井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用

大位移井钻柱振动规律研究引言在油气开采过程中，井下钻井作业是至关重要的环节，而大位移井钻柱振动问题一直是制约井下钻井作业安全和效率的重要因素。

针对大位移井钻柱振动问题的研究具有重要的理论和实际意义。

本文将对大位移井钻柱振动规律进行研究，以期为井下钻井作业的安全和高效进行提供理论支撑。

一、大位移井钻柱振动的影响因素1.1 井下地层条件井下地层的条件会直接影响到钻井作业的振动情况。

不同的地层条件对井下钻井作业的振动表现会有所差异。

1.2 钻井工艺参数钻井工艺参数包括钻头旋转速度、钻压和进给速度等，这些参数的不同组合对于井下钻柱振动会产生不同的影响。

1.3 钻柱结构及材料钻柱的结构和材料也会对井下振动产生一定的影响。

不同的钻柱结构和材料对于振动的影响不同。

1.4 钻井液性质钻井液的性质会对振动产生一定的影响，包括密度、黏度和化学成分等。

1.5 其他因素除了以上因素外，地质构造、井眼形态等因素也会对井下大位移钻柱振动产生影响。

二、大位移井钻柱振动的数学模型2.1 振动的动力学方程大位移井钻柱振动的动力学方程可以用如下的形式表示：m\frac{d^2x}{dt^2} + c\frac{dx}{dt} + kx = F(t)m为钻柱的质量，c为阻尼系数，k为刚度，F(t)为外力。

2.2 大位移井钻柱振动分析通过对动力学方程的分析，可以得到大位移井钻柱振动的一些基本特性，包括振幅、频率和相位等。

这些特性对于理解和控制井下振动具有重要意义。

三、大位移井钻柱振动的实验研究3.1 实验内容针对大位移井钻柱振动问题，可以进行一系列的实验研究。

通过不同的地层条件、钻井工艺参数和钻柱结构等因素的组合，进行井下振动的实验研究。

3.2 实验方法实验方法主要包括现场井下实验和室内模拟实验两种。

现场井下实验可以直接采集井下振动数据，但操作难度大；室内模拟实验可以通过模拟井下条件，对振动进行研究。

四、大位移井钻柱振动的控制方法4.1 控制策略针对大位移井钻柱振动问题，可以采取一系列的控制策略，包括优化钻井工艺参数、改进钻柱结构和材料、调整钻井液性质等。

文章编号:1000-2634(2008)06-0081-04油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析*石晓兵,陈平,熊继有( 油气藏地质及开发工程 国家重点实验室 西南石油大学,四川成都610500)摘 要:针对深井、超深井、高压油气井等钻井作业中安全高效的扩眼问题,研究随钻扩眼钻具组合在井下的实际受力情况,对随钻扩眼钻进钻柱扭转振动进行了三维有限元模拟,提出了研究扩眼器的质量偏心、钻机顶部支撑等因素对扭转振动作用的力学分析模型,并讨论了随钻扩眼钻具组合的扭转振动频率和动力学强度等力学问题。

通过分析提出了在实际施工作业中减少扭转振动带来危害的技术措施,为油气深井高效随钻扩眼的钻井参数的优化和安全钻进提供了理论基础和参考依据。

关键词:油气深井;钻井;随钻扩眼;扭转振动中图分类号:TE245 文献标识码:A DO I:10 3863/j i ssn 1000-2634 2008 06 019引 言随着石油工业的发展,油气勘探面临越来越复杂的地质问题,钻井难度越来越大,特别在深井和超深井中,钻井作业的复杂性、高压油气井的钻井作业等都使安全高效的扩眼作业技术需求不断增长,扩大井眼直径使其超过钻头尺寸可以解决复杂问题,例如盐层蠕变缩径、钻屑沉积、井壁形成虚泥饼。

