横向振动对水平井眼中钻柱摩阻的影响研究_张会增

针对可调弯螺杆钻具振动特性研究摘要：可调弯螺杆钻具在减少钻具储备量、降低定向井、大斜度井、水平井钻井成本方面起到十分有效的作用，但是，在超深井钻井过程中，由于钻井工况存在的复杂性，螺杆钻具出现刺漏和连接螺纹断裂的失效情况时有发生，一般失效过程为产生疲劳裂纹、产生疲劳断裂，一般造成这种情况的原因和钻柱整体振动有关。

文中通过建立钻柱动力学模型研究可调弯螺杆钻具振动特性，为进一步研究深井钻井钻具失效夯实研究基础。

关键词：可调弯；螺杆钻具；振动特性钻具振动是螺杆钻具产生失效的主要原因，因此，对螺杆钻具进行振动特性研究对保证螺杆钻具的安全性十分必要。

文中利用钻柱动力学分析法建立钻柱动力学分析模型，对可调弯螺杆钻具全井段所承受的纵向、横向和扭转振动振型和固有频率进行模拟，通过分析不同弯角螺杆钻具在井下产生共振的可能性，确定在进行可调弯螺杆钻具钻井参数设计的过程中要尽量避免或减小钻柱在低阶固有频率上产生共振，要适当考虑配置扶正器、减震器等不同类型的深井减振工具。

1钻柱动力学分析模型1.1钻柱动力学建模钻柱在井下的受力情况和运动状态比较复杂，在分析前必要进行一定假设，为简化建模，在建模师不考虑钻杆间螺纹连接和钻杆连接接头截面变化，钻杆分段内视为同一内外径，为了便于计算，忽略不同钻具间转换接头和工具外径变化。

从钻头开始向上划分成多个单元，任取一个单元中心轴线为 ,与分别于截面主惯性轴相重合，在每个节点取移动位移和转动位移，包含六个自由度。

单元总能量=动能+势能，任意取钻柱元段分析，该元段动能可表示为：弯曲扭转变形能为：单元体的总势能为：1.2接触函数在进行钻柱动力学分析过程中，要充分考虑到钻柱和井壁间的接触碰撞与摩擦，假设钻柱振动的阻尼影响因素包含钻井液的影响、钻柱材料的内摩擦，钻柱和井壁间的接触力与摩擦力主要被分解为径向力和切向力，主要可以通过IM-PACT冲击函数进行求解。

首先假设井壁径向摩擦因数和轴向摩擦因素相等，摩擦力分配为：此时，钻柱和井壁之间产生的摩擦切向力对钻柱产生一个摩擦等效力矩,通过等效摩擦力矩就可以模拟钻柱和井壁接触过程中的摩擦情况。

收稿日期:2006203230作者简介:张宝增(19642),男,河北遵化人,博士研究生,主要从事油气钻、完井及井下作业工程领域的研究工作。

文章编号:100123482(2006)0520009204侧钻水平井钻柱动力学几个关键问题研究张宝增,王瑞和(中国石油大学石油工程学院,山东东营257061)摘要:通过对实际钻井经验总结和钻柱动力学研究现状分析,认为反转运动是钻柱疲劳失效的一个主要原因,侧钻水平井钻柱的反转运动尤其需要进一步研究。

钻柱的接触摩擦影响到井身剖面、钻柱及下部钻具组合的优化设计。

目前对钻柱动态摩阻和大变形后摩阻问题研究不足,井眼中固体、流体耦合关联,钻井液阻尼对钻柱动态影响不能忽略,钻柱内钻井液可处理为附加质量,但外部钻井液则应考虑为阻尼。

