水平旋转钻柱横向振动特性试验
考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析
考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析
高成;梅熠轩;刘旭辉;孙巧雷;施雷;冯定
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2024(24)3
【摘要】为精确描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液黏性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效黏性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。
结果表明:在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。
本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的应用提供理论指导。
【总页数】7页(P1007-1013)
【作者】高成;梅熠轩;刘旭辉;孙巧雷;施雷;冯定
【作者单位】长江大学机械工程学院;湖北省油气钻完井工具工程中心
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.钻柱内外沿轴向流动的钻井液对钻柱横向振动的影响
2.随钻钻柱振动声波技术在塔里木超深井和水平井中的应用实例分析
3.气体钻水平井的钻柱振动分析
4.基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱-井壁接触仿真分析水平井钻柱-井壁接触仿真分析
5.钻进深度对煤矿水平井钻柱振动特性的影响
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潜孔锤钻柱振动特性分析
潜孔锤钻柱振动特性分析近年来,随着岩土钻凿工程的快速发展,凿岩冲击问题引起了大量学者的关注。
潜孔锤钻进以其自身的优势在钻探行业的地位越来越高,因此对潜孔锤钻进系统的研究非常必要。
针对潜孔锤钻的研究,由于其受力较为复杂,振动形式多变,有很大的难度。
本文以潜孔锤钻柱为研究对象,针对在工程中较为常见、危害较大的纵向、横向、扭转和耦合振动,基于区域分解法分别建立振动方程,并分析了其振动规律。
具体研究内容如下:一、以潜孔锤钻柱纵向振动为例,通过施加正弦半波、方波、三角波三种形式的冲击力,分析了不同特征的周期脉冲冲击力对潜孔锤凿岩系统振动响应的影响。
结果显示当冲量相等时,不同特征的周期冲击力对钻柱的稳态振动响应的影响可以忽略。
二、采用基于广义变分原理的区域分解法,分别建立了潜孔锤单自纵向振动、横向振动和扭转振动的能量泛函,推导得到钻柱动力学方程,并利用Matlab编程求解。
在此基础上,分析了分区数目、多项式位移截取阶数等区域分解法参数和钻柱长度、局部变截面对钻柱模态频率的影响。
结果显示分区数目和截取阶数提高,可以获得更高阶次的模态频率精确解,但是计算时间会明显增加,因此需选择合适的参数。
钻柱模态频率随钻柱长度的增加降低,而受钻柱局部截面变化的影响较小。
三、采用区域分解法,建立了潜孔锤钻柱耦合振动的能量泛函,进一步得到钻柱动力学方程并进行求解。
研究了长度、壁厚对潜孔锤钻柱模态频率的影响和载荷的形式、求解方法和结构阻尼对钻柱模态分析的影响。
结果显示随着钻柱厚度的增大,钻柱模态频率增加,其对低阶模态影响更为显著。
结构阻尼会明显影响钻柱高阶的模态频率。
通过上述的研究,进一步了解潜孔锤钻进过程中钻柱的振动规律,对潜孔锤和其他形式钻进的工程实际和钻柱系统的设计优化有很大的参考价值。
而区域分解法在潜孔锤钻柱系统振动研究中的成功运用,也为钻柱动力学的研究提供了一种新的思路和方法。
水平定向钻机钻杆振动特性研究
水平定向钻机钻杆振动特性研究
作为水平定向钻进施工中最主要的耗材,钻杆通常要在多种力学性能完全不
同的土层中旋转钻进,承受拉、压、弯、扭力以及振动、冲击等载荷。
这使得每
一段钻杆都处于极端的机械应力状态,钻杆容易出现疲劳断裂给施工方造成巨大
损失,而振动是钻杆产生疲劳断裂的主要原因。
本文应用有限元分析软件ANSYS,对钻杆的振动特性进行研究,主要的工作
内容和结论为：1)建立受力最恶劣的造斜段钻杆的有限元模型并进行静力分析,得到了钻杆应力的分布规律及造斜段曲率半径等因素对钻杆应力状态的影响规
律,发现钻杆接头与土壤接触部分是应力集中区域,增大造斜段曲率半径可以减
小钻杆的最大应力值；2)对钻孔中钻杆的横向振动、纵向振动和扭转振动分别进行分析,得到了钻杆不同形式振动的固有频率以及造斜段曲率半径、水平段长度、钻杆规格及推拉力等参数对钻杆振动特性的影响规律,发现水平段长度的增大和推拉力的提高会降低钻杆横向振动、纵向振动和扭转振动的固有频率,增大造斜段曲率半径会降低钻杆横向振动的固有频率而增大钻杆规格会提高钻杆的横向
振动固有频率；3)结合工程算例分析了钻杆振动特性在工程中的应用,发现增大造斜段曲率半径或者增大钻杆规格均可以避免钻杆产生横向共振,对钻杆振动特性的研究结果对工程施工转速优选和钻孔轨迹设计具有一定的指导意义；4)设计实验测量悬臂钢管的固有频率并与仿真计算结果进行对比,验证了钻杆振动分析模型的正确性。
