海上平台钻井钻柱耦合振动规律分析
摘要：目前定向井、水平井、大位移井等复杂结构井在油田广泛应用。井型不断增加,井下
和井上环境变化多端,对钻井的主要承载体钻柱的力学分析和计算要求也逐渐增高,关系到整
口井顺利完钻的成败。严重时引起钻柱失效、跳钻等钻井事故发生。因此有必要开展定向井
钻柱振动研究,对定向井的设计和钻具的优选都具有重要的指导意义，为提高现场钻井技术水
平和降低钻井成本提供技术支持和理论保障。
关键词：海上钻井；钻柱；耦合振动
钻井工程是石油天然气勘探开发的主要手段和油气生产的关键工序之一，大力发展钻井创技
术是提高油气采收率最具潜力的手段之一。目前，世界钻井技术日创月异，定向井、水平井
等技术在油田普遍得到使用，在老油田，油田开采后期侧钻水平井、大位移井等创技术成为
提高采收率的最有效手段之一。而钻井力学对这些创的钻井方式提供了理论支持和技术指导。
1 钻柱在不同的工作状态下受到不同的载荷
（1）轴向力：起下钻时，由于钻柱自身重力作用，使整个钻柱受到拉力，井口处最大，越
向下越小。在钻井液条件下，钻柱受到钻柱的浮力，浮力作用方向与拉力正好相反，因此减
小了钻柱的上部拉力。钻柱与井壁间存在摩擦力，使得下钻时减小上部钻柱拉力，起钻时增
加上部钻柱拉伸载荷。（2）扭矩：钻盘转动带动钻柱、钻头旋转，并克服钻柱与井壁间存
在摩擦阻力，使钻头破碎岩石，因此钻柱内存在扭矩，并且井口处扭矩最大，钻头处扭矩最小。（3）弯矩：正常钻进时，当施加的钻压超过钻柱的临界值时，下部钻具受压发生弯曲
变形。在转盘钻进时，钻柱在离心力作用下也会产生弯曲。钻柱在弯曲井眼内工作时，也将
发生弯曲，弯曲变形的钻柱在轴向压力的作用下，将受到弯曲力矩的作用，产生弯曲应力。
在弯曲状态下，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。（4）振动：钻进时，
钻头和井底不连续的接触引起的钻柱上下运动；钻柱偏心或钻柱绕井眼轴线公转诱发的横向
摆动；钻头破碎岩石时井底反扭矩的变化等因素引起的振动。（5）动载：在起下钻施工时，由于钻柱运动速度的变化，会引起纵向振动，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力，动载的大小
与操作因素有关。
2 钻柱振动
钻柱疲劳破坏和钻柱失效的影响因素很多。其中钻柱振动与钻柱疲劳破坏和钻柱失效事故有
着直接关系，（1）由于受钻柱振动的影响，钻压不能均匀地加在钻头上，实测井底钻压波
动值在±35％～±100％之间变化。钻头因钻柱的剧烈跳动而跳离井底，冲击载荷又使得钻头
轴承和镶齿过早发生破坏，因此钻头的总进尺和机械钻速都大为降低。（2）钻柱自身的剧
烈振动，将引起钻柱上连接螺纹疲劳断裂。钻铤螺纹受到的影响最为严重，断裂常发生于此。由于横向振动难于避免，因而在某些井段引起钻柱公转，这是造成钻杆街头偏磨的主要原因
之一。（3）当钻柱振动比较严重时，方钻杆将在钻盘内猛烈跳动，死绳出现大幅度晃荡；
指重表指针来回摆动，往往引起钻机和井架的强迫振动，因而对地面设备有一定的破坏作用。钻柱的振动主要有三种形式：纵向振动、横向振动、扭转振动。三种振动形式形态
不同。纵向振动是沿着钻柱轴线方向；横向振动又被称为弦振；扭转振动则像钟表内的弹簧
带动摆轮，左右反复扭动。钻柱振动有时还表现为三种振动形式的耦合振动，同时也伴有钻
井液、井壁等因素的影响，因此钻柱耦合振动分析是一个复杂的动力学问题。因此研究钻柱
耦合振动规律是一项有意义、有必要的研究。
3 钻柱耦合振动规律分析
Poletto.F.等人认为钻头的振动将影响对钻柱振动信号的采集，使信号不能真实反映钻柱与井壁、泥浆等耦合振动的实况，他们建立了描述钻柱波动的数字模型，用以自动地校正钻头对
钻柱振动周期的影响。本文在定向井井眼轨迹和有限元基础理论的研究基础上，以定向井整
体钻柱为研究对象，将其看成三维空间中弹性杆，根据定向井井型特点离散钻柱，进行分析，得到定向井钻柱振动规律，并分析钻井液对钻柱振动的影响。然后综合考虑钻柱纵向振动、
横向振动、扭转振动，建立定向井耦合振动模型。利用有限元理论进行分析计算，得到了钻
柱耦合振动规律。并开发了相应的振动分析软件，并在近10 口井的现场实例计算，基本达到预期效果，为提高现场钻井技术水平和降低钻井成本提供技术支持和理论保障。
定向井在施工过程中，钻柱的振动状态并不是单一的，通常是几种振动形式都存在的耦合振
