流体作用下钻柱运动状态试验研究

吴少博，程学亮，李治淼

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318） ①

·实验研究·

流体作用下钻柱运动状态试验研究

吴少博，程学亮，李治淼

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318）①

考虑钻柱在井口、井底的位移边界条件和力边界条件，建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置，进行了不同激振频率、不同轴向激振力、不同排量条件下的杆柱振动试验和不同轴向激振力、不同转速、不同排量条件下的杆柱旋转试验。试验结果表明，激振频率、转速和循环流体是影响钻柱运动状态的主要因素。在空气介质的情况下，随着激振频率的增加，杆柱的横向位移基本保持不变，轴向激振力、轴向加速度有显著增加；在循环流体作用下会减小轴向激振力、轴向加速度的增长趋势。在空气介质的情况下，随着转速的增加，轴向激振力变化不大，而钻柱的横向位移、杆柱轴向加速度均呈现出增加的趋势；但在循环流体的作用下，轴向激振力、振幅及钻柱的加速度振幅都降低，加速度振幅也显著降低。可见，流体循环可明显改善杆柱振动。

钻柱；振动；旋转；试验

几十年来，许多从事直井防斜、井眼轨迹控制和研究钻柱力学的中外学者基于不同的研究目标和研究方法，对钻柱力学分析的理论分析进行了大量研究，提出了钻柱在井眼中存在自转、同步公转、既有自转也有公转、反向转动等不同运动状态的假设［1－5］，并提出了许多对工程实践具有指导意义的论点。为了进一步了解和分析井下旋转钻柱的实际运动状态及其影响因素，大量学者在试验室对钻柱的实际工作状态进行模拟。大量随钻测量数据表明，直井底部钻具组合存在严重的横向振动［6］，其危害远大于轴向及扭转振动［7－8］；文献［9－10］等认为，不可能在地面观测到井下弯矩，人们还没有充分理解井下横向振动的实质。石油大学的管志川［11］以底部钻柱实际工作环境为原形，根据相似原理建立的直井底部钻具动力学研究试验台，研究了钻压、转速对钻柱运动状态的影响，但该试验没有考虑流体对钻柱运动状态的影响。为此建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置，对循环流体对钻柱的运动状态的影响进行了试验研究。并且根据探针式位移传感器易憋针的现象，对测试系统进行了优化，将横向位移转化成纵向位移进行测量，使试验数据更准确，能够更好地研究钻柱地运动状况。

1 模拟试验装置

为了研究钻柱运动的规律，建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学模拟试验装置，如图1。该试验装置分为悬挂系统、旋转系统、杆柱系统、流体循环系统、井底模拟系统、测量系统6大系统，可实现内杆柱的上提、下放、旋转及钻井液循环等动作。通过6个测点对钻柱运动状态进行了研究，测点1为0m处井底模拟系统中的压力传感器测定细长杆柱底部的轴向力；测点2～5是通过4.3、8.6、12.6、16.3m处的位移传感器测试4个测点的x、y方向的位移，测点6是20.7m处的模拟井口装置中的加速度传感器测定杆柱顶端的加速度。

流体循环系统的作用是模拟钻井液循环，钻井液的循环可携带岩屑、冷却钻具、润滑钻头。本试验台循环液体的流程为水箱—离心泵—悬挂系统—内杆柱—尾管—内外管环空间隙—水箱，模拟钻井液的循环。流体排量的控制方式有二种：一是通过变频器控制离心泵的电机转速；二是通过液压回路来控制。

图1 垂直旋转钻柱试验装置

杆柱的振动位移测试装置采用探针式位移传感器，连接方式如图2。当钻柱在较长时间的运动后，探针因受力容易弯曲，导致测量数据的不准确性甚至憋针现象，影响测量结果。为了解决这一问题，研制了接触式测试装置，其结构如图3，包括拉杆式位移传感器、阀杆、密封圈、压电式力传感器等。测试装置的阀头靠弹簧力始终与内杆柱接触。当内杆柱运动时，阀杆随之运动，阀杆斜头即推动位移传感器探头纵向移动，将横向位移转换为纵向位移进行测量，从而研究杆柱的横向振动；阀杆同时压缩弹簧，由测试装置尾部的力传感器测出横向推力的大小。每组传感器由x、y方向的2个位移传感器和2个力传感器组成，据此即可得到每个测点在平面上的运动轨迹，从而测量不同钻压、转速、流量等条件下的杆柱运动状态。