水平井侧钻过程中钻柱振动规律的研究
（ ９ ）
ｙ ， ：Ａｎ Ｂｓ ）Ｃｎ ） （ｔ ［ｉ詈） ｃ（ ＋ｓ （ ＋ ｘ） ｓ（ ＋ ｏ ｉ ｈ Ｄｓ ）ｉ∞＋） ｃｈ 】 （ ｏ（ ｓ ｎ
件 确 定 的常数 。
１ ３ 钻柱 的扭 转 自然 振动 的基 本 方程 ．
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一， ＝ ｏ 喀 。
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＇ －＇ ＇ ＝ 。 （ １＇… ｎ ２ 警 ３
１ 钻柱 系统的各种振动分析
在水 平井 侧钻 过 程 中钻 柱 存 在着 各 种 振 动 ， 常 常表现 为钻 柱 的 轴 向振 动 、 向 振 动 和 扭 转 振 动 。 侧
本文 对水 平 井 水 平 井 段 侧 钻 过 程 的 振 动 问 题 进 行 分析 ， 各种振 动 形 式 （ 图 １ 。对 于水 平井 段 的钻 见 ）
１ １ 钻 柱轴 向 自然振 动的基本 方程 ． 假定 所研 究 的钻 杆是 匀质 的细 长杆 ， 元段 微 在运 动过 程 中产生位 移 。由动力学 定律 ， 可得
：
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Ｐ ０‘ ｘ
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０ ‘ ｘ
（） １
、
０‘ ｔ
方程（ ） Ｅ为材料 的杨 氏模 量， １ 中， Ｐ为钻柱 的密
２１ ００年 ５月 ６日收到 国家重大专项（ ０８ ｘ５２ －０ ） ２０ ｚ ０ １ ６ 资助 ０ ０
度， ０为轴 向 波 在钻 柱 中 的传 播 速度 。方程 （ ） １ 的
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般解 ， 为
Ｍ ， ： Ａｎ ｘ Ｂ ｓ ） （ 十 ） （ ￡ （ｓ ＋ ｃ ｓ ） ｉｗ ｏ ｉ ｎ
振 动 的规 律 。 该 分 析 为 水 平 井 钻 井 工 程避 免钻 柱 共 振 提 供 了可靠 的理 论 依 据 。
钻柱纵向横向振动分析研究进展
钻柱纵向\横向振动分析研究进展作者：刘磊刘剑辉来源：《硅谷》2011年第03期摘要：钻井是石油生产中的重要环节，而钻柱更是重中之重。
主要阐述当前钻柱振动研究的基本方法和基本理论。
通过对钻柱纵向、横向振动的分析，找出振动规律。
这些研究对于钻柱乃至整个生产过程的安全性有十分重要的作用。
关键词：钻柱；振动；安全性中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210025－010 引言石油行业中，生产中的各个环节紧密联系。
石油钻井是油田生产中最基础的环节，钻井的质量直接影响到后续生产；钻井也是生产各个环节中投入最大、难度最大的。
在石油钻井中，钻柱能否安全工作，不仅影响到油田安全；通过降低油田钻柱的失效事故，也能极大程度提高油田的经济效益。
在众多导致钻柱失效的原因中，由于钻柱振动产生的危害不容忽视。
对钻柱危害最大的振动主要为钻柱横向和纵向振动。
对钻柱振动的研究历来是国内外学者的重要研究方向。
上世纪80年代开始众多学者对其进行了深入的分析，近年来随着计算机技术和有限元分析技术的提高，计算机仿真分析也成为了一个重要的研究方法。
但是，钻柱的振动是一个极其复杂的过程，许多理论和研究成果还待进一步修改和完善。
1 钻柱振动危害钻柱振动会对油田生产带来极大危害。
首先，由于钻柱的振动，会产生交变载荷，长期工作在交变载荷下容易导致钻柱的疲劳失效，钻柱疲劳破坏是一种典型的钻柱失效形式。
在井眼中，套管是井壁唯一的保护层，钻柱在套管中工作，由于钻柱和套管的接触，加大了套管的磨损程度。
而且当钻柱的固有频率与激励频率接近时，钻柱会发生共振，此时钻柱受到的影响是最大的。
在油田生产中，钻柱失效不胜枚举。
2 钻柱振动基础理论目前，国内外学者对钻柱进行了一系列的研究分析，主要还是基于一些基本振动理论进行的分析。
这其中最主要的方法就是非线性分析方法。
基于这些理论和方法完成了对钻柱纵向、横向的振动分析。
当系统振动过程可以用非线性微分方程描述时，此时系统的振动称之为非线性振动。
水平井钻柱涡动特性数值分析与试验
运动状态,仅小幅增加其运动范围.研究成果对水平井钻井工艺参数的选定有一定的借鉴作用.
关键词:水平井;动力学;涡动;钻柱
中图分类号:
O３１３９
DOI:
１０．
３９６９/
．
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sn．
１００４
有报道,甚至水平 井 钻 井 过 程 中 是 否 会 存 在 涡 动
现象还存在着一定的争议.本文针对水平井钻柱
的动力学特征,建立了水平井钻柱的运动方程,并
基于自主研制的 水 平 井 钻 柱 动 力 学 试 验 装 置,采
用数值模拟和试 验 研 究 相 互 结 合 的 方 法,开 展 了
水平井钻柱涡动动力学行为机理的研究.
