深水鉆井鉆柱動力學(xué)機(jī)理研究

楊堯焜 等

摘 要：深水鉆井鉆柱是我國新興海洋石油工業(yè)中用量大、質(zhì)量要求高的管材，由于作業(yè)環(huán)境和受力分析復(fù)雜，深水鉆井鉆具系統(tǒng)的強(qiáng)度問題是當(dāng)代學(xué)者研究的熱門話題。文章詳細(xì)闡述上部和底部鉆柱橫向振動、縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動機(jī)理，介紹了縱振易引起橫振，橫振引起扭振原理，同時(shí)分析了三種振動、海洋載荷、隔水管、平臺相互耦合振動機(jī)理，指出了鉆柱動力學(xué)危害和采取的防范措施，其中隔水管、平臺、鉆柱內(nèi)外流體和流體流態(tài)等影響因素同樣不可忽視。

關(guān)鍵詞：深水鉆井 鉆柱動力學(xué) 耦合 有限元 影響因素

中圖分類號：TE24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0030-02

由于地球海洋蘊(yùn)藏著豐富的石油資源，我國逐漸重視深水石油的勘探開發(fā)技術(shù)，為了確保深水鉆井的安全鉆進(jìn)，深水鉆井鉆柱的強(qiáng)度問題引起了當(dāng)代研究者的關(guān)注。1992年，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查測試，每年至少發(fā)生鉆柱失效事故500起，直接經(jīng)濟(jì)損失4000萬元以上[1]。何況深水作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，鉆柱失效問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失更加不可估量，與鉆柱靜力學(xué)相比，鉆柱動力學(xué)能準(zhǔn)確反映井內(nèi)鉆柱實(shí)際工作狀態(tài)。由于深水鉆井鉆柱較長，底部鉆柱振動較大，上部隔水管、平臺的無規(guī)則運(yùn)動也加劇了鉆柱的振動，故了解深水鉆井鉆柱動力學(xué)機(jī)理，對分析鉆柱實(shí)際工作狀態(tài)尤為重要，為優(yōu)化鉆具組合與安全高效鉆進(jìn)提供了依據(jù)。

1 深水鉆井鉆柱振動機(jī)理

1.1 深水鉆井鉆柱縱向振動

深水鉆井鉆柱的縱向振動是由于鉆頭旋轉(zhuǎn)所引起的縱向振動和動載，底部鉆柱縱向振動使鉆壓不能均勻地加在鉆頭上，鉆頭由于鉆壓的劇烈跳動而容易脫離井底，這就是所謂的跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)會產(chǎn)生沖擊載荷[2]，迫使鉆頭軸承和鑲齒過早地破。當(dāng)深水鉆井鉆柱的縱向振動比較嚴(yán)重時(shí)，往往還引起深水鉆井井口，乃至海洋平臺的強(qiáng)迫振動，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)鉆井事故。研究牙輪鉆頭時(shí)，牙輪鉆頭沿波狀井底旋轉(zhuǎn)所引起的縱向跳轉(zhuǎn)與動載，單雙尺交替接觸井底產(chǎn)生上下振動，通常鉆柱縱向動力學(xué)問題是學(xué)者研究鉆柱受力與疲勞失效的主要因素。若在渦輪鉆井工程中，鉆柱可能會發(fā)生縱向共振，當(dāng)鉆壓近于水力載荷下，小質(zhì)量的鉆頭在波狀井底高速旋轉(zhuǎn)跳動，反射波與激振波相互疊加，加上渦輪鉆具的軟特性，縱向共振會頻繁發(fā)生。若考慮鉆柱內(nèi)、外的流體會對鉆柱引起附加壓力，計(jì)算存在阻尼和無阻尼鉆柱縱向振動頻率，可以看出鉆井液流體會使鉆柱縱向振動頻率降低，當(dāng)然必要時(shí)也應(yīng)該考慮鉆井液流態(tài)的變化，同時(shí)應(yīng)該注意鉆柱是否發(fā)生軸向反復(fù)跳動[3]。深水鉆井上端與海洋接觸，在鉆井平臺中心位置隨海流漂移的過程中，鉆柱損壞比較明顯，鉆井平臺的升沉、漂移和扭轉(zhuǎn)使鉆柱中產(chǎn)生了疲勞載荷，其中鉆井平臺的升沉運(yùn)動影響作用最大，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到鉆柱所允許的極限，鉆柱的失效現(xiàn)象可能難以得到控制?？偟膩碚f，鉆井平臺會隨著海流的浮沉作用帶動鉆柱做非線性周期運(yùn)動，這樣鉆柱在軸向上的運(yùn)動就是非線性無規(guī)則運(yùn)動。

