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
stick-slip frequency of 0.11 Hz,period of 9.0 s and a total stick time up to 4.0 s.During the slip stage,the maximum rotation speed of the downhole drill strings reached 330.0 r/min,approximately 2.75 times higher than that on the ground surface;Generally speaking,the stick-slip vibration was in accordance with fluctuations in surface torque.In other words,features of surface torque might be used for preliminary determination of stick-slip vibration of drill string in the borehole.Analysis of frequency show that stick-slip frequencies of radial acceleration were in accordance with the highest amplitude in energy during stick-slip.There were also horizontal resonance frequency and external exciting frequency generated by drilling string contact with the sidewall.But stick-slip frequencies of axial vibrations corresponded well with minor energy amplitudes.In conclusion,the stick-slip of the drill string may be characterized by torsional vibration.At the same time,there were intensive horizontal vibration and relatively weak axial vibrations.This study can provide as reference in stick-slip vibration characterization and removal strategy for eliminating it in ultra-deep wells drilling.
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2017(045)002
【总页数】8页(P32-39)
【关键词】超深井;钻柱;粘滑振动;加速度;扭矩;频率
【作者】滕学清;狄勤丰;李宁;陈锋;周波;王敏
【作者单位】中国石油塔里木油田分公司,新疆库尔勒 841000;上海大学上海市应用数学和力学研究所,上海 200072;中国石油塔里木油田分公司,新疆库尔勒841000;上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072;中国石油塔里木油田分公司,新疆库尔勒 841000;中国石油塔里木油田分公司,新疆库尔勒 841000
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
钻井过程中，粘滑振动(stick-slip vibration)是引起钻头和钻具组合失效破坏的重要原因，其本质为自激产生的强烈扭转振动。对于深井、超深井，由于钻柱长径比很大，扭转刚度较低，而且钻柱与井壁的摩阻也较大，这使钻柱在井下的运动特征十分复杂，其中之一就是粘滞-滑动现象，即粘滑振动。钻柱的粘滑振动包括粘滞和滑脱2个阶段，而钻柱与井壁、钻头与岩石间的摩擦是引起粘滑振动的直接原因。钻柱发生粘滑振动时，钻头的瞬时转速可以达到地面转速的2倍以上，高速转动的钻头与井底岩石或井壁发生强烈的撞击，会加速其磨损，同时剧烈的周期性交变应力也将导致井下钻具过早疲劳失效。此外，粘滑振动过程中井下钻柱的扭矩通常波动较大，不仅会大幅度降低钻井效率,也会威胁到钻井安全，甚至可能达到钻杆接头丝扣的极限扭矩而导致钻具断裂[1]。如塔里木油田某井在钻井过程中地面测量扭矩持续产生周期性剧烈波动，为保证钻具安全不得不频繁调整转速和钻压来控制钻柱振动，在4 840.00～6 200.00 m井段钻进过程中，地面转速和钻压调整次数高达372次，严重降低了钻井时效。为探明原因，利用储存式测量装置对井下振动进行了测试，结果发现井下钻柱产生了持续的粘滑振动。为有效避免粘滑振动，保证钻井作业的安全和高效，需从本质上分析粘滑振动的产生机理[2]。为此，笔者利用ESM(environmental severity measurement)钻柱振动测量工具对塔里木油田某超深井钻井过程中的井下振动进行了测量分析，以确定超深井钻柱粘
滑振动的特征及频率，为探索超深井钻柱粘滑振动的控制方法、提高超深井钻井井下安全提供依据。
因为粘滑振动对钻头和钻柱具有严重的破坏性，多年来，国内外学者对钻柱粘滑振动形成的机理进行了大量研究。祝效华等人[3]对国内外钻柱粘滑振动的研究进行了较为详细的评述，具有重要的参考价值。总体讲，国内外学者研究粘滑振动的手段分为理论分析法和测量法2种。理论分析法采用的数学模型主要包括基于摩擦效应的单、多自由度扭摆模型和集中参数模型[3-4]，利用这些模型能够初步模拟出钻柱的粘滑现象，并分析相关参数对粘滑振动的影响。然而，粘滑振动是典型的非线性力学问题，钻头与岩石之间非稳态摩擦力的量化十分困难，因此采用摩擦力模型无法准确描述钻柱与井壁间的真实摩擦力，导致数值解与真实钻柱运动状态存在一定误差[5]。为此，通过测量井下钻柱振动来研究粘滑振动。测量井下钻柱振动可以获得钻柱的振动状态，并可借助振动信号处理技术较为准确地研究钻柱粘滑振动的诱发机理及影响因素[6-10]。测量钻柱振动的方式主要有地面测量和井下测量2种。由于振动在钻柱中传播时衰减效应严重，地面测量难以获得井下钻柱的实际运动状态，因此目前主要采用井下测量的方式来研究钻柱振动的机理。