底部 钻 柱 动 力 学 特 性 进 行 了 研 究.JANSEN
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水平井钻柱涡动特性数值分析与试验———王宝金 任福深 朱安贺等
等 [１Ｇ２]和 NAGANAWA 等 [３]根 据 非 线 性 转 子 动
力学理论,建立了量纲一钻柱涡动方程,并进行了
ecos
φ
(
７)
在新坐标系下钻柱的运动微分方程为
mÿG ＋kyG ＝ k
要作用.钻柱在旋转钻井过程中,受井眼的限制,
事实已被接受.这种钻柱的涡动对钻井作业十分
不利,尤其是底部钻柱的反向涡动,会加快钻柱的
收稿日期:
２０１７ ０８ ２２
基金项目:国家自然科学基金资助项目(
１１３７２０７１);东北石油大
学研究生创新科研项目(
YJSCX２０１６－０２２NEPU)
钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动分析
钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动分析王鸿雁;肖文生;刘忠砚;侯超;崔俊国;付雷【摘要】钻井过程中,钻柱的横-扭耦合振动是钻井作业工程中无法避免的一种运动形态,也是产生钻柱故障和系统噪声的原因之一.针对实际钻井过程中,钻柱在井下的受力情况复杂,提出采用了一种简化假设方法,对局部坐标系中空间钻柱单元与间隙元进行分析,推导出钻柱横—扭耦合振动的动力学矩阵和钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动规律,从而取得了钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动特性,对于钻井过程中振动和噪声的控制与故障排除也提供了有价值的参考.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2014(034)001【总页数】6页(P61-66)【关键词】振动与波;钻柱;横扭耦合振动【作者】王鸿雁;肖文生;刘忠砚;侯超;崔俊国;付雷【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安710000【正文语种】中文【中图分类】TB52振动问题是钻井过程中的一种重要的危害和噪声来源。
为了提高钻井的可靠性和安全性，降低钻井的工作噪声，对钻井过程中钻柱的振动问题进行研究是有必要的。
钻柱横扭耦合振动是引起钻井故障的原因之一，横扭耦合振动的加剧会造成钻杆断裂、钻杆磨损严重、噪声过大等问题，这些都会影响钻进的动力性和安全性。
对钻进过程中钻柱横扭耦合振动的研究具有重要的意义。
在垂直井中，假设钻进前，钻柱轴线与井眼轴线重合，并且没有初始变形；在钻进过程中，由于钻柱很长且柔性较好，在载荷作用下一般不会产生塑性变形，因此可以认为材料是线弹性的。
在狭长的井眼中，钻柱的变形受井壁的限制，产生了钻柱与井壁之间的接触问题，接触点的位置是未知的，并且在接触点处，钻柱与井壁之间存在摩擦力，于是，形成了接触摩擦非线性问题。
水平井钻柱纵向振动研究的开题报告
水平井钻柱纵向振动研究的开题报告
一、研究背景和意义
水平井是一种油气钻井方式，与直井相比，其具有水平延伸距离大、生产能力高等优点，越来越受到油气开采企业的重视。
然而，钻井过程中井钻柱的纵向振动会对钻井效率和设备寿命产生不利影响。
因此，研究水平井钻柱纵向振动及其控制方式具有重要意义。
二、研究内容
本文旨在研究水平井钻柱纵向振动特征及其控制方式。
具体研究内容如下：
1、搜集水平井钻井数据，分析钻柱纵向振动的原因和机理。
2、研究钻柱失稳时的动力模型，建立水平井钻柱纵向振动数学模型。
3、分析纵向振动的频率响应特性和稳定性，给出控制策略。
4、采用数值仿真方法验证控制策略的有效性。
三、研究方法
1、采用实验数据分析法，分析钻柱纵向振动的原因和机理。
2、建立水平井钻柱纵向振动数学模型，采用控制理论分析纵向振动的频率响应特性和稳定性。
3、采用MATLAB等数值仿真软件，对控制策略进行验证和优化。
四、预期成果和创新点
本研究旨在探索水平井钻柱纵向振动的机理和控制方式，预期成果如下：
1、揭示水平井钻柱纵向振动的机理和特征，给出控制策略。
2、建立基于控制理论的水平井钻柱纵向振动模型，实现对纵向振动的预测和控制。
3、验证控制策略的有效性，为水平井钻井提供指导意见。
本研究的创新点在于：1、研究水平井钻柱的纵向振动机理和特征；2、基于控制理论建立水平井钻柱纵向振动模型；3、探索水平井钻柱纵向振动的控制策略。
井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用
井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用关键词：钻柱振动钻具加速度计 mwd一、井下钻具振动的定义及危害1.井下钻具振动的定义井下钻具震动是指井下钻具在受到外界震击以后，发生的周期性、围绕中心位置来回的弹性运动，进行能量释放的过程。
井下钻具的破坏方式主要有两种：1.1受到瞬间的强烈震击，碰撞对钻具造成破坏。
1.2受到外界能量输入以后，钻具自身发生的频繁的周期性的振动，使钻柱发生弹性破坏。
2.井下钻具振动的危害[2]破坏钻柱及钻头。
造成井下事故（如粘卡）浪费大量非生产时间，增加生产成本。
降低进尺，浪费不必要的能量在钻具振动上。
二、井下钻具振动的检测sperry-sun是通过dds（钻柱动力传感器）来测量井下钻具振动的。
而dds是由三个互成直角的加速计（x，y，z）组成。