动状态，对井底钻具组合产生破坏性的动载。采用有限元法。将整体钻柱作为研究对象，以
拉格朗日方程为基础，推导单元矩阵，并整合总体矩阵，求解钻柱耦合振动规律。
3.1 钻柱耦合振动模型的建立
钻柱主要包括钻杆柱和底部钻具组合 2 部分。井底钻具组合部分主要由钻铤、减震器及钻头
等组成。将钻柱进行力学模型抽象和简化，只考虑由一种钻杆和一种钻铤组成的简单杆柱系统，其模型根据钻柱形态1、2、3、……、n-1 段为钻杆段，n 为钻铤段。根据简化模型建立相应数学模型，在建立动力学模型时，作如下假设:（1）钻柱与井眼内壁都是刚性的，且钻柱
的横截面圆环形；（2）井眼轨迹是三维的；（3）钻柱是微小变形的弹性体。并且钻进过程中，钻柱轴线只是略微偏离井眼轴线。首先，将整个钻柱离散成有限个单元，先求出各个单
元特征参量。需要说明的是使用的节点和单元数越多，结果越精确。每个部分有统一的横截
面积。另外由于造斜（降斜）段井斜角变化较大，因此在离散的时候对造斜（降斜）段划分
单元较多。以提高模型的精度。
3.2 钻柱耦合振动模型的求解
钻井方式多种多样，对于不同井型、不同井深有着不同的整体质量矩阵和刚度矩阵。利用有
限元思想，进行单元组合，将单元刚度矩阵和单元质量矩阵组合起来得到总体刚度矩阵[K]和
总体质量矩阵[M]：将矩阵转换后的矩阵进行分块，并利用有限元方法进行矩阵迭加，得到全井钻柱的整体刚度矩阵[K]和整体质量矩阵[M]：代入钻柱系统的频谱方程中进行矩阵运算，
将求得的矩阵2ω 转化为对角阵，对对角阵上的对角元素开方，便可求解无阻尼情况下钻柱
系统的轴向振动固有频率矩阵，进而得到各阶振动固有频率。钻井过程中要避免钻头处受到
外界干扰而产生的振动频率接近钻柱系统的耦合固有频率ω。
某井为高危险地区重点井，井控风险级别为一级风险井，地质结构及井下情况复杂；设计垂
深为3700m，水平位移：712.60m。为此，选取该井进行钻柱振动软件测试。井型：定向井；目的层：沙三段兼探沙二段、沙一下；井口至靶点井斜方位：129.20°, 水平位移：447.60m；
设计垂深：3700 米；井口坐标：X: 4278108.10，Y: 20531673.70。通过计算分析得到了钻柱
的各个共振频率区间，分别对应不同的共振转速区间。该井在转盘转速小于110 时存在较分
散的振动区间，因此需要施工时避共振区间，减小钻柱疲劳。如图通过“井深-振幅”图可直观
看出出现共振状态时，全井钻柱振动分布。在钻盘转速15.7rpm 时，振动剧烈部位主要集中
在近钻头处，且横向振动较为严重。
参考文献
1.毕雪亮,王健,闫铁,韩春杰. 定向井钻柱轴向振动有限元分析[J]. 科学技术与工程. 2010(19)
2.韩春杰,阎铁,毕雪亮,陈要辉. 深井钻柱振动规律的分析及应用[J]. 天然气工业. 2005(09)
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
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/8119170619.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。
全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析 程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽 【摘要】基于绝对节点坐标法建立全井钻柱系统的多体动力学模型,研究系统的耦合振动现象;将大长细比柔性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元,讨论梁单元格式,并研究井口、钻头处边界及钻柱与井壁的接触/摩擦模型,给出包含绝对节点坐标梁单元的钻柱系统运动方程;采用向后差分法求解微分代数方程组,开发多体动力学求解器 及相应的前、后处理器.通过直井、定向井算例分析了全井钻柱系统的轴向、扭转、横向耦合振动特性,结果表明本文提出的力学建模和数值分析方法可实时捕捉到钻 柱系统的耦合振动现象,能够在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用. 【期刊名称】《中国海上油气》 【年(卷),期】2014(026)004 【总页数】6页(P71-76) 【关键词】全井钻柱系统;耦合振动;多体动力学模型;绝对节点坐标法;向后差分法【作者】程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽 【作者单位】中海油研究总院;中海石油(中国)有限公司工程技术部;中海油研究总院;中海油研究总院;中海油研究总院;清华大学航天航空学院;清华大学航天航空学院【正文语种】中文 石油钻井中钻柱系统的剧烈振动严重影响钻井的效率和安全。为了深入理解钻柱系统的复杂振动状态,以便更好地控制其对钻井的不利影响,国内外学者进行了广泛的 研究,包括现场测试[1-2]、全尺寸[3-4]/模型[5]试验和数值模拟方法,如有限元法
