海上平台钻井钻柱耦合振动规律分析

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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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海上油气钻井平台结构稳定性研究

海上油气钻井平台结构稳定性研究地球上的许多海域中，存在着大量油气资源。

为了开采这些资源，人类建立了许多海上油气钻井平台。

然而，这些平台常常面临海洋环境的挑战，如海浪、风浪、风暴等极端天气。

这些挑战对平台的结构稳定性造成了很大影响，因此，研究海上油气钻井平台结构稳定性是十分必要的。

接下来，本文会介绍一些与此相关的研究。

一、基础理论1.1 模型简化理论海上油气钻井平台结构稳定性研究中，模型简化理论是常用的一种方法。

该方法假设平台为某些简单形状的结构体，使得分析问题时更加便利。

然而，由于模型简化可能会引入误差，因此需要对结果进行精确度验证。

1.2 非线性结构分析在海洋环境中，受到海浪等因素的影响，平台可能会发生非线性结构行为。

因此，在研究海上油气钻井平台的结构稳定性时，需要进行非线性结构分析。

这类分析可能会进行数值模拟或其他形式的计算。

二、钻井平台的结构稳定性评估2.1 静力分析静力分析是评估钻井平台结构稳定性的一种方法。

该方法考虑静止的平台受到外界力量的影响，用以预测平台的稳定性。

2.2 动态分析动态分析是评估钻井平台结构稳定性的另一种方法。

该方法考虑钻井平台受到海浪等海洋环境因素的动态影响。

在动态分析中，平台的振动响应及其可能产生的损坏情况都需要进行评估。

三、影响钻井平台结构稳定性的因素3.1 水深水深是影响海上油气钻井平台结构稳定性的重要因素。

在深水区，平台可能会受到更大的水流、海浪等影响，这些影响可能会对平台的结构稳定性产生更大程度的影响。

3.2 平台尺寸平台尺寸也是影响钻井平台结构稳定性的因素之一。

较大的平台可能会更容易受到影响并产生较大的动态响应。

此外，平台尺寸还可能会影响静力分析和动态分析结果的精度。

3.3 平台模式平台模式是指平台以何种方式与海洋环境交互。

例如，一个可以自由漂移的平台的结构稳定性需要与一个悬挂在海底的平台的结构稳定性进行区别研究。

在进行钻井平台结构稳定性评估时，需要考虑这些不同的平台模式。

海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用

海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用隔水管是海上自升式钻井平台石油钻井的第一个环节，应用三角级数描述用隔水管的挠曲方程，同时根据雷利法（L.Rayleigh）在求得隔水管系统的相对变形以后，由系统的能量平衡求得其振动频率方程，应用这种方法对于我们研究隔水管的振动特性及其对于钻井作业状态的影响，在海洋石油钻井工程中有很重要的指导意义。

通过隔水管振动特性与钻柱横向振动的结合，可以在钻井作业的转速选择上提供参考依据，将钻柱与隔水管的谐振研究与作业安全结合起来，对于统筹管理海上钻井作业有着重要的现实意义。

标签：海上钻井平台;隔水管;挠曲方程;横向振动;固有频率1隔水管振动特性研究意义自升式钻井平台在海上进行钻井作业时，通常在海底泥线钻孔一定深度后下入30”隔水管，由此建立钻井液的闭式循环系统，隔水管施工作业质量关系到该井后续各工序的顺利与安全。

隔水管顶部通过钢索与钻井平台连接固定，泥线以下部分用水泥浆封固。

作业中由于隔水管的振动加上与海流的作用，造成表层钻进时，钻柱与隔水管之间的敲击与振动，以致隔水管的快速接头处发生严重的偏磨，其磨损严重的个别管子接头处，深度竟达到10～15mm之多，由此可见：研究隔水管的横向振动问题，选择合理的钻井参数避免钻具与隔水管之间的谐振，对于我们保护和使用好隔水管，保证钻井作业安全，具有重要的现实意义。

2 隔水管的挠曲变形分析2.1隔水管的挠曲方程数学模型推导我们知道：通常情况下，隔水管在海上使用时，采用先钻孔后下入隔水管再用水泥浆封固的方法，但通常均是隔水管入泥线以下约50m，因此我们可以将底部视为插入的嵌固端，而在隔水管的顶部我们则是在其上部用4只1-3/4”的大顶丝将其顶在钻井平台井口平台的中心，这样就相当于一个上下可以滑动的固支端。

