钻井液流速对钻柱纵向振动的影响

刘长顺（中石化华北石油工程有限公司西部分公司钻研所，河南　郑州　450000）

钻井液流速对钻柱纵向振动的影响

刘长顺（中石化华北石油工程有限公司西部分公司钻研所，河南郑州450000）

在实际的钻井中钻柱不可避免的产生纵向振动，钻柱强烈的共振可能造成严重的钻井事故从而增加了钻井难度和风险，甚至带来巨大的经济损失，本文通过对以下三方面的研究，建立了力学模型，推导出了振动频率方程，从而得出了钻柱振动的共振规律。

流速；纵向振动；频率；振幅

在钻井作业过程中，钻柱是传递运动和动力的主要工具，在狭长、充满着钻井液的井眼内运动时，钻柱的受力和运动形态极为复杂，承受着拉、压、弯、扭等多种载荷，钻柱的受力直接决定了钻柱的工作状态和钻井井眼轨迹的形成，也影响着钻井作业的成功与否。随着石油钻采过程中大位移井、深井、超深井、欠平衡钻井、水平井等钻井技术的应用，井下钻具的偏磨、失效的出现也越来越频繁，使得井眼轨迹的控制难度增加，大大增加了钻井成本。

一般认为钻柱的振动可能是由于以下几方面原因造成的：

（1）由于三牙轮钻头本身的结构特点，钻头交替切削井底岩石时引起钻柱振动；

（2）钻柱偏心或钻柱绕井眼轴线公转诱发的钻柱振动；

（3）由于地层岩性的各向异性和钻头破碎岩石时井底反扭矩的变化等因素引起的粘滑、蹩钻等振动；

（4）泵压的波动和井眼内钻井液体系压力的波动诱发的钻柱振动；

（5）钻压、转速等钻井参数的调节变化造成的钻柱的振动。同时考虑到钻柱工作的恶劣环境和井下作业的复杂工况，钻柱在狭长的井眼中工作，加上不同振源的激励作用，在钻柱中引发各种振动是难以避免的。

章扬烈［1］通过对各种振动的研究和分析认为—井下各种振动按危害程度由大到小排列顺序应该是：涡动、横向振动、扭转振动、纵向振动。本文主要研究钻井液流速的大小对钻柱纵向振动的影响。

1　主要研究内容

钻柱在井下振动［2］的形式是多种多样的，对振动影响的因素也有很多，其中钻井液的阻尼影响是不可忽略的，本文通过对钻柱内钻井液不同流态以及阻尼振动的不同运动状态的研究，并使用相应的模型以及ANSYS软件来讨论不同钻井液流速对钻柱纵向振动的影响，并当钻井液流速一定时，使用ANSYS软件来模拟不同钻杆长度、钻铤长度以及减震器的不同型号对钻柱纵向振动固有频率的影响，同时，文章还对钻柱纵向振动［3］进行了谐响应分析，研究了钻井液流速对钻柱纵向振动振幅的影响。

2　纵向振动的力学模型

到目前为止，国内外已经提出了五种以上安装减振器的钻柱纵向自由振动模型，但是具有典型意义的只有三种。

赵国珍、龚伟安指出钻柱纵向振动模型通用性很强，很多特殊的纵向振动，均可由此模型的解答中得到相应的结果。

3　有钻井液流速影响的频率

当钻柱振动为欠阻尼时，通过方程计算可得钻柱纵向振动的频率随着阶数的增加而逐渐增大，而钻井液处于层流时对钻柱纵振的频率影响比较明显，随着钻井液流速的增大而增大，而钻井液处于紊流时对钻柱纵振的频率影响比较小，当钻井液流速达到一定程度时纵振的频率处于稳定，而当钻井液流速相同时，随着频率阶数的逐渐增大而影响逐渐减小。

4　基于ANSYS的钻柱纵向振动分析

本文仅考虑钻井液的阻尼。确定边界条件，假设的井架上端为固定端约束，下端为除了沿轴向方向平移的其余五个自由度均约束。首先对其静力分析，为了对钻柱进行纵向振动固有频率及振型的模态分析。使钻柱在钻井过程中，整个钻柱只有沿钻柱纵向方向的平移，采用BlockLanczos法提取前7阶模态。

通过模拟可以看出，当钻井液流速较低时，钻井液的阻尼比较大，钻柱可能达到过阻尼振动状态和临界阻尼状态，随着钻井液流速的增大，阻尼逐渐减小，达到小阻尼振动状态，钻柱的振幅逐渐增大，当达到紊流时，钻井液流速增大对阻尼影响较小，使得振幅的变化不大。

当激振力的频率为0.7Hz时，各点的振幅有突变，且增加，这是因为这个频率值与钻柱纵振的固有频率相同，在此频率下产生共振，使整个钻柱的振动加强。随着激振频率的增大，整体上各个点的振幅在减少。而从井口位置到井底钻柱振动的振幅逐渐减小。当激振频率较低时，钻柱近似受静载作用，上部受拉，下部受压，至使整个钻柱的下部比上部振动强烈。而且适当的降低钻井液的流速，可以降低钻头处的振幅，降低跳转的积率。

5　结语

本文在理论分析的基础上，利用数学计算和ANSYS软件中的模态分析和谐响应分析研究了钻井液流速对钻柱纵向振动的影响，经过大量的计算和模拟可以的到如下结论：

（1）钻柱纵向振动的频率随着阶数的增加而逐渐增大，而钻井液处于层流时对钻柱纵振的频率影响比较明显，随着钻井液流速的增大而增大，而钻井液处于紊流时对钻柱纵振的频率影响比较小。

（2）用ANSYS对钻柱振动进行模态分析，当钻井液流速变化时，对钻柱纵向振动的固有频率没有影响；当钻井液流速一定时，钻杆长度的变化对直井整体钻柱纵向振动固有的影响变化较大，随钻杆长度增加，钻杆整体纵向振动的固有频率增加；而对于钻铤长度的变化，随着钻铤长度的增加，钻柱纵向振动的固有频率有所下降，各阶下降幅度有所不同；减震器能够起到一定的减震的作用，但效果不大。

（3）随着钻井液流速的增大，阻尼逐渐减小，而钻柱的振幅逐渐增大，可见适当的降低钻井液的流速能够起到保护钻杆，增加钻杆使用寿命的作用。

［1］章杨烈.油气井杆管柱力学［M］.石油工业出版社，1996.

［2］狄勤丰，王文昌，胡以宝等.钻柱动力学研究及应用进展［J］.天然气工业，2006，26（4）：57-59.

［3］赵德云，杨海波，杨跃波.深井钻具纵向振动规律分析研究［J］.钻采工艺2002，25（1）:14-17.