鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)的試驗(yàn)研究

李欣業(yè), 李興鵬, 李 慨, 張華彪, 陳 濤

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300401; 2. 天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300134)

石油和天然氣資源是一種深藏于地下巖層中的碳?xì)浠衔?其開(kāi)采的關(guān)鍵是在地下鉆出深達(dá)數(shù)千米的井孔。鉆井過(guò)程是石油和天然氣資源開(kāi)采的關(guān)鍵步驟[1],鉆井過(guò)程中鉆桿處在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)環(huán)境下會(huì)不可避免地發(fā)生振動(dòng)。鉆桿的振動(dòng)形式主要有三種,縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),其極端表現(xiàn)形式分別稱為跳鉆、渦動(dòng)和黏滑振動(dòng)。鉆桿的劇烈振動(dòng)不僅會(huì)嚴(yán)重影響鉆井效率,甚至還會(huì)引起鉆具的損壞。因此鉆桿的振動(dòng)問(wèn)題一直備受各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。

與大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析類似,針對(duì)鉆桿復(fù)雜的耦合振動(dòng)的研究主要有理論分析(基于表現(xiàn)為常微分方程或偏微分方程的數(shù)學(xué)模型)、數(shù)值分析(基于有限元模型)和試驗(yàn)分析三種方法。通常情況下,理論分析是將鉆桿系統(tǒng)簡(jiǎn)化為較少自由度的常微分方程形式的集總參數(shù)模型[2]。Ritto等[3]基于一個(gè)兩自由度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型研究了鉆桿黏滑運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制問(wèn)題。韓善凱等[4]基于一個(gè)兩自由度模型,利用平均法對(duì)鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究。付蒙等[5]基于一個(gè)兩自由度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型和Karnopp摩擦模型,研究了鉆桿黏滑振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理以及鉆井參數(shù)對(duì)鉆柱黏滑振動(dòng)的影響規(guī)律。由于集總參數(shù)模型對(duì)大尺寸的鉆桿系統(tǒng)的簡(jiǎn)化過(guò)大,有人對(duì)這種方法表示極大的質(zhì)疑。

由于理論分析的局限性,利用有限單元法研究鉆桿的非耦合或耦合振動(dòng)問(wèn)題,正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。考慮幾何非線性和結(jié)構(gòu)阻尼,Sampaio等[6]建立了鉆桿縱扭耦合振動(dòng)的非線性有限單元模型,并將所得結(jié)果與線性模型的結(jié)果進(jìn)行了比較。Butlin等[7]在討論鉆桿的彎扭耦合振動(dòng)時(shí),分別給出了數(shù)字濾波器模型和有限單元模型,基于偏心率、鉆桿與井孔的接觸情況和計(jì)算效率,比較了兩個(gè)模型的結(jié)果。為了反映巖層強(qiáng)度的變化,Lobo等[8]將切削力矩看成一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,建立了鉆桿縱扭耦合振動(dòng)的有限單元模型,并將所得結(jié)果與確定性模型的結(jié)果進(jìn)行了比較。考慮井眼軌跡變化、井筒約束作用、鉆頭與巖石的相互作用力以及井筒超高溫高壓對(duì)管柱彈性模量和鉆井液黏度的影響,郭曉強(qiáng)等[9]建立了全井段鉆柱系統(tǒng)縱-橫-扭耦合非線性振動(dòng)模型,并借助有限元理論實(shí)現(xiàn)了非線性振動(dòng)模型的數(shù)值求解,分析了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭沖提速工具以及底部鉆具組合(bom hole assembly,BHA)長(zhǎng)度對(duì)鉆柱系統(tǒng)黏滑振動(dòng)特性的影響規(guī)律。雖然數(shù)值仿真已經(jīng)逐漸成為鉆桿振動(dòng)研究的主要手段,但是其結(jié)果的可靠性,仍需要理論和試驗(yàn)方面的證明和驗(yàn)證。由于理論研究和數(shù)值仿真研究的局限性,試驗(yàn)研究越來(lái)越受到人們的重視。