x指钻柱中心在侧向上沿x轴上的加速度（axc）和钻柱径向上沿x轴方向上的离心加速度（rω2）的叠加，y指在侧向上钻柱中心沿与x 轴垂直的y轴上的加速度（ayc）和与离心力相垂直的加速度（rω）的叠加，r指钻柱的半径，ω指钻柱的转速（rpm）。
z指钻柱沿轴向方向的加速度（azc）[1]。
1.模拟/加速计板模拟/加速计板是一个被组合了加速计的模拟电路板。
模拟电路板用来监控，过滤和放大变频信号。
这种信号通过以下三种方式来体现：峰值，平均值和脉冲。
2.数字面板数字面板包含一个摩托罗拉8字节hc11处理器，512 kb ram， 32 kb eeprom（电子可擦只读内存）和一个温度传感器。
所有的数据（峰值，均值，脉冲和温度）计数范围为0-255。
三、钻柱振动的分类和影响因素1.振动机理及分类[1]：钻头和钻柱振动可分为三种类型：轴向：钻柱沿轴方向上的移动。
扭转：钻柱侧向扭转引起的移动。
横向：钻柱水平横向上的移动。
主要有以下六种常见的振动类型。
1.1钻头的跳动1.2粘/滑-扭矩引起的移动1.3钻头旋转-横向上的移动。
1.4钻具组合旋转- 横向上的移动。
水平井直井段钻柱固液耦合横向振动分析
—48 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2017年第45卷第3期◄钻井技术与装备►水平井直井段钻柱固液耦合横向振动分析曹宇1周思柱1孟繁强2华剑1张凯1吴话怡1(1.长江大学机械工程学院机械结构强度与振动研究所2.河北省廊坊市百斯图工具制造有限公司）摘要：针对钻柱共振导致的钻具疲劳失效问题，以西南地区某水平井直井段钻柱为研究对象，釆用流体数值计算软件，建立了钻柱内、外壁压力关于井深的函数。
基于动力学理论，考虑钻柱 内、外不同密度钻井液与钻柱耦合作用，通过有限元软件进行了水平井直井段钻柱横向振动分析，研究了钻铤长度和减震器安装位置对钻柱横向振动固有频率的影响规律，指出钻柱长度一定时，钻铤越长，钻柱横向振动的固有频率越大；安装减震器时，减震器安装位置与钻头距离增加，钻 柱横向振动的各阶固有频率增大。
研究结果可为水平井施工提供一定的指导。
关键词：钻柱；水平井；直井段；钻井液；横向振动；固有频率中图分类号：TE921 文献标识码：A doi: 10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2017.03.011Analysis of Transverse Vibration of the Drill String in VerticalSection of Horizontal WellCao Yu1Zhou Sizhu1Meng Fanqiang2Hua Jian1Zhang Kai1Wu Huayi1(1. School o f Mechanical Engineering, Yangtze University；2. Langfang City Best tools M anufacturing Co. L td.)Abstract：For the drill string fatigue failure caused by drill string resonance, taking the drill string in the vertical section of a horizontal well in the southwest of China as study object, the inner and outer pressure of the drill string as the function of well depth has been established by using the fluid numerical software. Based on the dynamic theory, considering the coupling effect of different density drilling fluid inside and outside the drill string, the transverse vibration of drill string in the vertical section of horizontal well has been analyzed by finite element software. The influences of drill collar length and shock absorber installation position on the natural frequency of drill string transverse vibration have been studied. The results show that, with the given drill string length, the longer the drill collar is, the larger the natural frequency of the transverse vibration of the drill string is. While installing shock absorber, each order of natural frequency of transverse vibration of the drill string increases with the distance of the shock absorber installation from the drill bit. The study results could provide guidance for horizontal well operation.Key words：drill string；horizontal well；vertical section；drilling fluid；transverse vibration；natural frequency〇引言水平井钻进过程中，钻柱易发生偏心，导致横 向振动，而剧烈的钻柱振动会导致钻具疲劳失效和 钻柱断裂失效等事故，将给油田生产造成不可挽回 的经济损失[1]。