[6-9]、集中质量法[10-12]、弹性线法[13]及转子动力学模型分析[14]。这些研究 表明:钻柱系统呈现出复杂的耦合振动现象,包括轴向振动(钻压波动、跳钻)、扭转 振动(黏滑振动)和横向振动(涡动运动),其诱因包括钻柱-井壁和钻头-岩石的非线性 接触/摩擦以及不平衡质量、初始曲率、屈曲变形和其他线性或非线性扰动。 数值模型中,由于忽略了一些引起振动的物理因素,难以准确地表征实际的振动现象。有限元方法物理概念清晰,实用性强,但增量方法导致其求解速度慢。同时,有限转角假设使其无法准确地描述大长细比柔性钻柱在狭长井眼内的复杂变形和运动,同样 限制了该方法的应用。本文提出了一种基于绝对节点坐标法的全井钻柱系统耦合振动分析的多体动力学模型。算例分析表明,该模型可实时捕捉到钻柱系统的耦合振 动现象,可在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用。 全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型(图1)的建立,包括钻柱系统建模、钻柱与井壁的接触/摩擦描述以及井口和钻头处的边界条件。大长细比柔性钻柱离散为绝对 节点坐标梁单元,钻头和稳定器离散为刚体,钻井液的影响包含在附加质量系数、系 统阻尼和钻柱与井壁的摩擦系数表征中。整体系统力学模型如图1所示。 1.1 绝对节点坐标梁单元 绝对节点坐标法直接采用定义在全局坐标系下的空间坐标及其梯度作为广义坐标, 克服了传统柔性体描述方法(如浮动标架法、共旋坐标法、相对节点位移法及大转 动向量法)由于固连在柔性体上的局部参考坐标系而导致运动方程高度非线性[15] 的缺点。同时,采用严格的微分几何方法描述柔性体的弯曲率和扭曲率,在处理大位移、大转动和大变形问题时具有速度和精度上的优势。 本文所述绝对节点坐标梁单元基于文献[16]和文献[17],遵循Euler-Bernoulli梁假设。 1.1.1单元广义坐标与插值函数 如图2所示,梁单元初始构型为直线,长度为L,其变形后的刚性截面可由轴线的全局
海上平台钻井钻柱耦合振动规律分析 摘要：目前定向井、水平井、大位移井等复杂结构井在油田广泛应用。井型不断增加,井下 和井上环境变化多端,对钻井的主要承载体钻柱的力学分析和计算要求也逐渐增高,关系到整 口井顺利完钻的成败。严重时引起钻柱失效、跳钻等钻井事故发生。因此有必要开展定向井 钻柱振动研究,对定向井的设计和钻具的优选都具有重要的指导意义，为提高现场钻井技术水 平和降低钻井成本提供技术支持和理论保障。 关键词：海上钻井；钻柱；耦合振动 钻井工程是石油天然气勘探开发的主要手段和油气生产的关键工序之一，大力发展钻井创技 术是提高油气采收率最具潜力的手段之一。目前，世界钻井技术日创月异，定向井、水平井 等技术在油田普遍得到使用，在老油田，油田开采后期侧钻水平井、大位移井等创技术成为 提高采收率的最有效手段之一。而钻井力学对这些创的钻井方式提供了理论支持和技术指导。 1 钻柱在不同的工作状态下受到不同的载荷 （1）轴向力：起下钻时，由于钻柱自身重力作用，使整个钻柱受到拉力，井口处最大，越 向下越小。在钻井液条件下，钻柱受到钻柱的浮力，浮力作用方向与拉力正好相反，因此减 小了钻柱的上部拉力。钻柱与井壁间存在摩擦力，使得下钻时减小上部钻柱拉力，起钻时增 加上部钻柱拉伸载荷。（2）扭矩：钻盘转动带动钻柱、钻头旋转，并克服钻柱与井壁间存 在摩擦阻力，使钻头破碎岩石，因此钻柱内存在扭矩，并且井口处扭矩最大，钻头处扭矩最小。（3）弯矩：正常钻进时，当施加的钻压超过钻柱的临界值时，下部钻具受压发生弯曲 变形。在转盘钻进时，钻柱在离心力作用下也会产生弯曲。钻柱在弯曲井眼内工作时，也将 发生弯曲，弯曲变形的钻柱在轴向压力的作用下，将受到弯曲力矩的作用，产生弯曲应力。 