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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

考虑深井井下动力钻具影响的钻柱粘滑振动规律

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天然气工业 2024年第6期44卷 87-97页

作者：石祥超焦烨刘景涛王兆巍陈帅油气藏地质及开发工程全国重点实验室•西南石油大学中国石化西北油田分公司

油气勘探开发统计数据显示,深井钻井过程中粘滑振动频发,占钻进时长的50%以上,严重影响了钻井井下安全,延长了钻井周期,增加了钻井成本。由于深井钻柱结构较为复杂,井下动力钻具应用普遍,但动力钻具对井底钻头粘滑振动的影响规律缺乏深... 详细信息

油气勘探开发统计数据显示,深井钻井过程中粘滑振动频发,占钻进时长的50%以上,严重影响了钻井井下安全,延长了钻井周期,增加了钻井成本。由于深井钻柱结构较为复杂,井下动力钻具应用普遍,但动力钻具对井底钻头粘滑振动的影响规律缺乏深入研究,目前尚未有学者提出深井动力钻具下的钻柱全尺寸动力学模型。为此,基于弹簧集中质量原理,建立了包含井下动力钻具的粘滑振动仿真模型和螺杆钻具输出参数的计算模型,研究了螺杆钻具、扭力冲击器及两种工具复合使用对钻头粘滑振动的影响,并基于模型分析了现场实钻案例。研究结果表明:(1)使用螺杆钻具复合钻进时,转盘转速与螺杆转速对粘滑振动影响较大,复合转速越大,越有利于消除粘滑振动;(2)钻压和钻头尺寸越大,需要消除粘滑振动的转速就越大;(3)在保证水力参数的情况下,螺杆输出较高的扭矩和转速,能够有效地抑制钻头粘滑;(4)扭力冲击器和螺杆钻具复合使用情况下,当螺杆钻具的输出参数不足以抑制粘滑振动时,提高扭力冲击器的冲击扭矩和冲击频率,可降低螺杆钻具的临界转速,抑制井底粘滑振动。结论认为,该动力学模型可以为深井合理使用动力钻具、避免粘滑振动和提高机械钻速提供有效的技术支撑,该理论新认识在指导钻井现场钻进,提高钻井效率和降低钻井成本等方面具有重要的现实意义。

关键词：深井钻柱振动粘滑振动动力学井下动力钻具顺北区块螺杆钻具扭力冲击器

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钻柱振动固有频率和动态响应的有限元分析

钻柱振动固有频率和动态响应的有限元分析

作者： Wassef Ahmed Mohammed Agila 河北工业大学

学位级别：硕士

钻井工程的进行总是伴随着高风险、高成本的问题。据报道,钻柱的不必要振动是钻井人员在现场面临的主要挑战之一。它会导致整体设备故障,导致井筒不稳定,并可能增加成本。预测这种行为仍然是避免在复杂条件下工作的最有效的选择。钻柱... 详细信息

钻井工程的进行总是伴随着高风险、高成本的问题。据报道,钻柱的不必要振动是钻井人员在现场面临的主要挑战之一。它会导致整体设备故障,导致井筒不稳定,并可能增加成本。预测这种行为仍然是避免在复杂条件下工作的最有效的选择。钻柱振动可分为三种主要类型:横向、轴向和扭转振动。它们的极端情况分别是涡动、跳钻和粘滑。了解这些复杂行为对开发过程的影响,有助于确定其根源并对其进行分析,从而相应地设计适当的减振策略。在本研究中,对带底部钻具组合(BHA)的钻柱进行了有限元分析,以研究钻柱长度、钻头重量、转速和钻井液等参数因素影响下的固有频率和内部共振条件。从流体的物理性质(如流体密度、压力和速度)的角度,讨论了钻柱在真实状态和流固耦合作用下的动态响应,并给出了以下结果。首先,基于连续系统建立了带BHA钻柱的有限元模型。对钻柱的轴向和扭转耦合振动进行了有限元分析,得到了钻柱固有频率的变化以及轴向和扭转模态之间的内共振特征。其次,对所得的数值结果进行了分析,得出了轴向和扭转固有频率之间存在1:1内共振的条件。此外,还研究了一些操作参数对钻柱固有频率、内共振和动态响应特性的影响。结果表明,随着钻柱长度的增加会导致钻柱的固有频率降低,并且轴向的降低率比扭转方向的更明显。当轴向模态的固有频率接近扭转模态时,钻柱内部共振开始发生。只有当钻柱长度足够大时,才会出现1:1内共振的情况。此外导致频率降低是由钻压和钻井液的质量效应引起的。从不同钻压载荷引起的旋转钻柱的动态响应可以看出,在一定程度上增加钻压的大小,会使系统发生破坏。当钻头上的负载较大时,容易产生粘滑、跳钻和偏斜现象。再次,基于流固耦合作用(FSI)方法对流体与钻柱的相互作用进行了模拟,模拟结果表明:增加流体会降低钻柱的固有频率。当轴向频率和扭转频率接近,且钻柱长度足够大时,才会产生1:1的内共振传导。但当加入流体时,由于流体质量的增加,轴向上的固有频率降低较多,这会导致在较小长度的钻柱上也能产生1:1内共振传导。基于该模拟的流体参数分析,发现流体密度的增加导致横向模态的固有频率略有增加,而轴向模态的固有频率略有降低。同时,这种效应在扭转模式下是不可见的。流体速度对钻柱固有频率的影响比流体压力的影响更为显著,所以压力效应可以忽略。最后,这项研究提供了一个有效的策略来研究钻柱的固有频率,并有助于确定一种先进的减控制策略来避免有害振动,从而使钻井系统达到稳定的状态。

