巖心鉆探中鉆柱扭轉振動形成機理分析

■賈文忠

（河北省地礦局第二地質大隊 河北唐山063000）

巖心鉆探中鉆柱扭轉振動形成機理分析

■賈文忠

（河北省地礦局第二地質大隊 河北唐山063000）

在巖心鉆探中，鉆柱在機器的帶動下會發生震動，這些震動對鉆柱及鉆探工作造成一定的影響，扭轉振動作為最主要的振動形式之一，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"，增加事故的風險，對鉆進過程極為不利，其危害不可忽視。文章基于此，對巖心鉆探中鉆柱扭轉振動形成機理進行細致分析。

巖心鉆探鉆柱扭轉振動形成機理

1　鉆柱振動概述

在深部鉆井過程中，鉆桿柱將鉆頭送入井眼底部并傳遞動力，靠鉆頭的回轉給進破碎巖石，形成井筒；通過鉆柱向孔內輸送高壓泥漿，靠泥漿的粘度和流動等將孔底碎巖屑懸浮并攜帶至地表。處于旋轉狀態下的鉆柱，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空間運動的復雜程度。根據井下鉆柱的實際工作和磨損情況分析，鉆柱在井眼內的旋轉形式主要包括：1）自轉；2）公轉；3）渦動。其中，公轉和渦動時，鉆柱與井壁之間的摩擦阻力大，鉆桿連續不穩定的旋轉運動加速了管柱的磨損和疲勞破壞，也引發了鉆柱的振動，導致BHA渦動、跳鉆以及BHA共振。

鉆柱的振動涉及材料、熱力、斷裂等非常復雜的力學問題，其基本振動形式包括縱向振動、橫向振動、扭轉振動和耦合振動，國內外學者指出，它們振動形態和本質是不相同的，激勵它們自振的條件不但與管柱本身幾何特征和物理性質有關，也與它的旋轉速度有關，一旦轉速達到某一臨界值時，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到疲勞極限而失效。

2　鉆柱扭轉振動形成機理

扭轉振動是指管柱繞其中心線的扭擺振動，象鐘表內的扭簧帶動擺輪，左右反復地扭動，故又稱作扭簧振動。井底對鉆頭的旋轉阻力不斷變化，使鉆桿產生交變剪應力，降低鉆柱的穩定性和壽命。扭轉振動的形成與鉆頭結構、巖層性質和均勻程度、管柱材料、鉆壓和轉速等因素有關，可概括如下：

2.1黏滑轉動和蹩鉆

鉆柱旋轉過程中，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”和高速轉動的一種周期性運動。黏滑可看作是扭轉振動的一種特定表現形式。鉆柱處于黏滯狀態，隨著立軸驅動上部鉆桿轉動，管柱發生扭轉變形和應力累積，整個管柱就像扭簧一樣被不斷上緊，當繼續增大時，管柱克服井壁巖石和泥漿對管柱的摩阻力矩，瞬時轉動，鉆頭驟然越過波狀井底遇阻的那個坡，管柱積累的應力猛然釋放，這時鉆頭會飛快地越過幾個波，形成對井底的多次沖擊，這就是蹩鉆現象。管柱轉動后，外部摩擦阻力降低，導致鉆桿產生約2～6倍立軸角速度的波動，隨著積聚的扭轉變形能迅速釋放，管柱旋轉角速度下降，做減速運動，當鉆柱黏性阻力增大到強迫管柱進入靜止狀態時，就完成一個周期的黏滑振動過程。

對于孔深達數千米的小口徑巖心鉆探工程，這種周期性的黏滑運動產生的扭轉波動相當于在立軸和鉆頭之間施加扭轉脈沖，在數秒內就可產生管柱“靜止”和“滑動”運動，短時間內應力循環積累和釋放，引起鉆桿柱結構的不穩定而產生振動現象。此外，國內有學者根據相似理論設計和建造鉆桿柱的實驗模型裝置以研究管柱的運動和動力狀態，認為黏滑對鉆速的影響最不利，井下約有45～50%的時間消耗在黏滑運動上。