在弯曲状态下，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。（4）振动：钻进时， 钻头和井底不连续的接触引起的钻柱上下运动；钻柱偏心或钻柱绕井眼轴线公转诱发的横向 摆动；钻头破碎岩石时井底反扭矩的变化等因素引起的振动。（5）动载：在起下钻施工时，由于钻柱运动速度的变化，会引起纵向振动，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力，动载的大小 与操作因素有关。 2 钻柱振动 钻柱疲劳破坏和钻柱失效的影响因素很多。其中钻柱振动与钻柱疲劳破坏和钻柱失效事故有 着直接关系，（1）由于受钻柱振动的影响，钻压不能均匀地加在钻头上，实测井底钻压波 动值在±35％～±100％之间变化。钻头因钻柱的剧烈跳动而跳离井底，冲击载荷又使得钻头 轴承和镶齿过早发生破坏，因此钻头的总进尺和机械钻速都大为降低。（2）钻柱自身的剧 烈振动，将引起钻柱上连接螺纹疲劳断裂。钻铤螺纹受到的影响最为严重，断裂常发生于此。由于横向振动难于避免，因而在某些井段引起钻柱公转，这是造成钻杆街头偏磨的主要原因 之一。（3）当钻柱振动比较严重时，方钻杆将在钻盘内猛烈跳动，死绳出现大幅度晃荡； 指重表指针来回摆动，往往引起钻机和井架的强迫振动，因而对地面设备有一定的破坏作用。钻柱的振动主要有三种形式：纵向振动、横向振动、扭转振动。三种振动形式形态 不同。纵向振动是沿着钻柱轴线方向；横向振动又被称为弦振；扭转振动则像钟表内的弹簧 带动摆轮，左右反复扭动。钻柱振动有时还表现为三种振动形式的耦合振动，同时也伴有钻 井液、井壁等因素的影响，因此钻柱耦合振动分析是一个复杂的动力学问题。因此研究钻柱 耦合振动规律是一项有意义、有必要的研究。 3 钻柱耦合振动规律分析 Poletto.F.等人认为钻头的振动将影响对钻柱振动信号的采集，使信号不能真实反映钻柱与井壁、泥浆等耦合振动的实况，他们建立了描述钻柱波动的数字模型，用以自动地校正钻头对
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
钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用 到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。 实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。 在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。 (1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。 经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。这种方法在考虑因素较多时,建立分方程很复杂,用经典微分方程法求解比较困难。能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程,而且要满足边界条件, 通过解的形式设及有关参数的确定, 可得到问题的解答。由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。因此, 这一方法的应用受到了限制。有限差分法是一种近似方法。是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式, 再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。由于差分方程的系数是可变的,因此可以很容易考虑非线性的影响;同时,由于差分区间可以减小, 可以比较容易考虑井眼的约束。但是要得到精确的解。答, 差分区间必须取得很小, 这样就使矩阵的维数增加, 降低了计算速度。对于钻柱力学来说,有限差分法是一种有效的近似计算方法。纵横弯曲连续梁法是一种精确解法, 这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁, 应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程, 该方程物理概念清楚, 计简单, 且速度较快。