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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

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机械工程学报 2024年第5期60卷 183-195页

作者：陈益丽柳军梁爽西南石油大学机电工程学院成都610500 成都大学机械工程学院成都610106

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... 详细信息

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(τ_(Hy)=7,k=5),及较小的幂律指数(n=0.2)可更好地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(τ_(Hy)=7,k=5),幂律指数n=0.8可更好地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。

关键词：转盘钻井钻柱振动耦合振动钻井液流变性粘滑振动

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钻柱粘滑振动仿真和控制策略研究

石油矿场机械 2022年第3期51卷 1-7页

作者：陈午阳刘曙光胡小雄黄山学院机电工程学院安徽黄山245800 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315211 星宇电子(宁波)有限公司浙江宁波315514

在深井和超深井钻探过程中存在钻柱粘滑振动,不仅造成机械钻速降低,驱动能量浪费,而且会加速钻具的老化和失效,严重威胁钻井安全。以钻柱旋转系统为研究对象,建立转盘、BHA(Bottom-Hole Assembly)和钻头的二自由度钻柱系统扭转模型。该... 详细信息

在深井和超深井钻探过程中存在钻柱粘滑振动,不仅造成机械钻速降低,驱动能量浪费,而且会加速钻具的老化和失效,严重威胁钻井安全。以钻柱旋转系统为研究对象,建立转盘、BHA(Bottom-Hole Assembly)和钻头的二自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转刚度、粘滞阻尼和岩石钻头相互作用等高度非线性摩擦。通过MATLAB/Simulink仿真模块对该模型进行仿真试验,分析了实际钻井过程中钻柱产生的粘滑振动特性。为抑制钻柱的粘滑振动,设计1套基于PID控制策略的双闭环控制系统。该研究结论对工程实践中钻柱粘滑振动的抑制具有重要意义。

关键词：钻柱系统粘滑振动双闭环 PID

基于Stribeck模型的摩擦界面粘滑振动数值仿真分析

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科技创新与应用 2022年第23期12卷 1-8页

作者：陈超山谢国进卢敏黄斌柳州职业技术学院机电工程学院广西柳州545000 广西科技大学机械与汽车工程学院广西柳州545000 广西柳州钢铁集团公司质量部广西柳州545006

针对机械装备摩擦系统中普遍存在的粘滑振动现象,建立考虑界面接触行为的4自由度摩擦自激振动模型,讨论Stribeck摩擦模型、界面接触行为和外部输入对摩擦系统粘滑振动的影响。结果表明,Stribeck摩擦模型的静摩擦系数及衰减系数能够影响... 详细信息

针对机械装备摩擦系统中普遍存在的粘滑振动现象,建立考虑界面接触行为的4自由度摩擦自激振动模型,讨论Stribeck摩擦模型、界面接触行为和外部输入对摩擦系统粘滑振动的影响。结果表明,Stribeck摩擦模型的静摩擦系数及衰减系数能够影响摩擦系统粘滑振动的强度及运动相图空间的大小,但二者对摩擦系统的频域特性未产生明显影响;摩擦系统的粘滑振动随着接触刚度先增大后减小,运动相图逐渐趋于单周期运动,且接触刚度的变化改变了摩擦系统的频域特性;压力及滑动速度作为外部载荷,二者能够影响摩擦系统的粘滑振动强度、运动相图空间以及频域特性。

关键词：摩擦自激振动粘滑振动 Stribeck摩擦模型数值分析有限元仿真

伊拉克B9区块大井眼钻柱粘滑振动分析及控制技术

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西部探矿工程 2023年第10期35卷 61-64页

作者：胡清富司小东李增乐林辉中国石油天然气集团有限公司大庆钻探工程公司国际事业部黑龙江大庆163411 中国石油天然气集团有限公司大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院黑龙江大庆163413

伊拉克B9区块17-1/2″和12-1/4″井段地层灰岩、泥质灰岩、白云岩、硬石膏、页岩等相互交错,均质性差,夹层多,局部存在燧石,可钻性差。在前期施工的4口井中共发生了8起钻具失效事故,严重影响了钻井速度和经济效益。为了解决此区块井下... 详细信息

伊拉克B9区块17-1/2″和12-1/4″井段地层灰岩、泥质灰岩、白云岩、硬石膏、页岩等相互交错,均质性差,夹层多,局部存在燧石,可钻性差。在前期施工的4口井中共发生了8起钻具失效事故,严重影响了钻井速度和经济效益。为了解决此区块井下钻具和工具频繁发生失效的难题,分析了此区块钻具产生早期失效的原因主要跟钻具在井下的粘滑振动有关。介绍了利用录井数据快速判断井下粘滑震动的方法,通过使用顶驱软扭矩系统、优化钻井参数、优化钻具组合、改进钻头设计等技术措施,最小化钻柱的粘滑振动,避免了钻头先期破坏和钻具失效事故的发生,达到提高钻井速度的目的,为其它区块类似情况提供成功的借鉴方案。

关键词：钻具失效粘滑振动钻井速度非生产时间

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井下钻柱粘滑振动的识别及控制

西部探矿工程 2022年第12期34卷 56-58页

作者：赵洪山中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院山东东营257000

粘滑振动是导致PDC钻头切削齿损坏和井下工具过早失效的主要原因之一,严重影响了钻井效率和钻井周期。首先介绍了哈里伯顿公司研发的智能PDC钻头结构特点及关键参数,通过采集现场实钻的钻头振动、转速等数据,可为井下钻柱的粘滑振动分... 详细信息