1.2 深水鉆井鉆柱橫向振動

深水鉆井底部鉆柱橫向振動的主要原因是鉆柱出現(xiàn)質(zhì)量不平衡現(xiàn)象。井眼偏心、下部鉆具組合的初始曲率、鉆具磨損、彎接頭的使用[4]等都會輕易導(dǎo)致鉆柱的質(zhì)量不平衡，結(jié)果將會產(chǎn)生一個(gè)離心力，離心力會強(qiáng)迫鉆柱與井壁接觸碰撞，鉆桿接頭或鉆鋌沿井壁作無滑動滾動摩擦，將會產(chǎn)生反轉(zhuǎn)運(yùn)動，鉆柱的反轉(zhuǎn)運(yùn)動是鉆柱動力學(xué)問題中最嚴(yán)重的一種，它會造成鉆柱運(yùn)動狀態(tài)復(fù)雜，從而造成它嚴(yán)重的變形和受力，主要鉆柱反轉(zhuǎn)運(yùn)動的危害有：加速鉆柱的彎曲疲勞破壞；加速鉆柱接頭盒套管的磨損；造成鉆柱的沖蝕破壞等等[5]。當(dāng)鉆柱處在屈曲條件下，底部鉆柱會與井壁相接觸，如果與井壁作用力達(dá)到一定值時(shí)，底部鉆柱可能繞軸心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動鉆柱做螺旋狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過分析，鉆柱橫向運(yùn)動并不規(guī)律，離心力和井壁接觸摩擦力的變化將會發(fā)生鉆柱渦動現(xiàn)象。如果井壁接觸力摩擦促使鉆柱與自轉(zhuǎn)方向相同的渦動，即為向前渦動；接觸作用力引起與自轉(zhuǎn)方向相反的渦動，即為向后渦動。

綜上所述，深水鉆井鉆柱橫向振動會使鉆柱與井壁接觸產(chǎn)生離心力、摩擦力等附加作用力，而離心力的存在會影響鉆柱的彎曲變形，鉆柱彎曲變形會產(chǎn)生軸向應(yīng)力的變化，促使鉆柱在軸向上發(fā)生交替變化，周期性拉伸應(yīng)力的改變加劇對鉆柱強(qiáng)度的影響。而與井壁接觸的摩擦力大小和方向直接導(dǎo)致了鉆柱會發(fā)生向前渦動還是向后渦動，很難預(yù)防和停止渦動現(xiàn)象，應(yīng)該盡量避免底部鉆柱與井壁接觸，并根據(jù)實(shí)際工況[6]配有減震工具。

誘發(fā)深水鉆井上部鉆柱橫向振動的主要原因就是隔水管的無規(guī)則運(yùn)動，若不考慮鉆柱與隔水管之間的接觸作用力，柱內(nèi)外流體對橫向振動的影響，可以當(dāng)做隔水管與鉆柱一起做橫向振動，可以分析隔水管橫向振動的原因。海流和海浪對隔水管是變化復(fù)雜的非線性動態(tài)作用，若海浪和海流的波動頻率接近隔水管的固有頻率時(shí)，會引起鉆柱和隔水管的共振作用而導(dǎo)致鉆柱的損壞。海流一般情況下可以分為靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)。隔水管發(fā)生破壞的主要原因是海浪對隔水管的激擾頻率與隔水管某一節(jié)固有頻率相同時(shí)，發(fā)生共振，這是引起上部鉆柱疲勞問題的主要原因。若分析鉆柱與隔水管之間的流體對鉆柱振動的影響，一般情況下，阻尼的存在會降低鉆柱的頻率，若考慮鉆井液流態(tài)的變化，同樣可以影響鉆柱橫向振動，對鉆柱振動破壞起到加強(qiáng)的作用。