Lin等[10]基于鉆柱動(dòng)力學(xué)方程和力學(xué)相似原理,利用錐形鉆頭通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M了水平鉆柱的非線性動(dòng)力學(xué)行為,研究了穩(wěn)態(tài)下的軸向、橫向和扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)。試驗(yàn)裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的變形實(shí)現(xiàn)鉆壓的調(diào)控,但不能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。Wiercigroch等[11]基于利用大撓度鉆桿模擬黏滑、跳鉆及鉆頭巖石相互作用的試驗(yàn)裝置,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)完善了鉆柱縱扭耦合振動(dòng)二自由度模型的缺陷。Bavadiya等[12]利用試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速和鉆壓對(duì)鉆桿軸向和橫向振動(dòng)、鉆削扭矩和鉆進(jìn)速度的影響。結(jié)果表明,降低轉(zhuǎn)速和鉆壓有助于降低鉆削硬地層時(shí)的橫向振動(dòng),并且只降低轉(zhuǎn)速也能夠有效地降低軸向振動(dòng)。Kapitaniak等[13]利用三牙輪鉆頭和PDC鉆頭試驗(yàn)研究了黏滑和跳鉆現(xiàn)象的機(jī)理,并且利用有限元分析方法建立了鉆機(jī)詳細(xì)的三維模型,試驗(yàn)和有限元分析的結(jié)果基本一致。Real等[14]提出的豎向鉆桿縱扭耦合振動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)利用底部的電動(dòng)千斤頂保持恒定的鉆壓,同時(shí)測(cè)量頂部和底部的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度以及扭矩和縱向力。并基于石工鉆頭采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所考慮滯后效應(yīng)的鉆頭-巖石相互作用模型進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別。所得試驗(yàn)結(jié)果與鉆井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合較好,但該試驗(yàn)裝置中的電動(dòng)千斤頂同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)巖樣的精確進(jìn)給。Khulief等[15]提出的鉆桿振動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)不僅能模擬鉆井液的影響,還利用軸向激振器模擬鉆壓即鉆頭-巖石相互作用的波動(dòng),并通過(guò)磁力張力制動(dòng)器進(jìn)一步誘發(fā)黏滑運(yùn)動(dòng)。該測(cè)試系統(tǒng)的鉆桿長(zhǎng)度(1～2 m)和直徑(3～10 mm)都是可調(diào)節(jié)的,但并未切削真實(shí)的巖樣。

目前,模擬鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)及測(cè)試的試驗(yàn)裝置[16]普遍存在的共性問(wèn)題是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的可控性差。而本文提出的模擬測(cè)試系統(tǒng)基于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,利用蝸輪-蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng),再通過(guò)絲杠-螺母副實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)按不同的速度進(jìn)給。

1 鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

如圖1和2所示,鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、鉆桿主體裝置以及各種拾振器組成。控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和直流電源組成。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)同步采集系統(tǒng)(uT8908FRS-TEDS),主要是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、放大、濾波和時(shí)頻域分析及顯示。鉆桿主體裝置主要由主支撐架、鉆桿、鉆頭、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、巖樣固定機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定板和扭矩傳感器固定板等組成。拾振器包括角度傳感器(VTD72K14-4)、扭矩傳感器(JN-DN)、壓力傳感器(F2031)和單點(diǎn)激光測(cè)振儀(PLOYTEC OFV-505/5000)。

圖1 鉆桿振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 鉆桿振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)裝置頂部的伺服電機(jī)為鉆桿提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力,通過(guò)控制系統(tǒng)可以方便地改變鉆桿的轉(zhuǎn)速。下部的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪-蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng),再通過(guò)絲杠-螺母副實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)按不同的速度進(jìn)給。

單點(diǎn)激光測(cè)振儀和壓力傳感器用于測(cè)量鉆桿的縱向振動(dòng)位移和鉆壓的波動(dòng),角度傳感器和扭矩傳感器用于測(cè)量鉆桿的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)位移和扭矩的波動(dòng)。伺服電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器連接上部扭矩傳感器,扭矩傳感器的下部通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接鉆桿上部。鉆桿的上部穿過(guò)中空的角度傳感器,通過(guò)上下兩個(gè)角度傳感器的差值來(lái)表示鉆桿工作時(shí)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度。鉆桿下部通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接下部扭矩傳感器,下部扭矩傳感器也是通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接鉆頭夾具。壓力傳感器安裝在巖樣固定機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)之間,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆壓的變化。