粘滑振动是导致PDC钻头切削齿损坏和井下工具过早失效的主要原因之一,严重影响了钻井效率和钻井周期。首先介绍了哈里伯顿公司研发的智能PDC钻头结构特点及关键参数,通过采集现场实钻的钻头振动、转速等数据,可为井下钻柱的粘滑振动分析提供有效的测量手段。通过分析钻头攻击性与钻头扭矩和钻进效率DE的关系,得出DE值越大则钻头攻击性越强,能够有效抑制钻头粘滑振动。PDC钻头切削结构设计应在有限的切削深度内尽可能增强攻击性,即DE值大于临界值,从而为揭示井下钻柱粘滑振动成因、类型及控制方法提供了有意义的指导。

关键词：智能PDC钻头粘滑振动 PDC钻进效率钻头攻击性钻头设计

基于优化XGBoost的近钻头粘滑振动等级评估方法

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系统仿真学报 2021年第11期33卷 2704-2710页

作者：唐翰文张涛李玉梅李雷张京华胡冬良北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室北京100101 中国石油天然气集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院四川德阳618300 渤海钻探工程有限公司工程技术研究院天津300457 渤海钻探工程公司定向井分公司天津300000

粘滑振动是影响钻井速度、安全以及成本的重要限制因素,建立一套可靠的粘滑振动分级模型对于石油钻井的决策至关重要。提出一种基于贝叶斯优化和极端梯度提升eXtremeGradient Boosting(XGBoost)的新方法来评估近钻头处粘滑振动的严重程... 详细信息

粘滑振动是影响钻井速度、安全以及成本的重要限制因素,建立一套可靠的粘滑振动分级模型对于石油钻井的决策至关重要。提出一种基于贝叶斯优化和极端梯度提升eXtremeGradient Boosting(XGBoost)的新方法来评估近钻头处粘滑振动的严重程度。对近钻头粘滑振动数据进行分级处理;通过时域和频域分析,提取原始数据主要特征向量;建立基于XGBoost的粘滑振动等级识别分类模型,引用贝叶斯算法对XGBoost超参数调优;基于准确率、召回率、F1评分等模型评价指标,利用测试集分别将优化XGBoost模型与分类回归树模型和随机森林模型进行对比。研究结果表明:该方法能有效评估近钻头粘滑振动等级,具有较高的识别精度。

关键词：粘滑振动 XGBoost 贝叶斯优化风险评估近钻头

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超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析

石油钻探技术 2017年第2期45卷 32-39页

作者：滕学清狄勤丰李宁陈锋周波王敏中国石油塔里木油田分公司新疆库尔勒841000 上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072 上海大学机电工程与自动化学院上海200072

粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论。采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征... 详细信息

粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论。采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征。结果表明:实测井段发生了大量的粘滑振动,粘滑振动频率约为0.11Hz,粘滑振动周期约为9.0s,粘滞时长达4.0s,滑脱阶段井下钻柱转速最大达330.0r/min,约为地面转速的2.75倍;粘滑振动与地面测量扭矩波动具有很好的对应关系,说明可以通过地面测量扭矩特征初步判断井下钻柱是否产生粘滑振动。频域分析结果表明,当发生滑脱运动时,径向加速度的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值最大,同时还包含横向共振频率和与井壁接触产生的外激励频率等,但轴向振动的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值较小,表明钻柱粘滑振动过程中扭转振动最为突出,并存在强烈的横向振动和较弱的轴向振动。研究结果对描述粘滑振动的特征、判断超深井钻井过程是否发生粘滑振动和及时采取消除粘滑振动技术措施具有指导作用。

关键词：超深井钻柱粘滑振动加速度扭矩频率

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旋转摩擦诱发粘滑振动特性分析

噪声与振动控制 2005年第5期25卷 10-12页

作者：周银锋马建敏王忠民西安理工大学工程力学系西安710048 复旦大学力学与工程科学系上海200433

把旋转体和与弹性梁固结的质量块作为一对摩擦副,研究了旋转摩擦诱发质量块的粘滑运动规律。理论分析和仿真结果表明,旋转摩擦诱发质量块的运动是周期性的非常规振动,其运动过程为质量块先随旋转体一起粘滞运动,然后沿粘滞运动方向滑... 详细信息

把旋转体和与弹性梁固结的质量块作为一对摩擦副,研究了旋转摩擦诱发质量块的粘滑运动规律。理论分析和仿真结果表明,旋转摩擦诱发质量块的运动是周期性的非常规振动,其运动过程为质量块先随旋转体一起粘滞运动,然后沿粘滞运动方向滑动,再沿相反方向滑动,无论在粘滞期还是在滑动期,质量块都在运动。这一运动重复进行,直到质量块脱离旋转体或旋转体停止转动为止。

关键词：振动与波旋转摩擦旋转体粘滑振动

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车辆轮对的粘滑振动分析

西南交通大学学报 1999年第3期34卷 274-278页

作者：张立民西南交通大学牵引动力国家实验室

对两接触物体的粘滑振动进行了详尽的分析，给出了粘滑振动发生的条件。分析了驱动速度对粘滑振幅的影响，应用数值方法对三种不同摩擦模型进行了分析计算，结果表明粘滑振幅与驱动速度近似成线性关系。最后从蠕滑力出发对轮对可能产生... 详细信息

对两接触物体的粘滑振动进行了详尽的分析，给出了粘滑振动发生的条件。分析了驱动速度对粘滑振幅的影响，应用数值方法对三种不同摩擦模型进行了分析计算，结果表明粘滑振幅与驱动速度近似成线性关系。最后从蠕滑力出发对轮对可能产生的扭转粘滑振动进行了分析，指出了左右轮轨摩擦不均及曲线通过时内轨先产生粘滑振动的原因。

关键词：车辆轮对粘滑振动铁路