为研究问题方便起见，我们首先沿隔水管的轴线方向建立坐标，为研究问题简便起见，我们暂不考虑隔水管受到的波浪力，仅考虑隔水管受到顶部的轴向力P，可知此时隔水管的挠曲方程，用三角级数方程表示十分简便和快捷，此时的挠度曲线方程为：[1]将上式写成和的形式可得到：由于系数an的增量dan引起的位移增量为：在隔水管柱的轴向方向，轴力P做功为：此时应变能的增量为：由于隔水管质量连续分布，在其上作用有均布载荷q，则均布载荷也要做功。

钻柱的黏滑与高频扭转耦合振动测量与分析

钻柱的黏滑与高频扭转耦合振动测量与分析李玉梅;邓杨林;张涛;于丽维;刘明【期刊名称】《石油机械》【年(卷),期】2024(52)5【摘要】钻井系统的自激扭转振动会导致钻头和地层之间的接触力或切削力相对速度出现下降特征。

为减轻这种机制的影响,通过对三轴振动的时域、频域分析,研究了钻柱扭转振动特征。

研究结果发现,低频的扭转振动会引发黏滑振动,黏滑振动频率为0.128 Hz,三轴振动和转速会出现周期性波动。

钻柱发生高频扭转振动(HFTO)时,三轴加速度都出现了177.2 Hz的主频率。

时域分析发现,切向加速度远大于轴向和法向加速度峰值,均方根值也较高,表明切向振动波动较大、能量高,说明此时井下正发生扭转振动。

黏滑与HFTO发生耦合时,法向加速度会出现2个主频,即黏滑时的主频和HFTO的主频。

高扭转频率会提高扭矩和机械转速导致钻具疲惫。

研究结果对描述扭转振动的特征,判断钻井过程是否发生黏滑、HFTO和及时采取消除黏滑振动、缓解钻具疲惫技术措施具有指导作用。

【总页数】7页(P40-46)【作者】李玉梅;邓杨林;张涛;于丽维;刘明【作者单位】北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室;北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室;新疆油田公司工程技术研究院;天津开发区鑫昌达船舶工程有限公司【正文语种】中文【中图分类】TE242【相关文献】1.钻柱系统黏滑振动的自激振动特性研究2.钻柱黏滑振动特性仿真与产生机理分析3.水平井钻柱-井壁摩擦诱导黏滑振动机理研究4.扭力冲击器对钻柱黏滑振动的影响分析5.深井钻柱纵-扭耦合下的黏滑振动特性分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

海洋石油平台振动特性分析与改进措施研究

海洋石油平台振动特性分析与改进措施研究引言：海洋石油平台作为海上石油勘探与生产的重要设施，面临着海洋环境的复杂性和恶劣的工作条件。

在海洋环境中，海洋平台会受到风浪、潮汐、海流等外部作用力的影响，从而产生振动。

这种振动不仅会对平台本身的结构和安全性造成影响，还会对工作人员的健康和舒适度产生负面影响。

因此，研究海洋石油平台的振动特性及改进措施是至关重要的。

1. 振动特性分析方法：为了准确地研究海洋石油平台的振动特性，需要采用科学严密的分析方法。

其中，有限元法是一种广泛使用的数值分析方法，被广泛用于结构振动特性分析。

通过将海洋平台划分为许多小的有限元（节点），然后利用连续介质的理论和数值计算方法，可以预测和分析平台在各种外界激励下的振动响应。

此外，还可以利用模态分析法，通过计算平台在不同模态下的固有频率和振型，以了解平台的振动特性。

这些分析方法可以为改进措施研究提供可靠的基础数据。

2. 振动源识别与评估：在研究海洋石油平台的振动特性时，首先需要准确识别和评估振动源的影响。

振动源可以是内部力激励，如管道流体的运动或机械设备的震动，也可以是外部环境因素，如风浪、潮汐和海流等。

通过振动源的识别和评估，可以确定其频率、振幅和方向等关键参数，为改进措施的制定提供依据。

3. 振动减缓与控制技术：为了减少海洋石油平台的振动，可以采取一系列的改进措施。

其中一种有效的方法是安装减振器。

减振器通过在平台结构中引入特定的材料和结构来改变平台的振动特性，从而减少振动的产生和传播。

常见的减振器包括阻尼器、质量块和弹性支撑等。

另外，通过改变平台的几何形状和刚度分布，可以改善平台的振动特性。

此外，合理的结构设计和材料选用也可以有效降低振动的影响。

4. 振动对工作人员影响的分析与改进：海洋石油平台上的工作人员需要长期在特殊的环境下工作，振动对其健康和舒适度会产生重大影响。

因此，对振动对工作人员的影响进行分析和改进也是研究的重点。

通过测量和分析工作人员在不同振动条件下的生理和心理反应，可以了解振动对其工作效率的影响，并制定相应的改进措施，如人员休息规定和工作环境改善等，以提高工作人员的工作条件和生活质量。