在深井钻井中要求下多层套管,为了扩大井眼尺寸、降低钻井成本,增加了对更可靠的井下扩眼器的应用需求[1-2]。

随钻扩眼(R W D)是解决复杂深井阻卡、非常规井身结构应用和提高固井质量的有效手段。

目前这项技术掌握在国外技术服务公司手中,只做技术服务,工具研制和钻具组合设计原理没有公开报道过。

近年来国内开始了这类工具的研制与现场试验[3]。

加快国内随钻扩眼技术的发展与应用,进行随钻扩眼钻具组合设计及其受力分析研究,从而为油气深井高效随钻扩眼的钻井参数的优化和安全钻进提供理论基础和参考依据,以适应复杂深井超深井钻井的发展,具有重要的现实意义。

1 随钻扩眼钻柱扭转振动有限元分析钻头的周期性运动导致扭矩成周期性变化,引起周期性的扭转振动。

井下振动测量、分析原理研究摘要：井下振动测量在工程施工中具有重要的意义，其能够对于地下施工作业中的钻头以及钻柱系统的工作状况及时的了解，以便于防止由于振动异常而带来的一系列危害，影响正常的施工进展。

近些年来，对于井下振动测量的研究与开发应用已经有了一定的发展，新的振动测量工具也相继问世，其在新的工具中融入了当前先进的科学技术。

笔者将在下文中对井下振动测量和原理进行研究分析，其主要首先对井下振动测量工具设计进行详细的介绍，然后再以多坐标钻柱系统模型为基础，建立一定的井下振动运动以及振动测量的方程，通过合理的推导和计算，从而从数学和物理模型角度来对井下振动测量理论进行系统化分析，最后对井下异常振动的三种情况进行详细介绍，为我国井下振动测量以及其测量工具的优化创新提供一定的理论依据。

关键词：井下振动；振动测量；异常振动；原理研究前言井下振动现象主要是与钻头以及钻柱系统在进行作业的过程中的多方面因素影响作用有着紧密的联系，如果在井下作业中不能对振动进行及时有效地控制，就会带来一些比较严重的后果，比如影响正常的作业进度，使得作业进度迟滞；另外，井下振动还会对钻头设备带来一定的损坏，加大其磨损程度，同时，过大的振动还可能导致影响作业的井身质量，从而不利于工程的开展实施，增加施工作业的成本。

所以，在井下作业的过程中必须要对井下振动高度重视，全面了解井下作业的钻头、钻柱系统的工作动态，实时的对其工作状况进行监测测量，以便于能够在第一时间发现问题，及时采取措施来对其控制，降低振动所带来的危害。

当然，在现今阶段，我国的井下振动测量工具的开发和国外相比还是存在着比较大的差距，很多工具都得依靠进口，因此，井下振动测量的原理研究是一个比较热门的领域，对于井下振动测量工具开发有着极大的积极作用。

