教学媒体3-钻柱变形运动振动

油气井管柱力学中国石油大学(北京)高宝奎研究员钻柱一、钻柱的变形二、钻柱的运动自传、正向公转、反向公转三、钻柱振动一、钻柱的变形一、钻柱的变形•轴向变形•扭转变形•横向变形弯曲屈曲平面屈曲蛇形屈曲螺旋屈曲钻柱变形基本形式一、钻柱的变形直井钻柱变形特点MαφPFpFmFzW一、钻柱的变形斜井段钻柱变形特点弯曲井段钻柱变形特点一、钻柱的变形一般认为：弯曲井段管柱不发生屈曲水平井段钻柱变形特点一、钻柱的变形螺旋屈曲翻转现象二、钻柱的运动•自转•公转•滑动正向反向（涡动、进动）二、钻柱的运动钻柱运动基本形式自转MφP二、钻柱的运动ΩωoorRFΩω1二、钻柱的运动公转正向公转反向公转钻柱旋转状态自转正向公转反向公转二、钻柱的运动滑动导向工具：滑动钻进方式二、钻柱的运动向前公转原因：缺陷、应力超前向后公转原因：摩阻、动力不平衡钻柱公转原因二、钻柱的运动（1）钻具缺陷MφPFpFz钻具产生正向公转的原因二、钻柱的运动（2）材料内阻即内摩擦钻具产生正向公转的原因二、钻柱的运动01234567-12-10-8-6-4-20246810公转角速度(Arc/s)能量损耗(kN.m/s/m)N1=0N1=1N1=2N1=3N1=4N1=5接触力影响反转发生的可能性钻具产生反向公转的原因二、钻柱的运动00.40.81.21.62-12-10-8-6-4-20246公转角速度(Arc/s)能量损耗(kN.m/s/m)总量滑动分量滚动分量滚动摩阻不可忽视钻具产生反向公转的原因二、钻柱的运动0123-12-10-8-6-4-20246810公转角速度(Arc/s)能量损耗(kN.m/s/m)µ=0µ=0.1µ=0.2µ=0.3µ=0.4滑动摩擦系数对能耗的影响钻具产生反向公转的原因二、钻柱的运动012345-12-10-8-6-4-20246810公转角速度(Arc/s)能量损耗(kN.m/s/m)δ=0.0δ=0.001δ=0.003δ=0.005滚动摩阻系数对能耗的影响钻具产生反向公转的原因二、钻柱的运动三、钻柱的振动钻柱振动形式导向工具：滑动钻进方式三、钻柱的振动(1)计算钻柱内的应力,校核钻柱的强度;(2)分析钻柱破坏(断裂,粘扣)的原因,提出预防措施(3)延长钻头及钻柱的使用寿命;(4)选择合理的钻进参数。钻柱振动研究的意义三、钻柱的振动①钻头/地层的相互作用②钻柱/裸眼的相互作用③流固偶合钻柱振动原因三、钻柱的振动钻柱振动原因一三、钻柱的振动钻头牙齿周期吃入岩石和牙轮的转动是导致钻柱纵向和扭转振动的主要原因钻柱振动原因一三、钻柱的振动小斜度井段钻柱压曲后的涡动和旋转钻进使用弯接头、偏重钻铤等造成正向公转是产生横向振动的主要原因钻柱振动原因二三、钻柱的振动参数共振——轴向/横向能量转换导致横向振动幅值无限增长传统共振中使振动无限增长的临界频谱为间断的固有频率参数共振的频谱是一系列域。临界频域的宽度依赖钻压伏动的大小,当幅值为零时,域宽也缩为零。参数共振导致横向振幅按指数增长,比经典共振中振幅线性增长危险性大得多。钻柱振动原因三三、钻柱的振动1.41.21.0I0.80.6II0.4III0.2000.10.20.30.40.5μθ/2Ω临界频率θ附近的不稳定区钻柱振动起因三钻柱振动起因三参数共振自激振动——刮刀钻头振动是钻柱、钻头和地层相互作用自激引起。一旦有振动发生,就会使井底出现波纹,并且刮刀切削力为时变量,切削力又反过来促进振动。钻柱振动原因四三、钻柱的振动Œ特点：自激振动主要涉及外部驱动力频率与钻柱固有频率之一的共振或调谐引起自激振动的激振力不独立于其引起的振动,而是相互耦合。如果振动停止,则激振力也停止。通常能量来自外部稳态力而不是外部不稳态力。振动把稳态力调制成周期力,周期力又反过来促进振动。滑/粘(slip/stick)运动引起扭振Œ原理：扭振幅值很大,以至钻铤段周期性的发生彻底静止,直到钻柱内扭矩积累到超过静态摩阻后钻铤才能再运动。