2 鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)測(cè)試方案

2.1 試驗(yàn)材料、鉆桿和鉆頭

本次試驗(yàn)材料選擇兩種不同抗壓強(qiáng)度的正方體混凝土塊(邊長(zhǎng)為100 mm),代號(hào)分別為C15,C25,它們的抗壓強(qiáng)度分別為15 N/mm2和25 N/mm2。鉆頭使用的是沖擊石工鉆頭,直徑分別為5 mm和8 mm。雖然此鉆頭與真實(shí)鉆井過(guò)程中所采用的PDC鉆頭相差較大,但由于在鉆頭和鉆桿之間裝有扭矩傳感器以及聯(lián)軸器和夾具,這在一定程度上可以彌補(bǔ)鉆頭直徑較小的缺陷。試驗(yàn)所用的鉆桿直徑為14 mm,長(zhǎng)度為1 500 mm,材質(zhì)分別為45鋼和6061鋁。

2.2 測(cè)試方案

試驗(yàn)將首先采用控制變量法,探究工作參數(shù)(鉆桿轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度)與系統(tǒng)參數(shù)(鉆桿剛度、巖樣強(qiáng)度和鉆頭直徑)中單一因素的變化對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響。然后,通過(guò)正交試驗(yàn)分析各因素對(duì)鉆桿縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響程度。

為了避免鉆頭過(guò)度磨損對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,每鉆6個(gè)孔更換一把新鉆頭。為了消除試驗(yàn)誤差,每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次,后續(xù)所用數(shù)據(jù)均為3次試驗(yàn)的平均值。正交試驗(yàn)主要研究鉆桿轉(zhuǎn)速(A)、巖樣進(jìn)給速度(B)、鉆桿材質(zhì)(C)、巖樣強(qiáng)度(D)和鉆頭直徑(E)五個(gè)因素對(duì)鉆桿響應(yīng)的影響。A和B因素取4個(gè)水平,C、D和E取2個(gè)水平。正交表具有正交性,在任意一列中,每個(gè)水平的重復(fù)次數(shù)要相等。任意兩列中,同行水平構(gòu)成的數(shù)對(duì)重復(fù)次數(shù)要相等,所以選取正交表L16(42x23),因素水平表如表1所示。

表1 影響因素水平表

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 工作參數(shù)對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響

轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆桿縱向位移最大值的影響,如圖3(a)所示。從圖3中可以看出在進(jìn)給速度相同的情況下,鉆桿的縱向位移最大值隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。在轉(zhuǎn)速相同的情況下,鉆桿的縱向位移最大值隨著進(jìn)給速度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)速為200 r/min和進(jìn)給速度為12 mm/min時(shí),縱向振幅的最大值達(dá)到0.014 mm為試驗(yàn)的最小值。在轉(zhuǎn)速為250 r/min和進(jìn)給速度為3 mm/min時(shí),縱向振幅的最大值達(dá)到0.072 mm為試驗(yàn)的最大值。

圖3 轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響

轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆桿相對(duì)扭轉(zhuǎn)位移幅值的影響,如圖3(b)所示。從圖中可以看出,在進(jìn)給速度相同的條件下,相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)速相同的條件下,相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度,隨著進(jìn)給速度的增大呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)速為150 r/min和進(jìn)給速度為3 mm/min時(shí),扭轉(zhuǎn)振動(dòng)非常微弱。在轉(zhuǎn)速為50 r/min和進(jìn)給速度為12 mm/min時(shí),扭轉(zhuǎn)角度最大值達(dá)到2.07°為試驗(yàn)的最大值。

