大位移井鉆柱振動規律研究

李峰

摘要：在位移井鉆的施工的過程中，往往會受到各種振動的影響，如果這些振動集中爆發的話，就會對鉆柱造成巨大的影響，不僅僅會使鉆柱受到一定程度的破損，而且還會影響工程的穩定，造成嚴重的安全隱患。針對鉆柱的振動的規律，分析其受到振動的行為因素，在線性分析的支持下，了解大位移鉆井橫向振動、縱向振動以及扭轉振動之間的頻譜方程，從而減少鉆柱共振現象的產生。本文及淺談大位移井鉆柱振動規律研究。

關鍵詞：大位移井;鉆柱;振動規律

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2的一種定向井。這種井地處的位置一般在淺海灘區，雖然油氣的含量很高，但是 由于位置的原因，導致鉆井船無法進入其中進行鉆井工作。在這種情況下，使用大位移法進行鉆井工作成為了最優化的選擇。但是由于大位移鉆井法在工作的過程中很容易受到摩擦震動的問題，所以研究對大位移鉆柱的震動規律進行研究，有著非常重要的意義。

一、大位移井鉆柱橫向振動的規律

橫振在鉆井的過程中是比較常見的現象，在對橫振進行研究的前期，認為主要是鉆頭和鉆地工具受到的協迫性共振所引發的。但是在試驗的過程中，才發現由于鉆頭受到的震動波動是由于橫向和軸向的一個非線性耦合，這種震動對于鉆柱的影響是非常大的，除此之外，渦動也是鉆柱橫向振動的一大因素。渦動主要是指鉆柱的鉆具或者是工具的開頭與井壁互相摩擦震動的結果，事實證明不管事前渦動還是后渦動，都能夠對鉆柱造成極大的損傷。我們在對于橫振的研究上，一般采取的是有限元法來進行研究，這種方法是現階段比較出色的橫向振動研究法，能夠詳細的描述橫向振動的頻率規律。有限元法能夠通過線性的分析，精準的得到鉆柱在工作時的頻率，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頻率。本次模擬實驗也是通過有限元法研究橫振規律將以直井或者是接近直井的情況下使用，通過這種環境真實的反應震動的頻率，采用線性模型描述其中動力現象。

本文橫向振動規律研究的方式是線性分析法，通過描述在81/2In（216mm）井眼的一個63/4in的BHA的一個組合。本次實驗需要出于鉆頭后面的BHA的三個穩定器進行權利的支持，總長度為30.25m。使用的鉆柱為隨鉆測量儀在短節上的部分，在整體的鉆柱上，采取13個有著優良抗壓性能的鉆柱，總長度達到120米左右。在CSDP的采用上，使用的是幾何尺寸為內127外72毫米的尺寸。本次試驗中，將提供高達100KN的連續鉆壓，同時提供6.5KN·m的扭矩施壓。

實驗開始前需要進行最基本的假設：

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整體：

相對于很長的鉆桿部分，井底鉆具組合對橫向自由撰動的影響可以忽略不計，忽略t柱與井璧的摩擦，考慮泥漿對鉆柱振動質量的影響;激振力米源于馬達和鉆桿部分質量的不平衡，鉆柱系統按頂部規定的旋轉速度旋轉。

二、大位移井水平井段鉆進中鉆柱的扭轉振動研究

對于鉆柱在水平段鉆進過程中受到的扭轉振動的研究，同樣需要在不會對結果造成大幅度影響的時候，做出四點的假設：一是鉆柱在運行的過程中默認是一個均勻的質量彈性桿;二是假設下部鉆具組合的過程中，鉆柱是在井眼的下方;三是假定在工作的過程中，轉盤的轉速是一個常量，不會發生變化;四是假定實驗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。在這種假設的情況下，在探究鉆柱的扭轉振動力學。

在分析鉆柱承受扭轉轉振動的時候，在模型的建立上，應當以鉆柱的軸為x軸，dx為微元段，那么在鉆柱振動時的位移角度是θ，相對應的扭矩也就是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，根據材料學可以推斷出微元段相對轉角和扭矩之間的一個聯系，即M=GJP dθ/dx

在這個聯系方程式中，G代表的是剪切的一個彈性模量，JP代表的是截面的一個極慣性矩。

由此可以建立一個微元段在動力學上的方程式：

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

將上述方程式帶入，即可得到

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

根據實例進行分析和計算，如果鉆柱和鉆頭被當成一個統一的整體，固定端則是另一端的穩斜段，那么在大位移井鉆柱運動的過程中，穩斜段與井的夾角是九十度。那么從整體上看，像是一個一端固定一端自由運動的轉體。這時扭轉振動的固有頻率ωn就可以通過一下的方程式進行表示：

n表示的是階數，且n=1時所受到扭振的力度最大，G仍然表示的是材料的一個剪切模量，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。那么鉆柱在運動過程中，和液體之間多增加的鉆柱質量為：

根據整體的規律表明，鉆柱的長度越長，鉆柱受到的扭轉的剛度越小，共振的頻率也就越來低。

結束語：鉆柱作為工程實踐中利用的重要工具，有著非常突出的利用價值，但是其振動問題卻對鉆柱的使用效率和安全造成了嚴重的影響，所以必須要對此問題進行有效的解決。通過研究鉆柱振動的各類因素，從而找出有效控制措施，實現鉆柱利用的實效性提升。

參考文獻：

[1]蘭凱，劉香峰.鉆柱惡性振動識別與抑制技術研究進展[J].吉林大學學報（地球科學版），2017，47（1）：203-214.