钻井液中钻柱振动分析

第３９卷第１期
２０１７年１月
能源与环保
ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
Ｖ０ｌ＿３９Ｎｏ．１
Ｊａｎ．
２０１７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｒｉｌｌｉｎｇｓｔｉｒｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｒｌｌｉｎｇｌｆｕｉｄｈａｓｂｅｅｎａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄｉｎｄｉｌｒｌｉｎｇ，ｉｔｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｄｉｒｌｌｓｔｉｒｎｇｆａ — ｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ，ｒｅｄｕｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌｉｆｅ，ｂｕｔｌｓａｏｗｉｌｌｂｉｎｒｇｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄｂｅｎｅｉｆｔｓｔｏｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎｎａｋｅｄｗｅｌｌｓ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｕｅｔｏｖｉ — ｂｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇａｎｄｗｅｌｌｂｏｒｅｗｉｌｌｅｎｌａｒｇｅｂｏｒｅｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｏｒｃａｎｆｏｒｍｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｈｏｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｒｉｎｇｇｒｅａｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｎｌａｔｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．Ｂｕｔｉｎｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎｏｒｌａｒｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｗｅｌｌｓａｎｄｗｅｌｌｓｗｉｔｈｌａｒｇｅｉｎ — ｃｌｉｎｅｄａｎｇｌｅ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｌｒｌｉｎｇｓｔｉｎｒｇｃａｎｐｒｏｐｅｒｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｂｏｔｔｏｍｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｉｒｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｌｓｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈｏｌｅｃｌｅａｎｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｇｒｉｔａｎｄａｖｏｉｄａｌｏｔｏｆｃｏｍｐｌｅｘａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇｉｎｔｈｅｗｅｌｌｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔ，ｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｄａｍｐｉｎｇｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒｌａｒｅｆｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｅｘ — ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｃａ￣ｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄａｌｓｏｈａｓａｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．

海洋平台结构振动控制研究综述

平台结构的复杂性和大型化，增加了控制的难度和成本。
面临的挑战包括
海洋环境条件的复杂性和不确定性，给振动控制带来困难。
02
海洋平台结构振动的基础理论
海洋平台结构振动的动力学模型
01
0203线性动力学 Nhomakorabea型基于线性假设，描述平台结构在振动中的动态特性，包括质量、刚度和阻尼等参数。
非线性动力学模型
海洋平台结构振动控制研究综述
2023-11-03
目录
• 海洋平台结构振动概述 • 海洋平台结构振动的基础理论 • 海洋平台结构振动控制方法 • 海洋平台结构振动控制的实验研究 • 未来研究方向和展望
01
海洋平台结构振动概述
海洋平台结构振动的背景和重要性
海洋平台是海上油气开发的关键设施，其安全性、稳定性和可靠性对于海上油气开采具有重要意义。
被动隔振控制
通过在平台和基础之间设置被动隔振器，以隔离外部振动对平台的影响。
被动支撑控制
通过改变平台的支撑特性，以抑制外部激励引起的振动。
混合控制方法
混合振动控制
结合主动和被动控制方法，以提高平台的振动抑制能力。
混合隔振控制
结合主动和被动隔振技术，以实现更高效的振动隔离。
混合支撑控制
结合主动和被动支撑技术，以实现更优异的支撑性能和振动抑制。
海洋环境复杂多变，平台结构容易受到风、浪、流等自然力的影响，导致结构振动问题。
结构振动不仅会影响平台的性能和寿命，还可能引发结构疲劳、损伤和破坏，对平台的安全性构成威胁。
海洋平台结构振动的研究现状
国内外学者针对海洋平台结构振动问题开展了广泛的研究。
研究方法涉及理论分析、数值模拟、实验测试等。

全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析

全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽【摘要】基于绝对节点坐标法建立全井钻柱系统的多体动力学模型,研究系统的耦合振动现象;将大长细比柔性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元,讨论梁单元格式,并研究井口、钻头处边界及钻柱与井壁的接触/摩擦模型,给出包含绝对节点坐标梁单元的钻柱系统运动方程;采用向后差分法求解微分代数方程组,开发多体动力学求解器及相应的前、后处理器.通过直井、定向井算例分析了全井钻柱系统的轴向、扭转、横向耦合振动特性,结果表明本文提出的力学建模和数值分析方法可实时捕捉到钻柱系统的耦合振动现象,能够在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用.【期刊名称】《中国海上油气》【年(卷),期】2014(026)004【总页数】6页(P71-76)【关键词】全井钻柱系统;耦合振动;多体动力学模型;绝对节点坐标法;向后差分法【作者】程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽【作者单位】中海油研究总院;中海石油(中国)有限公司工程技术部;中海油研究总院;中海油研究总院;中海油研究总院;清华大学航天航空学院;清华大学航天航空学院【正文语种】中文石油钻井中钻柱系统的剧烈振动严重影响钻井的效率和安全。

