钻柱横向非线性振动分析

6.1 非线性系统的举例●在粘性阻尼条件下，系统的运动微分方程为线性二阶常微分方程⏹线性振动理论能表征很多实际问题⏹对于不能用常系数线性微分方程来描述的物理系统，需要讨论非线性微分方程●忽略质量变化，单自由度系统的运动方程的一般形式可以写为⏹带有非线性特征的系统称为非线性系统，其运动称为非线性振动或者非线性响应⏹叠加原理不适用于非线性系统⏹通常，非线性振动不是简谐的，其频率随振幅改变非线性现象的一个重要类型是弹性恢复力与变形不成比例硬化弹簧软化弹簧32014/11/14质量附在长度为的拉直的弦AB 的中部，弦的初始张力用表示。

令质量在弦的横向上离开平衡位置的距离为，弦中产生的弹性恢复力如图(b )所示该系统自由振动方程：对称硬化弹簧的例子2014/11/144由几何关系代入运动方程显然这是一个非线性方程如果认为是小振动，有，因此52014/11/14●单摆，重，长度。

单摆离开竖直位置的夹角为, 单摆关于轴的回复力矩为，绕轴的转动方程为●代入质量的惯性矩, 有●小振幅情况为简谐振动，●振幅较大，对称软化弹簧的例子2014/11/14 6对比两种情况的非线性方程72014/11/14硬化情形分段线性化恢复力2014/11/148软化情形92014/11/14●如果动力荷载使结构或机器部件变形时超出了材料弹性范围，造成的运动称为非弹性响应●一建筑的二维矩形钢框架，受横向力作用于屋顶。

如果柱的弯曲刚度小于梁的弯曲刚度，随着荷载无限增加，在柱的两端会形成所谓的塑性铰。

102014/11/14●对应的载荷-位移曲线●实验表明，最大的正力和最大的负力在数值上是相等的●滞后回线关于原点对称2014/11/1411线性软化弹性卸载反向加载弹性卸载●曲线部分常常用直线代替，用以模拟真实的材料行为●双线性非弹性恢复力2014/11/1412双线性●理想弹塑性恢复力●滞后回线表示的能量耗散在这里被假定通过塑性铰损失掉，结构的其余部分依然保持能量守恒●这种能量耗散机制称为滞后阻尼2014/11/1413刚塑形带有摩擦抗力的单自由度系统及其滞后回线142014/11/14●下图两个问题在数学上是相同的⏹前者是属于刚塑形恢复力的情况，弹性变形与塑形范围相比很小⏹后者是没有弹簧的质量在摩擦力的阻滞下运动⏹除粘性阻尼外，其它类型的耗散机制均导致非线性⏹通常，假定质量、阻尼和刚度特征不随位移、速度和加速度而改变。

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。

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。

反转激发的以拍形式存在的钻柱横向振动韩春杰; 王祥旭; 郭明; 闫铁【期刊名称】《《石油矿场机械》》【年(卷),期】2019(048)006【总页数】6页(P21-26)【关键词】钻柱; 横向振动; 反转; 拍; 最大弯曲挠度; 弯曲应力【作者】韩春杰; 王祥旭; 郭明; 闫铁【作者单位】东北石油大学电子科学学院黑龙江大庆163318【正文语种】中文【中图分类】TE921.2随着油田开发的深入，深层钻井技术成为了钻井领域研究的重中之重[1]。

在井深不断增加的同时，一系列的问题也随之而来，最常见的就是钻柱和钻头失效[2]。

在钻井作业中，钻柱长期浸泡在钻井液中，受力形式多样，从诸多案例来看，钻柱损坏事故发生率较高，造成巨大经济损失[3]。

据不完全统计，中石油下属公司仅在2007年至2008年就发生钻柱失效事件637起。

钻柱作为整个钻井设备的关键部分，承担起下钻头、施加钻压、传输动力等作用。

由实际案例可知，钻柱的振动是造成钻柱失效的主要原因，井下钻柱振动形式分为轴向振动、横向振动和扭转振动[4]。

在钻柱振动研究初期，大部分学者认为轴向振动和扭转振动是造成钻柱失效现象的主要原因[5]。

随着井下勘测技术不断发展，通过试验发现钻具下部的横向振动非常剧烈，因此，可以认为横向振动是造成钻柱失效的主要原因。

钻柱横向振动会引起钻杆接头处的扭断和井底钻具组合与井壁之间的碰撞，从而导致随钻仪器的失效。

在深井的研究中发现，下部钻具组合横向振动明显，但是在向上传递的过程中衰减严重，导致在地面上反映不明显。

本文研究了钻柱在受静态轴向载荷时的横向振动规律，以及由于反转运动激发的横向振动的力学模型，从钻柱所受弯曲应力角度分析了钻柱横向共振现象，说明横向振动是造成钻柱失效的主要原因。

