巖心鉆探中鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形成機(jī)理分析

■賈文忠

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì) 河北唐山063000）

巖心鉆探中鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形成機(jī)理分析

■賈文忠

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì) 河北唐山063000）

在巖心鉆探中，鉆柱在機(jī)器的帶動(dòng)下會(huì)發(fā)生震動(dòng)，這些震動(dòng)對(duì)鉆柱及鉆探工作造成一定的影響，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)作為最主要的振動(dòng)形式之一，研究它具有十分重要的意義。通常，劇烈的扭振易引起鉆頭"憋跳"，增加事故的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)鉆進(jìn)過程極為不利，其危害不可忽視。文章基于此，對(duì)巖心鉆探中鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形成機(jī)理進(jìn)行細(xì)致分析。

巖心鉆探鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形成機(jī)理

1　鉆柱振動(dòng)概述

在深部鉆井過程中，鉆桿柱將鉆頭送入井眼底部并傳遞動(dòng)力，靠鉆頭的回轉(zhuǎn)給進(jìn)破碎巖石，形成井筒；通過鉆柱向孔內(nèi)輸送高壓泥漿，靠泥漿的粘度和流動(dòng)等將孔底碎巖屑懸浮并攜帶至地表。處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的鉆柱，除了承受軸向拉力和壓力作用之外，還承受彎曲應(yīng)力、扭矩、離心力、熱力等作用力，管柱受力多樣性決定了其在孔內(nèi)空間運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度。根據(jù)井下鉆柱的實(shí)際工作和磨損情況分析，鉆柱在井眼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)形式主要包括：1）自轉(zhuǎn)；2）公轉(zhuǎn)；3）渦動(dòng)。其中，公轉(zhuǎn)和渦動(dòng)時(shí)，鉆柱與井壁之間的摩擦阻力大，鉆桿連續(xù)不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速了管柱的磨損和疲勞破壞，也引發(fā)了鉆柱的振動(dòng)，導(dǎo)致BHA渦動(dòng)、跳鉆以及BHA共振。

鉆柱的振動(dòng)涉及材料、熱力、斷裂等非常復(fù)雜的力學(xué)問題，其基本振動(dòng)形式包括縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和耦合振動(dòng)，國內(nèi)外學(xué)者指出，它們振動(dòng)形態(tài)和本質(zhì)是不相同的，激勵(lì)它們自振的條件不但與管柱本身幾何特征和物理性質(zhì)有關(guān)，也與它的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，一旦轉(zhuǎn)速達(dá)到某一臨界值時(shí)，就可能引起鉆柱共振，而共振的直接危害就是鉆桿過早的達(dá)到疲勞極限而失效。

2　鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形成機(jī)理

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是指管柱繞其中心線的扭擺振動(dòng)，象鐘表內(nèi)的扭簧帶動(dòng)擺輪，左右反復(fù)地扭動(dòng)，故又稱作扭簧振動(dòng)。井底對(duì)鉆頭的旋轉(zhuǎn)阻力不斷變化，使鉆桿產(chǎn)生交變剪應(yīng)力，降低鉆柱的穩(wěn)定性和壽命。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的形成與鉆頭結(jié)構(gòu)、巖層性質(zhì)和均勻程度、管柱材料、鉆壓和轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)，可概括如下：

2.1黏滑轉(zhuǎn)動(dòng)和蹩鉆

鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中，由于鉆頭、鉆桿與井壁和井底之間的非線性接觸引起鉆柱間歇地“黏滯靜止”和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的一種周期性運(yùn)動(dòng)。黏滑可看作是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的一種特定表現(xiàn)形式。鉆柱處于黏滯狀態(tài)，隨著立軸驅(qū)動(dòng)上部鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，管柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形和應(yīng)力累積，整個(gè)管柱就像扭簧一樣被不斷上緊，當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)，管柱克服井壁巖石和泥漿對(duì)管柱的摩阻力矩，瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭驟然越過波狀井底遇阻的那個(gè)坡，管柱積累的應(yīng)力猛然釋放，這時(shí)鉆頭會(huì)飛快地越過幾個(gè)波，形成對(duì)井底的多次沖擊，這就是蹩鉆現(xiàn)象。管柱轉(zhuǎn)動(dòng)后，外部摩擦阻力降低，導(dǎo)致鉆桿產(chǎn)生約2～6倍立軸角速度的波動(dòng)，隨著積聚的扭轉(zhuǎn)變形能迅速釋放，管柱旋轉(zhuǎn)角速度下降，做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鉆柱黏性阻力增大到強(qiáng)迫管柱進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，就完成一個(gè)周期的黏滑振動(dòng)過程。

對(duì)于孔深達(dá)數(shù)千米的小口徑巖心鉆探工程，這種周期性的黏滑運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波動(dòng)相當(dāng)于在立軸和鉆頭之間施加扭轉(zhuǎn)脈沖，在數(shù)秒內(nèi)就可產(chǎn)生管柱“靜止”和“滑動(dòng)”運(yùn)動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)應(yīng)力循環(huán)積累和釋放，引起鉆桿柱結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定而產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。此外，國內(nèi)有學(xué)者根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)和建造鉆桿柱的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置以研究管柱的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力狀態(tài)，認(rèn)為黏滑對(duì)鉆速的影響最不利，井下約有45～50%的時(shí)間消耗在黏滑運(yùn)動(dòng)上。