水平井钻柱横向振动有限元分析
＠
２ ０ １ ４ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
水 平 井 钻柱 横 向振 动 有 限 元 分析
迟立宾 武 骞 闫 铁 毕 雪亮 王 健
（ 陕西延长石油（ 集 团） 有限责任公 司研究院 ， 西安 ７ １ ０ ０ ７ ５ ； 东北石油大学 石油工程学院 ，大庆 １ ６ ３ ３ １ ８ ；中石化华北分公 司工程技术研究院 ，郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ６ ）
—
２ ２／ ５ ４
—
一
２ ２／ ４１
（ １ ３ ）
１ ３ｆ
３ ｆ
２ ２／
１ ． ２ 建 立整体 坐标 系下 的刚 度矩 阵和 质量 矩阵 在对单 元 坐标 系下 的钻柱 单元 模 型受力 分析 之
后， 同样需 要转 换 到 整 体 坐标 系下 。对 于钻 柱 单 元 结点 ｉ 存 在关 系 ：
中图法分类号
Ｔ Ｅ ２ ４ ２ ；
文献 标志码
Ａ
水平 井井 斜角 变化 幅度大 ， 钻柱 摩擦严 重 ， 经 常 发 生剧 烈 的横 向振 动 ， 造成 钻 具 疲 劳失 效 。钻 柱 力 学 分析 是钻柱 振 动研 究 的关 键 问题 之一 ， 分 析 方 法 主要有 微分方 程 法 、 有 限元 法 ¨ 。１ ９ ９ ５年帅 健 等 人 用有 限元法 计算 了钻 柱 的受 力 和 变形 ， 提高 了钻 柱 受力 计算 的准确 性 ； ２ ０ ０ ６年 闫铁 等人 应 用有 限 元 法计 算 出了斜井 眼 内钻 柱 的轴 向振 动频 率 ， 为 分
析斜井眼内钻柱振 动提供 了理论依据 ； ２ ０ １ ０年 毕 雪亮 等人采 用有 限元 方法分 析 了钻柱 轴 向振 动规 律， 说 明钻柱 轴 向共振 频 率 取决 于钻 柱 的 材料 性 能 及 形 态特 性 Ｊ 。 以往 对 钻 柱 横 向 振 动 的 研 究 方 法
水平井钻柱涡动特性数值分析与试验
水平井钻柱涡动特性数值分析与试验0 引言水平井可在薄油层中穿越，是稀井增产的重要技术手段，在低压、低渗、薄油藏、稠油藏及常规技术难以取得经济效益的油田开发方面发挥了重要作用。
钻柱在旋转钻井过程中，受井眼的限制，底部钻柱的动力学特性和运动状态变得十分复杂。
浸泡在钻井液内的旋转受压钻柱在屈曲和涡动的作用下，容易发生磨损、疲劳断裂以及井眼的倾斜。
垂直井钻井过程中，钻柱存在涡动现象的事实已被接受。
这种钻柱的涡动对钻井作业十分不利，尤其是底部钻柱的反向涡动，会加快钻柱的磨损，易导致钻柱提前疲劳破坏。
国内外学者对底部钻柱动力学特性进行了研究。
JANSEN等[1-2]和NAGANAWA等[3]根据非线性转子动力学理论，建立了量纲一钻柱涡动方程，并进行了数值模拟计算。
CHRISTOFOROU等[4]借助Rayleigh梁模型对底部钻具组合涡动特性进行了分析，研究结果很好地反映了底部钻柱的涡动特性。
DYKSTRA等[5]深入分析了钻头在钻柱涡动时的动力学特征，研究结果表明，钻柱的反向涡动会降低井底与地面设备的能量传递效率。
KHULIEF等[6]研究了钻柱横向振动和涡动的耦合振动、扭转振动和横向振动的耦合振动，并进行了有限元仿真研究。
HAYAT等[7]通过模拟试验和仿真分析相结合的研究方法，分析并讨论了底部钻具组合的动力学特性。
肖文生等[8]分析了内外钻井液和摩阻作用下钻柱的涡动机理，并得到了钻柱涡动失稳的判定条件。
姚永汉等[9]利用编制好的模拟程序分析了钻铤形心的涡动轨迹、涡动速度、径向轨迹、径向速度。
狄勤丰等[10]建立了底部钻具组合的动力学仿真模型，把钻具组合简化为转子模型，研究了不同钻压下钻柱的涡动特性。
马汝涛等[11]提出利用内摆线法来描述底部钻柱的涡动轨迹。
张晋凯等[12-13]和史玉才[14]分析了涡动钻柱内流体的流动特性，根据转子动力学理论建立了考虑钻柱与井壁碰摩作用的涡动方程，探讨了钻柱的涡动产生的机理。
钻柱振动问题及其理论研究
钻柱振动问题及其理论研究发表时间：2019-05-08T11:17:28.837Z 来源：《防护工程》2019年第2期作者：赵海新[导读] 钻柱是工程实践中利用比较广泛的一种设备，比如自钻井实践中，钻柱具有着普遍性的应用。
广州广电计量检测股份有限公司广东省广州市 510656摘要：在工程实践中，钻柱被广泛的使用，而对其的具体利用做分析发现在工作的时候钻柱会出现振动的情况，这种情况不仅对钻柱的利用效率不利，对其的安全保证也十分不利，所以准确了解钻柱振动问题并对其做相应的研究现实意义显著。
文章对当前工程实践中的钻柱振动问题做具体的分析，总结其表现并对振动的具体原因等做分析，旨在全面的掌握影响钻柱稳定的因素，从而基于因素做钻柱使用的具体控制。
关键词：钻柱；振动问题；理论钻柱是工程实践中利用比较广泛的一种设备，比如自钻井实践中，钻柱具有着普遍性的应用。
对当前的钻柱使用做实践中分析发现钻柱会因为环境问题、设备自身的连接问题以及操作问题出现振动的情况，这种情况一方面影响了具体工程的质量，另一方面会造成安全威胁，所以为了保证工程施工的质量和安全，对钻柱问题进行全面的分析和研究有突出的现实价值。
一、钻柱振动的具体表现在工程实践中，钻柱是普遍利用的一种工具，其对工程的效率和质量有非常显著的影响。
