钻井液流变性对转盘钻井钻柱耦合振动抑制的参数影响研究

作     者：陈益丽 柳军 梁爽 

作者机构：西南石油大学机电工程学院 成都大学机械工程学院 

出 版 物：《机械工程学报》 (Journal of Mechanical Engineering)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金(51875489) 四川省科技计划项目(2022YFQ0034)资助项目 

主　　题：转盘钻井 钻柱振动 耦合振动 钻井液流变性 粘滑振动 

摘      要：当钻头钻进时，环空内的钻井液因混合大量岩屑会表现出较强的非牛顿流变性，对钻柱振动行为产生较大影响。采用Hamilton变分原理建立了转盘钻井钻柱纵-横-扭耦合(Axial-lateral-torsional coupling, ALTC)非线性动力学模型，模型充分考虑了钻柱结构阻尼、钻井液非牛顿流变阻尼、钻头-岩石互作用及钻柱-井壁接触等因素的影响。提出一种瑞利阻尼矩阵计算方法，采用纵、横、扭、纵-横、横-扭、纵-扭阻尼矩阵联合求得纵-横-扭耦合阻尼矩阵，实现了在钻柱ALTC振动阻尼中考虑钻井液的影响。采用有限元法结合Newmark-β法实现了系统非线性振动模型的离散及求解，并借助现场实测数据验证了模型的有效性。利用模型探究了钻井液流变参数对钻柱ALTC振动响应的影响机理，结果表明：较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τHy=7, k=5)，及较小的幂律指数(n=0.2)可更好抑制钻柱系统纵向振动，降低跳钻风险；较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τHy=7, k=5)，幂律指数n=0.8可更好抑制钻柱系统横向振动，保持井眼直径；较大的稠度系数和幂律指数(k=5, n≥0.8)可更好抑制钻柱系统粘滑振动，提高机械钻速。研究结果可为优化钻柱及钻井液参数，降低钻柱有害振动，提高钻井效率提供理论支撑。