2.2地層因素

鉆頭的直接作用對(duì)象是巖石，節(jié)理發(fā)育的巖石在硬度和強(qiáng)度上的各向異性使其力學(xué)性質(zhì)不均勻，由于金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以鉆頭剪切碎巖為主，動(dòng)載作用下鉆頭間歇性的克入巖層引起轉(zhuǎn)速的變化，扭轉(zhuǎn)波動(dòng)迫使鉆桿繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，并以彈性波的形式沿著鉆柱傳到地表，到達(dá)地面后再沿著鉆柱反向傳給鉆頭。由于鉆井液阻尼的作用，彈性能在傳播過程中逐漸降低，振動(dòng)波形發(fā)生了變化，振幅也逐步減小，當(dāng)鉆頭的振動(dòng)頻率等于鉆柱固有頻率的整數(shù)倍時(shí)，將引起鉆柱的共振，此時(shí)鉆柱內(nèi)的交變剪應(yīng)力增大。

大量的現(xiàn)場鉆柱振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測表明，軟硬交錯(cuò)、松散破碎地層中鉆桿柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是一種非常普遍的現(xiàn)象。井底反轉(zhuǎn)扭矩與鉆頭的結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，不同的鉆進(jìn)工藝引起的振動(dòng)強(qiáng)度不同，對(duì)于小口徑金剛石鉆進(jìn)，鉆頭以高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)獲得較高的鉆進(jìn)效率，但是這種高速旋轉(zhuǎn)在復(fù)雜地層中扭轉(zhuǎn)波動(dòng)能大，極易引發(fā)鉆桿的共振。

2.3鉆柱管材屬性.

管柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率與自身外形尺寸、質(zhì)量、硬度、材料彈模有關(guān)。對(duì)同樣外形的管柱，材質(zhì)硬度越高頻率越高，質(zhì)量越大頻率越低。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率的高低反映不同能級(jí)狀態(tài)下鉆桿柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振的難易程度，鉆桿柱屬性的改變就對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的發(fā)生產(chǎn)生了影響。常規(guī)的鉆桿都是有不同成分的合金無縫鋼管制成的，深井作業(yè)的鉆柱由于受到井內(nèi)高溫的影響，導(dǎo)致鋼材內(nèi)部晶體排列形式、鉆柱材料的性質(zhì)和幾何形狀發(fā)生變化，進(jìn)而使鉆柱的固有頻率也發(fā)生變化。同時(shí)由于鉆桿柱自身在高溫環(huán)境下的力學(xué)性質(zhì)較差，外界很小的激勵(lì)都有可能引發(fā)桿柱共振和彎曲變形。3）不均勻溫度場引起鉆柱軸向伸縮量不同，在約束條件下，彈性管柱產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力引起子結(jié)構(gòu)剛度特性的變化。鉆桿結(jié)構(gòu)剛度、尺寸、材料性質(zhì)等等都是與固有頻率相關(guān)的屬性，他們的變化改變了鉆桿柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形成條件。

2.4鉆探因素

鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓：鉆壓大小決定激勵(lì)力能量的大?。汇@機(jī)轉(zhuǎn)速與激勵(lì)力頻率有直接關(guān)系；泥漿泵泵壓的穩(wěn)定性對(duì)鉆柱在井內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有影響，特別是在空氣鉆井中，由于往復(fù)泵的周期吸排氣和內(nèi)加厚鉆桿截面的變化導(dǎo)致氣流的壓力和速度周期性的變化，產(chǎn)生氣體脈動(dòng)，加劇鉆桿柱的振動(dòng)。泥漿性能：泥漿中固相的含量對(duì)鉆速有影響，隨著固相含量增加，沖洗液的水力參數(shù)變壞，壓力和轉(zhuǎn)速對(duì)孔底破碎巖石的有效性的影響下降，鉆井指標(biāo)差，因此不分散體系的泥漿其鉆進(jìn)速度比分散體系的泥漿快。同時(shí)固相的性能與鉆柱與井壁、鉆柱與泥漿之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦力相關(guān)，性能好的泥漿不僅能降低摩擦力矩，還能有效的吸收鉆桿柱的扭轉(zhuǎn)彈性波的能量。

鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)激勵(lì)產(chǎn)生了影響，間接改變了管柱的振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)速達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，可能削弱鉆柱的振動(dòng)，也可能對(duì)鉆柱的扭轉(zhuǎn)共振有利。通常，鉆桿柱任何一種形式的振動(dòng)都有可能伴隨著其他形式的振動(dòng)，各種振動(dòng)之間存在一定的聯(lián)系。激發(fā)鉆柱扭振的因素有許多，但由于彈性細(xì)長鉆柱自身扭轉(zhuǎn)剛度很小，外界低擾動(dòng)就能使鉆柱產(chǎn)生很大的旋轉(zhuǎn)位移，鉆柱與井壁、鉆頭與井底巖石之間的摩阻力是引起鉆桿柱激振的主要來源，因此，地層因素對(duì)鉆桿柱的振動(dòng)影響最大。

[1]呂苗榮編著.石油工程管柱力學(xué) [M].北京:中國石化出版社,2012,01.

[2]李軍強(qiáng).井下溫度對(duì)鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率影響的討論 [J].石油礦場機(jī)械,2006,35 （6）

[3] 章?lián)P烈編著.鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)[M] .北京:石油工業(yè)出版社,2001.

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-384-1

賈文忠（1966～），男，工程師，本科，研究方向?yàn)閹r心鉆探。