鉆井液流速對鉆柱縱向振動的影響

劉長順（中石化華北石油工程有限公司西部分公司鉆研所，河南　鄭州　450000）

鉆井液流速對鉆柱縱向振動的影響

劉長順（中石化華北石油工程有限公司西部分公司鉆研所，河南鄭州450000）

在實際的鉆井中鉆柱不可避免的產生縱向振動，鉆柱強烈的共振可能造成嚴重的鉆井事故從而增加了鉆井難度和風險，甚至帶來巨大的經濟損失，本文通過對以下三方面的研究，建立了力學模型，推導出了振動頻率方程，從而得出了鉆柱振動的共振規律。

流速；縱向振動；頻率；振幅

在鉆井作業過程中，鉆柱是傳遞運動和動力的主要工具，在狹長、充滿著鉆井液的井眼內運動時，鉆柱的受力和運動形態極為復雜，承受著拉、壓、彎、扭等多種載荷，鉆柱的受力直接決定了鉆柱的工作狀態和鉆井井眼軌跡的形成，也影響著鉆井作業的成功與否。隨著石油鉆采過程中大位移井、深井、超深井、欠平衡鉆井、水平井等鉆井技術的應用，井下鉆具的偏磨、失效的出現也越來越頻繁，使得井眼軌跡的控制難度增加，大大增加了鉆井成本。

一般認為鉆柱的振動可能是由于以下幾方面原因造成的：

（1）由于三牙輪鉆頭本身的結構特點，鉆頭交替切削井底巖石時引起鉆柱振動；

（2）鉆柱偏心或鉆柱繞井眼軸線公轉誘發的鉆柱振動；

（3）由于地層巖性的各向異性和鉆頭破碎巖石時井底反扭矩的變化等因素引起的粘滑、蹩鉆等振動；

（4）泵壓的波動和井眼內鉆井液體系壓力的波動誘發的鉆柱振動；

（5）鉆壓、轉速等鉆井參數的調節變化造成的鉆柱的振動。同時考慮到鉆柱工作的惡劣環境和井下作業的復雜工況，鉆柱在狹長的井眼中工作，加上不同振源的激勵作用，在鉆柱中引發各種振動是難以避免的。

章揚烈［1］通過對各種振動的研究和分析認為—井下各種振動按危害程度由大到小排列順序應該是：渦動、橫向振動、扭轉振動、縱向振動。本文主要研究鉆井液流速的大小對鉆柱縱向振動的影響。

1　主要研究內容

鉆柱在井下振動［2］的形式是多種多樣的，對振動影響的因素也有很多，其中鉆井液的阻尼影響是不可忽略的，本文通過對鉆柱內鉆井液不同流態以及阻尼振動的不同運動狀態的研究，并使用相應的模型以及ANSYS軟件來討論不同鉆井液流速對鉆柱縱向振動的影響，并當鉆井液流速一定時，使用ANSYS軟件來模擬不同鉆桿長度、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，同時，文章還對鉆柱縱向振動［3］進行了諧響應分析，研究了鉆井液流速對鉆柱縱向振動振幅的影響。

2　縱向振動的力學模型

到目前為止，國內外已經提出了五種以上安裝減振器的鉆柱縱向自由振動模型，但是具有典型意義的只有三種。

趙國珍、龔偉安指出鉆柱縱向振動模型通用性很強，很多特殊的縱向振動，均可由此模型的解答中得到相應的結果。

3　有鉆井液流速影響的頻率

當鉆柱振動為欠阻尼時，通過方程計算可得鉆柱縱向振動的頻率隨著階數的增加而逐漸增大，而鉆井液處于層流時對鉆柱縱振的頻率影響比較明顯，隨著鉆井液流速的增大而增大，而鉆井液處于紊流時對鉆柱縱振的頻率影響比較小，當鉆井液流速達到一定程度時縱振的頻率處于穩定，而當鉆井液流速相同時，隨著頻率階數的逐漸增大而影響逐漸減小。

4　基于ANSYS的鉆柱縱向振動分析

本文僅考慮鉆井液的阻尼。確定邊界條件，假設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五個自由度均約束。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BlockLanczos法提取前7階模態。

通過模擬可以看出，當鉆井液流速較低時，鉆井液的阻尼比較大，鉆柱可能達到過阻尼振動狀態和臨界阻尼狀態，隨著鉆井液流速的增大，阻尼逐漸減小，達到小阻尼振動狀態，鉆柱的振幅逐漸增大，當達到紊流時，鉆井液流速增大對阻尼影響較小，使得振幅的變化不大。

當激振力的頻率為0.7Hz時，各點的振幅有突變，且增加，這是因為這個頻率值與鉆柱縱振的固有頻率相同，在此頻率下產生共振，使整個鉆柱的振動加強。隨著激振頻率的增大，整體上各個點的振幅在減少。而從井口位置到井底鉆柱振動的振幅逐漸減小。當激振頻率較低時，鉆柱近似受靜載作用，上部受拉，下部受壓，至使整個鉆柱的下部比上部振動強烈。而且適當的降低鉆井液的流速，可以降低鉆頭處的振幅，降低跳轉的積率。

5　結語

本文在理論分析的基礎上，利用數學計算和ANSYS軟件中的模態分析和諧響應分析研究了鉆井液流速對鉆柱縱向振動的影響，經過大量的計算和模擬可以的到如下結論：

（1）鉆柱縱向振動的頻率隨著階數的增加而逐漸增大，而鉆井液處于層流時對鉆柱縱振的頻率影響比較明顯，隨著鉆井液流速的增大而增大，而鉆井液處于紊流時對鉆柱縱振的頻率影響比較小。

（2）用ANSYS對鉆柱振動進行模態分析，當鉆井液流速變化時，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；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。

（3）隨著鉆井液流速的增大，阻尼逐漸減小，而鉆柱的振幅逐漸增大，可見適當的降低鉆井液的流速能夠起到保護鉆桿，增加鉆桿使用壽命的作用。

［1］章楊烈.油氣井桿管柱力學［M］.石油工業出版社，1996.

［2］狄勤豐，王文昌，胡以寶等.鉆柱動力學研究及應用進展［J］.天然氣工業，2006，26（4）：57-59.

［3］趙德云，楊海波，楊躍波.深井鉆具縱向振動規律分析研究［J］.鉆采工藝2002，25（1）:14-17.