图2 探针式位移传感器连接方式

图3 接触式测量系统结构

2 杆柱振动试验研究

2.1 空气介质

为了研究钻柱在无水（空气介质）条件下的振动情况，进行了不同初始轴向力的不同激振频率的试验，试验规律基本相同。

初始轴向力为244.65N，频率为1、2、5、10Hz，试验数据如表1。

由表1可知，钻头处激振力分别为－550～－420、－560～－420、－540～－400、－590～－410 N，激振力幅值分别为130、140、140、180N，10Hz频率的幅值相对于1Hz增加了38.46%，相对于初始轴向力增加了20.44%，可见激振力幅值有显著增加。由测点2～5的横向位移可知，随着频率的增加，钻柱的运动轨迹整体上有微小的增大。如表1可知，在8.6m测点轨迹基本在坐标（0.1，－0.9）附近处，这说明频率对钻柱的运动轨迹影响不大。测点6的加速度分别为0.02～0.11、0.02～0.12、0.01～0.11、0～0.13m／s2，加速度幅值分别为0.09、0.10、0.10、0.13m／s2，10Hz频率的加速度幅值相对于1Hz增加了44.44%，可见在空气介质条件下，轴向激振力的频率改变对杆柱的轴向加速度影响较大。

2.2 流动水介质

为了研究循环流体对钻柱振动的影响，在不同激振频率下进行了不同初始轴向力、不同排量条件下的试验，试验规律基本相同。

以初始轴向力为347.59N、排量0.5m3／h、频率为1、2、5、10Hz激振试验为例，轴向激振力分别为－460～－410、－470～－410、－445～－375、－440～－360N，激振力的幅值分别为50、60、70、80N，10Hz频率的幅值相对于1Hz增加了60%，相对于初始轴向力增加了8.63%，试验数据如表2。

表1 空气介质条件下杆柱振动试验数据

表2 水流动条件下杆柱振动试验数据

由表2可见，在水流动条件下，随着激振频率的增加，轴向激振力的增加幅度比空气介质条件下要小50%以上；由测点2～5的横向位移可知，随着频率的增加，钻柱的运动轨迹基本上保持不变。例如在12.6m测点轨迹基本在坐标（3.2，0.85）处，这说明频率对钻柱的运动轨迹影响不大。测点6的加速度分别为0～0.18、－0.01～0.18、0～0.18、0～0.18m／s2，加速度幅值分别为0.18、0.19、0.18、0. 18m／s2，可见在水流动条件下，随着激振频率的增加，杆柱的加速度基本上没有变化。

2.3 杆柱旋转无水工况

为了研究钻柱在无水旋转情况下的运动状态，进行了不同初始轴向力的不同转速的试验，以初始轴向力为311.50N、转速分别为45、97、152、213r／min为例说明不同转速对钻柱的运动状态的影响，试验数据如表3。

表3 无水（空气介质）条件下的杆柱旋转试验数据

由表3可见，不同转速条件下，轴向激振力分别为－320～－200、－375～－245、－390～－250、－410～－220N，激振力的幅值分别为120、130、140、190，10Hz频率的幅值相对于1Hz增加了36.8%，可见213r／min转速下的激振力较大，幅值差约为190N，最大激振力为410N，轴向激振力随转速的增加略有增加；随着转速的增加，杆柱横向位移的幅值略有增大。同一激振力条件下，转速的改变对横向位移也有影响。测点6的加速度分别为－0.3～0.3、－0.7～0.7、－2.0～2.0、－3.0～3.0m／s2，其幅值分别为0.6、1.4、4.0、6.0m／s2，213r／min下的加速度幅值为45r／min下的10倍，可见随着转速的增加，钻柱的轴向加速度随之显著增加。

