流體作用下鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)試驗(yàn)研究

吳少博，程學(xué)亮，李治淼

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318） ①

·實(shí)驗(yàn)研究·

流體作用下鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)試驗(yàn)研究

吳少博，程學(xué)亮，李治淼

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）①

考慮鉆柱在井口、井底的位移邊界條件和力邊界條件，建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了不同激振頻率、不同軸向激振力、不同排量條件下的桿柱振動(dòng)試驗(yàn)和不同軸向激振力、不同轉(zhuǎn)速、不同排量條件下的桿柱旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，激振頻率、轉(zhuǎn)速和循環(huán)流體是影響鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素。在空氣介質(zhì)的情況下，隨著激振頻率的增加，桿柱的橫向位移基本保持不變，軸向激振力、軸向加速度有顯著增加；在循環(huán)流體作用下會(huì)減小軸向激振力、軸向加速度的增長趨勢。在空氣介質(zhì)的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸向激振力變化不大，而鉆柱的橫向位移、桿柱軸向加速度均呈現(xiàn)出增加的趨勢；但在循環(huán)流體的作用下，軸向激振力、振幅及鉆柱的加速度振幅都降低，加速度振幅也顯著降低。可見，流體循環(huán)可明顯改善桿柱振動(dòng)。

鉆柱；振動(dòng)；旋轉(zhuǎn)；試驗(yàn)

幾十年來，許多從事直井防斜、井眼軌跡控制和研究鉆柱力學(xué)的中外學(xué)者基于不同的研究目標(biāo)和研究方法，對(duì)鉆柱力學(xué)分析的理論分析進(jìn)行了大量研究，提出了鉆柱在井眼中存在自轉(zhuǎn)、同步公轉(zhuǎn)、既有自轉(zhuǎn)也有公轉(zhuǎn)、反向轉(zhuǎn)動(dòng)等不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的假設(shè)［1－5］，并提出了許多對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義的論點(diǎn)。為了進(jìn)一步了解和分析井下旋轉(zhuǎn)鉆柱的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其影響因素，大量學(xué)者在試驗(yàn)室對(duì)鉆柱的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行模擬。大量隨鉆測量數(shù)據(jù)表明，直井底部鉆具組合存在嚴(yán)重的橫向振動(dòng)［6］，其危害遠(yuǎn)大于軸向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)［7－8］；文獻(xiàn)［9－10］等認(rèn)為，不可能在地面觀測到井下彎矩，人們還沒有充分理解井下橫向振動(dòng)的實(shí)質(zhì)。石油大學(xué)的管志川［11］以底部鉆柱實(shí)際工作環(huán)境為原形，根據(jù)相似原理建立的直井底部鉆具動(dòng)力學(xué)研究試驗(yàn)臺(tái)，研究了鉆壓、轉(zhuǎn)速對(duì)鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，但該試驗(yàn)沒有考慮流體對(duì)鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。為此建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置，對(duì)循環(huán)流體對(duì)鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。并且根據(jù)探針式位移傳感器易憋針的現(xiàn)象，對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，將橫向位移轉(zhuǎn)化成縱向位移進(jìn)行測量，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，能夠更好地研究鉆柱地運(yùn)動(dòng)狀況。

1 模擬試驗(yàn)裝置

為了研究鉆柱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)模擬試驗(yàn)裝置，如圖1。該試驗(yàn)裝置分為懸掛系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)、流體循環(huán)系統(tǒng)、井底模擬系統(tǒng)、測量系統(tǒng)6大系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)桿柱的上提、下放、旋轉(zhuǎn)及鉆井液循環(huán)等動(dòng)作。通過6個(gè)測點(diǎn)對(duì)鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了研究，測點(diǎn)1為0m處井底模擬系統(tǒng)中的壓力傳感器測定細(xì)長桿柱底部的軸向力；測點(diǎn)2～5是通過4.3、8.6、12.6、16.3m處的位移傳感器測試4個(gè)測點(diǎn)的x、y方向的位移，測點(diǎn)6是20.7m處的模擬井口裝置中的加速度傳感器測定桿柱頂端的加速度。

流體循環(huán)系統(tǒng)的作用是模擬鉆井液循環(huán)，鉆井液的循環(huán)可攜帶巖屑、冷卻鉆具、潤滑鉆頭。本試驗(yàn)臺(tái)循環(huán)液體的流程為水箱—離心泵—懸掛系統(tǒng)—內(nèi)桿柱—尾管—內(nèi)外管環(huán)空間隙—水箱，模擬鉆井液的循環(huán)。流體排量的控制方式有二種：一是通過變頻器控制離心泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速；二是通過液壓回路來控制。