由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解,力学型简化得太多,忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。这种方法在国内得到了推广和应用。有限元法也是一种近似数值计算方法,这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元, 再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体, 用以代表原来的钻柱状态,并最终得到组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的物理概念清楚、简单, 实用性强。不限制柱的材料和几何形状, 且对单元尺寸也无严格的要求;又可以较容易地考虑非线性的影响。目前发展的接触有限元法, 考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力,力 学模型比较准确,考虑因素较多, 解题的速度虽然是这几种方法中最慢的,但也可满足需要。加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法, 具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点,已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中;当然,要进一步提高度就得增加试函数项数,也会增加一些运算量。油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩 意义拉力和扭矩模型, 尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测可达到如下目的:
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
深水钻井平台-张紧器-隔水管耦合系统动力学特性分析 张慎颜;刘秀全;畅元江;马秀梅;刘康;陈国明 【摘要】为精确预测隔水管系统动力学响应,解决传统分析方法中边界简化处理的问题,建立平台-张紧器-隔水管耦合动力学模型,充分考虑张紧器系统的非线性刚度变化以及平台、张紧器和隔水管的多体耦合连接方式,研究多体耦合系统中隔水管系统静态和动态响应特性,揭示平台-张紧器-隔水管耦合作用规律.结果表明:在隔水管系统静态分析中,张紧器系统能提供抑制隔水管系统偏移并减小隔水管系统弯矩的横向作用力;在隔水管系统动态分析中,张紧器系统对平台垂荡运动的传递具有明显的缩小效应;平台做纵摇运动时,有、无张紧器系统对隔水管系统偏移位置影响较大,对隔水管系统的运动幅值影响较小;平台-张紧器-隔水管耦合动力学模型能精确施加隔水管系统边界条件,更加准确预测隔水管系统的动力学响应. 【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2019(043)002 【总页数】8页(P123-130) 【关键词】钻井隔水管;张紧器系统;耦合动力学;静态分析;动态分析 【作者】张慎颜;刘秀全;畅元江;马秀梅;刘康;陈国明 【作者单位】中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580;中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580;中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580;中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580;中国石油大学(华
东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580;中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580 【正文语种】中文 【中图分类】TE52 深水钻井隔水管系统是连接钻井平台和水下井口系统的重要组成部件,在钻井作业过程中可能受到波浪、海流等多种复杂载荷的联合作用,是整个海洋浮式钻井系统中最为薄弱的部分;隔水管系统作业时受到复杂的海洋环境载荷激励和平台运动激励,这些载荷会对隔水管系统的稳定性和作业安全产生较大的影响,因此精确预测隔水管系统的动态响应,对钻井作业安全顺利进行具有重要意义[1-5]。