为了深入理解钻柱系统的复杂振动状态,以便更好地控制其对钻井的不利影响,国内外学者进行了广泛的研究,包括现场测试[1-2]、全尺寸[3-4]/模型[5]试验和数值模拟方法,如有限元法[6-9]、集中质量法[10-12]、弹性线法[13]及转子动力学模型分析[14]。

这些研究表明:钻柱系统呈现出复杂的耦合振动现象,包括轴向振动(钻压波动、跳钻)、扭转振动(黏滑振动)和横向振动(涡动运动),其诱因包括钻柱-井壁和钻头-岩石的非线性接触/摩擦以及不平衡质量、初始曲率、屈曲变形和其他线性或非线性扰动。

数值模型中,由于忽略了一些引起振动的物理因素,难以准确地表征实际的振动现象。

海洋平台钻进模块的动态响应分析与减震设计

海洋平台钻进模块的动态响应分析与减震设计海洋平台是一种重要的海上工程结构，用于实现海上油田开发、海洋资源开采、海洋科研等多种应用。

然而，海洋环境的极端条件和复杂性给海洋平台的设计与运营带来了巨大的挑战。

其中，海洋平台的钻进模块是其重要的组成部分之一，需经过动态响应分析与减震设计来确保其安全可靠的运行。

海洋平台的钻进模块位于水下，是供钻井作业使用的设备，承受着巨大的水压力和海况波浪的冲击。

钻进模块的主要功能是提供一个稳定的作业环境，以确保钻井作业的顺利进行。

在进行动态响应分析时，首先需要考虑海洋平台的水动力特性和水下结构的相互作用。

水动力载荷是海洋平台的重要外部荷载，包括波浪、潮流和风力等。

这些载荷会导致钻进模块产生动态响应，包括位移、速度和加速度等。

通过采集实测资料和数值模拟的方法，可以获得海洋平台在不同海况条件下的水动力载荷数据，为后续分析提供基础。

钻进模块的动态响应分析主要关注结构的振动响应和动力特性。

通过应用动力学原理和有限元分析等方法，可以计算出钻进模块在不同外部载荷下的振动响应，并获得其相应的自然频率、振型和共振现象等信息。

这些信息对于设计人员来说是非常重要的，可以帮助他们了解结构的强度和刚度情况，从而指导后续设计工作。

在进行减震设计时，主要考虑如何减小钻进模块的动态响应和振动。

减震设计可以通过多种方式实现，包括使用减震器、增加阻尼、优化结构参数等。

其中，减震器是一种重要的减震措施，可以通过吸收和分散能量的方式来减小结构的振动幅度。

通过合理选择减震器的类型、参数和布置方式，可以使钻进模块的动态响应得到有效控制，提高其运行的安全性和稳定性。

除了减震设计外，海洋平台的钻进模块还需要考虑其他方面的设计要求，如材料选择、结构刚度和稳定性等。

材料选择需要考虑海水的腐蚀性和强度要求，确保结构的耐久性和可靠性。

结构刚度的设计需要满足工作载荷的要求，避免由于结构变形导致工作环境的不稳定性。

稳定性的设计要求钻进模块在复杂海况下的稳定性，避免因为倾斜或者失稳导致事故的发生。

海洋固定平台模块钻机振动分析

海洋固定平台模块钻机振动分析李彦丽【摘要】The vibration problem of the modular drilling rig(MDR)of offshore fixed platform in the progress of drilling was analyzed.Taking MDR of Jinzhou 25-1 south oilfield as example,the structural vibration characteristics of MDR were computed by SACS,including modal analysis for the whole structure and local structure used for supporting the vibration equipment.It can provide foundation of analysis and reference data for solve the resonance problem between vibration equipment and supporting structure.%针对海洋平台模块钻机钻井过程中发生的振动问题,以锦州25-1南油田某模块钻机为例,基于SACS结构分析程序对钻机结构振动特性进行计算分析,主要包括钻机整体结构自振特性以及主要振动设备支撑结构局部自振特性,为解决大型振动设备与结构共振问题提供分析基础及数据参考.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2017(046)005【总页数】5页(P65-69)【关键词】模块钻机;振动分析;模态分析;SACS【作者】李彦丽【作者单位】中海油能源发展装备技术有限公司工程设计研发中心,天津300452【正文语种】中文【中图分类】U661.44海洋平台模块钻机布置着转盘、顶驱、振动筛、泥浆泵、柴油发电机组等激振设备，强烈的振动会引起设备连接螺栓断裂；激振力振幅变大，造成其他设备损坏，噪声损伤人员身体，并引起平台结构疲劳损伤。