井下振动测量工具均是基于加速度传感器研发的，按照加速度计的安装方式可分为3类：第一类是沿钻柱轴心安装的三轴加速度传感器和配套的磁力计，如Schlumberger公司的MVC(multi-axis vibration chassis)工具[11]、Baker Hughes公司的近钻头测量工具[12]以及Weatherford公司的TVM(true-vibration monitor)工具[13]；第二类是偏心安装的三轴加速度传感器，如Halliburton公司的DDS(drillstring dynamics sensor)工具[14]和ESM工具；第三类是在测量短节横截面径向上呈辐射状安装多个加速度计，在轴向上安装一个独立加速度计，同时配套磁力计，如APS公司的DVMCS(drilling vibration monitoring & control system)振动监控系统[15]。由于国内生产的测量传感器
质量达不到要求，对钻柱粘滑振动的试验研究还主要停留在室内试验阶段[9-10]。ESM钻柱振动测量工具由密封外壳、电池组和三轴加速度计组成。ESM钻柱振动测量工具偏心安装于测量短节内，其偏心距r为4.7 cm。ax和ay分别为沿钻柱
切向、径向的测量加速度，az为轴向测量加速度(见图1)。根据加速度计的安装方式，可得3个加速度计测量加速度的表达式为：
式中：ω为钻柱井下转速，rad/s；acx和acy为钻柱横向振动加速度的2个正交分量，m/s2；acz为钻柱的轴向加速度，m/s2；t为时间，s。
由式(1)可知，ax由钻柱横向加速度分量acx和r处的切向加速度组成，ay由钻柱另一横向加速度分量acy和r处的径向加速度rω2(向心加速度)组成，az与钻柱
轴向振动加速度相等。分析ax，ay和az的时程曲线，可以得到3个轴向加速度
的均值、峰值和均方根等常见参数，也可得到波形、脉冲、裕度、偏度和峭度等反映振动特性的其他指标 [16]，从而大致判断钻柱的运动状态及主要振动形式，但
是根据ESM测量工具测得的结果无法定量评价钻柱的横向振动和扭转振动。下面根据ESM的安装方式和及其测量数据分析钻柱的轴向振动、横向振动和扭转振动的特征。
钻柱的轴向振动可根据az的峰值及其波动来判断。
T时间段内所有实测切向加速度的平均值为x，所有实测径向加速度的平均值为y。由于钻柱发生一般性横向振动时，横向振动加速度分量acx和acy在时间周期内
的积分应相等。因此，当x较小(即ay和ax均值相差较小)时钻柱以横向振动为主，扭转振动较弱。此时，钻柱的横向加速度alat约为：
同理可知，当x较大时，钻柱以扭转振动为主，横向振动次之。
扭转振动是由于钻头与地层相互作用和钻柱与井壁间摩擦力较大时产生的一种振动，当扭转振动剧烈时，钻柱往往会发生粘滑振动。研究表明，粘滑振动是一种自激产生的剧烈扭转振动，当井下钻柱发生粘滑振动时，三轴加速度测得的加速度会有周
期性和间歇性的波包，同时井下转速也出现大幅波动或停滞。估算可知，钻柱产生粘滑振动时，因此，在计算钻柱转速时可忽略的影响，同时ax和ay的均值应相等，将其分离后得到粘滑振动时井下钻柱的转速：
钻柱产生涡动时，不再满足，无法利用式(3)计算井下钻柱的转速。此时由式(1)可得：
整理式(6)得常微分方程：
式(7)的通解形式为：
积分常数C可以用前一时刻的转速作为初值计算得出(其中第一个时刻的初始转速
假设为120.0 r/min)，表达式为：
几种典型的钻柱运动特征对应的振动形式及判别依据见表1。
3.1 钻具组合及ESM测量短节的安装位置
塔里木油田Ks作业区某超深直井设计井深6 874.00 m，测量井段为三开4 840.00～6 200.00 m井段。钻具组合为φ333.4 mmPDC钻头+Power V×4.14
m+转换接头×0.50 m+1#ESM测量短节×0.56 m+φ327.7 mm稳定器×1.95
m+钻铤×12.70 m+φ327.7 mm稳定器×1.95 m+φ203.2 mm钻铤×111.00
m+2#ESM测量短节×0.57 m+φ203.2 mm钻铤×55.00 m+φ139.7 mm加重钻杆×135.00 m。地面转速约为120.0 r/min，钻压约为140.0 kN，钻井液密度为1.80 kg/L。笔者主要分析近钻头ESM测量短节(即1#ESM测量短节)测得的数据。
3.2 测量数据分析
测试数据采样参数设置：采样频率120.0 Hz，采样间隔20.0 min，单次采样时长2.0 min，选取高频瞬时数据输出模式，输出的测量数据为ax，ay和az，共测得177组数据。
根据横向振动随机不规则的特点，ax和ay包含钻柱横向振动加速度分量的均值应相等。因此，其共同部分能够反映横向振动的强弱，差异部分则主要是由钻柱转动
(向心力)造成的。
图2所示为井深5 165.00 m处三轴加速度随时间的变化曲线(图2中，g表示重
力加速度)。
由图2可见：三轴加速度均呈同步的周期性波动，ax和ay均以0为中心上下剧
烈波动，而az以1.0g为中心上下波动，反映了直井重力加速度的特征；当振动
剧烈时，ax和ay的峰值均高达13.0g，az的峰值约为2.5g，体现了此时钻柱在
狭小井眼中横向振动较大，轴向振动较弱；当振动较小时，ax和ay接近0，az
约为1.0g，反映此时钻柱处于微弱振动状态，钻柱可能已停止运动。由此可见，
图2反映了钻柱“剧烈振动—弱振动—剧烈振动—弱振动”的周期性特征，这属
于典型的粘滑振动特征。
为了更清楚地了解粘滑振动的特点，取其中一个周期(11.0～20.0 s)进行分析，该
周期三轴加速度局部放大图见图3。从图3可以看出：11.0～14.2 s，ax和ay接近0，并持续约3.2 s，此期间钻柱不振动，且向心力为0，由此可知钻柱转速也