1．井下振动测量工具设计主要是借助井下振动测量工具传感器来完成对井下钻头以及钻柱系统的振动信号的采集，并且对所采集的信号进行加以处理分析。

进提 供 了理 论 基 础 和 参 考依 据 。
关 键 词 ： 气 深 井 ； 井 ； 钻扩 眼 ； 转振 动 油 钻 随 扭
中图 分类 号 ： Ｅ ４ Ｔ ２５
文献标识码 ： Ａ
Ｄ Ｉ １ ．８ ３ｊｉ ｎ １０ ２ ３ ．０８ ０ ． １ Ｏ ： ０ ３６ ／．ｓ ．０ ０— ６ ４ ２０ ．６ ０９ ｓ
引 言
起周期性 的扭转 振动 。钻 柱 的扭 转振 动 主要是 由钻 头 的粘滑 运动造 成 的 ， 即钻头旋转 速度 变化 很大 ， 在
过 随着 石油工业 的发 展 ， 气勘 探 面 临 越来 越 复 某一 瞬时钻头 可 能静 止不 动 ， 一段 时间 后便 以数 油 这 杂的地质 问题 ， 钻井 难度越来 越大 ， 特别 在深 井 和超 倍于平 均转速 的速 度 旋转 ， 样 就 可能 导 致钻 柱 的
摘
要：针对深井、 超深 井、 高压油 气井等钻井作业 中安全高效的扩眼 问题 ， 究随钻 扩眼钻具组合在 井下的实际受 研
力情况， 对随钻扩眼钻进钻柱扭转振动进行 了三维有限元模拟 ， 出了研 究扩眼器的质量偏心、 提 钻机 顶部 支撑 等因素 对扭转振动作用的力学分析模型 ， 并讨论 了随钻扩眼钻具组合的扭转振动频 率和 动力学强度等力学 问题。通过分析 提 出了在 实际施工作业中减 少扭转振动 带来危 害的技 术措施 ， 为油气深 井高效随钻扩 眼的钻井参数 的优 化和安全钻
问题 处理起来 较为方 便 。为了便于 分析 钻头及 钻柱
基金项 目：国家 自然科学基金项 目（０ １０ ３ 。 ９ ６０ １ ）
作者简介： 石晓兵（ ９７一 ， （ １６ ） 男 汉族 ） 重庆酉 阳人 ， ， 副教授 ， 博士 ， 从事石油工程教学与科研工作 。

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。

通过理论分析和实验研究，验证了钻柱系统非 线性振动的存在和特性，为后续的控制方法研 究提供了基础。
针对不同类型和工况的钻证和对 比分析。
研究不足与展望
虽然本文对钻柱系统非线性振动的机理进行了较深 入的研究，但仍存在一些未考虑到的因素和边界条
件，需要进一步拓展和完善。
01
钻柱系统非线性振动的现象和特征
分析钻柱系统非线性振动的现象和特征，如跳跃、混沌等。
02
钻柱系统非线性振动的产生机理
从力学角度分析钻柱系统非线性振动的产生机理，如材料非线性、几
何非线性等。
03
钻柱系统非线性振动的控制方法
根据非线性振动的特性和产生机理，提出相应的控制方法，如改变材
料属性、优化结构设计等。
钻柱系统非线性振动机理分 析及控制方法
2023-11-07
目 录
• 引言 • 钻柱系统动力学模型 • 钻柱系统非线性振动的机理分析 • 钻柱系统非线性振动的控制方法 • 数值模拟与实验验证 • 结论与展望
01
引言
研究背景和意义
钻柱系统在石油、天然气等资源开采中发挥着关键作用，其振动特性对钻井效率 和钻柱的完整性都有重要影响。
发展趋势主要体现在以 下几个方面
考虑到钻柱系统的复杂 性和时变性，研究更加 精确的非线性模型和分 析方法；
结合多学科知识，研究 多种因素（如温度、压 力、转速等）对钻柱系 统非线性振动的影响；
探索有效的控制方法和 技术，以降低非线性振 动对钻井作业的影响， 提高钻井效率和安全性 。
02
钻柱系统动力学模型
基于隔振技术的控制方法
利用隔振技术对钻柱系统的振动进行被动控制，通过隔离外部激励对系统的影响，降低系统的振动响 应。