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。

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。

深井钻柱振动规律的分析及应用

深井钻柱振动规律的分析及应用韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉【摘要】钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象,对钻井的影响很大,钻柱共振是钻柱失效的主要原因.文章研究深井钻柱的振动问题,以深井钻柱为研究对象,分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动.首先,建立了深井钻柱各种振动的力学模型,获得了钻柱振动所遵循的物理规律,得到了钻柱的各种共振频率.然后,结合实际对振动规律进行了应用,该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据.【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2005(025)009【总页数】4页(P76-79)【关键词】深井;钻井;纵向振动;钻柱横向振动;扭转振动【作者】韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉【作者单位】大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院【正文语种】中文【中图分类】工业技术-J.• i--~ 天然气工业2005 年 9 月深井钻柱振动规律的分析及应用普韩春杰阎铁毕雪亮陈要辉｛大庆石油学院〉事事春杰等．深井钻柱振动规律的分析及应用．天然气工业， 2005;25(9) , 76～ 79摘要钻位振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。

文章研究深井钻柱的振动问题．以深井＋伊拉为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动．首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型．获得了钻柱振动所遵循的物理规律．得到了钻柱的各种共振频率．然后．结合实际对振动规律进行了应用．该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据．主题词深井钻井纵向振动钻柱横向振动扭转振动随着钻井技术的不断提高．勘探开发是国内外钻井的主要丁．作之一，已取得了很大的经济效益和社会敢益，然而深井钻具疲劳失效问题也比较突出。

钻柱的剧烈振动是引起深井钻具失效的主要原因，因为钻柱在剧烈振动的过程中，钻柱表面的应力集巾，应力较大处可能产生裂纹，裂纹延伸到一定程度时．钻柱会安然发生断裂事故．本文针对深井钻具失敢问题．进行深井钻具组合的钻柱力学分析，找出影响钻柱断裂、疲劳破坏的主要因素，提出减少钻具失效的方法和手段，对于提高深井钻井速度．降低钻井戚本有重要意义。

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]。

海上平台在动设备影响下的振动分析研究

海上平台在动设备影响下的振动分析研究发表时间：2020-09-17T15:43:49.140Z 来源：《建筑实践》2020年14期作者：李兰梅[导读] 随着工业的发展，社会的不断进步，海上石油平台的搭建和发展受到了社会各方越来越多的关注，李兰梅博迈科海洋工程有限公司天津 300457摘要：随着工业的发展，社会的不断进步，海上石油平台的搭建和发展受到了社会各方越来越多的关注，也成为了石油开采和石油化工产业发展的关键。

在经济和技术高速发展的大背景下，新技术及设备的不断涌现和引进，在石油化工产业中被广泛应用，并起到了极大的作用。

而由于石油化产业的独特性，在动设备在运转的过程中会由于环境等因素产生振动故障问题从而造成对运行及工作效率的影响。

尤其是海上平台石油化产业设备运转的过程中因为在海面上进行开采工作，极其容易出现石油化工转动设备振动的故障问题。

本文就当下海上平台在动设备影响下的振动情况进行详细的分析研究，探究其故障原因，并就故障问题提出改善措施。

关键词：海上平台在动设备；振动；分析研究引言随着世界经济的发展，对能源需求的不断增加，油气资源的不断开采导致的能源的减少甚至枯竭。

而对能源的持续需求，使得人们将目光关注到海上油气资源的开采上。

尤其是21世纪后，各国对海上石油资源的开采迎来了新的篇章，其设备的技术也随着科技的发展不断的更新和被广泛使用。

自1947年墨西哥建造了世界第一座钢制海上平台起，当下世界各国的海上平台已经成为了石油资源开采的主流。

作为海洋石油资源开放的重要途径，海洋平台的合理有效利用成为了当下石油化工产业发展的主要方向之一。

海上平台地理位置及工作方式的特殊性导致了环境载荷及海洋平台上设备等会产生振动的故障问题，即海洋上平台在动设备包括有电站设备、电泵设备、压缩机等等，海洋平台设备在运行工作时对平台造成的周期性激振力从而造成的海洋平台结构发生的振动。