就实际研究来看，所谓的钻柱具体指的是钻头以上，水龙头以下的钢管柱的总称，其主体包括方钻杆，钻铤，各种连接接头及稳定器等井下工具，其是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。
对目前的钻柱做具体的分析，振动是其使用中表现比较突出的一种文体，该问题主要有三种表现形式：第一种为纵向振动，这种振动在钻柱的具体利用中十分的常见，主要表现为钻柱呈纵向的不规则跳动，严重的时候会出现钻柱崩断的情况。
第二种为横向振动，这种振动具体表现为钻柱的横向不规则跳动，严重的时候会出现脱落的情况。
第三种是旋转振动，这种振动比较的复杂，在钻柱振动中的表现相对较少。
钻柱横向非线性振动分析
中图 分 类 号 ： Ｂ１ ３ Ｔ ２ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ２ ５ １２ １ ） ２ １８— ５ １ ７ —５ ８ （００ ０ —０ ３ ０
Ａｎａｌ ｓ ｓ ｏ ｒ ｎｓ ｅ ｓ ｙ ｉ ｎ ｔ ａ ｖ ｒ ｅ ｎｏｎｌｎｅ ｂｒ ｔ ｏ ｏｒ ｄｒ ｌｉ ｈａ ｔ ｉ ａｒ ｖｉ ａ ｉ ｎ ｆ ｉｌｎｇ ｓ ｆ ｓ
Ｃ ＨＥＮ Ｌｅ ｐ ｎ — ｉｇ
（ ．ｃｏ ｌｆＭｅｈ ｎｃｌ ｎ ｉｅｒｎ ， ｈｊ ｎ ｅ ｔｅ Ｆ ｓ ｉ ｏｌｇ ， ｉｇｏ３ ５ １ ， ｈｎ ； ．ｃｏ ｌ ｆ １ Ｓｈｏ ｃａ ｉ ｇｎ ｅｉｇ Ｚ ｅｉ ｇＴ ｘｉ＆ ａｈｏ Ｃ ｌ ｅ Ｎｎ ｂ １ ２ １ Ｃ ｉａ ２ Ｓｈ ｏ ａＥ ａ ｌ ｎ ｅ ｏ
陈 乐 平
（． １ 浙江纺织 服装学院 机 电分院 ， 浙江 宁波 ３５１ ； ． １ ２ １ ２ 宁波大学 机械工程与力学学院 ， 浙江 宁波 ３５１） １ ２ １
摘要 ： 利用同伦分析法求解 了钻柱横向非线性振动方程 ， 到了该非线性振动的频率和主振动 的一阶近似解析 得 解． 分析过程 中发现 ， 同伦分析法在求解钻柱横 向非线性振动方程 时不需要引入以往摄 动求解 的小参 数， 这样提
ｅ ｆ ｃ ｓｏ ｒ ｑ ｅ ｃ ｒ ｉ ｎ ｆ ｄ ｗｉｈ ｉ ｃ ｅ ｓ ｆ ｉ ｒ ｔ ｎ ａ ｌ ｕ ｅ， ｘ ａ ｏ ｐ ｅ ｓｏ ｎ ｒｌ ｎ ｈ ｆ ｆｅ ｔ ｎ ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ ａ ｅ ｓ ｇ ｉｉ ｔ ｎ ｒ ａ ｅ ｏ ｂ ａ ｉ ｍｐ ｉ ｄ ａ ｉｌ ｍ ｒ ｓ ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｉ ｉ ｇ ｓ ａ ｔ ｅ ｖ ｏ ｔ ｃ ｌ ｌ ｎ ｔ ． ｎ ｃ ｓ ｆｌｒ ｅａ ｉｌ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ ｕ ｏ ｎ ｔ ｙ ｄ ｉ ｉ ｇ ｓ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｔ ｈ ｕ ｄ ｂ ｏ ｓｄ ｒ ｄ ｅ ｇ ｈ Ｉ ａ ｅ ｏ ｇ ｘ ａ ｍｐ ｅ ｓｏ ｐ ｎ ｌ ｇ ｈ ｒｌ ｎ ｈ ｆ ， ｈ ｏ ｌ ａ ｉ ｓ ｏ ｌ ｅ ｃ ｎ ｉｅ ｅ ａ ｃ ｅ ｌ ｎ ｙ ｆ ｒ ｔａ ｓ ｅ ｓ ｉ ｒ ｔ ｎ． ｏ ｒ ｎ ｖ ｒ ｅ ｖ ｂ ａ ｉ ｏ
超深井钻柱横向振动模态分析硕士论文
超深井中钻柱横向振动特性分析【关键词】超深井; 钻柱; 横向振动; 模态分析;【英文关键词】ultra-deep well; drill string; lateral vibration; modal analysis;【中文摘要】在实际的钻井工作中,钻柱会不可避免的发生振动,钻柱振动有共有三种形式,其中钻柱的横向振动便是很重要的一种振动形式。
由于钻柱横向振动而引起的钻柱剧烈共振会导致钻柱失效,造成严重的钻井事故,进而增加钻进工作的难度和风险,甚至带来重大的经济损失。
本文主要对超深井中的钻柱横向振动进行了理论分析,总结了钻柱横向振动的产生方式、力学规律、影响因素,并建立了力学模型,推导出了振动频率方程,得到了钻柱振动共振规律。
设计了井深为10000米的超深井钻柱组合,并以此为例应用ANSYS软件建立了基于APDL语言的钻柱参数化的有限元仿真模型。
由于推导出的钻柱横向振动固有频率均为谐和函数求解起来十分困难,所以使用该模型能够极大地提高分析和研究的效率,具有很强的实用性和通用性,并为进一步的分析和研究奠定了良好的基础。
本论文采用ANSYS分析时假设钻孔为垂直孔,不考虑接头影响并且忽略钻头几何尺寸条件。
通过分析得到钻柱轴向力和温度等因素对钻柱横向振动固有频率的影响,同时获得钻柱横向振动的前十阶固有振型图。
结果表明:当钻柱轴力为压力时钻柱的横向振动固有频率会减小,而当钻柱轴向力为拉力时,振动的固有频率会增加;而随着温度的增加,...【英文摘要】The vibration of drill string in practical engineering is inevitable. The vibration includes three types, while the lateral vibrationis an important one. The strong wave of drill string which is caused by lateral vibration can lead to severe failure of drilling. It will put more difficulty and risk on drilling, even bring huge loss in economic. Theoretical analyses of the lateral vibration in ultra-deep well are discussed in this article. The cause of lateral vibration, mechanical discipline and affecti...