基于ANSYS的鉆柱縱向振動固有頻率影響因素分析

閆 鐵，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室，黑龍江大慶163318）

基于ANSYS的鉆柱縱向振動固有頻率影響因素分析

閆 鐵*，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室，黑龍江大慶163318）

基于ANSYS軟件對鉆柱縱向振動固有頻率影響因素進行了分析，通過建立有限元模型，對鉆柱的縱向振動固有頻率進行了模態(tài)分析。討論了不同鉆井液流速對鉆柱縱向振動的影響，并當(dāng)鉆井液流速一定時，模擬不同鉆桿長度、鉆鋌長度以及減震器的不同型號對鉆柱縱向振動固有頻率的影響。研究表明：當(dāng)鉆井液流速變化時，對鉆柱縱向振動的固有頻率沒有影響；當(dāng)鉆井液流速一定時，隨鉆柱長度增加，鉆柱縱向振動的固有頻率增加；隨鉆鋌長度的增加，鉆柱縱向振動的固有頻率有所下降，各階下降幅度有所不同；減震器能夠起到一定的減震的作用，但效果不大。

ANSYS；鉆柱縱向振動；固有頻率；模態(tài)分析

1 概述

鉆柱振動按形式分為縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動和橫向振動3類。這3種振動在鉆井過程中始終存在，相互作用，相互影響，并以縱向振動為主。有資料表明，縱向振動產(chǎn)生的縱向沖擊力可高達數(shù)百至上千千牛，因此，對鉆柱的疲勞壽命影響最大［1-2］。在鉆井過程起下鉆時，由于鉆桿柱的快速上下運動引起的壓力波動以及鉆柱和鉆井液的耦合作用，將引起鉆柱縱向振動的加強，破壞井眼系統(tǒng)壓力平衡，導(dǎo)致井漏、井噴、井眼不穩(wěn)定等現(xiàn)象發(fā)生［3-5］。因此，研究鉆柱縱向振動的固有頻率，可以有效的減少共振現(xiàn)象的發(fā)生，盡量避免鉆柱的疲勞失效。筆者以有限元Ansys為手段，建立符合實際的幾何模型來模擬起下鉆鉆柱與鉆井液固液耦合的工況［6］，從而進行鉆柱縱向振動固有頻率影響因素的分析。

2 基于ANSYS的鉆柱縱向振動的模態(tài)分析

鉆柱模態(tài)分析主要是確定鉆柱自然振動頻率，采用的有限元分析模型是將鉆柱視為一連續(xù)的管梁，減振器位于其間。有限元分析的關(guān)鍵是建立合適的集合模型來模擬鉆柱的實際工況，因此文中井架和鋼絲繩的綜合剛度用單元Combin 14來模擬，游動滑車、大鉤、水龍頭和方鉆桿的質(zhì)量和用集中質(zhì)量單元mass 21來模擬，鉆柱和鉆鋌用彈性圓直管單元PIPE 59來模擬，減震器的質(zhì)量用集中質(zhì)量單元Mass 21來模擬，而綜合剛度用單元combin 14來模擬。各單元的特性可通過KEYOPT選項的設(shè)定來確定，由于研究的是鉆柱的縱向振動，所以單元Combin 14、Mass 21、PIPE 59的各個KEYOPT選項采用默認(rèn)設(shè)置。單元的參數(shù)包括材料特性和實常數(shù)。材料特性有彈性模量、泊松比等；實常數(shù)有單元的幾何尺寸等。本文的主要參數(shù)有：井架和鋼絲繩的綜合剛度、游動滑車、大鉤、水龍頭和方鉆桿的質(zhì)量和、鉆桿外徑、鉆桿壁厚、鉆鋌外徑、鉆鋌壁厚、減震器質(zhì)量、鉆桿的彈性模量、鉆桿的泊松比、鉆桿的密度、鉆鋌的彈性模量、鉆鋌的泊松比、鉆鋌的密度、鉆井液密度、阻尼系數(shù)。

ANSYS建模有2種方法：一種是先利用實體建模技術(shù)，生成實體模型，然后對實體模型劃分網(wǎng)格的方法生成有限元分析模型；另一種是直接生成有限元模型［7］。本文把鉆柱看作一個彈性直管，鉆柱振動類似于一種彈簧—質(zhì)量—阻尼系統(tǒng)，即將整個鉆柱的振動簡化為多自由度系統(tǒng)。由于模型較簡單，采用后一種方法，先創(chuàng)建節(jié)點，然后通過節(jié)點直接生成單元。

根據(jù)以上建立的幾何模型，對其加載，鉆柱上的基本載荷有：本文僅考慮鉆井液的阻尼。確定邊界條件，假設(shè)的井架上端為固定端約束，下端為除了沿軸向方向平移的其余5個自由度均約束。首先對其靜力分析，為了對鉆柱進行縱向振動固有頻率及振型的模態(tài)分析。使鉆柱在鉆井過程中，整個鉆柱只有沿鉆柱縱向方向的平移，采用Block Lanczos法提取前7階模態(tài)。

基于ANSYS軟件其縱向振動頻率計算，對于不同的鉆井液流速其計算參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)表1

通過ANSYS軟件進行模態(tài)分析可得前7階頻率，如表2所示。

表2 鉆井液流速與固有頻率關(guān)系

從表2中可以看出，當(dāng)鉆井液流速變化時對鉆柱縱向振動的固有頻率沒有影響，下面我們分析當(dāng)鉆井液流速固定時，當(dāng)井深變化時，鉆鋌長度等其他因素固定，分析改變鉆桿長度對鉆柱固有頻率的影響；當(dāng)鉆柱長度一定時，分析改變鉆桿和鉆鋌長度對鉆柱固有頻率的影響；當(dāng)鉆具組合固定時，分析改變減震器的類型對固有頻率的影響。