1 反转运动钻柱的反转运动是普遍存在的，当回转体(钻杆)以一定的速度顺时针绕自身轴线转动时，回转体与井壁之间的摩擦力造成该回转体沿井壁逆时针绕井的轴线旋转，这种运动称之为反转运动(也可以称之为反向晃振)[6]。

井下钻柱振动的诊断流程和缓解措施井下钻柱振动的诊断流程和缓解措施摘要：本文探讨了井下钻柱振动的影响因素是钻进参数、井眼井斜、井底钻具组合、井眼尺寸等因素，提出了振动的诊断流程和缓解措施，DDS可以实时监测井下钻柱振动，分析解释不同曲线，采取不同的措施来缓解和避免钻柱振动。

关键词：钻柱振动钻具诊断流程 DDS一、振动的影响因素1.钻进参数优化钻进参数（主要指钻压和转速），使之处于振动安全范围内。

我们都知道，离心力的大小和转速的平方成正比，转速越高，产生在钻头和钻柱上的非平衡力就越大，也就意味着越多的能量产生侧向上的震动。

扭转方向上的振动通常与低转速（更高的摩擦扭矩）有更大的关系。

所以在一个扭转振动占主要因素的环境下，不建议使用低转速。

当转盘转速正好与某个井下钻具固有频率相一致时，会产生共振现象，这种情况也应当避免。

不幸的是，首先是条件限制，有时能够避免井下侧向振动的转速不可能实现。

第二个实时控制振动的方式是改变钻压。

通常改变钻压，相对于钻柱振动来讲，更能影响钻头的振动。

但是有时钻压很高，会导致钻具弯曲，使钻铤和井壁接触，钻柱转动时，又会产生钻具旋转和侧向上的振动。

2.井眼井斜通常来讲，钻进直井时，更容易产生侧向上的振动。

因为在定向井中，钻柱重力总有减少侧向位移的趋势。

这个已经被DDS的数据和已经发表的钻井工业方面的文献所证明。

然而，由于更大的摩擦扭矩，扭转振动（粘/滑）在斜井中更容易产生3.井底钻具组合钻具组合设计在钻井动力学中是一个非常重要的因素。

井下马达的使用可以减少钻具和井壁的相互能量作用，减少钻具旋转和侧向振动的几率。

在传统钻具里，稳定的钻具组合比钟摆钻具产生的振动更少。

在钻进硬地层时尽可能减少钻铤的数目。

这是因为不稳定的钻具组合更能诱发钻铤和钻头的旋转。

同样，在钻进直井时，相对于不满眼扶正器，建议使用满眼扶正器。

要想保护MWD仪器免于破坏性的振动损坏，应该使用满眼扶正器。

如果钻具足够稳定，也能较少钻头振动。

捷联式自动垂直钻井系统底部钻具组合振动分析钻柱振动一直是影响钻井安全的重要原因之一,本文在查阅大量文献的基础上,结合工程实际情况,研究了捷联式自动垂直钻井系统底部钻具组合的振动。

本文借鉴前人钻柱振动方面的研究方法,结合胜利钻井工艺研究院捷联式自动垂直钻井系统现场工程实际底部钻具组合数据,应用ABAQUS有限元工程软件,建立了捷联式自动垂直钻井系统底部钻具组合振动分析模型,即AVDS-BHA模型;并对AVDS-BHA模型进行了模拟现场实际工况的静力分析,得到了钻进中的底部钻具
组合所受稳定载荷不会对钻柱安全构成直接破坏的结论。

AVDS-BHA模型频率模态分析的方法是以静力分析为基础,分析AVDS-BHA模型的自由振动固有频率和受稳定载荷预应力的固有频率;由AVDS-BHA模型自由振动和受稳定载荷条件下的振动固有频率对比,得到稳定载荷对频率模态的影响规律;对比分析还得出了纵向载荷对横向振动固有频率影响大和钻头恒定扭矩对扭转振动影响大的结论,在分析钻进过程中的钻柱振动时,不能忽略这些影响。

本文以受稳定载荷作用条件下的频率模态为基础,提取足够阶次频率模态,分析了钻井参数(转速)和钻具组合结构(稳定器个数)对AVDS-BHA模型的动力响应的影响;并根据动力响应分析结果,提出了相应的减振措施。

本文考虑了钻井液对钻柱的浮力作用,但钻井液动力效应以及钻柱与井壁的相互作用对捷联式自动垂直钻井系统底部钻具组合的振动影响有待进一步研究。