第３ ９卷第 １ 期
２ ０ １ ７年 １月
能 源 与 环 保
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２ ０ １ ７
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利用钻柱振动频谱判别钻柱复杂情况的方法
李春山;王崇敬;陈添;梁宏伟;孙卫
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(035)005
【摘要】为实现钻井过程中井下钻柱运动状态以及井下复杂情况的实时监测,依据振动测试原理,结合实际钻井工况中钻柱振动特征,研制钻柱振动信号测量及处理系统.现场试验结果表明:钻柱出现黏卡、跳钻等现象后,利用快速傅里叶变换和小波变换处理方法可有效提取和识别钻柱在井下的振动特征；研制的钻柱振动采集系统可以应用于现场钻柱振动信号的采集、处理,其结果可以判断钻柱的井下工作状态.【总页数】5页(P56-60)
【作者】李春山;王崇敬;陈添;梁宏伟;孙卫
【作者单位】西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555;中国石油化工集团公司西南石油局,四川绵阳621000;中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555;中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555;西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069【正文语种】中文
【中图分类】TE258
【相关文献】
1.随钻测井钻柱声波的频谱特性 [J], 车小花;乔文孝;李俊;鞠晓东;王春艳
2.钻柱声波传输信道频谱特性分析 [J], 王斌斌
3.钻柱振动条件下的钻井液冲蚀引起的钻柱失效 [J], 田家林;付传红;杨琳;庞小林;李友;朱永豪
4.利用临界面方法建立钻柱疲劳寿命预测模型 [J], Pla.,JCR;孙铭新
5.钻柱应力波频谱分析技术的应用 [J], 刘志国;郭学增
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钻具振动在现场录井中的应用
钻具振动在现场录井中的应用
中国石油集团测井有限公司青海事业部 2005年7月18日 年 月 日
钻具振动在现场录井中的应用
目 一、前言
录
二、工作原理 三、钻具振动应用 四、存在的问题
钻具振动在现场录井中的应用
一、前言 录井技术从过去单一的资料处理来发现和评价油气层 为目的到目前已发展成为应用多种仪器、计算机、 为目的到目前已发展成为应用多种仪器、计算机、数据采 集系统、网络化、数据处理与评价、 集系统、网络化、数据处理与评价、工程预测与预报为一 体的多方位的石油勘探技术。 体的多方位的石油勘探技术。
10.13 0:06钻 0:06钻 压变大
牙轮晃动
钻具振动在现场录井中的应用
（4）减振器的应用效果 ） 井在1520-1521m ：柴6井在 井在 钻进过程中， 钻进过程中，当钻压不 合适时会加剧钻具轴向 振动； 振动； 但由于使用的是PDC 但由于使用的是 钻头， 钻头，其需要的转速较 快，致使钻具偏离轴线 发生偏转。 发生偏转。偏转的结果 是钻具与井壁发生碰撞 ，产生类似扭振的图谱 。
钻具振动在现场录井中的应用
（3）扭转振动： ）扭转振动： 是指钻具在转动过程中由于所受阻力的变化而发 生的钻柱振动。钻具在井下受某种摩擦阻力影响， 生的钻柱振动。钻具在井下受某种摩擦阻力影响，使 井下钻具转动减慢甚至停止。 井下钻具转动减慢甚至停止。此时地面转盘传送给钻 柱的能量在钻具中逐渐积累， 柱的能量在钻具中逐渐积累，当积累能量产生足够大 的扭矩，能克服井壁摩擦的束缚时发生能量释放， 的扭矩，能克服井壁摩擦的束缚时发生能量释放，使 钻头和钻具高速旋转， 钻头和钻具高速旋转，钻头的旋转速度可能是转盘转 速的3—10倍。 速的 倍