進(jìn)給速度為9 mm/min,鉆桿材質(zhì)為45鋼,鉆頭直徑為8 mm,巖樣為C15時(shí)不同轉(zhuǎn)速下鉆桿的縱向和扭轉(zhuǎn)方向位移的時(shí)域曲線,分別如圖4所示。由圖4(a)可知,不同轉(zhuǎn)速下的縱向振動(dòng),波形變化很大,波動(dòng)幅度的變化也很大。而圖4(b)表明,相對(duì)于縱向振動(dòng),轉(zhuǎn)速變化時(shí)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的變化相對(duì)簡(jiǎn)單,波形更規(guī)則,但轉(zhuǎn)速越高波動(dòng)幅度越小。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下鉆桿振動(dòng)的時(shí)域曲線

3.2 對(duì)黏滑和跳鉆的定性分析

圖5是一組對(duì)應(yīng)鉆頭絕對(duì)角位移、扭矩、縱向位移和鉆壓的時(shí)間歷程曲線,對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為轉(zhuǎn)速150 r/min,進(jìn)給速度9 mm/min,鉆桿材質(zhì)45鋼,鉆頭直徑8 mm,巖樣C15。可以看出,第二幅圖中的波峰與第一幅圖中的波谷基本對(duì)應(yīng)。此時(shí)的絕對(duì)角速度為零,對(duì)應(yīng)著卡鉆即黏滑現(xiàn)象中的黏滯。第四幅圖中的波谷與第三幅圖中的波峰基本對(duì)應(yīng)。此時(shí)由于鉆壓最小,所以如果縱向位移足夠大,則表明鉆頭可能與巖樣脫離接觸。但由于本試驗(yàn)中進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的,進(jìn)給速度不夠小而縱向位移不夠大,所以鉆壓并沒(méi)有出現(xiàn)為零,即并沒(méi)有出現(xiàn)跳鉆的情況。

圖5 動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間歷程

3.3 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響

對(duì)45鋼鉆桿,C15巖樣,進(jìn)給速度為6 mm/min時(shí),不同轉(zhuǎn)速下鉆頭直徑對(duì)鉆桿縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響分別如圖6所示。從圖中可以看出,轉(zhuǎn)速相同的情況下,鉆頭直徑為5 mm時(shí),鉆桿的縱向位移幅值較大。這是因?yàn)? mm鉆頭所受到的鉆壓要小于8 mm鉆頭所受到的鉆壓,增大鉆壓對(duì)縱向振動(dòng)幅值有一定的抑制作用。鉆頭直徑為8 mm時(shí),鉆桿的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度較大,而且都在兩倍以上。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下鉆頭直徑對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響

對(duì)8 mm鉆頭,C15巖樣,進(jìn)給速度為6 mm/min時(shí),不同轉(zhuǎn)速下鉆桿剛度對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響,分別如圖7所示。從圖7中可以看出,45鋼鉆桿的縱向位移和相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度都要低于6061鋁桿。這是因?yàn)?061鋁桿的扭轉(zhuǎn)剛度和縱向剛度都要低于45鋼桿。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下鉆桿材質(zhì)對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響

對(duì)45鋼鉆桿,8 mm鉆頭,進(jìn)給速度為6mm/min時(shí),不同轉(zhuǎn)速下巖樣強(qiáng)度對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響,分別如圖8所示。從圖8中可以看出,鉆削C25巖樣時(shí),鉆桿的縱向位移較小但扭轉(zhuǎn)位移較大。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下巖樣強(qiáng)度對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響

3.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示,極差分析的結(jié)果如圖9所示。由圖可知,對(duì)于縱向位移來(lái)說(shuō),鉆桿轉(zhuǎn)速的極差值最大,鉆桿材質(zhì)的極差值最小。這表明鉆桿轉(zhuǎn)速是影響鉆桿縱向位移幅值的最重要因素,各個(gè)因素的重要性排序?yàn)?轉(zhuǎn)速>巖樣強(qiáng)度>鉆頭直徑>進(jìn)給速度>鉆桿剛度。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖9 極差結(jié)果圖

