大位移井鉆柱振動(dòng)規(guī)律研究

李峰

摘要：在位移井鉆的施工的過(guò)程中，往往會(huì)受到各種振動(dòng)的影響，如果這些振動(dòng)集中爆發(fā)的話，就會(huì)對(duì)鉆柱造成巨大的影響，不僅僅會(huì)使鉆柱受到一定程度的破損，而且還會(huì)影響工程的穩(wěn)定，造成嚴(yán)重的安全隱患。針對(duì)鉆柱的振動(dòng)的規(guī)律，分析其受到振動(dòng)的行為因素，在線性分析的支持下，了解大位移鉆井橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)之間的頻譜方程，從而減少鉆柱共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。本文及淺談大位移井鉆柱振動(dòng)規(guī)律研究。

關(guān)鍵詞：大位移井;鉆柱;振動(dòng)規(guī)律

大位移井就是移度比較大的井，具體指的是水平位移和垂直位移之間的比值超過(guò)2的一種定向井。這種井地處的位置一般在淺海灘區(qū)，雖然油氣的含量很高，但是 由于位置的原因，導(dǎo)致鉆井船無(wú)法進(jìn)入其中進(jìn)行鉆井工作。在這種情況下，使用大位移法進(jìn)行鉆井工作成為了最優(yōu)化的選擇。但是由于大位移鉆井法在工作的過(guò)程中很容易受到摩擦震動(dòng)的問(wèn)題，所以研究對(duì)大位移鉆柱的震動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，有著非常重要的意義。

一、大位移井鉆柱橫向振動(dòng)的規(guī)律

橫振在鉆井的過(guò)程中是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象，在對(duì)橫振進(jìn)行研究的前期，認(rèn)為主要是鉆頭和鉆地工具受到的協(xié)迫性共振所引發(fā)的。但是在試驗(yàn)的過(guò)程中，才發(fā)現(xiàn)由于鉆頭受到的震動(dòng)波動(dòng)是由于橫向和軸向的一個(gè)非線性耦合，這種震動(dòng)對(duì)于鉆柱的影響是非常大的，除此之外，渦動(dòng)也是鉆柱橫向振動(dòng)的一大因素。渦動(dòng)主要是指鉆柱的鉆具或者是工具的開(kāi)頭與井壁互相摩擦震動(dòng)的結(jié)果，事實(shí)證明不管事前渦動(dòng)還是后渦動(dòng)，都能夠?qū)︺@柱造成極大的損傷。我們?cè)趯?duì)于橫振的研究上，一般采取的是有限元法來(lái)進(jìn)行研究，這種方法是現(xiàn)階段比較出色的橫向振動(dòng)研究法，能夠詳細(xì)的描述橫向振動(dòng)的頻率規(guī)律。有限元法能夠通過(guò)線性的分析，精準(zhǔn)的得到鉆柱在工作時(shí)的頻率，也能夠得到基于BHA的自振頻率，還可以得到其中有害震源的反應(yīng)頻率。本次模擬實(shí)驗(yàn)也是通過(guò)有限元法研究橫振規(guī)律將以直井或者是接近直井的情況下使用，通過(guò)這種環(huán)境真實(shí)的反應(yīng)震動(dòng)的頻率，采用線性模型描述其中動(dòng)力現(xiàn)象。

本文橫向振動(dòng)規(guī)律研究的方式是線性分析法，通過(guò)描述在81/2In（216mm）井眼的一個(gè)63/4in的BHA的一個(gè)組合。本次實(shí)驗(yàn)需要出于鉆頭后面的BHA的三個(gè)穩(wěn)定器進(jìn)行權(quán)利的支持，總長(zhǎng)度為30.25m。使用的鉆柱為隨鉆測(cè)量?jī)x在短節(jié)上的部分，在整體的鉆柱上，采取13個(gè)有著優(yōu)良抗壓性能的鉆柱，總長(zhǎng)度達(dá)到120米左右。在CSDP的采用上，使用的是幾何尺寸為內(nèi)127外72毫米的尺寸。本次試驗(yàn)中，將提供高達(dá)100KN的連續(xù)鉆壓，同時(shí)提供6.5KN·m的扭矩施壓。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前需要進(jìn)行最基本的假設(shè)：