1.3 深水鉆井鉆柱扭轉(zhuǎn)振動

深水鉆井鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的主要原因是底部鉆具周期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，扭轉(zhuǎn)振動的主要表現(xiàn)形式是粘滑形式，當(dāng)鉆速較低或鉆壓過高時(shí)也會出現(xiàn)憋鉆形式，鉆頭、巖層性質(zhì)、轉(zhuǎn)速和鉆井液阻尼等因素影響著扭轉(zhuǎn)振動的劇烈程度，鉆柱轉(zhuǎn)速時(shí)而很低時(shí)而很高，這種交變速度嚴(yán)重造成鉆柱本身的疲勞強(qiáng)度破壞。當(dāng)鉆進(jìn)在水平段時(shí)，鉆柱易出現(xiàn)非線性扭轉(zhuǎn)振動，出現(xiàn)非線性摩擦扭矩促使鉆柱產(chǎn)生鐘擺式運(yùn)動，產(chǎn)生的影響作用是比正常扭矩多30%，當(dāng)鉆柱積蓄的扭矩一旦釋放出來，水平段的鉆具組合在績效的環(huán)隙下猛然加速，這種周期性的反轉(zhuǎn)引起的劇烈橫振會使質(zhì)量很大的下部鉆柱中薄弱的環(huán)節(jié)很快的產(chǎn)生異常損壞[7]。對于深水平臺以及海流作用的影響可以影響上部鉆柱的扭轉(zhuǎn)，當(dāng)平臺離開中心位置時(shí)，海流的作用若使平臺繞其中心位置旋轉(zhuǎn)將會加大鉆柱系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)振動頻率與底部鉆柱扭轉(zhuǎn)振動頻率達(dá)到共振時(shí)，會造成鉆具扭斷等重大鉆井事故。因此綜合這些影響因素，準(zhǔn)確分析深水鉆井鉆柱的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動是十分必要的。

2 深水鉆井鉆柱耦合振動機(jī)理

深水鉆井鉆柱橫振、縱振的耦合振動是很厲害的耦合振動，在深水鉆井中，底部鉆柱橫向振動主要起源于中和點(diǎn)至鉆頭段的鉆柱，鉆壓的大小影響了地層對底部鉆柱軸向力的大小，從而直接影響橫向振動頻率。在鉆鋌和鉆桿之間的中性點(diǎn)左右，軸向力的大小是不同的，軸向力對振動頻率的影響不同，從而直接影響鉆柱振動參數(shù)和特性，一般情況下，底部鉆柱橫向振動引起的縱向振動頻率為橫向振動的l倍或2倍甚至更高[8]。因此需要合理地控制操作參數(shù)，加強(qiáng)隨鉆測量技術(shù)，若發(fā)現(xiàn)振動參數(shù)異常時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，重新開鉆。深水鉆井鉆柱的縱向振動與扭轉(zhuǎn)振動一般情況下是共同發(fā)生的，扭轉(zhuǎn)振動使鉆頭的轉(zhuǎn)速波動，加劇縱向振動，而縱向振動引起的反轉(zhuǎn)運(yùn)動也會加劇鉆頭上的扭矩波動，這也影響著鉆柱的縱向振動的振動大小[9]。同樣，深水鉆井鉆柱的橫向振動迫使鉆柱與井壁之間發(fā)生接觸作用，會出現(xiàn)渦動現(xiàn)象，加劇鉆柱的扭轉(zhuǎn)，甚至反轉(zhuǎn)一旦發(fā)生則很難停止。如果摩擦力矩大于扭矩時(shí)，會抑制鉆柱旋轉(zhuǎn)，若摩擦力矩突變小于扭矩鉆柱時(shí)，鉆柱會迅速釋放，以幾倍轉(zhuǎn)速的速度高速反向旋轉(zhuǎn)，促使鉆柱產(chǎn)生交變應(yīng)力，對鉆柱的疲勞破壞作用非常大。三種振動形式相輔相成，很難抑制這三種振動的發(fā)生，對于底部鉆柱振動應(yīng)按工況配有減震器等減震工具，控制鉆柱工作應(yīng)力的變化。