目前国内外学者针对钻井隔水管系统静力学和动力学做了大量研究工作。Kozik等[6]建立了张紧器系统刚度变化模型,研究气体压力变化对张紧力的影响,但并未将其引入到隔水管分析模型中;Atadan等[7]将平台、隔水管系统简化成悬臂梁,并对系统响应进行量化分析,但分析模型中忽略了张紧器与平台和隔水管的耦合作用;Low等[8-9]提出了深水浮式生产系统的时域和频域耦合分析法,建立平台、锚泊系统以及立管全耦合分析模型,但全耦合分析模型中并未考虑张紧器的作用;Pestana等[10]建立了张紧器系统阻尼模型并在隔水管紧急解脱分析模型中应用,仅研究了阻尼系统对隔水管系统应急解脱回弹响应的影响。畅元江等[11-13]基于有限元软件模拟在平台和随机波浪共同作用下的深水钻井隔水管动态响应,模型中将平台运动作为边界条件施加在隔水管系统顶部,模型中并未考虑张紧器系统对模型的影响;Sun等[14]建立了深水系泊钻井系统的全耦合模型,研究耦合系统的非线性时域特性,模型中重点考虑锚链、平台、隔水管的耦合作用,并未在模型中引入张紧器系统;刘秀全等[15]建立深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移力学模型进行漂移预警界限分析,耦合模型中
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/8119170619.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)
钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动分析 王鸿雁;肖文生;刘忠砚;侯超;崔俊国;付雷 【摘要】钻井过程中,钻柱的横-扭耦合振动是钻井作业工程中无法避免的一种运动形态,也是产生钻柱故障和系统噪声的原因之一.针对实际钻井过程中,钻柱在井下的受力情况复杂,提出采用了一种简化假设方法,对局部坐标系中空间钻柱单元与间隙元进行分析,推导出钻柱横—扭耦合振动的动力学矩阵和钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动规律,从而取得了钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动特性,对于钻井过程中振动和噪声的控制与故障排除也提供了有价值的参考. 【期刊名称】《噪声与振动控制》 【年(卷),期】2014(034)001 【总页数】6页(P61-66) 【关键词】振动与波;钻柱;横扭耦合振动 【作者】王鸿雁;肖文生;刘忠砚;侯超;崔俊国;付雷 【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安710000 【正文语种】中文 【中图分类】TB52
振动问题是钻井过程中的一种重要的危害和噪声来源。为了提高钻井的可靠性和安全性，降低钻井的工作噪声，对钻井过程中钻柱的振动问题进行研究是有必要的。钻柱横扭耦合振动是引起钻井故障的原因之一，横扭耦合振动的加剧会造成钻杆断裂、钻杆磨损严重、噪声过大等问题，这些都会影响钻进的动力性和安全性。对钻进过程中钻柱横扭耦合振动的研究具有重要的意义。 在垂直井中，假设钻进前，钻柱轴线与井眼轴线重合，并且没有初始变形；在钻进过程中，由于钻柱很长且柔性较好，在载荷作用下一般不会产生塑性变形，因此可以认为材料是线弹性的。在狭长的井眼中，钻柱的变形受井壁的限制，产生了钻柱与井壁之间的接触问题，接触点的位置是未知的，并且在接触点处，钻柱与井壁之间存在摩擦力，于是，形成了接触摩擦非线性问题。所以，垂直井眼中钻柱的受力和变形问题，是几何非线性与接触摩擦非线性互相耦合的问题，称之为二重非线性问题。 焦永树等人[1]通过研究已经证实，在钻井工程中，铅垂井段钻柱的屈曲主要取决于钻柱的浮重，而扭矩对钻柱屈曲的影响可以忽略不计。因此为了便于分析钻柱的横扭耦合振动，作了如下一些简化和假设： （1）钻柱为均质弹性直杆； （2）钻进前钻柱中心线与井眼中心线重合，钻进开始后钻柱中心线偏离井眼中心线； （3）钻柱的几何尺寸、材料属性分段为常数，不考虑钻柱连接处和局部孔、槽的刚度； （4）井眼横断面分段保持圆形刚性截面，不考虑井壁上附着物的弹性变形，如岩石、泥饼等； （5）钻进过程中，钻柱单元可能发生微小变形，未考虑大变形的影响； （6）钻柱与井壁可能发生接触碰撞，这样接触碰撞具有多向性和任意性，一旦发