鉆柱的軸線基本沿井眼軸線，相同尺寸、井斜角的部分可以作為一個(gè)整體：

相對(duì)于很長(zhǎng)的鉆桿部分，井底鉆具組合對(duì)橫向自由撰動(dòng)的影響可以忽略不計(jì)，忽略t柱與井璧的摩擦，考慮泥漿對(duì)鉆柱振動(dòng)質(zhì)量的影響;激振力米源于馬達(dá)和鉆桿部分質(zhì)量的不平衡，鉆柱系統(tǒng)按頂部規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。

二、大位移井水平井段鉆進(jìn)中鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究

對(duì)于鉆柱在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中受到的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究，同樣需要在不會(huì)對(duì)結(jié)果造成大幅度影響的時(shí)候，做出四點(diǎn)的假設(shè)：一是鉆柱在運(yùn)行的過(guò)程中默認(rèn)是一個(gè)均勻的質(zhì)量彈性桿;二是假設(shè)下部鉆具組合的過(guò)程中，鉆柱是在井眼的下方;三是假定在工作的過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速是一個(gè)常量，不會(huì)發(fā)生變化;四是假定實(shí)驗(yàn)中井眼是比較理想的橫截面，井壁也是比較有彈性或者是由剛性。在這種假設(shè)的情況下，在探究鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)力學(xué)。

在分析鉆柱承受扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)振動(dòng)的時(shí)候，在模型的建立上，應(yīng)當(dāng)以鉆柱的軸為x軸，dx為微元段，那么在鉆柱振動(dòng)時(shí)的位移角度是θ，相對(duì)應(yīng)的扭矩也就是M=（x，t），可以清晰的看到，鉆柱的水平面之間的夾角是為a，那么，在這種情況下，根據(jù)材料學(xué)可以推斷出微元段相對(duì)轉(zhuǎn)角和扭矩之間的一個(gè)聯(lián)系，即M=GJP dθ/dx

在這個(gè)聯(lián)系方程式中，G代表的是剪切的一個(gè)彈性模量，JP代表的是截面的一個(gè)極慣性矩。

由此可以建立一個(gè)微元段在動(dòng)力學(xué)上的方程式：

在這個(gè)方程式中，IP表示的是在微分段鉆柱橫基面的慣性矩，IP和JP的關(guān)系非常明顯，IP=PJPdx

將上述方程式帶入，即可得到

假設(shè)JP是等值軸，且剪切波和縱波相比，在桿內(nèi)的傳播比較小，那么方程式可以進(jìn)行求解：

根據(jù)實(shí)例進(jìn)行分析和計(jì)算，如果鉆柱和鉆頭被當(dāng)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，固定端則是另一端的穩(wěn)斜段，那么在大位移井鉆柱運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，穩(wěn)斜段與井的夾角是九十度。那么從整體上看，像是一個(gè)一端固定一端自由運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)體。這時(shí)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率ωn就可以通過(guò)一下的方程式進(jìn)行表示：

n表示的是階數(shù)，且n=1時(shí)所受到扭振的力度最大，G仍然表示的是材料的一個(gè)剪切模量，PS表示材料的密度。PF代表鉆井液的密度，A仍然是鉆柱的截面積。那么鉆柱在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，和液體之間多增加的鉆柱質(zhì)量為：

根據(jù)整體的規(guī)律表明，鉆柱的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鉆柱受到的扭轉(zhuǎn)的剛度越小，共振的頻率也就越來(lái)低。

結(jié)束語(yǔ)：鉆柱作為工程實(shí)踐中利用的重要工具，有著非常突出的利用價(jià)值，但是其振動(dòng)問(wèn)題卻對(duì)鉆柱的使用效率和安全造成了嚴(yán)重的影響，所以必須要對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行有效的解決。通過(guò)研究鉆柱振動(dòng)的各類因素，從而找出有效控制措施，實(shí)現(xiàn)鉆柱利用的實(shí)效性提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘭凱，劉香峰.鉆柱惡性振動(dòng)識(shí)別與抑制技術(shù)研究進(jìn)展[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2017，47（1）：203-214.