为0，钻柱处于停转状态；从14.2 s开始，ax和ay均在短时间内迅速增大，峰值达到13.0g，并以0为基线上下大幅度波动，两者的异同特征表明此期间横向振动和扭转振动均加剧，向心力大幅增加，即钻柱转速短期内大幅提高；18.0～20.0 s，ax和ay开始缓慢减小直至为0，横向振动逐渐减弱，同时向心力也逐渐减至0，此时转速也缓慢降至0，钻柱再次停转。
由上述分析可知，加速度信号反映了钻柱转速的特征，可据此判断测试井段井下钻柱产生了粘滑振动，粘滑振动周期约9.0 s，粘滞时长约3.0 s，滑脱时长约6.0 s。
4 840.00～
5 200.00 m井段全部实测数据的统计结果表明，该井段钻进过程中井下产生了大量的粘滑振动，测得粘滑振动的时长(不考虑测量间隔)占总测量时长的53.9%，而实际井下粘滑振动时长估计也应该接近这一数值，甚至更高。
对图2中的加速度信号进行时域分析，计算三轴加速度测量值的均值、峰值和均
方根，结果见图4。
由图4(a)可知，ax的均值更接近0，说明ax的对称性更好，估算可知切向加速度量级较小(最大约0.1g)，因此ax可以准确地反映无规则横向振动的强度。ay由于受到粘滑振动中向心加速度的影响，均值相对较大，最大均值达到5.0g(对应转速约300.0 r/min)，因此ay的均值y)能更直观地反映扭转振动的强度，但具体井下扭转振动的水平则需要通过实际的钻柱转速去衡量。az的均值z)较稳定，约为
1.0g，反映轴向振动水平较弱，且井斜角很小(实测井斜角为0.15°)。
由图4(b)可知，ax和ay的峰值曲线重合度高，峰值均约为13.0g，这表明最大横向振动加速度为13.0g，而最大轴向振动加速度az约为2.2g，反映了滑脱(slip)
运动中包含着强烈的横向振动和较弱的轴向振动，但无法从峰值曲线得知扭转振动的强度。
根据加速度的均方根能够评价钻柱振动的能量强度。由图4(c)可知，ax的最大均
方根约为9.0g，ay的最大均方根约为7.5g，而az的均方根波动较小，约为1.0g。这表明在滑脱(slip)过程中，钻柱与井壁间的横向冲击能量最大，而扭转振动和轴
向振动相对较弱。
由以上分析可知，通过计算三轴加速度测量值的均值、均方根能够了解钻柱扭转振动的特征，特别是粘滑振动的一些特征，但并不直观。
根据图3中的测量数据，利用式(3)计算井下钻柱的转速，结果见图5。
从图5可以看出，粘滑振动过程中井下钻柱的转速呈现周期性不规则波动的特征，当井下钻柱转速为0并短暂停滞时，表明钻柱处于粘滞状态；当井下钻柱转速高
于地面转速时，表明钻柱处于滑脱状态(井下钻柱转速最大达到了330.0 r/min，
约为地面转速的2.75倍)。在粘滞阶段，钻柱与井眼之间的摩阻导致下部钻柱粘滞甚至停转，井下钻柱转速可降至0，此时机械能主要转化为扭转变形能；当地面传递至下部钻柱的能量积累到足以克服摩阻时，钻柱将突然释放，其转速在短时间内
达到最大。此后，粘滞与滑脱交替出现，钻柱处于典型的粘滑振动状态。
3.3 粘滑振动与地面测量扭矩的关系
钻柱粘滑振动是一种典型的扭转振动，其特点必然在地面测量扭矩的变化中有所反映。图6所示为井深5 165.00 m处地面测量扭矩随时间的变化曲线。
从图6可以看出，地面测量扭矩呈周期性大幅波动，波动范围为13.0～27.0 kN·m，周期约为9.0 s，这与井下振动的整体趋势一致，可见在井下钻柱发生粘滑振动时，地面测量扭矩随着粘滑振动周期产生同步变化。通过对比分析测试井段的测量数据发现，所有发生粘滑振动井段的地面测量扭矩均满足上述特征。
此外，结合图5和图6可以发现，当井下钻柱处于粘滞阶段时，地面测量扭矩达到最大27.0 kN·m并持续3.0～4.0 s，之后伴随着滑脱过程而迅速降低。从时间历程看，地面测量扭矩波动较转速有所滞后，这是扭矩在钻柱中的传递造成的。图7为井深4 923.00 m处地面测量扭矩随时间的变化曲线。
从图7可以看出，此时地面测量扭矩虽然出现了周期波动的特征，但波动幅度不大，最大扭矩约27.0 kN·m，最小扭矩为20.0 kN·m。
图8所示为井深4 923.00 m处三轴加速度测量结果。
从图8可以看出，井深4 923.00 m处三轴加速度的测量结果与井深5 165.00 m 处(见图2)具有明显的差异，此时三轴加速度均呈现频繁的无规则波动，ax和ay 具有围绕0连续振动的特征，峰值均约为5.0g，表明此时横向振动是钻柱的主要振动形式，同时含较弱的扭转振动，即处于低水平的不规则涡动状态。
根据井深4 923.00 m处测得的三轴加速度，利用式(3)计算井下钻柱的转速，结果见图9。
由图9可知，此时井下钻柱以120.0 r/min转速为中心上下无规则波动，波动范围约为60.0～170.0 r/min，进一步验证了钻柱产生涡动时的特征。
上述地面测量扭矩特征表明，在地面测量扭矩波动幅度较小时，可以判断井下无粘
滑振动产生。
综合上述分析可知：地面测量扭矩可以反映井下扭转振动的情况，当地面测量扭矩呈现大幅周期性波动时，钻柱很可能产生了粘滑振动；而当地面测量扭矩波动幅度较小时，则产生粘滑振动的可能性较小，具体振动形式需根据测试数据进一步判断。通过分析钻柱振动信号的时域，可以准确描述实际井下钻柱的振动状态，而对其进行频域分析可以了解其频率成分的组成。笔者采用FFT(fast fourier transformation)对图2中加速度的时域信息进行计算，得到了三轴加速度的频谱图(见图10)，图10中红点为加速度谱密度较高的前10个频率成分。
从图10可以看出：三轴加速度频谱图均体现出0.11 Hz这一与粘滑振动频率吻合的重要频率成分(钻柱的粘滑振动周期约为9.0 s，即粘滑振动频率为0.11 Hz)；粘滑振动频率(0.11 Hz)下ay的谱密度最高，为0.800g2/Hz，而ax和az的谱密度分别为0.140g2/Hz、0.025g2/Hz，表明发生粘滑振动时钻柱的运动耦合了横向
振动、扭转振动及轴向振动，但扭转振动最为突出。
值得注意的是，ay的频谱中粘滑振动频率(0.11 Hz)对应的能量幅值远大于其他频率成分，表明ay更直接地体现出粘滑振动的特征。ax的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值与其他频率对应的幅值接近，反映出ax更能体现横向振动的特征。az 的频谱中各频率成分的能量幅值远小于ax和ay，体现了粘滑振动过程中轴向振动较弱的特征。