2.2地層因素

鉆頭的直接作用對象是巖石，節理發育的巖石在硬度和強度上的各向異性使其力學性質不均勻，由于金剛石回轉鉆進以鉆頭剪切碎巖為主，動載作用下鉆頭間歇性的克入巖層引起轉速的變化，扭轉波動迫使鉆桿繞其自身軸線旋轉，并以彈性波的形式沿著鉆柱傳到地表，到達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，振動波形發生了變化，振幅也逐步減小，當鉆頭的振動頻率等于鉆柱固有頻率的整數倍時，將引起鉆柱的共振，此時鉆柱內的交變剪應力增大。

大量的現場鉆柱振動信號監測表明，軟硬交錯、松散破碎地層中鉆桿柱的扭轉振動是一種非常普遍的現象。井底反轉扭矩與鉆頭的結構直接相關，不同的鉆進工藝引起的振動強度不同，對于小口徑金剛石鉆進，鉆頭以高速旋轉運動獲得較高的鉆進效率，但是這種高速旋轉在復雜地層中扭轉波動能大，極易引發鉆桿的共振。

2.3鉆柱管材屬性.

管柱的扭轉振動固有頻率與自身外形尺寸、質量、硬度、材料彈模有關。對同樣外形的管柱，材質硬度越高頻率越高，質量越大頻率越低。扭轉振動固有頻率的高低反映不同能級狀態下鉆桿柱發生扭轉共振的難易程度，鉆桿柱屬性的改變就對扭轉振動的發生產生了影響。常規的鉆桿都是有不同成分的合金無縫鋼管制成的，深井作業的鉆柱由于受到井內高溫的影響，導致鋼材內部晶體排列形式、鉆柱材料的性質和幾何形狀發生變化，進而使鉆柱的固有頻率也發生變化。同時由于鉆桿柱自身在高溫環境下的力學性質較差，外界很小的激勵都有可能引發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，彈性管柱產生的附加熱應力引起子結構剛度特性的變化。鉆桿結構剛度、尺寸、材料性質等等都是與固有頻率相關的屬性，他們的變化改變了鉆桿柱扭轉振動形成條件。

2.4鉆探因素

鉆壓、轉速、泵壓：鉆壓大小決定激勵力能量的大小；鉆機轉速與激勵力頻率有直接關系；泥漿泵泵壓的穩定性對鉆柱在井內的運動狀態有影響，特別是在空氣鉆井中，由于往復泵的周期吸排氣和內加厚鉆桿截面的變化導致氣流的壓力和速度周期性的變化，產生氣體脈動，加劇鉆桿柱的振動。泥漿性能：泥漿中固相的含量對鉆速有影響，隨著固相含量增加，沖洗液的水力參數變壞，壓力和轉速對孔底破碎巖石的有效性的影響下降，鉆井指標差，因此不分散體系的泥漿其鉆進速度比分散體系的泥漿快。同時固相的性能與鉆柱與井壁、鉆柱與泥漿之間的靜態和動態摩擦力相關，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彈性波的能量。

鉆進參數對激勵產生了影響，間接改變了管柱的振動狀態，當鉆壓、轉速達到某一數值時，可能削弱鉆柱的振動，也可能對鉆柱的扭轉共振有利。通常，鉆桿柱任何一種形式的振動都有可能伴隨著其他形式的振動，各種振動之間存在一定的聯系。激發鉆柱扭振的因素有許多，但由于彈性細長鉆柱自身扭轉剛度很小，外界低擾動就能使鉆柱產生很大的旋轉位移，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，地層因素對鉆桿柱的振動影響最大。

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

[2]李軍強.井下溫度對鉆柱扭轉振動固有頻率影響的討論 [J].石油礦場機械,2006,35 （6）

[3] 章揚烈編著.鉆柱運動學與動力學[M] .北京:石油工業出版社,2001.

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-384-1

賈文忠（1966～），男，工程師，本科，研究方向為巖心鉆探。