关键词：钻柱振动轴向扭转振动 1:1内共振有限元法模型分析动态响应

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基于柔性冲击提速减振装置的研制与分析

机械设计与研究 2024年第2期40卷 90-94,101页

作者：魏娟常嘉乾于洋李杰余松西安科技大学机械工程学院西安710054

针对石油钻探过程中因粘滞-滑动现象所导致的机械钻速低、钻头振动严重等技术难题,设计了一种行星轮+扭簧结构的井下提速减振装置。利用钻进遇阻时输入轴及上部钻柱系统的惯性力矩,给予钻头柔性大扭矩冲击,确保在遭遇硬质点钻进连续性... 详细信息

针对石油钻探过程中因粘滞-滑动现象所导致的机械钻速低、钻头振动严重等技术难题,设计了一种行星轮+扭簧结构的井下提速减振装置。利用钻进遇阻时输入轴及上部钻柱系统的惯性力矩,给予钻头柔性大扭矩冲击,确保在遭遇硬质点钻进连续性的同时,抵消钻头遇阻波动引起的钻柱振动。通过对遇阻瞬间行星轮的动力学分析,得出装置取不同结构参数对其输出扭矩的影响。运用ABAQUS动力学仿真模块对装置使用有效性进行验证,仿真结果表明装置的使用可以有效缓解钻头的扭转及轴向振动,增加钻头的实际工作时间。样机现场实验结果表明,装置工作原理可行,提速效果明显,使用装置时钻进速度提升近1.5倍,且井口返回岩屑呈现均匀的较大多棱角状颗粒,钻头切削过程处于稳定深层切削的良好工况。

关键词：粘滞-滑动现象提速减振装置钻柱振动动力学分析有限元仿真

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万米深井钻柱减振增能提速方法研究

石油钻探技术 2024年第2期52卷 100-107页

作者：纪国栋陈畅畅郭建华夏连彬刘永旺孙钰淇中国石油集团工程技术研究院有限公司北京102206 中国石油西南油气田分公司四川成都610017 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580

万米深井超深超长井段钻进过程中存在钻柱振动剧烈、能量传递困难、破岩效率低、钻头使用寿命短等问题,亟需开展万米深井钻柱减振与井底增能技术研究。根据超深层钻井环境的主要特征,结合近年来钻柱动力学研究结果,提出了以钻井过程中... 详细信息

万米深井超深超长井段钻进过程中存在钻柱振动剧烈、能量传递困难、破岩效率低、钻头使用寿命短等问题,亟需开展万米深井钻柱减振与井底增能技术研究。根据超深层钻井环境的主要特征,结合近年来钻柱动力学研究结果,提出了以钻井过程中钻柱振动为能量来源提高井底钻井液射流压力的方法,在减小钻柱振动保护钻头的同时,提高钻头射流压力,实现井下增能破岩,解决井下振动强度大、井底水力能量不足的问题;并研制了井底钻柱减振增能装置,进行了现场试验。研究和试验结果表明:钻柱振动蕴含巨大的能量,该能量可以转化为破岩提速能量;设计的井底钻柱减振增能装置,可以提高钻井液射流压力,同时可以降低钻柱振动导致的安全风险,从而显著提高钻井速度。研究成果为万米深井减振提速技术开拓了新方向,为加快深部油气资源的勘探与开发提供了技术支持。

关键词：万米深井钻柱振动井下增能高压射流机械钻速

超深井工程理论与技术若干研究进展及发展建议

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石油钻探技术 2024年第2期52卷 1-11,F0003页