三轴加速度频谱图虽然能反映三轴振动加速度信号的频率构成，但无法反映频率成分随时间变化的情况，因此，要对实测加速度信号进行时频分析。笔者采用短时傅里叶变换(STFT)计算了井深5 165.00 m处ay的二维和三维时频，结果见图11。从图11(a)可以看出，频率带随着时间均匀分布，每一个频率带占用时长约9.0 s，正好为一个粘滑振动周期。不难看出，一个粘滑振动周期内钻柱振动信号由很多频率成分组成，其中包含粘滑振动频率、横向共振频率及钻铤与井壁作用产生的外激
励频率等。
图11(a)为目前通用的时频表示方式，可以通过其灰度线的明暗反映不同频率在某时间段内所起的作用，但很不直观。因此，笔者利用Matlab软件将这种时频特征用三维形式表示，如图11(b)所示。从图11(b)可直观地看出，随着时间的变化，0.11 Hz这一主频率一直存在，而其他较弱频率成分只存在于滑脱阶段，表明此时粘滑振动为钻柱最主要的振动形式。此时必须合理调整钻井参数，消除粘滑振动，以保证钻井安全。
1) 测试结果表明，钻柱发生粘滑振动时，滑脱阶段井下钻柱的最大转速可达到地面转速的2.75倍。
2) 测试结果表明，发生粘滑振动时，地面测量扭矩呈现出大幅周期性波动，因此根据地面测量扭矩的波动幅度可初步判断井下是否发生了粘滑振动。
3) 从频域特征可知，径向加速度的频谱中粘滑振动频率(0.11 Hz)对应的能量幅值最大，表明径向加速度更能直接体现粘滑振动的特征。切向加速度频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值与其他频率对应的幅值接近，表明切向加速度更能体现横向振动的特征。
4) 通过测量三轴加速度并对测量结果进行分析得到了井下粘滑振动的准确信息，说明测量的三轴加速度准确反映了井下钻柱的实际振动状态，对揭示钻柱井下运动规律具有重要参考价值。
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第三章钻受力分析 3.1 作用在钻柱上的基本载荷 钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，不同的位置上作用不同的载荷。概括起来，作用在钻柱上的基本载荷有以下几种： （1）轴向力。处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。钻铤以自重给钻头加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态。 （2）径向挤压力。应用卡瓦进行起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力。 （3）弯曲力矩。弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在；引起钻校弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。由于钻柱在弯曲井眼内工作，也将产生弯曲。在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。 （4）离心力。钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼中心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。 （5）扭矩。钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱
的。出于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因而钻柱所承受的扭矩井口比井底大。但在使用井底动力钻具（涡轮钻具、迪纳钻具等）时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。 （6）振动载荷。使钻柱产生振动的干扰力也是作用在钻柱的重要载荷（图 2-1）。在钻井过程中，用钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒；通过钻柱中心的圆管向井下传递高压钻井液，靠钻井液的流动把岩石碎屑携至地面并从钻井液中除掉岩屑。为了控制井眼钻进的方向，靠近钻头的一段钻柱外径和抗弯刚度较大，并在一定位置上安放一定规格的稳定器，下部钻柱只有稳定器和钻头接触井壁，钻柱本体则不与井壁接触。由于钻头牙齿间断地与地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振动。钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类[13]。 （1）纵向振动。纵向振动指的是钻柱沿其轴向的伸缩运动。该种振动产生的原因是井底不平、钻头牙齿间歇压入岩石和岩石间歇破碎。钻头的振动以弹性波的形式通过钻柱向地面传播，到达地面后再沿钻柱向钻头回传。由于钻井液的阻尼作用，在传播的过程中，振动波形逐步变化，振幅逐步减小但是，当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。钻柱内的交变应力和振幅相当大，导致钻柱断裂或粘扣。研究钻柱的纵向振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义。 （2）扭转振动。扭转振动指的是钻柱绕其中心线的旋转运动。该
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
一、振动测量参数的选择 位移：适用于低频范围,转速在1500转/分以下的机组, 速度：适用于中频段,转速在1500——10000转/分范围内的机组、加速度：适用于高频段,转速在10000转/分以上的机组 现在一般采用速度标准, 1、位移：反映质点的位能,可监测位能对设备部件的破坏; 2、速度：反映质点的动能,可监测动能对设备部件的破坏; 3、加速度：反映质点的受力情况受,可监测振源的冲击力对设备的破坏程度; 振动的表征参数－峰值单峰值、峰－峰值及有效值; 对于位移,一般选峰－峰值作为表征参数；加速度选择峰值,速度选择有效值作为表征参数; 二、测点选择 1、尽量靠近轴承