为了实现依据钻柱动力学的井眼轨迹控制,应特别重视钻柱振动特性与钻头受力状况的相互影响。

关键词:侧钻;水平井;钻柱;反转;振动;摩阻;液体阻尼中图分类号:TE921.201 文献标识码:AAnalysis on the key dynamic problems of the drill string in sidetracked horizontal w ellZHAN G Bao 2zeng ,WAN G Rui 2he(College of Pet roleum Engineering ,China Uni versit y of Pet roleum ,Dongy ing 257061,China )Abstract :The present sit uation of researches on dynamics of t he drill st ring in sidet racked horizo ntal well was analyzed ,and several important p roblems were p ut forward in t his paper.First of all ,t he backward p recession is t he main factor which causes fatigue failure of drill st ring ,but no detailed information is a 2vailable for sidet racked horizontal well.Secondly ,t he st udy on t he contact 2f riction problem between drill st ring and hole wall is not enough to optimize t he well profile ,t he drill st ring and t he bottom hole assem 2bly.The f riction of buckled st ring and t he dynamic f riction of rotary st ring must be st udied caref ully.Third t he fluid damp must be considered when st udying vibrations of t he drill st ring ,and t he drilling fluid out side t he pipe should not be regarded as accessional mass.Finally ,in order to control t he well pat h by dynamics ,great attention should be paid to t he interaction between bit and drill st ring.K ey w ords :sidet racking ;horizontal well ;drill st ring ;backward p recession vibration ;friction ;fluid damp ; 在钻井过程中,钻柱受力状况复杂[1],工作环境恶劣,是一个复杂的动力学系统,侧钻水平井钻柱受力更具复杂性和特殊性。

水平井钻柱摩阻、摩扭分析张宗仁一、文献调研与综述在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。

对管柱的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。

如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。

1．1约翰西克柔杆模型：约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触:(3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在:(5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。

在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式:1222cos [(sin )(sin )]t T W NM NrN T T W αμμθααα∆=±∆==∆+∆+式中：T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ；N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径；a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。

1．2二维模型:Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。

他建立的二维模型和三维模型如下:111211111**[(1)(sin sin )2(cos cos )]1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i BB i i B i i i i i qRF A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R=式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符号变量，其取值由表1-1给出：1111()()()()[()][()*()()*()()*()arccos[cos()*sin *sin cos *cos ]24()()(1)1Au B s N N b u b p i i i i i i i i s F q l C l q l dlq l q l q l q l q l q b l q l q p l l l R a a a a C l l μμθθγππ----=±=+===-=-+=-+式中u(l) , b(1) , p(1)分别为计算单元井段切线、副法线和主法线方向向量。

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）0210025－010 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。

当系统振动过程可以用非线性微分方程描述时，此时系统的振动称之为非线性振动。

浅谈水力振荡器的原理与应用在斜井钻进中，钻具基于重力影响会自然贴合下井壁，并与井壁产生静摩阻，滑动钻进中则进一步演变为托压现象，常导致工具面摆置困难、机械钻速降低、单趟钻进尺减少等问题;若活动钻具不及时，则有可能引发钻具粘卡事故，严重时可致单井报废。

因此，降低摩阻、减缓托压已然成为安全钻井的重要环节。

摩阻大小由钻柱自重在井眼轨迹法线方向上的分力和静摩擦系数来决定。

在滑动钻进中，技术人员往往通过向泥浆中添加润滑剂或进行短起下（目的为修整井壁）等方式来降低静摩擦系数，从而达到降低摩阻、减缓托压的目的。

由经典物理可知静摩阻大于滑动摩阻，因此，可以通过把静摩阻转化为动摩阻来减缓托压。

标签：摩擦阻力;扭矩;水力振荡器;托压0前言钻井过程中，钻具贴合下井壁会产生摩擦阻力，摩擦阻力贯穿于整个钻井作业中。

其中旋转钻进中摩擦阻力会让钻柱所承受的扭矩是所有工况下的最大值，甚至会出现钻柱强度不够而导致钻具断裂。

而滑动钻进会产生轴向摩阻，一旦轴向摩阻大到完全平衡掉上部钻柱重力在轴向上的分量，钻头便难以得到钻压，钻头无钻压将无法钻进，产生“托压”现象。

这样不但会严重影响了水平井的钻井效率，也容易引起压差卡钻等井下故障。

为此相关研究人员做了多种尝试。

其中优化井眼轨迹、在钻井液中加入润滑剂和使用滚动扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同样的使用水力振荡器，利用机械振动将钻具与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力以降低摩擦阻力，为我们水平钻进提供了一个新思路。

1结构与原理1.1 结构水力振荡器主要由动力部分（定子和转子）、阀轴系统（动阀和定阀等）和振荡短节部分（心轴和碟簧等）等组成。

其中，花键心轴用于传递扭矩，碟簧通过压缩或者拉伸释放能量，产生轴向振动，钻井液驱动转子旋转，在定子末端进行平面往复摆动，定阀与动阀做相对运动，使过流面积发生变化。

1.2 工作原理动力部分将钻井液动能通过转子转换为旋转的机械能，使动阀旋转，并使其工作时产生的流量呈周期性变化（尽可能为正弦波），使压力产生水击现象，水击作用于阀座上产生的温和振荡力通过钻具传递给钻头，形成周期性连续柔和变化的钻压。