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第３ ５卷 第 ６ 期
石
油
钻
探
技
术
Ｖｏ１ ５， Ｏ ．３ Ｎ ．６
ＮＯ Ｖ．， ００ ２ ７
ＰＥ ＴＲ（ＩＥＵＭ ＤＲＩ Ｉ ＮＧ ＴＥＣＨＮ１ ） Ｉ Ｉ ＱＵＥＳ
．钻 井与 完井 ．
钻 柱 振 动 模 态 分 析 方 法 及 其 应 用
矩阵 ， 它反 映 了轴 向力 对单元 刚度 的影 响 。 钻 柱与井 壁 之间 的摩擦 以及 钻井液 的粘 滞力等 都会对 钻柱 的运 动 产生 影 响 ， 程 上一 般 作 为 比例 工
阻尼来 处理 ， ： 即
＝ ａ ＋ ｂ ＝ Ｍ ＝ Ｋ （ ３）
钻柱 的 固有 频率 及振 动模 态分 析是研 究钻 柱动
速度 。
拉 、 、 、 及液 ／ 等 载简 的作用 ， 压 弯 扭 ， Ｊ 其运 动和 受力 卜 分复杂 。在钻 进过 程 中 ， 柱 的 主要 ＿ 作 方 式 是旋 钻 Ｔ
转钻进 或滑 动钻 进 ， 且 总是 伴 随着 各种 振 动 。钻 并
在单元 局部 坐标 系下 ， 单元 刚度矩 阵为 ：
适 当选取 常数 ａ ｂ的值 ， ， 町以近 似反 映 实 际的
阻尼 情况 。
将 离散 后 的单 元 向结 点 坐 标系 转 化后 ， 经拼 装
可得 钻柱 系统 的动力 学方 程 ：
（） ＋Ｃ（ ） ｔ ＋Ｋ（） ｆ 一Ｒ（ ） ｆ矗 （） ｔ ｄ （） ￡ （） ４
合关 系 ， 建立 了综 合 的钻 柱 动 力 学方 程 和 模 态 分 析 模型 ， 并通过 可视 化 方 法分 析 了钻 柱振 动 的 固有频
力 学 特 性 的 基 础 。 现 有 的 钻 柱 振 动 研 究 方 法 主 要 足

钻头震动信号在材料识别中的应用
钻头震动信号在材料识别中的应用相当广泛。

通过分析钻头震动信号，可以了解钻头与被钻材料的接触情况，进而推断出被钻材料的性质。

这种方法可以被用于钻探、煤层气勘探、金属材料检测等领域。

在钻探中，钻头震动信号分析可以帮助工程师了解井壁状况，判断岩石类型和厚度，提高钻探效率。

在煤层气勘探中，可以通过钻头震动信号来确定煤层的厚度和裂隙情况，以及煤与煤层顶板的接触情况，进而优化钻孔位置和方向。

在金属
材料检测中，可以通过钻头震动信号来检测金属材料的缺陷和裂纹，以及材料的硬度和强度。

钻头震动信号分析的方法主要有两种：一种是基于时域分析的方法，另一种是基于频域分析的方法。

时域分析方法主要是通过测量钻头震动信号的振幅、频率、脉冲宽度、时间间隔等参数，来判断被钻材料的性质。

频域分析方法则是将钻头
震动信号转换为频域信号，通过分析频率成分的变化，来推断被钻材料的性质。

除了钻头震动信号分析外，近年来还出现了一些新的材料识别技术，如红外光谱技术、电磁法探测技术等。

这些新技术在材料识别中也发挥着越来越重要的作用，但是钻头震动信号分析仍然是一种简单、直观、经济的方法，被广泛应用于实际生产和科研中。

深井钻柱振动规律的分析及应用韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉【摘要】钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象,对钻井的影响很大,钻柱共振是钻柱失效的主要原因.文章研究深井钻柱的振动问题,以深井钻柱为研究对象,分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动.首先,建立了深井钻柱各种振动的力学模型,获得了钻柱振动所遵循的物理规律,得到了钻柱的各种共振频率.然后,结合实际对振动规律进行了应用,该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据.【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2005(025)009【总页数】4页(P76-79)【关键词】深井;钻井;纵向振动;钻柱横向振动;扭转振动【作者】韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉【作者单位】大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院【正文语种】中文【中图分类】工业技术-J.• i--~ 天然气工业2005 年 9 月深井钻柱振动规律的分析及应用普韩春杰阎铁毕雪亮陈要辉｛大庆石油学院〉事事春杰等．深井钻柱振动规律的分析及应用．天然气工业， 2005;25(9) , 76～ 79摘要钻位振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。