而海洋平台的周期性振动不仅会造成平台结构的破坏，也会影响到海洋平台上工作人员的身体状况、心情及工作效率，甚至会影响到整个海洋平台的稳定性及其结构的合理性。

钻柱轴向与横向耦合振动的有限元分析

ｇｔｉａｎａｅａｏｕｌｄｖｂｒｔｏｎｏｒｌｓｒｎｇｉｉｕｄｎｌａｄｌｔｒｌｃｐｅｉａｉｆｄｉｌｔｉｍｐａｔｏｈｅｗｈｏｅｐｏｃｓｆｔｉｌｎｃｎｔｌｒｅｓｏｈｅｄｒｌｉｇ．
ＹＡＮｅ，ＡＮＧｅｇｎＬｈｎ，ＩＸｕ —ｉｎ，ＴｉＷＸｕ — ａｇ，ＩＳａ。ＢｅｌｇＨＡＮｕ —ｉａＣｈｎｊｅ
（．ｒｈａｔｔｏｅｍｉｅｓｔＤａｉｇ１３１Ｃｈｎ１ＮｏｔｅｓＰｅｒｌｕＵｎｖｒｉｙ，ｑｎ６３８，ｉａ；
和动力学分析，推导出悬点载荷，平衡重力及减速箱曲柄轴扭矩的计算公式，绘制了ＣＪＯ３３ＨＢ并ＹＹ１一— ７型抽油机减速箱曲柄轴扭矩曲线。通过对比原抽油机和加装减载器并达到新平衡的抽油机的扭矩曲线及均方根扭矩值，以看出减载器能大幅度减轻抽可油机驴头悬点载荷及抽油杆柱重力，到了增加油达井产量、提高系统效率、降低能耗的目的。
ｗｈｌｒｌｓｒｎｄ１Ｏｎｔｅｂｓｓｏｈｉｅｒａａｙｉｏｈｒｌｔｉｇｍｏｕｅｃｎｉｅｉｇｏｅｄｉｔｉｇｍｏｅ．ｈａｉｆｔｅｌａｎｌｓｓｆｔｅｄｉｓｒｎｄｌ，ｏｓｄｒｎｌｎｌ
设计及节能分析［］科学技术与工程，０９９１）Ｊ．２０，（４：

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。

海洋平台结构振动控制研究综述

海洋平台结构振动控制研究综述随着海洋资源的开发和利用越来越普遍，海洋平台的建设也相应变得越来越重要。

然而，海洋环境的复杂性和不确定性给海洋平台的结构设计和运行带来了很大的挑战。

其中一个重要的问题是海洋平台结构的振动控制。

本文将综述海洋平台结构振动控制的研究现状和趋势。

海洋平台结构振动的种类对于海洋平台结构的振动控制，首先需要了解振动的种类。

海洋平台结构的振动主要有以下三种：1. 自由振动：指平台受到某种外部激励后停止施加外部激励，平台仍然保持一定幅度的振动。

这种振动主要与海浪的自然响应有关。

2. 强迫振动：指平台受到外部激励施加后继续继续振动。

这种振动与风、海流、潮流等外部环境有关。

3. 自振振动：指平台的自身特性与外部激励达到共振状态产生的振动。

这种振动也主要与海浪的共振作用有关。

海洋平台结构振动控制方法针对上述三种振动类型，目前主要有以下几种振动控制方法：1. 被动控制：通过采用能够吸收或减弱平台振动的材料，如海绵、减震器、液体阻尼器等来控制平台振动。

