钻柱纵向振动的计算

摘要： 钻井过程中钻具失效问题严重。本文在理论分析的基础上，对纵向振动进行了较好的数值分析。研究表明，整体钻柱纵向振动特性受
钻柱规格以及长度影响。长度增加，钻柱相应各阶固有频率显著降低。纵向振动还与钻铤的长度有关，当钻铤长度增加时固有频率略有下降。计
入钻井液附加质量效应后，钻柱的各阶固有频率显著降低。分析表明，钻井液阻尼对钻柱动力安全性有一定的积极意义。
际情况分析振动规律，建立钻柱振动的力学模型，求解出钻柱的固 系数，对钻柱的振动研究十分重要。但其忽略了钻柱的扭转振动、纵
有频率和临界转速等值，通过调整钻进参数，避免或减少钻柱产生 向振动和涡动的影响。
共振已经引起越来越多的关注。
张学鸿等人通过建立钻柱的有限元振动方程，利用振型迭加
1 钻柱纵向振动的计算模型
Aldred W. D.，Sheppard M. C[7]采用有限元方法，对钻柱的纵向
原因引起。其中，钻柱产生共振是引起钻具失效的主要原因，约有 振动建立了振动模型并给出了边界条件及初始条件，考虑到了阻尼
50%[2]的钻柱失效问题是由于钻柱共振引起的。如何针对钻井的实 的作用，求解出了钻柱纵向振动方程。认为，如何确定钻井液的阻尼
lower. Analysis shows that drilling fluid damper have a certain positive significance on the drill string security.
关键词： 固有频率；钻柱；纵向振动；应力
Key words: natural frequency；the drill string；longitudinal vibration；stress
vibration natural frequence changes small while the Drill Collar length increases. Due to the influence of the drilling fluid the natural frequency becomes
中 图 分 类 号 ：TE2
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1006-4311（2012）03-0033-02
0 引言
振动的影响。结果表明，减振器安装适当的位置，可以减少钻柱的纵
钻井中的钻具失效[1]主要由井眼质量问题（如弯曲、狗腿、键槽 向振动，从而减少和防止钻柱发生断、刺事故。
等）、有害气体引起的钻具腐蚀和磨蚀、各种原因引起的钻柱共振等
Abstract: The problem of BHA’s failure is serious. Based on theory study, detailed numerical simulation on properties of the drill string was done
in this paper. The results show that the property of axial vibration changes while the string dimension and the length of drill string change. The axial
柱的疲劳破坏。对钻柱轴向振动问题的研究早于纵向振动和扭转振 计算出钻柱纵向振动的各阶固有频率，并揭示了钻铤的长度组合以
动，前人通过研究取得了一些研究成果。
及井深等因素的变化对钻柱纵向振动固有频率的影响规律。
1.2 国内外针对纵向振动建立的模型分析 李子丰[3]等针对钻柱
赵德云，杨海波，杨跃波以深井中的整体钻柱为研究对象，建立
比动位移重要得多，应该用位移激励法研究钻柱的纵向振动问题。
在图 1 所示模型中，K1 代表井架和钢
韩春杰，阎铁[4]以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向 丝绳的综合刚度，M1 代表游动滑车、大钩、
钻头使用寿命，而且易引起钻柱疲劳破坏。钻柱的纵向振动使钻头 动力学运动状态及钻柱失效状况相距甚远。
受到冲击载荷的作用，容易导致钻头轴承和牙齿过早的破坏；在钻
方鹏，江进国，沈玺[8]采用 ANSYS 软件对钻柱的纵向模型进行
柱的受拉和受压的分界面上将产生交变的拉应力和压应力，导致钻 了分析，建立了钻柱的实体模型和有限元模型。通过模态分析技术，
Value Engineering
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钻柱纵向振动的计算
Calculation of Longitudinal Vibration of Drill String
顾礼军 Gu Lijun
（山东省东营市胜利油田海洋采油厂，东营 257237） （Marine Oil Extraction Plant of Shengli Oilfieห้องสมุดไป่ตู้d in Dongying，Shandong Province，Dongying 257237，China）
的纵向振动，分别建立了力激励法和位移激励法的数学模型；计算 了深井钻柱一维纵向振动分析模型，采用动力有限元理论建立了描
结果表明，力激励法与位移激励法求得的消振转速相反，即力激励 述钻柱振动的动力学方程，并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件，
法的消振转速恰恰是位移激励法的共振转速，反之亦然；传统多以 最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析
力激励为边界条件来研究钻柱纵向振动的频率响应，并指导现场消 计算。分析了钻柱长度、阻尼、转速、井下工具对纵向振动的影响。
振作业的，这样给出的最佳消振转速，恰恰是共振转速；在钻井作业
1.3 针对不足所进行的模型改进假设 上述纵向模型存在的不
中，钻头的纵向跳动比纵向受力的变化要稳定得多，钻柱的动负荷 足在于忽略了钻铤长度的影响。
法、改进的李兹向量法对侧钻井钻柱的纵向振动进行了初步研究，
1.1 钻柱纵向振动数学模型 纵向振动是沿钻柱轴线方向进行 对钻柱的疲劳极限作出了定量的分析和界定，并开发了相应的软件
的，好像弹簧的上下反复伸缩振动。当外界的周期干扰力与钻柱的 系统。但其忽略了钻柱纵向和扭转振动的影响，更没有考虑到钻柱
轴向固有频率相同时，钻柱发生共振，出现剧烈跳钻。跳钻不但影响 的涡动，认为钻柱疲劳断裂的主要应力是轴向应力，与实际的钻具