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。
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。
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：
石油钻井过程中钻柱振动的控制策略研究 石油钻井作为一项复杂而重要的工程，一直以来都备受关注。在石油钻井过程中，钻柱振动问题一直是一个困扰钻井工程师的难题。因此，钻柱振动的控制策略研究成为了研究者们的热点和焦点。 当谈及石油钻井中的钻柱振动控制时，首先需要了解钻柱振动的成因。钻柱振 动主要是由于钻井过程中产生的各种力的干扰所导致。这些力包括地质力、机械力和液压力等。地质力主要来自于井眼壁面、地质构造和地层的非均质性。机械力则由于钻井设备的运动不稳定性和机械磨损而产生。液压力主要是由于钻井液的流动和循环所带来的动力效应。 为了控制钻柱振动，需要采取一系列的措施。首先是对钻井泥浆的选择和控制。钻井泥浆对于钻柱振动的影响非常大。合适的钻井泥浆可以提供良好的润滑和冷却效果，减小钻头与井壁之间的摩擦力，从而减少钻柱振动的产生。其次，需要优化钻井参数的控制。钻井参数包括钻压、转速、流量和进给速度等。合理的控制这些参数可以有效地降低钻柱振动的频率和幅度。此外，可以采用减震装置和降振杆对钻柱振动进行控制。 在减震装置的选择上，一般有两种常用的方式，一种是利用装置对冲击力进行 缓冲和吸收，例如液压冲击减振器和钢簧减振器；另一种是利用降低钻柱振动频率的原理，例如TDD和DDAU减振器。而降振杆则是通过调整钻柱的刚度和阻尼来 实现振动的阻尼和减缓效果。 除此之外，还可以借助控制算法来实现钻柱振动的控制。传统的控制算法主要 包括PID控制算法和模糊控制算法。PID控制算法通过不断调整给定值与实际值之间的误差来实现振动控制。而模糊控制算法则是利用模糊逻辑的方式来进行控制，能够更好地适应石油钻井中的复杂环境和非线性问题。
机械耦合系统的振动响应分析与控制方法 引言： 机械耦合系统作为一种复杂的动力系统，其振动响应分析与控制方法一直是工 程师和研究人员关注的焦点。本文将介绍机械耦合系统的基本概念，探讨振动响应分析的数学模型和方法，然后阐述目前常用的控制方法，并对未来的发展方向进行展望。 一、机械耦合系统的概念 机械耦合系统是由多个机械元件组成的复杂系统，这些元件通过力、热和能量 传递来共同工作。机械耦合系统的振动响应受到多种因素的影响，包括刚度、质量、阻尼和外界激励等。在分析和控制机械耦合系统的振动响应时，我们需要考虑这些因素的相互作用。 二、振动响应分析的数学模型和方法 振动响应分析是机械耦合系统研究的基础，通过建立系统的数学模型来描述振 动响应的特性。最常用的数学模型是基于牛顿力学和拉格朗日力学的动力学方程。根据不同的系统特点，可以选择合适的数学方法，如有限元方法、辛方法和波尔兹曼方法等。这些方法可以有效地求解机械耦合系统的振动响应，帮助工程师预测系统的性能。 三、机械耦合系统的控制方法 机械耦合系统的控制方法主要分为主动控制和被动控制两种。主动控制是通过 主动干预系统来减小振动响应，常用的方法包括主动振动控制和自适应控制等。被动控制是通过调整系统内部参数或结构来减小振动响应，常用的方法包括刚度调谐、质量调谐和阻尼调谐等。这些控制方法可以显著改善机械耦合系统的振动性能，提高系统的稳定性和可靠性。
四、控制方法的应用和研究进展 机械耦合系统的振动响应分析和控制方法已经广泛应用于多个领域，包括航天、汽车工程、电子设备和建筑结构等。在航天领域，振动响应的控制方法可以减小发动机的振动，提高航天器的可靠性；在汽车工程领域，振动响应的控制方法可以减小车辆的振动，提高乘坐舒适性。未来，随着科技的进步和理论的发展，机械耦合系统的振动响应分析与控制方法将会取得更大的突破，为工程实践提供更好的解决方案。 结论： 机械耦合系统的振动响应分析与控制方法是一个复杂而关键的研究领域。通过 建立合适的数学模型和选择合适的控制方法，可以有效地预测和控制机械耦合系统的振动响应。本文介绍了机械耦合系统的基本概念、振动响应分析的数学模型和方法，以及常用的控制方法。未来的研究将致力于深入理解机械耦合系统的振动特性和控制机制，为工程实践提供更好的技术支持。机械耦合系统的研究将对提高系统的稳定性、可靠性和安全性具有重要意义。