2、尽量在垂直、水平、轴向三个方向上设置测点 3、给测点位置作好记号,以保证测量数值的稳定性和可比性 4、必要时可将设备表面进行处理 三、测试中应注意的几个问题 1、在测试同一设备、同一测点和同一参数量时,应选择同一种测试仪器,并在同一状态下、同一频带下进行测试; 2、检查测试设备的安装情况,应保证测点设备与测试仪器不产生共振; 3、测量径向振动时,传感器应相对于被测设备轴径向安装；测量轴向振动时,应相对于被测轴平行安装; 4、应考虑测试现场周围的电场、磁场以及外界环境对传感器和仪器本身的影响; 一、振动基础理论 1．1 振动形式的描述 机械设备总是不可避免的会产生振动,过大的振动是有害的,除非为了特殊的目的,如振动给料机、磨煤机等;为了说明振动的特点,采用了多种描述方式; 1、时域描述有两种形式,即振动波形和轴心运动轨迹;可直观了解振动随时间的变化情况,以及转轴在轴承中的横向运动情况,粗略
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:
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
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/a819215476.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)
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。
物理实验技术中的扭转振动测量与分析技巧 当涉及到研究物体的振动特性时，扭转振动是一个重要的研究对象。扭转振动是指物体在某个轴线上以扭转方式发生的振动。在物理实验中，测量和分析扭转振动是一项极为关键的技术，本文将介绍一些常用的技巧和方法。 一、扭转振动的测量 扭转振动的测量需要使用多种仪器和设备。首先，我们需要一个高精度的扭转传感器。这种传感器能够准确地测量物体在扭转轴线上的力和扭矩。常见的扭转传感器有应变片传感器和扭矩传感器。应变片传感器是一种将应变转化为电信号的传感器，它可以通过粘贴或夹持在被测物体的表面来测量扭转力。扭矩传感器则可以直接测量物体扭转的力矩。 其次，我们需要一个高精度的测力计或负荷传感器。测力计可以用来测量物体在扭转过程中所受的力。这些力可以通过测力计传感器转化为电信号，然后由数据采集系统记录和分析。负荷传感器则可以直接测量物体所受的力矩。 另外，为了测量扭转角度，我们需要一个扭转角度传感器。扭转角度传感器可以通过测量物体两个连接部分相对扭转的角度来确定扭转振动的幅度和频率。常见的扭转角度传感器有光电编码器和霍尔传感器。光电编码器通过光敏元件和光透光度盘的配合来测量角度，而霍尔传感器则通过测量磁场的变化来确定角度。 最后，要测量扭转振动的频率，我们需要一个高精度的频率计或频谱分析仪。频率计可以直接测量振动信号的频率，而频谱分析仪则可以将振动信号转化为频谱图，从而对振动的频率进行分析和研究。 二、扭转振动的分析 在测量扭转振动之后，我们需要对测量数据进行分析和处理。这可以通过使用信号处理和频谱分析技术来实现。首先，我们可以使用时间域分析方法来研究振动
深井钻柱粘滑振动特性分析 贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖 【期刊名称】《石油矿场机械》 【年(卷),期】2018(047)006 【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. 【总页数】7页(P1-7) 【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 【相关文献】
1.南海超深水取样钻柱纵向粘滑振动分析 [J], 高光海;仇性启;董辉;许俊良;任红 2.油气井钻柱粘滑振动研究进展 [J], 冯程宝;贾晓丽;刘书海;钟晓玲 3.超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析 [J], 滕学清;狄勤丰;李宁;陈锋;周波;王敏 4.钻柱系统粘滑振动稳定性分析及减振方法探讨 [J], 张晓东;朱晓凤;何石;杨文武;王彪 5.油井钻柱粘滑振动仿真及控制策略研究 [J], 付蒙;李江红;吕振华 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
超深井抗高温钻井液 一般情况下5、6千米以上的井都称为超深井。我国已成功钻探多口超深井。常用超深井钻井液有水基钻井液和油基钻井液，国内一般用水基钻井液。 7、8千米的超深井地温可达200－250度，（地温梯度一般为每百米3度），压力可达15－20Mpa，所以超深井对钻井液的性能影响比较大。 第一节：高温对钻井液中的粘土的影响 1、高温分散作用 粘土的高温分散：高温促进钻井液中的粘土粒子分散，使分散度增大。粘土粒子浓度增大的现象称为粘土的高温分散。其表现为粘度增大。 主要原因：①高温增强了水分子渗入粘土内部的能力；②高温使粘土表面的阳离子扩散能力增强，扩散双电层增厚，电位提高，有利于分散；③高温使粘土矿物的片状微粒运动加剧，有利于分散。 影响高温分散的因素有：①粘土的种类，它是影响高温分散作用强弱的决定因素，易水化的高温分散强，不易水化的高温分散弱；②所经受的温度及作用时间；③PH 值有利于高温分散，因为OH－的存在有利于粘土的水化，而粘土高温水化的同时PH值降低；④钙、镁、铝、铁、铬、锌等高价离子不利于粘土分散，它对粘土分散有抑制作用；⑤处理剂的影响，凡对高温分散有抑制能力的处理剂都能抑制高温分散作用，如磺甲基类、磺酸盐类。 2、高温钝化作用 高温钝化：钻井液中粘土粒子经高温作用后，表面活性降低的现象称为高温钝化。产生钝化的机理认为是：粘土矿物表面或者是表面和内部都与钻井液中钙离子、氢氧根离子等发生反应，产生水化硅酸钙，使粘土呈现较大的惰性，而温度则加速这个反应进行，同时在温度高于150度时，反应会深入矿物晶体内部，其表现为塑性粘度增加的同时屈服值和切力却增加不多，有时甚至降低，在含有钙、镁、铝、铁、铬、锌等高价离子时更加明显，剩余力场（表面活性）有所降低。 