摘要5-6Abstract 6第1章绪论9-181.1 概述9-101.2 国内外研究现状10-161.3 本论文的研究工作16-18第2章钻柱横向振动形成机理18-282.1 钻头与地层相互作用引起的钻柱横向振动18-202.1.1 钻柱动力失稳引发的钻柱横向振动182.1.2 钻柱横向振动的力学模型18-202.2 钻柱与井壁作用引起的钻柱横向振动20-222.2.1 钻柱的反转运动20-212.2.2 反转运动激发的钻柱横向运动21-222.3 钻柱中性点附近的横向振动情况22-252.3.1 钻柱的中性点222.3.2 钻柱中性点附近的横向振动22-242.3.3 钻柱横向振动频率与共振部位到井底距离的关系式24-252.4 钻柱中性点处冲击力计算模型25-262.5 本章小结26-28第3章影响钻柱横向振动固有频率的因素28-403.1 高温对钻柱横向振动固有频率的影响28-313.1.1 高温对钻柱管材性能的影响28-293.1.2 高温对钻柱管材尺寸的影响29-303.1.3 高温对钻柱横向振动固有频率的影响30-313.2 钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响31-353.2.1 钻柱内钻井液对钻柱横向振动的影响31-333.2.2 钻柱外环空内钻井液对钻柱横向振动的影响33-353.2.3 钻柱内外钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响353.3 扶正器对钻柱横向振动的影响35-393.3.1 扶正器对钻柱横向振动影响的力学模型35-363.3.2 考虑扶正器影响的钻柱横向振动方程36-393.4 本章小结39-40第4章超深井钻柱设计40-494.1 不同规格钻杆极限使用深度的计算40-474.2 复合钻柱结构设计47-484.3 本章小结48-49第5章钻柱横向振动的ANSYS有限元分析49-895.1 钻柱ANSYS 有限元模型的建立与求解49-515.1.1 有限元模型的建立49-505.1.2 利用ANSYS 原件对有限元模型求解50-515.2 算例及对钻柱横向振动固有频率及振型的分析51-885.2.1 钻压为零时的钻柱横向振动特性分析51-595.2.2 钻压为40000 牛时钻柱横向振动特性分析59-665.2.3 钻压为80000N 时钻柱横向振动特性分析66-735.2.4 深井高温对钻柱横向振动固有频率的影响73-805.2.5 提钻时钻柱横向振动特性分析80-865.2.6 钻铤处横向振动的ANSYS 有限元求解86-885.3 本章小结88-89结论89-911 本文的结论89-902 展望90-91致谢91-92参考文献。
11、侧钻井水平段钻柱淹没工况下横向振动特性研究-会议-717
侧钻井水平段钻柱淹没工况下横向振动特性研究王宗明 张宝增 王瑞和(中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 东营 257061)摘要：对GCP105-5侧钻井水平段钻柱横向振动特性进行了计算，得到了倒装钻具组合和正常钻具组合的横向振动固有频率，研究了钻井液、钻具组合及钻具长度对钻柱横向振动特性的影响。
通过谐响应分析进一步研究了钻井液动力效应对水平段钻柱横向共振特性的影响。
关键词：侧钻水平井；淹没钻柱；横向振动；固有频率；谐响应引 言侧钻水平井的特点是井眼直径小、曲率变化大，侧钻过程中最易发生的事故就是钻柱在增斜段折断。
侧钻井的技术难点还有井眼轨迹控制困难、水平井段钻压施加困难、转盘扭矩大，等等。
这些问题都与水平段钻柱的横向振动有关系。
早在1985年，Wolf S. F.等人使用有线遥控系统对直井钻进时的井底力和加速度等参数进行了测量，发现系统的共振频率明显低于钻柱的固有频率，根据静态模拟得到的弯矩比实际弯矩小1个数量级，而且观察到了井底存在但井口却测不到的高弯矩[1]。
Allen M. B.和Close D. B.等经过研究指出底部钻柱横向振动水平比纵向振动水平高得多，在BHA 中产生很高的弯曲应力，而此时轴向振动产生的纵向应力却不严重[2，3]。
吴天新[4]研究了环空中钻井液阻尼对钻柱横向振动的影响，发现钻井液引起的附加质量与钻柱本身的质量为同一数量级，不能忽略。
屈展[5]利用固液耦合振动理论探讨了钻柱在内外钻井液共同作用下的横向振动，认为钻井液可以等效为一定的广义分布质量，影响不能忽略，与吴天新的结论基本一致。
李军强[6]等人对钻井液阻尼进行了探讨，具体估算了阻尼对钻柱稳定性的影响。
2005年大庆石油学院韩春杰等研究了水平井侧钻过程中底部钻柱的横向振动规律，认为侧钻过程中钻柱的横向共振是很容易发生的一种现象，最低共振频率取决于钻柱的材料性能和钻井液特性，与钻柱的长度关系不大[7]。
本文应用ANSYS 软件，利用考虑液体动力效应和浮力效应的淹没管道单元进行数值计算，以期对侧钻水平井水平段钻柱淹没工况下的振动特性进行更深入的研究。
深井钻柱纵－扭耦合下的黏滑振动特性分析
中图分类号: ＴＥ９２１ 文献标识码: Ａ ＤＯＩ: １０ １６０８２ / ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１ － ４５７８ ２０２３ ０８ ０１９