作者：高德利黄文君石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京)) 北京102249

超深井工程受到高温高压、复杂地层、超长井眼和腐蚀介质等多重因素约束,其安全高效作业面临全方位的技术挑战。为此,针对超深井工程的安全高效设计控制问题,介绍了该工程的发展概况与技术特点;选取井眼轨迹预测与防斜打快、钻柱振动特... 详细信息

超深井工程受到高温高压、复杂地层、超长井眼和腐蚀介质等多重因素约束,其安全高效作业面临全方位的技术挑战。为此,针对超深井工程的安全高效设计控制问题,介绍了该工程的发展概况与技术特点;选取井眼轨迹预测与防斜打快、钻柱振动特性分析与减振控制、钻井延伸极限预测与设计控制,以及套管失效风险评估与安全控制等几个重要理论与技术问题,介绍了国内外的相关研究进展及笔者团队的最新研究成果;然后,针对超深井工程提出了若干创新发展建议。研究结果表明,超深井工程理论与技术的发展整体呈现出体系化、科学化、多学科交叉、地质与工程一体化等基本特点。建议在基础理论问题、关键核心技术、技术协同关系、技术迭代模式和多学科交叉融合等方面加强创新研究,以持续推进超深井工程基础理论与关键技术创新发展。

关键词：超深井工程钻井完井防斜打快钻柱振动钻井延伸极限套管失效

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 2023年

作者：陈益丽柳军梁爽西南石油大学机电工程学院成都大学机械工程学院

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... 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(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。

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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深井钻柱振动力学规律的分析

深井钻柱振动力学规律的分析

作者：袁建东北石油大学

学位级别：硕士

自21世纪以来,我国对深层油气资源的勘探和开发越来越深入,深层油气已成我国油气资源战略的重要方向。但是,由于深井钻井规模不断扩大,钻柱故障发生次数也相应增加,导致钻井成本迅速提高。并且在深井钻井过程中,钻柱经常产生振动,严重... 详细信息

自21世纪以来,我国对深层油气资源的勘探和开发越来越深入,深层油气已成我国油气资源战略的重要方向。但是,由于深井钻井规模不断扩大,钻柱故障发生次数也相应增加,导致钻井成本迅速提高。并且在深井钻井过程中,钻柱经常产生振动,严重破坏钻具,降低钻井效率,增加钻井成本。因此,有必要对深井钻柱动力学特性展开研究。并进行了以下研究:第一,文中以轴向应力为基础建立深井正常工作下钻柱的强度条件,并据此推出钻柱工作深度极限的理论计算公式。对其他制约钻柱使用深度极限的影响因子展开研究探讨。验证城探1井的钻具组合的安全性,为后面对城探1井进行钻柱力学分析做基础。第二,建立深井钻柱振动力学模型,运用线性微元法对其纵向、横向、扭转振动进行理论分析,得到钻柱振动固有频率公式。并分析深井钻柱的涡动、粘滑振动现象,对钻柱涡动进行运动学分析。基于钻柱滑动摩阻与滚动摩阻推导钻柱涡动能量损耗方程,计算分析各参数对钻柱涡动时能量损耗的影响。然后利用摆线方程建立钻柱涡动轨迹的理论方程,同时通过MATLAB拟合钻柱的涡动轨迹。建立钻柱系统的粘滑振动模型,推导钻头粘滑振动运动方程,分析各参数对粘滑振动的影响。并通过绘制钻头相对于转盘运动相轨迹,研究钻柱系统的粘滑状态。第三,利用ANSYS有限元分析软件,针对城探1井的深井钻柱系统构建有限元模型。以该模型对深井钻柱进行静力分析,研究钻柱钻压和转盘扭矩对钻柱等效应力的影响,得出钻柱等效应力分布规律。针对深井钻柱进行模态分析,以获取纵向、横向、扭转方向上的振动固有频率分布规律,并研究深井钻柱振动固有频率与不同钻进参数的关系。之后对深井钻柱纵向振动和扭转振动进行谐响应分析,通过对钻柱在特定频率下的振动响应进行模拟和分析,得到深井钻柱在不同深度的频率-位移的频谱曲线。并通过曲线了解钻柱在不同频率下的振动特性,以便为钻井过程中的振动控制和优化提供更准确的数据指导。

关键词：极限预测钻柱振动固有频率模态分析谐响应分析

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钻柱振动信号在线监测及应用

振动与冲击 2013年第1期32卷 60-64页

作者：刘瑞文管志川李春山中国石油大学石油工程学院山东青岛266555

钻柱振动信号是一种非常复杂的振动波,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和粘卡-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... 详细信息

钻柱振动信号是一种非常复杂的振动波,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和粘卡-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