第二节：高温对钻井液处理剂的影响 1、高温降解作用：有机高分子化合物受高温作用而裂解称为高温降解。高温降 解包括使高分子主链断裂和使亲水基团与主链连接键断裂两方面，前者大大降低处理剂的分子量，甚至使之失去高分子性质；后者使处理剂亲水性降低，二者都会使处理剂效能大幅度降低，以至完全失效。影响高温降解的因素有温度和作用时间外，主要取决于处理剂的分子结构。高温降解对钻井液性能的影响可能有增稠、胶凝、固化，也可能是减稠、失水猛增等。磺甲基酚醛树脂抗温220－230度以上腐植酸及其衍生物抗温200－230度以上，水解聚丙烯腈抗温200－230度，磺甲基丹宁抗温在180－200度。 2、高温交联作用：处理剂分子结构中存在的各种不饱和键和活性基团，在高温 作用下产生交联、增大分子量，这种现象称为高温交联，由于反应结果增大了分子量，故它可看成为是与高温降解相反的作用。木质素及其衍生物、腐植酸及其衍生物、栲胶及其衍生物、合成树脂处理剂等分子中含有大量的可供交联反应的官能团和活性基团。高温交联反应对钻井液性能的影响有好坏两种：若交联过头生成体型高分子，将钻井液丧失流动性，且失水猛增，钻井液完全破坏；若交联适当，则可相当于将处理剂进一步改性增效，钻井液
钻井井下工程参数测量应用研究新进展 摘要：精细化钻井和薄油层开发、一趟钻等，其在钻井时都需要精确的井下 工程参数作为支撑，而地面参数的不准确和滞后性限制了这些技术的发展；再者，随着大数据分析和人工智能在钻井工程领域的应用，实时的井下工程参数在建立 精确数据模型和事故预警及反向指导井下工具设计和优化BHA组合将上发挥更加 明显的作用。 关键词：井下工程参数测量；智能钻井；钻井优化。 2020年8月哈里伯顿公司推出了一款带传感器的感知PDC钻头--Cerebro Force，为业界首款直接从钻头上获取钻压、扭矩和弯矩等井下工程参数的商用 产品。该技术弥补了先前钻铤式井下工程参数测量仪不能获取钻头位置真实振动 的劣势，进一步提高对井下环境及钻头工况的了解，使工程参数测量的可用性和 实用性上升了一个新高度。 井下工程参数测量经过数十年的发展，在测量仪器和方法上已经较完备，近 年来，井下工程参数测量在精细化钻井、无风险钻井和钻井优化方面重新受到重视。旋转导向技术、钻井远程专家系统、智能钻井都迫切需要准确和完备的井底 工程参数作为支撑，因此开展井下工程参数测量的研究是极为重要的[1~3]。 1.井下工程参数的测量概述 井下工程参数测量对象为井底的实际钻压、扭矩、振动、转速、内外环空压 力和温度。相比地面测量，井下测量解决了数据滞后性和偏差性等问题。如在水 平井中，钻头钻柱在井筒中的运动并非线性，存在较大的钻头滑移、钻柱涡动等 现象，地面测得的钻压与实际偏差较大[4]。 从数据传输方式上，井下工程参数测量可分为随钻式和存储式两种。受目前MWD传输速率的限制，大部分为存储式，起钻后读取数据。随着高速MWD和有线
丝鸣中粘滑振动的理论分析 本文的主要目的是对丝鸣中粘滑振动的理论进行分析。丝鸣是一种涉及粘滑性，因此研究它必须确定其中粘滑振动的相关参数。粘滑振动受力学和材料属性的影响，可以建立该振动理论的广泛模型。首先，讨论了丝鸣的基本机理，然后分析了滑动摩擦的粘滑振动的影响因素。其次，还考虑了丝鸣的室温和湿度对粘滑振动的影响，最后，介绍了通过实验测量确定粘滑振动参数的方法。 首先，介绍丝鸣及其基本机理。丝鸣是指一种特别的声音，通过简单的物理原理可以解释丝鸣的特征。根据力学，当丝从一端向另一端传输，丝上会出现振动现象，形成一种滑动摩擦，发出丝鸣的声音。丝鸣的介质可以是金属、木材、皮革或纸等固体，而丝鸣的原理是滑动摩擦的粘滑振动。在研究中，需要正确理解滑动摩擦的粘滑振动，进而正确确定模型和参数。 其次，关于滑动摩擦的粘滑振动，受力学和材料属性的影响，当丝从一端向另一端传输时，两个接触表面之间的摩擦力会形成振动，从而产生流动摩擦及粘滑振动。除了此外，一定的温度和湿度也会对粘滑振动产生显著影响。首先，温度影响粘滑振动形成的模型，而湿度影响粘滑振动参数，例如摩擦系数。研究表明，当温度越低时，粘滑振动模型会变得更加复杂；而当湿度越高时，摩擦系数就越大，粘滑振动的强度也就越大。 最后，粘滑振动参数的实验测量。丝鸣的参数主要包括摩擦系数、振动频率和振幅等。实验测量可以帮助研究者确定粘滑振动参数，从
而对粘滑振动模型进行验证。为了测量粘滑振动参数，常用的仪器有振动分析仪和摩擦力计。通过这些仪器的测量，可以确定丝鸣的粘滑振动参数，从而验证模型的准确性。 综上所述，在研究丝鸣中粘滑振动的原理时，必须考虑温度、湿度以及摩擦力的影响因素，进而确定粘滑振动的模型及其参数。最后，实验测量是确定粘滑振动参数的有效方法，从而验证粘滑振动模型。
超深井测井遇阻遇卡原因分析及解决对策 罗荣 【摘要】Because Ordovician reservoir is deeper, the drilled wells are ultra deep wells in Tahe oilfield. From engineering point, introduced are logging obstructing causes in ultra-deep wells, such as, irregular borehole, sand bridge, higher viscosity drilling fluid, poor quality of mud cake, heavy oil in wellbore, poor well trajectory, etc. Analyzed are three causes of logging sticking which are pressure difference, sloughing and key seating. By improving borehole cleanup and logging technology, the risk of logging obstructing and sticking is obviously controlled. Proposed are two solutions: The key to reduce the risk is to control drilling quality, and ensure the down hole tools and wireline safety when changing tool string connection mode.