陸地鉆井的振動一般都集合在鉆柱底部，深水鉆井則不同，上部鉆柱的振動需要考慮隔水管、鉆井平臺、海洋載荷等其他因素。因此掌握了這些外在因素的規(guī)律，也就掌握了鉆柱振動的規(guī)律，影響上部鉆柱振動的因素很多，主要有以下幾個(gè)因素：鉆柱本身的直徑、長度、剛度等結(jié)構(gòu)影響作用；引起隔水管、鉆柱耦合振動的主要原因：主要因素有海浪、海流等，主要表現(xiàn)在海流的流速、波浪的波高、周期等；上部鉆柱會隨著隔水管的漂移和平臺的浮動而振動，平臺提供的張力的大小直接影響到深水鉆柱系統(tǒng)的剛度，對上部鉆柱的振動特性是一個(gè)重要因素，對鉆柱固有頻率的影響很大，這也直接影響了其振動特性。同時(shí)平臺的上下浮沉直接影響著縱向、橫向振動，平臺的扭轉(zhuǎn)同樣也影響著上部鉆柱的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。鉆井液流體對鉆柱耦合振動也起了一定的作用，氣相流速、孔隙率、液相流速成為鉆柱系統(tǒng)振動的一個(gè)重要因素。鉆井流體對鉆柱的振動存在著耦合的影響，流體會對鉆柱的運(yùn)動產(chǎn)生阻尼，過阻尼和臨界阻尼狀態(tài)會抑止鉆柱的振動狀態(tài)，尤其在深水大位移水平井中，還會出現(xiàn)蹩鉆及粘滑，嚴(yán)重時(shí)甚至無法鉆井。當(dāng)平臺升沉運(yùn)動頻率、隔水管運(yùn)移和鉆柱系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，鉆柱的動態(tài)響應(yīng)強(qiáng)烈，很可能就會發(fā)生共振現(xiàn)象，會嚴(yán)重影響整個(gè)深水鉆井動力學(xué)穩(wěn)定性，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

3 結(jié)語

（1）深水鉆井在鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)縱向振動，縱向振動又易引起橫向振動，橫向振動也易引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動，三者往往同時(shí)存在，同時(shí)不可忽略與井壁接觸力和阻尼的影響，底部鉆具組合應(yīng)配備減震器等減震工具。

（2）深水鉆井上部鉆柱振動受隔水管運(yùn)移、鉆井平臺浮沉以及海洋載荷等影響，應(yīng)建立鉆柱-隔水管-鉆井平臺-海洋載荷耦合動力學(xué)模型，研究規(guī)律，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場結(jié)果對比分析，避免在鉆進(jìn)過程中發(fā)生共振帶來鉆柱失效和失穩(wěn)問題。

（3）通過實(shí)力分析，降低鉆柱振動的主要方法是根據(jù)鉆柱動態(tài)應(yīng)力特性，優(yōu)化鉆柱結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，使鉆柱盡可能在低動態(tài)應(yīng)力水平下工作，同時(shí)控制鉆井平臺的動力學(xué)特性，分析海流、海風(fēng)等環(huán)境載荷周期性動態(tài)影響，為降低鉆具疲勞失效和優(yōu)化管具設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張焱，陳平，施太和.深井中鉆柱動力學(xué)機(jī)理研究[J].石油機(jī)械.1998，26（7）：17-20.

[2]Aarestad T V，Kyllingstad A.Measurement and theoretical models on rig suspension and the effect on drillstring vibrations[J].1993，8（3）：201-206.

[3]屈展，劉德鑄.鉆柱振動問題及其理論研究進(jìn)展[J].石油機(jī)械，1996，24（2）：54-57.

[4]高德利，張輝.無隔水管深水鉆井作業(yè)管柱的力學(xué)分析[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012（4）：37-42.

[5]暢元江，陳國明，許亮斌.深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響因素分析[J].石油勘探與開發(fā)，2009，36（4）：523-528.

[6]Brett J F.The genesis of bit-induced torsional drillstring vibrations[R].SPE/IADC 21943，1992.

[7]狄勤豐，王文昌，胡以寶.鉆柱動力學(xué)及應(yīng)用進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2006，26（4）：57-59.

[8]G.Heisig.Lateral Drillstring Vibrations in Extended-Reach Wells.Society of Petroleum Engineers[R].IADC/SPE 59235，2000.

[9]韓春杰，閆鐵，畢雪亮.深井鉆柱振動規(guī)律的分析及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2005，25（9）：76-79.