圖1 垂直旋轉(zhuǎn)鉆柱試驗(yàn)裝置

桿柱的振動(dòng)位移測試裝置采用探針式位移傳感器，連接方式如圖2。當(dāng)鉆柱在較長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，探針因受力容易彎曲，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性甚至憋針現(xiàn)象，影響測量結(jié)果。為了解決這一問題，研制了接觸式測試裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3，包括拉桿式位移傳感器、閥桿、密封圈、壓電式力傳感器等。測試裝置的閥頭靠彈簧力始終與內(nèi)桿柱接觸。當(dāng)內(nèi)桿柱運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥桿隨之運(yùn)動(dòng)，閥桿斜頭即推動(dòng)位移傳感器探頭縱向移動(dòng)，將橫向位移轉(zhuǎn)換為縱向位移進(jìn)行測量，從而研究桿柱的橫向振動(dòng)；閥桿同時(shí)壓縮彈簧，由測試裝置尾部的力傳感器測出橫向推力的大小。每組傳感器由x、y方向的2個(gè)位移傳感器和2個(gè)力傳感器組成，據(jù)此即可得到每個(gè)測點(diǎn)在平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而測量不同鉆壓、轉(zhuǎn)速、流量等條件下的桿柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖2 探針式位移傳感器連接方式

圖3 接觸式測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 桿柱振動(dòng)試驗(yàn)研究

2.1 空氣介質(zhì)

為了研究鉆柱在無水（空氣介質(zhì)）條件下的振動(dòng)情況，進(jìn)行了不同初始軸向力的不同激振頻率的試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)律基本相同。

初始軸向力為244.65N，頻率為1、2、5、10Hz，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

由表1可知，鉆頭處激振力分別為－550～－420、－560～－420、－540～－400、－590～－410 N，激振力幅值分別為130、140、140、180N，10Hz頻率的幅值相對(duì)于1Hz增加了38.46%，相對(duì)于初始軸向力增加了20.44%，可見激振力幅值有顯著增加。由測點(diǎn)2～5的橫向位移可知，隨著頻率的增加，鉆柱的運(yùn)動(dòng)軌跡整體上有微小的增大。如表1可知，在8.6m測點(diǎn)軌跡基本在坐標(biāo)（0.1，－0.9）附近處，這說明頻率對(duì)鉆柱的運(yùn)動(dòng)軌跡影響不大。測點(diǎn)6的加速度分別為0.02～0.11、0.02～0.12、0.01～0.11、0～0.13m／s2，加速度幅值分別為0.09、0.10、0.10、0.13m／s2，10Hz頻率的加速度幅值相對(duì)于1Hz增加了44.44%，可見在空氣介質(zhì)條件下，軸向激振力的頻率改變對(duì)桿柱的軸向加速度影響較大。

2.2 流動(dòng)水介質(zhì)

為了研究循環(huán)流體對(duì)鉆柱振動(dòng)的影響，在不同激振頻率下進(jìn)行了不同初始軸向力、不同排量條件下的試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)律基本相同。

以初始軸向力為347.59N、排量0.5m3／h、頻率為1、2、5、10Hz激振試驗(yàn)為例，軸向激振力分別為－460～－410、－470～－410、－445～－375、－440～－360N，激振力的幅值分別為50、60、70、80N，10Hz頻率的幅值相對(duì)于1Hz增加了60%，相對(duì)于初始軸向力增加了8.63%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表1 空氣介質(zhì)條件下桿柱振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 水流動(dòng)條件下桿柱振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可見，在水流動(dòng)條件下，隨著激振頻率的增加，軸向激振力的增加幅度比空氣介質(zhì)條件下要小50%以上；由測點(diǎn)2～5的橫向位移可知，隨著頻率的增加，鉆柱的運(yùn)動(dòng)軌跡基本上保持不變。例如在12.6m測點(diǎn)軌跡基本在坐標(biāo)（3.2，0.85）處，這說明頻率對(duì)鉆柱的運(yùn)動(dòng)軌跡影響不大。測點(diǎn)6的加速度分別為0～0.18、－0.01～0.18、0～0.18、0～0.18m／s2，加速度幅值分別為0.18、0.19、0.18、0. 18m／s2，可見在水流動(dòng)條件下，隨著激振頻率的增加，桿柱的加速度基本上沒有變化。

2.3 桿柱旋轉(zhuǎn)無水工況

為了研究鉆柱在無水旋轉(zhuǎn)情況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行了不同初始軸向力的不同轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，以初始軸向力為311.50N、轉(zhuǎn)速分別為45、97、152、213r／min為例說明不同轉(zhuǎn)速對(duì)鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