2. 主动控制：通过电动机、液压机等主动元件对平台振动进行控制。

这种方法控制效果好，但成本较高。

3. 半主动控制：结合了被动控制和主动控制的优点。

主要通过改变平台结构的刚度和阻尼来控制平台振动。

4. 智能控制：主要通过采用传感器、控制器等智能控制系统实时反馈并控制平台振动。

海洋平台结构振动控制研究进展目前，海洋平台结构振动控制研究已经取得了一定的进展。

以智能控制为例，近年来研究人员提出了基于人工智能、模糊控制、神经网络等技术的智能控制方法，取得了一定的控制效果。

此外，还有一些研究集成了多种振动控制方法，如采用半主动和被动控制相结合的方法进行控制。

这种方法通过减少主动控制的使用次数，降低了成本，并且控制效果也很好。

另外，还有一些研究深化了对海洋环境的认识，运用数值模拟和试验室实验探究了海洋平台结构振动的规律。

这种研究不仅可以为振动控制提供更准确的参考，也能为海洋平台的设计提供更合理的方案。

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: ＡＤＯＩ: １０１６０８２ / ｊｃｎｋｉｉｓｓｎ１００１－４５７８２０２３０８０１９
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＣｏｕｐｌｅｄＡｘｉａｌ￣ＴｏｒｓｉｏｎａｌＳｔｉｃｋＳｌｉｐＶｉｂｒａｔｉｏｎ
ＢｅｈａｖｉｏｒｓｏｆＤｒｉｌｌＳｔｒｉｎｇｉｎＤｅｅｐＷｅｌｌ
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
ｋｇｍ２ / ｒａｄꎻ ｋｔ为钻柱系统等效扭转刚度ꎬ
Ｎｍ / ｒａｄꎻ ｃｔ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 ｃｒ、ｃｂ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
ｄｒｉｌｌｉｎｇｑｕａｌｉｔｙａｎｄａｆａｉｌｕｒｅｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓꎬ ｗｈｉｃｈｓｅｒｉｏｕｓｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｓｔａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ. Ｔｈｅ
ｌｕｍｐｅｄｍａｓｓｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄａｘｉａｌ￣ｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｉｎｄｅｅｐｗｅｌｌꎬ 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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海上平台钻井钻柱耦合振动规律分析
摘要：目前定向井、水平井、大位移井等复杂结构井在油田广泛应用。

井型不断增加,井下
和井上环境变化多端,对钻井的主要承载体钻柱的力学分析和计算要求也逐渐增高,关系到整
口井顺利完钻的成败。

严重时引起钻柱失效、跳钻等钻井事故发生。

因此有必要开展定向井
钻柱振动研究,对定向井的设计和钻具的优选都具有重要的指导意义，为提高现场钻井技术水
平和降低钻井成本提供技术支持和理论保障。

关键词：海上钻井；钻柱；耦合振动
钻井工程是石油天然气勘探开发的主要手段和油气生产的关键工序之一，大力发展钻井创技
术是提高油气采收率最具潜力的手段之一。

目前，世界钻井技术日创月异，定向井、水平井
等技术在油田普遍得到使用，在老油田，油田开采后期侧钻水平井、大位移井等创技术成为
提高采收率的最有效手段之一。

而钻井力学对这些创的钻井方式提供了理论支持和技术指导。

1 钻柱在不同的工作状态下受到不同的载荷
（1）轴向力：起下钻时，由于钻柱自身重力作用，使整个钻柱受到拉力，井口处最大，越
向下越小。

在钻井液条件下，钻柱受到钻柱的浮力，浮力作用方向与拉力正好相反，因此减
小了钻柱的上部拉力。

钻柱与井壁间存在摩擦力，使得下钻时减小上部钻柱拉力，起钻时增
加上部钻柱拉伸载荷。

（2）扭矩：钻盘转动带动钻柱、钻头旋转，并克服钻柱与井壁间存
在摩擦阻力，使钻头破碎岩石，因此钻柱内存在扭矩，并且井口处扭矩最大，钻头处扭矩最小。

（3）弯矩：正常钻进时，当施加的钻压超过钻柱的临界值时，下部钻具受压发生弯曲
变形。

在转盘钻进时，钻柱在离心力作用下也会产生弯曲。

钻柱在弯曲井眼内工作时，也将
发生弯曲，弯曲变形的钻柱在轴向压力的作用下，将受到弯曲力矩的作用，产生弯曲应力。

在弯曲状态下，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。

（4）振动：钻进时，
钻头和井底不连续的接触引起的钻柱上下运动；钻柱偏心或钻柱绕井眼轴线公转诱发的横向
摆动；钻头破碎岩石时井底反扭矩的变化等因素引起的振动。

（5）动载：在起下钻施工时，由于钻柱运动速度的变化，会引起纵向振动，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力，动载的大小
与操作因素有关。

2 钻柱振动
钻柱疲劳破坏和钻柱失效的影响因素很多。

其中钻柱振动与钻柱疲劳破坏和钻柱失效事故有
着直接关系，（1）由于受钻柱振动的影响，钻压不能均匀地加在钻头上，实测井底钻压波
动值在±35％～±100％之间变化。

钻头因钻柱的剧烈跳动而跳离井底，冲击载荷又使得钻头
轴承和镶齿过早发生破坏，因此钻头的总进尺和机械钻速都大为降低。

（2）钻柱自身的剧
烈振动，将引起钻柱上连接螺纹疲劳断裂。

钻铤螺纹受到的影响最为严重，断裂常发生于此。

由于横向振动难于避免，因而在某些井段引起钻柱公转，这是造成钻杆街头偏磨的主要原因
之一。

（3）当钻柱振动比较严重时，方钻杆将在钻盘内猛烈跳动，死绳出现大幅度晃荡；
指重表指针来回摆动，往往引起钻机和井架的强迫振动，因而对地面设备有一定的破坏作用。

钻柱的振动主要有三种形式：纵向振动、横向振动、扭转振动。

三种振动形式形态
不同。

纵向振动是沿着钻柱轴线方向；横向振动又被称为弦振；扭转振动则像钟表内的弹簧
带动摆轮，左右反复扭动。

钻柱振动有时还表现为三种振动形式的耦合振动，同时也伴有钻
井液、井壁等因素的影响，因此钻柱耦合振动分析是一个复杂的动力学问题。

因此研究钻柱
耦合振动规律是一项有意义、有必要的研究。

3 钻柱耦合振动规律分析
Poletto.F.等人认为钻头的振动将影响对钻柱振动信号的采集，使信号不能真实反映钻柱与井壁、泥浆等耦合振动的实况，他们建立了描述钻柱波动的数字模型，用以自动地校正钻头对
钻柱振动周期的影响。