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ａｘｉａｌ￣Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ Ｓｔｉｃｋ Ｓｌｉｐ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
Ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ Ｄｒｉｌｌ Ｓｔｒｉｎｇ ｉｎ Ｄｅｅｐ Ｗｅｌｌ
静止的周期性振动运动ꎬ 其储能的突然释放可以使
复杂ꎮ 因此ꎬ 本文采用集中质量法ꎬ 考虑钻头与地
ꎬ 是导致钻井质量下降及钻井工具失效破坏
层之间的非线性接触ꎬ 以纵向位移和扭转转角为激
励ꎬ 建立了深井钻柱的纵 － 扭耦合振动模型ꎬ 借助
钻头的 转 速 从 ０ 增 加 到 顶 部 旋 转 机 构 转 速 的 ６
ｋｇ ｍ ２ / ｒａｄꎻ ｋ ｔ 为 钻 柱 系 统 等 效 扭 转 刚 度ꎬ
Ｎｍ / ｒａｄꎻ ｃ ｔ 为钻柱系统等效扭转阻尼ꎬ Ｎｍ
黏滑振动机理及抑制方法的研究提供了有效参考ꎮ
ｓ / ｒａｄꎻ ｃ ｒ 、 ｃ ｂ 分别为转盘、 ＢＨＡ 的黏滞阻尼ꎬ Ｎ
了在不同钻压、 转速及井深下钻柱系统的黏滑振动
ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ａ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｏｏｌｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ. Ｔｈｅ
ｌｕｍｐｅｄ ｍａｓｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｘｉａｌ￣ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｓｔｒｉｎｇ ｉｎ ｄｅｅｐ ｗｅｌｌꎬ ａｎｄ
摘要: 钻进过程中由扭转振动引起的黏滑振动会导致钻井质量下降、 钻井工具失效ꎬ 严重影
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５２ ．１ ｒ ／ｍｉ ｎ。
关键词 ： 钻井 ； 水 平 旋 转 钻 柱 ；钻 压 ； 转 速 ；横 向 振 动 ； 试验 中图 分 类 号 ： Ｔ Ｅ ２ ４ ３ 文献标志码 ： Ａ
Ｅｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｏ ｎ ｌ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｌ ｖ ｉ ｂｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｈｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｏ ｔ ａ ｒ ｙ ｄｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年
第３ ７卷
中国石油大学学报 （自然科 学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ
Ｖｏ Ｉ ＿ ３ ７ Ｎｏ ． ４ Ａｕｇ ． ２ ０１ ３
第 ４期
Ｓ ＨＡＯ Ｄｏ ｎ ｇ — ｄ ｏ ｎｇ，ＧＵＡＮ Ｚｈ ｉ — ｃ ｈ ｕ ａ ｎ，Ｗ ＥＮ Ｘｉ ｎ，Ｓ ＨＩ Ｙｕ— ｃ ａ ｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｅ ｎ ｇ ｔ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ，Ｑ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ ８ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
邵 冬 冬 ，管 志 川 １ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ温 欣 ， 史玉才
（ 中国石油 大学石 油工程 学院， 山 东青岛 ２ ６ ６ ５ ８ ０ ） 摘要 ： 利用水平井钻柱 动力学特性模 拟装 置 ， 对 不 同钻 压和转 速条件 下水平旋 转钻 柱横 向振 动特性 进行试验 研究 。 结果表明 ： 钻压 和转速 是影 响水 平井旋转钻柱横 向振动特 性 的重 要 因素 ； 随着 转速增 加 ， 两横 向振 动 的频 率逐渐 变 大而相位差变小 ， 两横 向振 动频 率与钻柱 自转频率 呈线性 关系 ； 钻压 增大对两 横 向振动频率 的影 响不大 ， 但两横 向 振动 的相位 差会 随着钻 压 的增 大 而逐渐 变小 ； 实 际钻进 中 ， 钻柱 一直处 于井筒 的右 下部 ， 转 速选取 时应 尽量避 开
文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ５ ０ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ － ０ １ ０ ０ － ０ ４
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ － ５ ０ ０ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ １ ５
水 平旋 转 钻 柱 横 向振 动 特 性 试 验