表3 無水（空氣介質(zhì)）條件下的桿柱旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可見，不同轉(zhuǎn)速條件下，軸向激振力分別為－320～－200、－375～－245、－390～－250、－410～－220N，激振力的幅值分別為120、130、140、190，10Hz頻率的幅值相對(duì)于1Hz增加了36.8%，可見213r／min轉(zhuǎn)速下的激振力較大，幅值差約為190N，最大激振力為410N，軸向激振力隨轉(zhuǎn)速的增加略有增加；隨著轉(zhuǎn)速的增加，桿柱橫向位移的幅值略有增大。同一激振力條件下，轉(zhuǎn)速的改變對(duì)橫向位移也有影響。測點(diǎn)6的加速度分別為－0.3～0.3、－0.7～0.7、－2.0～2.0、－3.0～3.0m／s2，其幅值分別為0.6、1.4、4.0、6.0m／s2，213r／min下的加速度幅值為45r／min下的10倍，可見隨著轉(zhuǎn)速的增加，鉆柱的軸向加速度隨之顯著增加。

2.4 桿柱旋轉(zhuǎn)水流動(dòng)工況

為了研究循環(huán)流體對(duì)旋轉(zhuǎn)鉆柱在不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)下的影響，分別做了不同初始軸向力、不同排量條件下的不同轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)。以軸向力為299.47N、排量為1m3／h，轉(zhuǎn)速分別為45、97、152、213r／min的不同轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)為例說明循環(huán)流體對(duì)鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。由表4可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，激振力分別為－280～－140、－290～－140、－310～－160、－320～－180N，幅值分別為140、150、150、140N，可見在水流動(dòng)條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，激振力有略微增大，但幅值沒有明顯變化；4個(gè)測點(diǎn)的橫向位移幅值分別為1.6、2.8、2.5、5.2 mm，由測點(diǎn)2～5的橫向位移可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，桿柱橫向位移的幅值略有增大，可見鉆柱的運(yùn)動(dòng)區(qū)域呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢；測點(diǎn)6的加速度分別為－0.4～0.4、－0.7～0.8、－0.5～0.5、－0.6～0.8 m／s2，其幅值分別為0.8、1.5、1.0、1.4m／s2，隨著轉(zhuǎn)速的增加，鉆柱的加速度呈現(xiàn)出先增大后略減小的非線性變化趨勢。

表4 水流動(dòng)條件下的桿柱旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1） 分析了底部鉆具組合實(shí)際工作環(huán)境與工作狀態(tài)，建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)底部鉆具組合在循環(huán)流體作用下的試驗(yàn)，并對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆壓波動(dòng)值等參數(shù)的測量。

2） 在桿柱振動(dòng)試驗(yàn)中，無水時(shí)，隨著頻率的增加，軸向激振力、軸加速度有顯著增加，桿柱的橫向位移基本保持不變。在有循環(huán)流體的作用下，隨著頻率的增加，軸向激振力增加，鉆柱的運(yùn)動(dòng)軌跡、加速度基本上沒有變化。與無流體工況相比，軸向激振力明顯減小，可見流體環(huán)境能夠改善桿柱振動(dòng)。

3） 在桿柱旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，無水時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸向激振力略有增加，而鉆柱的橫向位移、桿柱軸向加速度均呈現(xiàn)出增加的趨勢；在有循環(huán)流體的作用下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，桿柱底部激振力、頂端軸向加速度略有增加，桿柱橫向位移增大，鉆柱的運(yùn)動(dòng)區(qū)域呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢；與無水工況相比，有水條件下會(huì)使軸向激振力、振幅及鉆柱的加速度振幅降低，加速度振幅也顯著降低，可見轉(zhuǎn)速愈高，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)愈強(qiáng)烈，流體循環(huán)可明顯改善桿柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

［1］ 章楊烈，肖載陽，端木綱.旋轉(zhuǎn)鉆柱運(yùn)動(dòng)原理的研究［J］.石油礦場機(jī)械，1988，17（2）：1－6.

［2］ 高寶奎，高德利，謝金穩(wěn).鉆柱渦動(dòng)及其應(yīng)用［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1997，21（1）：25－27.

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［10］ 李子豐.油井套管損壞的機(jī)理分析［J］.石油鉆采工藝，1985，7（4）：47－53.

［11］ 管志川，靳彥欣，王以法.直井底部鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的試驗(yàn)研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2003，24（5）：102－106.

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

黑龍江省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（QC2010068）；國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目研究成果（091022011）

吳少博（1989－），男，黑龍江大慶人，參與了自然科學(xué)基金項(xiàng)目“旋轉(zhuǎn)鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)分析方法研究”，E－mail：wushaobo79＠126.com。