本文在定向井井眼轨迹和有限元基础理论的研究基础上，以定向井整
体钻柱为研究对象，将其看成三维空间中弹性杆，根据定向井井型特点离散钻柱，进行分析，得到定向井钻柱振动规律，并分析钻井液对钻柱振动的影响。

然后综合考虑钻柱纵向振动、
横向振动、扭转振动，建立定向井耦合振动模型。

利用有限元理论进行分析计算，得到了钻
柱耦合振动规律。

并开发了相应的振动分析软件，并在近10 口井的现场实例计算，基本达到预期效果，为提高现场钻井技术水平和降低钻井成本提供技术支持和理论保障。

定向井在施工过程中，钻柱的振动状态并不是单一的，通常是几种振动形式都存在的耦合振
动状态，对井底钻具组合产生破坏性的动载。

采用有限元法。

将整体钻柱作为研究对象，以
拉格朗日方程为基础，推导单元矩阵，并整合总体矩阵，求解钻柱耦合振动规律。

3.1 钻柱耦合振动模型的建立
钻柱主要包括钻杆柱和底部钻具组合 2 部分。

井底钻具组合部分主要由钻铤、减震器及钻头
等组成。

将钻柱进行力学模型抽象和简化，只考虑由一种钻杆和一种钻铤组成的简单杆柱系统，其模型根据钻柱形态1、2、3、……、n-1 段为钻杆段，n 为钻铤段。

根据简化模型建立相应数学模型，在建立动力学模型时，作如下假设:（1）钻柱与井眼内壁都是刚性的，且钻柱
的横截面圆环形；（2）井眼轨迹是三维的；（3）钻柱是微小变形的弹性体。

并且钻进过程中，钻柱轴线只是略微偏离井眼轴线。

首先，将整个钻柱离散成有限个单元，先求出各个单
元特征参量。

需要说明的是使用的节点和单元数越多，结果越精确。

每个部分有统一的横截
面积。

另外由于造斜（降斜）段井斜角变化较大，因此在离散的时候对造斜（降斜）段划分
单元较多。

以提高模型的精度。

3.2 钻柱耦合振动模型的求解
钻井方式多种多样，对于不同井型、不同井深有着不同的整体质量矩阵和刚度矩阵。

利用有
限元思想，进行单元组合，将单元刚度矩阵和单元质量矩阵组合起来得到总体刚度矩阵[K]和
总体质量矩阵[M]：将矩阵转换后的矩阵进行分块，并利用有限元方法进行矩阵迭加，得到全井钻柱的整体刚度矩阵[K]和整体质量矩阵[M]：代入钻柱系统的频谱方程中进行矩阵运算，
将求得的矩阵2ω 转化为对角阵，对对角阵上的对角元素开方，便可求解无阻尼情况下钻柱
系统的轴向振动固有频率矩阵，进而得到各阶振动固有频率。

钻井过程中要避免钻头处受到
外界干扰而产生的振动频率接近钻柱系统的耦合固有频率ω。

某井为高危险地区重点井，井控风险级别为一级风险井，地质结构及井下情况复杂；设计垂
深为3700m，水平位移：712.60m。

为此，选取该井进行钻柱振动软件测试。

井型：定向井；目的层：沙三段兼探沙二段、沙一下；井口至靶点井斜方位：129.20°, 水平位移：447.60m；
设计垂深：3700 米；井口坐标：X: 4278108.10，Y: 20531673.70。

通过计算分析得到了钻柱
的各个共振频率区间，分别对应不同的共振转速区间。

该井在转盘转速小于110 时存在较分
散的振动区间，因此需要施工时避共振区间，减小钻柱疲劳。

如图通过“井深-振幅”图可直观
看出出现共振状态时，全井钻柱振动分布。

在钻盘转速15.7rpm 时，振动剧烈部位主要集中
在近钻头处，且横向振动较为严重。

参考文献
1.毕雪亮,王健,闫铁,韩春杰. 定向井钻柱轴向振动有限元分析[J]. 科学技术与工程. 2010(19)
2.韩春杰,阎铁,毕雪亮,陈要辉. 深井钻柱振动规律的分析及应用[J]. 天然气工业. 2005(09)。