%塔河油田奥陶系油藏由于埋深较深,所钻井都为超深井.从工程角度介绍了井眼不规则、砂桥、钻井液黏度过高、泥饼质量差、井内出稠油、井眼轨迹不好等造成超深井测井遇阻等原因 ;对电缆仪器吸附卡、掉块卡、键槽卡3种超深井测井遇卡原因进行了分析.通过有针对性地进行测井前井筒准备、改进和完善测井工艺等2个方面工作,使工区测井遇阻卡情况得到明显控制.减少测井遇阻遇卡的核心是抓好钻井过程的控制 ;改变仪器串连接方式必须保证井下仪器和电缆的安全. 【期刊名称】《测井技术》 【年(卷),期】2012(036)005 【总页数】4页(P543-546)
中红外光谱的HFC水分含量和粘度测量 余良武;刘东风;陈聪;房友龙 【摘要】针对水-乙二醇抗燃液压液(HFC)目前常用的水分含量和粘度测量方法存在操作复杂,耗时长,测量成本较高等问题,研究了将中红外光谱分析法应用于HFC 水分含量和粘度测量.以85个实际在用油样为样本集,采用传统的电量法和毛细管法分别测量水分含量和运动粘度;使用衰减全反射液体池(ATR)采集各样本的中红外光谱并进行光谱校正、背景扣除、Savitzky-Golay(SG)平滑处理和基线校正等预处理.水分含量测量模型构建过程中,利用学生化残差-杠杆值法寻找强影响点,判定为异常样本并加以剔除;利用马氏距离SPXY法划分建模样本集和验证样本集.根据Beer-Lambert定律,水分含量和红外光谱吸光度成正比,采用线性方法来构建水分含量和吸光度红外光谱之间的关系模型.同时为提高模型的鲁棒性和泛化能力需要消除光谱中的无用信息、冗余信息和噪声,因此采用后向间隔偏最小二乘法(BiPLS)进行水分含量测量特征谱区优选,并建立线性校正分析模型.结果表明剩余3 526～3 354,1 790～1 618,3 005～2 660和1 096～924 cm-1波段时获得最小的交叉验证均方根误差(RMSECV).特征波段优选结果可以理解为,根据3 526～3 354 cm-1波段预测HFC体系中所有OH的量,减去根据3 005～2 660和1 096～924 cm-1波段换算得到的乙二醇中的OH,进而计算得到水分含量,为进一步提高精度,将水中OH变角振动吸收峰对应的1 790～1 618 cm-1波段作为水分含量测量的辅助波段.利用独立验证样本进行模型检验,结果表明所建立的线性模型相关系数(r)为 0.989 5,预测均方根误差(RMSEP)为0.405 2,满足HFC中水分含量测量精度需求.粘度测量模型构建过程中,利用马氏距离法寻找离群样本,判定为异常样本并加以剔除,利用马氏距离SPXY法进行建模样本集和验证样本集划分.粘度是一个与多重因素有复杂关系的理化指标,和红外光谱之间表现为非线性关系.基于主成分分析结合
一、选择题 1．(0分)[ID：127387]如图所示，曲轴上挂一个弹簧振子，转动摇把，曲轴可带动弹簧振子上下振动。开始时不转动摇把，让振子自由振动，测得其频率为2Hz。现匀速转摇把，转速为240r/min。则（） A．当振子稳定振动时，它的振动周期是0.5s B．当振子稳定振动时，它的振动频率是4Hz C．当转速增大时，弹簧振子的振幅增大 D．振幅增大的过程中，外界对弹簧振子做负功 2．(0分)[ID：127375]把一个筛子用四根弹簧支起来，筛子上装一个电动偏心轮，它每转一周，给筛子一个驱动力，这就做成了一个共振筛，如图所示。不开电动机让这个筛子自由振动时，完成20次全振动用15 s，在某电压下，电动偏心轮的转速是50 r/min。已知增大电动偏心轮电压可使其转速提高，而增加筛子的总质量可以增大筛子的固有周期。为使共振筛的振幅增大，以下做法可行的是（） ①降低输入电压②提高输入电压③增加筛子质量④减小筛子质量 A．①③B．①④C．②③D．②④ 3．(0分)[ID：127368]下列说法中不正确的是( ) A．将单摆从地球赤道移到南(北)极,振动频率将变大 B．将单摆从地面移至距地面高度为地球半径的高度时,则其振动周期将变到原来的2倍C．将单摆移至绕地球运转的人造卫星中,其振动频率将不变 D．在摆角很小的情况下,将单摆的振幅增大或减小,单摆的振动周期保持不变 4．(0分)[ID：127367]在科学研究中，科学家常将未知现象同已知现象进行比较，找出其共同点，进一步推测未知现象的特性和规律．法国物理学家库仑在研究异种电荷的吸引力问题时，曾将扭秤的振动周期与电荷间距离的关系类比单摆的振动周期与摆球到地心距离的关系．已知单摆摆长为l，引力常量为G，地球质量为M，摆球到地心的距离为r，则单摆振动周期T与距离r的关系式为() A．T=2GM l B．T=2 l GM
整个失效分tfilfi 的几个 收集失效件的背景数据。isafim 失效件的外规检查。包牯： r~ 失效件的变形情况， 失效件外表的加工缺L ....... ... .............. 斷裂部位所在的位置，是否在扯上一斥一 规察外表有无氧化、瞬宦、撼咬、暦损、 观察相曲件的情况。 __________ ________ 1) K 口分折：断口记录了Bi 裂林料壬裂酒卫卫泌JL_f4对斷口形靛的不仅可以 得到有关部件使用条件利失效特自的资料 斷裂澹、裂纹扩最方向和斷裂顺序，确定咼TTE$ 钻甘的服役条件及主要失效类塑 ---------- 1 2) 幷柱的工作狀査 _________ | 在fAWiif?中，估甘是在起下务和正常起下钻时，站甘处于受述状 态；aaiif?中，貝狀态比拟貝杂，处干 在转盘saw,钻柱好做一根细长的徒转 少撤拿褊I 肘殳用史。 调查加丄和服役历史 嚮1 现场调査及残骸分析 初步观察分析 无损检测分析 i 材料Wttiffltt«,进而列明 ET 预中撕裂的壬要原因。 宏观断口分析 超深井钻井鈿具失效分析 ［«娶］ 超深井钻井在施工中经常发生was.卡站事故和井漏、井壁失梯、站貝偏曆等复杂帝况。 这些事故及复杂怖况严車地前约了钻井速度，冋时造戒了一定的经济损失。通过对钻具失效怖 况进行分折，思结了经验教illl,对今后超深井钻井的能工有一定的借鉴和指导恿丈。 ［关 SR ］ 超深井钻井；站具断裂；钻具失效；钻具损伤 ［容】 1钻具失效分林 站具失效形貳壬要有站具斷裂、鉛貝剌漏、殆貝螺奴按头SW.钻具螺纹接头开裂、钻貝悄磨 等等。尤貝是在深井、趙深井以及术平井、夫位杨井等貝杂井的作业过程屮，站貝Di 裂的甩害 尤其严 車，轻者增加站井本钱，址长钻井周期，車者导致填井傅钻甚至于整井报废。在深井、 超深井等貝杂井的估探作业中，用双扭矩台肩的估貝可以有效的提高估具承我能力，ROffiR 的斷裂失效事故，提高站貝的平安可靠性。 失效分林的程序和步骤 失效分析程序图： 丄扁向压力作用下,下跚钻具不 隐定呈弯曲状态，由丁受到井服的限制$ m 产生乡次弯曲；上部卩貝由十従特产生的离©力作