2.4 杆柱旋转水流动工况

为了研究循环流体对旋转钻柱在不同转速试验下的影响，分别做了不同初始轴向力、不同排量条件下的不同转速的试验。以轴向力为299.47N、排量为1m3／h，转速分别为45、97、152、213r／min的不同转速的试验为例说明循环流体对钻柱运动状态的影响，试验数据如表4。由表4可知，随着转速的增加，激振力分别为－280～－140、－290～－140、－310～－160、－320～－180N，幅值分别为140、150、150、140N，可见在水流动条件下，随着转速的增加，激振力有略微增大，但幅值没有明显变化；4个测点的横向位移幅值分别为1.6、2.8、2.5、5.2 mm，由测点2～5的横向位移可知，随着转速的增加，杆柱横向位移的幅值略有增大，可见钻柱的运动区域呈现出扩大的趋势；测点6的加速度分别为－0.4～0.4、－0.7～0.8、－0.5～0.5、－0.6～0.8 m／s2，其幅值分别为0.8、1.5、1.0、1.4m／s2，随着转速的增加，钻柱的加速度呈现出先增大后略减小的非线性变化趋势。

表4 水流动条件下的杆柱旋转试验数据

3 结论

1） 分析了底部钻具组合实际工作环境与工作状态，建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置，可以实现底部钻具组合在循环流体作用下的试验，并对钻压、转速、钻压波动值等参数的测量。

2） 在杆柱振动试验中，无水时，随着频率的增加，轴向激振力、轴加速度有显著增加，杆柱的横向位移基本保持不变。在有循环流体的作用下，随着频率的增加，轴向激振力增加，钻柱的运动轨迹、加速度基本上没有变化。与无流体工况相比，轴向激振力明显减小，可见流体环境能够改善杆柱振动。

3） 在杆柱旋转试验中，无水时，随着转速的增加，轴向激振力略有增加，而钻柱的横向位移、杆柱轴向加速度均呈现出增加的趋势；在有循环流体的作用下，随着转速的增加，杆柱底部激振力、顶端轴向加速度略有增加，杆柱横向位移增大，钻柱的运动区域呈现出扩大的趋势；与无水工况相比，有水条件下会使轴向激振力、振幅及钻柱的加速度振幅降低，加速度振幅也显著降低，可见转速愈高，扭转振动愈强烈，流体循环可明显改善杆柱运动状态。

［1］ 章杨烈，肖载阳，端木纲.旋转钻柱运动原理的研究［J］.石油矿场机械，1988，17（2）：1－6.

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Experimental Research on Motion Behavior of Drill String under Fluid Action

WU Shao－bo，CHENG Xue－liang，LI Zhi－miao
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

Considering the displacement and force boundary conditions of drill string at the position of the top and the bottom of well dynamics experimental device of drill fluid coupling in straight hole was built to do two kinds of test：the column vibrating experiment under the conditions of different vibrating frequency，different axial excitation force and different flux and the column rotating test under the conditions of different axial excitation force，different rotating speed and different flux.The experimental results showed that，vibration frequency，rotary speed and flux were the main factors affecting the motion state of drill string.Under the air medium conditions，with the vibration frequency increased，the radial displacement of the column was unchanged，but vibration force and axial acceleration increased significantly.Under the action of circulation fluid，the growth trend of the axial vibration force and acceleration would be reduced.Under the air medium conditions，with the rotating speed increased，vibration force had no change obviously；the drill string transverse displacement and the pole axial acceleration were increasing，but the axial vibration force，amplitude and the acceleration of the drill string amplitude were reduced under the ac－tion of fluid in circulation，acceleration amplitude reduced significantly，too.So，fluid circulation can improve the pole vibration，obviously.

drill string；vibration；rotary；experiment

1001－3482（2012）01－0037－06

TE921.2

A

2011－07－19

黑龙江省青年科学基金资助项目（QC2010068）；国家大学生创新性试验计划项目研究成果（091022011）

吴少博（1989－），男，黑龙江大庆人，参与了自然科学基金项目“旋转钻柱与钻井液耦合动力学分析方法研究”，E－mail：wushaobo79＠126.com。