對(duì)于扭轉(zhuǎn)位移來(lái)說(shuō),進(jìn)給速度的極差值最大,巖樣強(qiáng)度的極差值最小。這表明進(jìn)給速度是影響鉆桿相對(duì)扭轉(zhuǎn)位移幅值的最重要因素,各個(gè)因素重要性排序?yàn)?進(jìn)給速度>鉆頭直徑>鉆桿轉(zhuǎn)速>鉆桿剛度>巖樣強(qiáng)度。

3.5 工作參數(shù)對(duì)鉆壓和扭矩的影響

對(duì)8 mm鉆頭、C15巖樣、45鋼鉆桿,轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆壓(weight on bit,WOB)和扭矩(torsion on bit,TOB)的影響如圖10所示。不難看出,隨著轉(zhuǎn)速的增大,鉆壓和扭矩都會(huì)迅速減小。但進(jìn)給速度越大,鉆壓和扭矩都越大。對(duì)此現(xiàn)象的一般解釋是隨著切削速度和進(jìn)給速度的提高,切削溫度會(huì)隨之增加,并導(dǎo)致刀具與被加工材料之間的摩擦力降低,進(jìn)而降低相應(yīng)的鉆壓和扭矩。

圖10 扭矩和鉆壓隨轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的變化

3.6 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)鉆壓和扭矩的影響

為說(shuō)明系統(tǒng)參數(shù)對(duì)鉆壓和扭矩的影響,圖11分別給出了進(jìn)給速度為6 mm/min時(shí),不同鉆頭直徑、鉆桿剛度和巖樣強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的鉆壓和扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化。從圖11中可以看出,鉆頭直徑越大、巖樣強(qiáng)度越大時(shí),則相應(yīng)的鉆壓和扭矩越大。但鉆桿剛度越大(鋼質(zhì)),則相應(yīng)的鉆壓和扭矩越小。在鉆頭直徑、鉆桿剛度和巖樣強(qiáng)度這三個(gè)影響因素中,鉆桿剛度對(duì)鉆壓和扭矩的影響最小。

圖11 扭矩和鉆壓隨轉(zhuǎn)速的變化

4 結(jié) 論

本文提出了一種模擬鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)及測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng),不僅可以改變鉆桿的轉(zhuǎn)速,還可以方便地實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的改變。通過(guò)鉆削混凝土試驗(yàn),探究了工作參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響規(guī)律。得到的結(jié)論如下:

(1)在單因素試驗(yàn)中,隨著轉(zhuǎn)速的增加,縱向振動(dòng)幅值先減小后增大,但扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值逐漸減小;隨著進(jìn)給速度增大,縱向振動(dòng)幅值逐漸減小,但扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值逐漸增大。轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度越大,則鉆壓和扭矩越小。

(2)大直徑的鉆頭縱向位移幅值較小,但是扭轉(zhuǎn)位移幅值較大;大直徑鉆頭對(duì)應(yīng)的鉆壓和扭矩均較大。大剛度鉆桿的縱向位移和扭轉(zhuǎn)位移幅值都較小,相應(yīng)的鉆壓和扭矩也較小。混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度較大時(shí),鉆桿縱向振動(dòng)位移的幅值較小,但扭轉(zhuǎn)振動(dòng)位移的幅值較大;巖樣強(qiáng)度越大,則相應(yīng)的鉆壓和扭矩越大。

(3)基于正交試驗(yàn)的極差分析,轉(zhuǎn)速是縱向振動(dòng)的最重要的影響因素,進(jìn)給速度是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的最重要的影響因素。

試驗(yàn)結(jié)果與基于鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)兩自由度模型的數(shù)值仿真(Runge-Kutta方法)結(jié)果基本吻合。

由于測(cè)試用的鉆桿長(zhǎng)度(1.5 m)以及試驗(yàn)轉(zhuǎn)速(最大為250 r/min)的原因,鉆桿的橫向振動(dòng)很小,所以能夠較好地模擬縱-扭耦合振動(dòng)。與真實(shí)的鉆井過(guò)程相比,試驗(yàn)系統(tǒng)本身不能模擬鉆井液等對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響,亦不滿足幾何相似。此外,由于是利用石工鉆頭鉆削混凝土試樣進(jìn)行的試驗(yàn),所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)與鉆井現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)不具有直接可比性。