地层钻进时“粘滑”现象严重，导致 PDC 钻头过早损坏，致使机械钻速低、起下钻换钻头次数多，单位钻井进尺成本上升。如何有效控制 PDC 钻头的粘滑现象已经成为国内外石油公司研究的热点。介绍了国内外 PDC 钻头粘滑控制技术的主要研究进展及其未来发展趋势，为国内 PDC 钻头粘滑控制技术的研究提供参考。%PDC bit suffers serious stick-slip in drilling complicated rock formation,which limits the life-span of PDC bit and reduces the rate of penetration.By introducing and analyzing advanced PDC bit stick-slip controlling technology,in this paper some advices and references are given for the development a of domestic PDC bit stick-slip controlling technology. 【期刊名称】《石油矿场机械》 【年(卷),期】2016(045)007 【总页数】4页(P104-107) 【关键词】PDC 钻头;粘滑;控制 【作者】王宏伟;韩飞;纪友哲;石红玫 【作者单位】中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 102200;中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 102200;中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102200;金川集团股份有限公司生产环保部，甘肃金昌 737104
钻具粘滑现象分析及软扭矩系统在长北气田的应用 王建平;王定峰;王雄飞;张宏亮 【摘要】Drilling string will be stopped rotation due to over-torque while drilling, and drilling string will be released suddenly when the torque reached the peak torque, this phenomenon is be called drilling string stick-slip. Drilling string is vibrating while stick-slip occurring, and results in teeth of PDC bit broken easily, so shorten bit life, and leads to down hole MWD/LWD lost signal. Drilling string stick-slip is related with BHA and formation. Stick-slip is one kind of threshold phenomenon, so will be happened when drilling string rotary speed lower critical rotary speed. Soft torque system is studied special for preventing stick-slip phenomenon through decrease critical rotary speed. This system has be applied in Changbei gas field widely and avoid drilling string stick-slip phenomenon, protect bit and down hole instruments. The application result is very effectieve.%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。粘滑现象是一种阂值现象，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。 【期刊名称】《石油化工应用》
对钻具振动信号分析 钻具振动信号是一种极其复杂多样的振动波，能实时体现井下的工况信息。文章作者首先对钻具振动的现状进行阐述，紧接着介绍钻具振动的产生机理，并针对具体的钻具振动信号分析方法进行阐述，从而有利于优化钻井参数，加快钻井速度，降低钻头与钻柱的早期损坏概率，避免出现钻头与卡钻事故，减少钻井成本，以供同行参考。 标签：钻具；振动信号；机理 钻具振动信号具有实时体现井下工况的作用，它涵盖了结构与机械的内在特征与运作情况。所以说，实时检测并分析钻具振动信号，能够识别出钻具的工作状态及其可能出现的机械故障问题。作者在下文中将重点阐述钻具振动及其产生机理，并提出并分析三种钻具振动信号分析方法。 1 钻具振动的现状 目前，钻具振动虽已取得了一定的发展，且深受人们关注，但我国国内对于钻具振动信号的研究尚处在初始阶段，依旧有不少问题存在。 （1）尚未真正地掌握钻具振动的综合规律，无法充分运用钻具振动信号，不知如何深入探究钻井的优化，不能准确地进行岩性识别与工况分析。 （2）井下振动的测量点同钻头之间存在一定距离，这无疑会削弱振动信号，产生信噪比。为此，我们要对井下的振动进行实时的检测，并深入研究钻头振动测量的准确度与数据传送的可靠性。 