文章研究深井钻柱的振动问题．以深井＋伊拉为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动．首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型．获得了钻柱振动所遵循的物理规律．得到了钻柱的各种共振频率．然后．结合实际对振动规律进行了应用．该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据．主题词深井钻井纵向振动钻柱横向振动扭转振动随着钻井技术的不断提高．勘探开发是国内外钻井的主要丁．作之一，已取得了很大的经济效益和社会敢益，然而深井钻具疲劳失效问题也比较突出。

钻柱的剧烈振动是引起深井钻具失效的主要原因，因为钻柱在剧烈振动的过程中，钻柱表面的应力集巾，应力较大处可能产生裂纹，裂纹延伸到一定程度时．钻柱会安然发生断裂事故．本文针对深井钻具失敢问题．进行深井钻具组合的钻柱力学分析，找出影响钻柱断裂、疲劳破坏的主要因素，提出减少钻具失效的方法和手段，对于提高深井钻井速度．降低钻井戚本有重要意义。

振动信号测量方法的基础上 ， 研制 了钻柱三轴振动信号 的地面测量装置 ， 并进行 了现场试验 。试验结果表明 ， 通过对 振动
信号 的时域和频域信号 的特征分析 ， 对可 以识别 出钻柱 的非稳定 工作状态 、 钻柱粘卡 、 钻头故 障等异常工 况 ， 并且通 过改
变钻压或转盘转速可 以消除 因钻进参数配合不当二引发的高幅振 动 ， 防止钻具 的早期损坏 。 关键词 ：钻柱振动 ； 加 速度计 ； 振动监测 ； 钻具损坏
ｄ ｏ ｗｎ ｈ ｏ ｌ ｅ ｔ ｏ ｏ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｐ ｒ ｅ ｍａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｃ ｃ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｓ ．Ｈｅ ｒ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ａ ｎ ｄ ａ ｂｒ ｏ ａ ｄ，ａ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｉｎ ｒ ｇ ｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｏ ｎ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｗａ ｓ
用所激发的振动 ， 钻柱与井壁相互碰撞和粘卡 一释放引起的振动等。研究 表明 ， 井下钻柱 的运动状态 、 牙轮钻头 的磨 损状
况和岩石的破碎方 式的不同 ， 会表现 出不 同的振动特征 。因此 ， 在线监测和分析钻柱振动信号的时域和频域特征 ， 实 时识 别井下钻具的工作状态 ， 对预 防钻具 （ 钻柱 和钻 头） 的早期损坏 、 减少钻井事故 的发生 具有重要作用 。在调研 国内外 钻柱

钻具振动信号的采集及应用研究
近年来,钻具早期损坏的现象时有发生,从而造成钻进成本的增加。

研究表明,钻柱振动是钻进时井下普遍存在的现象,钻柱的高幅振动是钻具损坏的主要原因,因此,对钻具振动的研究也日益引起人们的重视。

钻柱振动信号是一种信息含量丰富、成分复杂的振动波,它包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动、钻头与地层相互作用所激发的振动,钻柱与井壁相互碰撞及粘卡-释放引起的振动等。

