44、减振器位置对钻柱纵向振动影响.docVIP

减振器的位置对钻柱纵向振动的影响 李子丰1 张书瑞2 郭盛堂2 刘卜2 (1 燕山大学，2 大庆石油管理局钻井一公司) 提 要 概述了海拉尔深井钻井面临的钻具破坏问题和解决问题的途径。介绍了位移激励法的钻柱纵向振动的数学模型和力学分析软件。对减振器的安放位置对钻柱纵向振动的影响规律进行了研究。数据表明，减振器的安放位置对钻柱的纵向振动影响很大。在一些条件下，减振器能起到减小钻柱振动的作用；但在另一些条件下，减振器还会增加钻柱的振动。减振器直接接在钻头上减振效果良好。 关键词 钻柱,纵向振动,数学模型,减振器,共振,防振 海拉尔深井钻井面临的钻具破坏问题和解决问题的途径 随着大庆油田的不断开发，寻找新的接替资源已成必然。海拉尔地区是大庆油田外围勘探的重点，并取得了重大突破。 海拉尔地区深井钻井的主要困难是钻具破坏。其主要形式是钻铤断扣和粘扣。尽管在钻具防破坏上加大了科研和生产投入，（1）更换了切扣、修扣钻铤，（2）对于深井钻具组合采取上下倒换、探伤等措施，但发生钻铤断裂事故的次数仍然很多。2005年共发生钻铤断裂事故10次，平均断裂频次为0.4次/口，严重地制约了该区钻井速度和经济效益。2006年海拉尔地区预计钻井21口，平均井深较上年有所增加。如果钻具断裂次数下降，可大大提高该区的钻井速度，同时带来相应的经济效益和社会效益。 减少钻具破坏的主要途径有：（1）提高钻具的强度和抗疲劳性能，主要包括丝扣的设计、加工、表面处理、无损检测、维护和修复；（2）采用振动比较轻的钻进方式，如某些类型的PDC钻头钻进、井下动力钻具钻进等；（3）采用减振工具，如减振器和防涡稳定器；（4）选择合理的转速避开共振区。 钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动。它们相互作用、相互影响,并以纵向振动为主1。本文仅研究钻柱的纵向振动，并主要探讨减振器的位置对钻柱纵向振动的影响。 位移激励法的钻柱纵向振动的数学模型2-4 井底不平,使钻头上下振动是导致钻柱振动的直接原因。取自硬地层的岩心证明了用三牙轮钻头钻进时井底为高低不平的三瓣状。这种三瓣状井底使三牙轮钻头每转一周上下振动三次。多年来对钻柱振动的测定也得了相同结论。激励位移法以钻头位移为定解条件之一。 一、基本假设 (1)钻柱处于线弹性变形状态;(2)钻柱横截面为圆形或圆环形;(3)井筒轴线是垂直向下的;(4)钻柱轴线与井筒轴线重合;(5)略去钻柱的横向和扭转振动;(6)钻井液为牛顿流体;(7)钻井液的动压力为零;(8)略去温度的影响;(9)略去钻柱重力、平均钻压、钻井液浮力、钻柱的匀速运动等静力的影响;(10)仅研究钻柱纵向振动特性。 二、力学模型与坐标系 钻柱纵向振动的同时,起升系统也随着振动,因此,纵向振动系统应该包括井架、钢丝绳、游车、水龙头和钻柱,简图见图1。 在图1ａ中,井架承受着压力,并随着钻柱的振动而振动。为了研究方便,将井架“颠倒”过来,如图1ｂ所示。因为井架是线性弹性体,所以将图1ａ简化为图ｂ只是将井架受力由压力变为拉力。在此振动系统中,井架、钢丝绳、游车和水龙头所起的作用类似于钻柱,因此,将它们各视为一段钻柱,见图1c。简化的纵向振动系统就形成了。 选用柱坐标和局部曲线坐标系,柱坐标系原点Ｏ位于第一段钻柱顶端即井架底部,ｚ为纵坐标,单位矢量为ｋ;局部曲线坐标系原点取在各段钻柱顶端,向下为正,变量为。 钻头钻铤 钻头 钻铤 钻杆 游车和水龙头 钢丝绳 井架 a b c 图1 力学模型 三、微分方程 设在图1ｃ中,共有m段钻柱,对于第i段用局部坐标系, 推导出钻柱纵向振动微分方程2： （1） 式中,分别为第i段钻柱的纵向位移函数、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顶端的距离,为井径,t为时间,为钻井液的动力粘度,为钻柱偏心导致的阻力增加系数。 四、连续条件 (1)式仅给出了段钻柱独立的纵向振动泛定方程,要研究整个钻柱的纵向振动,就必须把它们联系在一起。这个联系条件是两段钻柱连接处钻柱位移和负荷相等,即 (2) 五、初始条件 因为钻柱的振动具有周期性,所以初始条件可表达为 (3) 式中,为钻柱自转一周的时间。 六、边界条件 钻柱纵向振动系统的边界条件有二,一个是地面或钻台的边界条件,另一个是钻头边界条件。 1. 地面边界 第一段钻柱顶端即井架底座固定,因此 (4) 式中,U(t)为钻台位移函数,对于陆地钻机,可设为常数零。 2. 钻头边界条件