2 钻具振动的产生机理阐述 2.1 钻具横向振动的成因及特点 偏转是横向振动的一大反应。实际上，钻具之所以会出现偏转，主要是由于地层特征、钻井参数、钻头构造以及井眼条件等因素的影响。在同等条件下，牙轮钻头出现偏转的可能性要比PDC钻头低。当钻具在转动时，若BHA钻具或者钻头的任意一处与井眼的中心线转动相互偏离，那么钻具或者钻头就会发生偏转。一旦开始偏转，就会形成较大的离心力，让接触点部位形成摩擦力，从而确保偏转的正常进行。然而，钻具偏转会使得钻具在高频率的交变应力下形成疲劳破坏。 在一般情况下，钻具偏转的轨迹会出现一定的变动，钻杆的扶正器或者接头并非一直紧靠井壁，而是持续敲击井壁，其瞬时旋转中心也在不断地变动，导致钻头切削齿向后或横向切削井底岩石，进而导致PDC钻头复合片掉下来，减少钻头的使用时间。此外，钻具的偏转会造成钻速下降与井径扩大。
钻井液润滑剂润滑性能及影响因素 国内外研究者对钻井液的润滑性能进行了评价，得出的结论是：空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基钻井液的润滑性处于其间。用Baroid公司生产的钻井液极压润滑仪测定了三种基础流体的摩阻系数(钻井液摩阻系数相当于物理学中的摩擦系数)，空气为0．5，清水为0．35，柴油为0．07。在配制的三类钻井液中，大部分油基钻井液的摩阻系数在o．08～o．09之间，各种水基钻井液的摩阻系数在0．20～0．35之间，如加有油晶或各类润滑剂，则可降到0．10以下。 对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在o．20左右时可认为是合格的。但这个标准并不能满足水平井的要求，对水平井则要求钻井液的摩阻系数应尽可能保持在0．08～0．10范围内，以保持较好的摩阻控制。因此，除油基钻井液外，其它类型钻井液的润滑性能很难满足水平井钻井的需要，但可以选用有效的润滑剂改善其润滑性能，以满足实际需要。近年来开发出的一些新型水基仿油性钻井液，其摩阻系数可小于0．10，很接近油基钻井液，其润滑性能可满足水平井钻井的需要。 从提高钻井经济技术指标来讲，润滑性能良好的钻井液具有以下优点： (1)减小钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命； (2)减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间； (3)能用较小的动力来转动钻具； (4)能防粘卡，防止钻头泥包。 钻井液润滑性好，可以减少钻头、钻具及其它配件的磨损，延长使用寿命，同时防止粘附卡钻、减少泥包钻头，易于处理井下事故等。在钻井过程中，由于动力设备有固定功率，钻柱的抗拉、抗扭能力以及井壁稳定性都有极限。若钻井液的润滑性能不好，会造成钻具回转阻力增大，起下钻困难，甚至发生粘附卡钻和日钻具事故；当钻具回转阻力过大时，会导致钻具振动，从而有可能引起钻具断裂和井壁失稳。 1．钻井作业中摩擦现象的特点 随着密封轴承的出现，改善钻井液润滑性能的目的主要是为了降低钻井过程中钻柱的扭矩和阻力。在钻井过程中，按摩擦副表面润滑情况，摩擦可分为以下三种情况(见图4-11)：
第十章钻井液的滤失造壁性和润滑性 一、钻井液滤失和造壁性 在钻井过程中，为了防止地层流体进入井内，一般控制钻井液液柱压力高于地层压力，在钻井液液柱与地层压力的压差作用下，钻井液中自由水向井壁岩石裂隙或空隙中渗透，这一过程叫钻井液的滤失作用。 在滤失过程中钻井液中的一些固体颗粒便附着在井壁上，形成泥饼。固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的过程叫钻井液的造壁性。井壁上形成泥饼后又会阻止或减慢钻井液中水继续侵入地层。因此，钻井液的滤失和造壁性能对井壁稳定有十分重要的影响，特别是松散、破碎和水敏性地层。 影响钻井液滤失性的因素有钻井液内固相颗粒尺寸、温度、压差、岩石渗透率等。固相颗粒粗，形成泥饼后而松，滤失量大；砂岩、砾岩、裂缝发育的灰岩形成的泥饼厚；页岩、泥岩、石灰岩形成的泥饼薄。 为了维持井眼的稳定以及减少钻井液固、液相侵入地层与损害油气层，就必须控制钻井液的滤失性能，其有效途径是在井壁上形成薄而致密的泥饼。如果井内钻井液滤失性控制不当，必然要产生两方面问题，即滤失量过大和泥饼过厚。这两者之间既有区别，又是相互联系的。 钻井液的滤失控制是钻井液工艺中的一个十分重要的问题，这里首要的是控制泥饼的厚度，而泥饼的厚度是随滤失总量的增加而增厚的，故应控制钻井液的滤失量。然而，滤失量并不是决定泥饼厚度的惟一因素，对于不同的钻井液，泥饼厚度相同，而滤失量却不一定相同；反之，滤失量相同，泥饼厚度亦可能不同。滤失量过大固然不好，但过小的滤失量也会造成钻井液成本增加，钻速下降。 钻井液滤液矿化度不同，对井壁岩层稳定性的影响也是不同的。与淡水滤液、碱性强的滤液相比较，高矿化度、碱性弱的滤液和含高聚物(例如聚丙烯酰胺)的滤液不易引起井壁岩层的膨胀和坍塌。实践证明，即使滤失量大些，使用这类钻井液要安全得多。因此，对于井壁稳定来说，不仅要注意滤失量的大小，还要考虑滤液的性质及其对井壁稳定造成的影响。 综上所述，钻井液形成的泥饼一定要薄、致密、坚韧；而钻井液的滤失量则要控制适当，应根据岩石的特点、井深、井身结构等因素来确定，同时应考虑钻井液的类型。 二、钻井液的滤失过程 钻井液滤失过程分三个阶段：即瞬时滤失、动滤失、静滤失。 ⑴、瞬时滤失特点：时间短，滤失速率高。指从钻头破碎岩石出现新界面开始直到钻井液中固相和高聚物在井壁上开始形成泥饼这段时间。 ⑵、动滤失特点：开始滤失量较大，随后逐渐减小直至稳定在某一定值。在钻井