钻柱振动分为纵向、横向与扭向三种方式。

钻柱振动波的特征与钻具结构、钻具的运动状态及所受载荷特性等动力学特性有关,其信号特征反映了井下钻具的工作状态及岩石特性。

因此,对钻柱振动信号进行实时监测和分析,对于控制钻柱振动,预防钻井事故,判断井下工况,优化钻井以及识别地层岩性等方面有着重要的意义。

本论文研究分析了钻柱振动产生的机理和信号特征,在国内外相关研究的基础上研制了振动测量卡箍,开发了一套针对井下钻柱振动信号的地面采集、传输与监控系统。

利用振动信号的时域、频域处理方法,开发出一套相应的钻柱振动信号分析处理软件并进行了现场试验。

通过试验,得到了不同钻进参数对钻具振动信号的影响,钻柱在发生跳钻、粘卡等井下复杂情况以及钻遇砂岩、页岩、砾岩等岩层时的钻柱振动信号特征。

现场试验表明,不同钻进情况下的钻具振动信号不同,钻进复杂情况对振动信号低频部分影响较大,地层因素对振动信号的高频部分影响较大。

钻具振动信号可以反映钻具工作状况,对钻具振动的研究有利于识别钻具损坏、降低钻进成本。

i
ln
别为第 i 段钻柱的轴向位移函数、 钻柱长度、 波速、 材料 弹性模量、 材料密度、 钻柱半径、 截面积 , l 为第 i段钻柱 任意一点到该段钻柱顶端的距离 , Dw 为井径 , t为时间, 为钻井液的动力粘度, 加系数。 为由钻柱偏心引起的阻力增
1 钻柱纵向振动数学模型
[ 7- 8]
1 1 基本假设 钻柱处于线弹性变形状态; 圆形或圆环形;
其中 : T p 为钻柱自转一周的时间。
型和振动分析软件, 研究了钻柱轴向应力振幅分布曲 线、 钻柱中最大轴向应力幅频曲线的特征 ; 分析了钻井 液粘度、 激励位移、 减振器位置对钻杆中最大轴向应力 振幅的影响 ; 将该振动分析软件用于分析钻具失效原 因和钻柱防共振等方面。
, ci = Ai
。 ui 、 L i、 ai 、 E i、 i、 R oi、 A i分
钻井实测头所钻井底为三脊状波状井底而牙轮在波状井底转12与获取的岩心3均表明三牙轮钻动时引起的低频纵向振动使钻压不能均匀地加在钻头上甚至使钻头跳离井底降低钻进效率引起钻头钻具井下测量仪器甚至井架等地面设备疲劳失效尤其在坚硬岩层发生纵向共振时上述危害尤为严重
振 第 30卷第 6 期
பைடு நூலகம்
动 与
冲
击 V o. l 30 N o. 6 2011
摘
要: 利用钻柱纵向振动数学模型, 分析了钻柱轴向应力振幅分布曲线和钻柱中最大轴向应力幅频曲线的 特征
以及钻井液粘度、 激励位移和减振器位置对钻杆中最大轴向应 力振幅的影 响。分析表明 : 钻柱 中轴向应力 振幅沿纵向 呈 波状分布 , 其最大值在钻柱底部或钻杆中 ; 钻杆中的最大轴 向应力振幅 随转速的变 化曲线呈 凹坑形 , 为了保护 钻柱 , 应 该 选择凹坑中间的转速带 ; 钻杆中的最大轴向应力振幅和钻柱底部的 轴向应力 振幅随转速 的变化趋势 并不完全 一致 , 以后 者作为判断钻柱是否共振和优选转速的指标不够准确 , 而应以前者 作为该指 标 ; 钻 杆中的最大 轴向应力振 幅与激励 位移 大致成正比 ; 钻井液粘度越高 , 钻杆中的最大轴向应力振幅 越小 ; 减 振器位置 可以改变钻 柱纵振系统 的固有频 率 , 从保 护 钻柱角度考虑 , 低转速时 , 减振器应紧靠钻头安装 , 高转速时 , 减振器应与 钻头保持 一定距离 ; 通过优选 钻具组合 和转速 , 防止钻柱共振是预防钻具失效的有效措施。 关键词 : 钻井工程 ; 钻柱 ; 纵向振动 ; 减振器 ; 钻具失效 中图分类号 : O 32; T E2 文献标识码 : A

钻柱振动问题及其理论研究发表时间：2019-05-08T11:17:28.837Z 来源：《防护工程》2019年第2期作者：赵海新[导读] 钻柱是工程实践中利用比较广泛的一种设备，比如自钻井实践中，钻柱具有着普遍性的应用。

广州广电计量检测股份有限公司广东省广州市 510656摘要：在工程实践中，钻柱被广泛的使用，而对其的具体利用做分析发现在工作的时候钻柱会出现振动的情况，这种情况不仅对钻柱的利用效率不利，对其的安全保证也十分不利，所以准确了解钻柱振动问题并对其做相应的研究现实意义显著。