钻柱振动原因五三、钻柱的振动钻头特性能诱发钻头扭振——PDC钻头激发钻柱扭转振动Œ当钻头涡动时,钻柱不发生扭振Œ硬岩石、高钻压、低转速、钝钻头都会使振动更激烈Œ钻柱振动一般在钻头接触井底钻进时就发生Œ钻柱摩阻与转速关系不密切钻柱振动原因六三、钻柱的振动（1）地面测量预计地下情况（2）随钻测量分析（3）失效实例分析（4）模型分析钻柱振动研究方法三、钻柱的振动Œ特点：①井越深,横向振动越严重②在地面,只能测到轴向和扭转振动深井钻柱的横向振动三、钻柱的振动Œ起因：（1）屈曲引起的底部钻具组合(BHA)的横向振动（2）钻头与地层相互作用引起的BHA横向振动（3）其它因素引起的横向振动Œ影响横向振动传播的因素（1）钻柱轴向力对横向振动的影响（2）螺旋屈曲段钻柱对横向振动的抑制作用（3）钻井液阻尼对横向振动的影响（4）中性点能量陷落说深井钻柱的横向振动三、钻柱的振动流体阻尼对横向振动的影响深井钻柱的横向振动三、钻柱的振动-0.1-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.080300600900井深(m)振幅(m)深井钻柱的横向振动三、钻柱的振动Œ结论钻头与地层相互作用可以引起钻柱动力失稳,出现振幅无限增长的横向振动。动力失稳时的振动能量被受压段钻柱滞留很大一部分,一些频率的波在这段钻柱陷落。中性点以上钻柱的横向振动能量主要被钻井液的阻尼消耗掉了,不可能传播到地面。中性点附近是危险点,但并不是能量和波形的陷落点。在中性点以上一定长度井段内使用高强度钻柱是必要的。如果在中性点附近使用扶正器,即使刚度很小,也会收到很好的效果。深井钻柱的横向振动三、钻柱的振动减震器：弹簧减震器和液力减震器悬浮钻具：中性点附近断开水力加压器：靠泥浆压降控制钻压不旋转短节：减小冲击和反转弹性扶正器：减小冲击和反转减震工具三、钻柱的振动减震器弹簧减震器只改变钻柱系统的固有频率，但不隔断和吸收振动，有时用它好，有时用它反而更糟。液力减震器可以有效地减少钻具的振动，但当喷嘴压降一定时，适用的钻压也一定。钻压范围小。减震工具三、钻柱的振动减振器存在的问题•正确使用可以减振，但使用不当反而加剧振动。所以有时钻井作业者尽管钻硬地层，仍不使用件振器。•减振器靠弹簧或流体阻尼吸振，现场几乎不可能根据岩性、钻铤组合和钻井参数来调整弹簧系数。在理论上，当阻尼作负功时，减振器起作用，当阻尼作正功时，加剧振动。•减振器容易发生芯轴或螺纹断裂。减震工具三、钻柱的振动带缺陷的底部钻具组合大钻压防斜钻具冲击旋转钻具容易引起振动的钻具组合三、钻柱的振动冲击旋转钻具•1968年美国EPR公司（EssoProductionResearchCo.）曾研制出一种测量和记录井下钻柱受力和运动的工具。主要测量参数有轴向力、扭矩、弯曲力、轴向加速度、周向加速度、径向加速度和钻柱内外钻井液压力共8个参数。钻柱振动测量三、钻柱的振动•1985年法国石油研究院研制了一种称为Trafor的专门进行钻柱动力学实测研究的MWD装置，利用该装置先后进行了钻柱振动的理论与实测对比研究，以及钻柱的粘滑（Stick-Slip）振动等方面的研究。该装置可以测量包括井下转速、钻压、扭矩、xyz三个方向的加速度、钻柱横截面上xy两个方向的弯矩、xyz三个方向的磁偏角、钻柱内外压力、钻柱内外温度的15个井下参数，以及包括地面转速、泵压、扭矩、大钩负荷和纵向加速度的5个地面参数。钻柱振动测量三、钻柱的振动•1994年美国Amoco公司和Sperry-Sun公司•利用钻柱动力传感器短节•研究了钻头的回旋运动、钻柱的扭转振动•测量钻压、扭矩和三个方向的加速度。钻柱振动测量三、钻柱的振动•地面测量（石油大学，西南石油学院）•井下测量（石油大学）钻柱振动测量三、钻柱的振动纵向振动：全井都有可能发生纵向振动，并导致钻柱破坏。地面观察明显。扭转振动：全井都有可能发生扭转振动，并导致钻柱破坏。地面观察较明显。横向振动：下部受压段易发生横向振动，并导致钻柱破坏。地面观察不明显。上部受拉段，钻柱绕自身轴线旋转。下部受压段，钻柱绕自身轴线旋转、反向涡动。钻柱若存在弯角则正向向公转。直井钻柱运动状态分析三、钻柱的振动振动形式实时诊断典型环境解决方法相关因素粘/滑地面扭矩变化剧烈(周期3-10秒)井下撞击严重大斜度井或尖齿PDC钻头在大钻压下减小钻压增加转速高转轴承，扭矩自协调，好润滑性泥浆BHA涡动井下撞击严重地面扭矩增加地面振动直井井眼冲蚀BHA不平衡降低转速增加钻压井下动力钻具硬BHA钻头涡动井下撞击明显扩径侧切强的钻头硬岩层，直井降低转速增加钻压换钻头，满尺寸近钻头扶正器钻头振动顶驱或方钻杆摇动，井下撞击直井/牙轮钻头钻硬地层改变钻压改变扭矩换钻头用减振短节钻柱振动形式与对策三、钻柱的振动END