摘要 润滑机械系统中的摩擦振动 摘要 在润滑界面，局部的动态响应是复杂的，并且依赖于密闭润滑膜间的分子效应。在含有一个或多个接口的机械系统中，局部界面行为对总振动响应的影响在很大程度上仍然是未知的。在本次工作中，我们从已有的实验结果出发，结合实际中局部摩擦的情况，提出了一个数值模型。目的是为了表述润滑系统的动态特征，并研究其局部界面行为引发的复杂全球性响应。机械系统的稳定性分析和振荡将通过各种操作条件进行调查。 关键字：润滑；动力学；稳定性；机械系统
Abstract Friction-induced vibration of a lubricated mechanical system Abstract In a lubricated interface, the local dynamic responses can be complex and depend on molecular effects in the confined lubricating films. In a mechanical system comprising one of such interfaces, the influence of the local interfacial behaviour on the total vibrational response remains largely unknown. In this work, we propose a numerical model that incorporates realistic laws of local friction issued from previous experimental results. The objective is to characterize the dynamics of a lubricated system and to study its complex global responses triggered by the local interfacial behaviour. Both stability analysis and vibrational oscillations of the mechanical system will be investigated through various operating conditions. Key words: Lubrication; Dynamics; Stability; Mechanical system
一、选择题 1．(0分)[ID：127374]一个质点做简谐运动，其位移随时间变化的s-t图像如图。以位移的正方向为正，该质点的速度随时间变化的v-t关系图像为（） A．B． C． D． 2．(0分)[ID：127363]如图所示，将小球甲、乙、丙（都可视为质点）分别从A、B、C三点由静止同时释放，最后都到达竖直面内圆弧的最低点D，其中甲是从圆心A出发做自由落体运动，乙沿弦轨道从一端B到达最低点D，丙沿圆弧轨道从C点运动到D，且C点很靠近D点，如果忽略一切摩擦阻力，那么下列判断正确的是（） A．丙球最先到达D点，乙球最后到达D点 B．甲球最先到达D点，乙球最后到达D点 C．甲球最先到达D点，丙球最后到达D点 D．甲球最先到达D点，无法判断哪个球最后到达D点 3．(0分)[ID：127343]如图所示，为某一弹簧振子做简谐运动的图像，由图可知（）
A ．t =0时，质点的速度为零 B ．t =0时，质点的加速度为零 C ．t =1s 与t =3s 时，质点位置相同 D ．t =1s 与t =3s 时，质点加速度相同 4．(0分)[ID ：127338]如图所示，在光滑水平面上的弹簧振子，弹簧形变的最大限度为20cm ，弹簧处于原长时，弹簧振子处于图示P 位置，若将质量为m 的振子向右拉动5cm 后由静止释放，经0.5s 振子第一次回到P 位置，关于该弹簧振子，下列说法正确的是（ ） A ．该弹簧振子的振动频率为1Hz B ．若向右拉动10cm 后由静止释放，经过1 s 振子第一次回到P 位置 C ．若向左推动8cm 后由静止释放，振子连续两次经过P 位置的时间间隔是2s D ．在P 位置给振子任意一个向左或向右的初速度，只要最大位移不超过20cm ，总是经0.5s 速度就降为0 5．(0分)[ID ：127337]如图所示，竖直面上有一半径较大的圆弧轨道，最低点为M 点，有三个小球A 、B 、C （可视为质点），A 球位于圆心处，B 球位于弦轨道MN 的顶端N 点，C 球位于圆弧轨道上极其靠近M 的地方。现将三个小球同时由静止释放，不计一切摩擦阻力和空气阻力，则（ ） A ．C 球最先到达M 点 B ．B 球最后到达M 点 C ．ABC 三球同时到达M 点 D ．条件不足，无法判断哪个小球最先、最后到达M 点 6．(0分)[ID ：127334]如图所示，质量为A m 的物块A 用不可伸长的细绳吊着，在A 的下方用弹簧连着质量为B m 的物块B ，开始时静止不动。现在B 上施加一个竖直向下的力F ，缓慢拉动B 使之向下运动一段距离后静止，弹簧始终在弹性限度内，希望撤去力F 后，B 向上运动并能顶起A ，则力F 的最小值是（ ） A ．(A m + B m )g B ．(A m +2B m )g