文章对当前工程实践中的钻柱振动问题做具体的分析，总结其表现并对振动的具体原因等做分析，旨在全面的掌握影响钻柱稳定的因素，从而基于因素做钻柱使用的具体控制。

关键词：钻柱；振动问题；理论钻柱是工程实践中利用比较广泛的一种设备，比如自钻井实践中，钻柱具有着普遍性的应用。

对当前的钻柱使用做实践中分析发现钻柱会因为环境问题、设备自身的连接问题以及操作问题出现振动的情况，这种情况一方面影响了具体工程的质量，另一方面会造成安全威胁，所以为了保证工程施工的质量和安全，对钻柱问题进行全面的分析和研究有突出的现实价值。

一、钻柱振动的具体表现在工程实践中，钻柱是普遍利用的一种工具，其对工程的效率和质量有非常显著的影响。

就实际研究来看，所谓的钻柱具体指的是钻头以上，水龙头以下的钢管柱的总称，其主体包括方钻杆，钻铤，各种连接接头及稳定器等井下工具，其是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。

对目前的钻柱做具体的分析，振动是其使用中表现比较突出的一种文体，该问题主要有三种表现形式：第一种为纵向振动，这种振动在钻柱的具体利用中十分的常见，主要表现为钻柱呈纵向的不规则跳动，严重的时候会出现钻柱崩断的情况。

第二种为横向振动，这种振动具体表现为钻柱的横向不规则跳动，严重的时候会出现脱落的情况。

第三种是旋转振动，这种振动比较的复杂，在钻柱振动中的表现相对较少。

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析为了进一步提高地层的钻探速度，在垂直钻探过程中，利用底部柱的振动特性的研究成果和竖井地面振动的垂直能量，实现钻探增压事故，利用特殊类型的井底钻头研制出了减少柱子振幅、增加压力的装置，该装置可以在工作时将滚柱的振动能量转化为钻探液的压力。

通过钻头专用喷嘴对钻井液进行加压，发生超高压射流，降低钻台的垂直振动，增加钻井喷射压力，辅助钻井，岩石破碎，根据一个油井的现场试验结果，该装置在钻井里钻探不仅能极大地提高度，结构牢固，寿命也能满足现场应用要求，效果优秀，利用钻石柱垂直振动对井底的钻井液进行增压出，为了满足深井、深井的安全高效钻探的需求，必须深入研究增压装置。

标签：井下钻柱;减震增压;装置;提速效果一.引言增强一定深度以下地机械钻头速度，对加快深层石油资源的探测开发具有重要意义，如何有效提高机械钻头的速度是需要解决的问题之一。

为此科學家从上世纪30-40年代就开始不断寻求新的钻探方法，进行了许多研究，研究和现场实践表明，超高压喷射辅助钻探技术是提高深层机械钻头速度的有效方法，井底钻柱减压装置是钻柱振动能钻探液转变为水力能，实现井底的超高压喷射助破岩是一种提升钻探速度的工具，该技术开发成功后，已经在国内多个油田中应用了20多个井，大大加深了钻井速度，提高了出油率。

纵向井底钻床柱动力特性研究表明，竖井钻柱的过渡振动严重，为了减少钻柱的振动伤害，传统的方法是在钻探组合中使用机械或液压缓冲机，那么如果能开发能将震动的机器转换为水压能量的装置，不仅可以有效地利用钻柱的振动能量，还可以减少钻柱的振动，同时实现对井底钻井液能量的转换，在井底喷射出岩浆或帮助更好的破坏岩石来提高机械钻头的速度，延长钻头的使用寿命。

基于这种思想，基于这个思路，笔者通过多年的石油钻井经验，研究和分析某特殊型号的井下钻柱减振增压装置，并在笔者所在钻井平台某号井进行了现场试验，实验结果证明，减振提速效果显著。