2.1 鉆桿長度對鉆柱縱向振動頻率影響

以整體鉆柱為計算研究對象，研究鉆桿長度對鉆柱縱向振動固有頻率的計算參數(shù)如下（取5組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過ANSYS軟件進行模態(tài)分析可得前7階頻率，鉆柱長度對鉆柱縱向振動特性的影響的關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出，鉆桿長度的變化對直井整體鉆柱縱向振動固有頻率的影響變化較大，隨鉆桿長度增加，鉆桿整體縱向振動的固有頻率增加，尤其是鉆桿長度較短時，隨鉆桿長度增加，鉆桿整體縱向振動的固有頻率大幅度降低；鉆桿長度較長時，隨鉆桿長度增加，鉆桿整體縱向振動的固有頻率小幅度降低。

圖1 鉆柱長度對固有頻率的影響

實際鉆井時，應(yīng)該根據(jù)井深的變化，計算出對應(yīng)的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，合理選擇轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，以避開鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速，避免或降低鉆柱發(fā)生共振的幾率，增加鉆柱的安全性。

2.2 鉆鋌長度對鉆柱縱向振動頻率影響

以整體鉆柱為計算研究對象，考慮鉆鋌長度對縱向振動固有頻率的影響，計算參數(shù)如下（取5組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，鉆桿長度均為2000m，鉆鋌長度分別為100m、120m、140m、160m、180m，其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過ANSYS軟件進行模態(tài)分析可得前7階頻率，鉆鋌長度對鉆柱縱向振動特性的影響的關(guān)系如圖2所示。

圖2 鉆鋌長度對固有頻率的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)鉆柱長度一定時，隨著鉆鋌長度的增加，鉆柱縱向振動的固有頻率有所下降，各階下降幅度有所不同，但是相對于鉆桿長度的變化引起的頻率變化時較小的，所以在實際鉆井工程中可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鉆鋌和鉆桿的長度，以避開鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速，避免或降低鉆柱發(fā)生共振的幾率，增加鉆柱的安全性，防止鉆柱斷裂事故。

2.3 減震器型號對鉆柱縱向振動頻率影響

2.3.1 彈性剛度的影響

以整體鉆柱為計算研究對象，考慮同一種減震器不同剛度對縱向振動固有頻率的影響，計算參數(shù)如下（取五組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，鉆桿長度均為2000m，鉆鋌長度均別為160m，減震器的剛度分別為3×106N·m、4×106N·m、5×106N·m、6× 106N·m、7×106N·m其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過ANSYS軟件進行模態(tài)分析可得前7階頻率，減震器剛度鉆柱縱向振動特性的影響的關(guān)系如圖3所示。

圖3 減震器剛度對固有頻率的影響

從圖3中可以看出，當(dāng)鉆柱、鉆鋌等固定時，鉆柱縱向振動的固有頻率隨著減震器的剛度的增加而逐漸增加，且對低階頻率的影響大于高階頻率的影響。

2.3.2 減震器型號的影響

以整體鉆柱為計算研究對象，考慮不同減震器在同一剛度下對縱向振動固有頻率的影響，計算參數(shù)如下（取五組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，鉆桿長度均為2000m，鉆鋌長度均別為160m，減震器的剛度均為5×106，型號分別為DSJQ-165、DSJQ-178、DSJQ-203、DSJQ-229、DSJQ-245，對應(yīng)質(zhì)量分別為375kg、405kg、580kg、730kg、860kg，其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過ANSYS軟件進行模態(tài)分析可得前7階頻率，減震器型號對鉆柱縱向振動特性的影響的關(guān)系如圖4所示。

圖4 減震器型號對固有頻率的影響

從上述表格和圖形中可以看出，減震器能夠起到一定的減震的作用，而且不同型號的減震器對鉆柱縱向振動固有頻率的影響不大，因此在鉆井過程中，根據(jù)工作鉆壓、減震器的最大扭矩、允許上提力和最大工作行程選擇適當(dāng)?shù)臏p震器，能避開鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速，避免或降低鉆柱發(fā)生共振的幾率，能在跳鉆地層中鉆進時減輕或消除跳鉆，以減少鉆頭和鉆具的損壞，保護井壁，提高機械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

3 結(jié)論

當(dāng)鉆井液流速變化時，對鉆柱縱向振動的固有頻率沒有影響；當(dāng)鉆井液流速一定時，鉆桿長度的變化對直井整體鉆柱縱向振動固有頻率的影響較大，隨鉆桿長度增加，鉆桿整體縱向振動的固有頻率增加；而對于鉆鋌長度的變化，隨著鉆鋌長度的增加，鉆柱縱向振動的固有頻率有所下降，各階下降幅度有所不同；減震器能夠起到一定的減震的作用，但效果不大。

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TE21

A

1004-5716(2015)06-0042-04

2015-01-21

2015-01-22

國家自然科學(xué)基金重大項目“頁巖油氣高交往開發(fā)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51490650）；國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號：2011ZX05021-006）部分研究成果。

閆鐵（1956-），男（漢族），黑龍江肇州人，教授、博導(dǎo)，現(xiàn)從事油氣井工藝?yán)碚撆c技術(shù)研究工作。