44、減振器的位置對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的影響

1、______________________李子豐(1962)男河北遷安人1983年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)1992年于石油大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)工程專業(yè)獲博士學(xué)位19921994年任哈爾濱工業(yè)大學(xué)力學(xué)博士后?，F(xiàn)任燕山大學(xué)石油工程研究所所長(zhǎng)教授博士生導(dǎo)師河北省石油學(xué)會(huì)和振動(dòng)工程學(xué)會(huì)理事從事石油鉆采工程方面研究。地址：（066004）河北省秦皇島市燕山大學(xué)石油工程研究所。電話：（0335）8079211。Email:zfli@ysu

2、.。1減振器的位置對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的影響李子豐1張書瑞2郭盛堂2劉卜2(1燕山大學(xué)，2大慶石油管理局鉆井一公司)提要概述了海拉爾深井鉆井面臨的鉆具破壞問(wèn)題和解決問(wèn)題的途徑。介紹了位移激勵(lì)法的鉆柱縱向振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型和力學(xué)分析軟件。對(duì)減振器的安放位置對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。數(shù)據(jù)表明，減振器的安放位置對(duì)鉆柱的縱向振動(dòng)影響很大。在一些條件下，減振器能起到減小鉆柱振動(dòng)的作用；但在另一些條件下，減振器還會(huì)增加鉆柱的振動(dòng)。減振器直接接在鉆頭

3、上減振效果良好。關(guān)鍵詞鉆柱縱向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型減振器共振防振海拉爾深井鉆井面臨的鉆具破壞問(wèn)題和解決問(wèn)題的途徑隨著大慶油田的不斷開發(fā)，尋找新的接替資源已成必然。海拉爾地區(qū)是大慶油田外圍勘探的重點(diǎn)，并取得了重大突破。海拉爾地區(qū)深井鉆井的主要困難是鉆具破壞。其主要形式是鉆鋌斷扣和粘扣。盡管在鉆具防破壞上加大了科研和生產(chǎn)投入，（1）更換了切扣、修扣鉆鋌，（2）對(duì)于深井鉆具組合采取上下倒換、探傷等措施，但發(fā)生鉆鋌斷裂事故的次數(shù)仍然很多。2005年共發(fā)

4、生鉆鋌斷裂事故10次，平均斷裂頻次為0.4次口，嚴(yán)重地制約了該區(qū)鉆井速度和經(jīng)濟(jì)效益。2006年海拉爾地區(qū)預(yù)計(jì)鉆井21口，平均井深較上年有所增加。如果鉆具斷裂次數(shù)下降，可大大提高該區(qū)的鉆井速度，同時(shí)帶來(lái)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。減少鉆具破壞的主要途徑有：（1）提高鉆具的強(qiáng)度和抗疲勞性能，主要包括絲扣的設(shè)計(jì)、加工、表面處理、無(wú)損檢測(cè)、維護(hù)和修復(fù)；（2）采用振動(dòng)比較輕的鉆進(jìn)方式，如某些類型的PDC鉆頭鉆進(jìn)、井下動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)等；（3）采用減振工

5、具，如減振器和防渦穩(wěn)定器；（4）選擇合理的轉(zhuǎn)速避開共振區(qū)。鉆柱振動(dòng)按形式分為縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)。它們相互作用、相互影響并以縱向振動(dòng)為主1。本文僅研究鉆柱的縱向振動(dòng)，并主要探討減振器的位置對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的影響。位移激勵(lì)法的鉆柱縱向振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型24井底不平使鉆頭上下振動(dòng)是導(dǎo)致鉆柱振動(dòng)的直接原因。取自硬地層的巖心證明了用三牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)井底為高低不平的三瓣?duì)?。這種三瓣?duì)罹资谷垒嗐@頭每轉(zhuǎn)一周上下振動(dòng)三次。多年來(lái)對(duì)鉆柱振動(dòng)的測(cè)定也

6、得了相同結(jié)論。激勵(lì)位移法以鉆頭位移為定解條件之一。一、基本假設(shè)(1)鉆柱處于線彈性變形狀態(tài)(2)鉆柱橫截面為圓形或圓環(huán)形(3)井筒軸線是垂直向下的(4)鉆柱軸線與井筒軸線重合(5)略去鉆柱的橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(6)鉆井液為牛頓流體(7)鉆井液的動(dòng)壓力為零(8)略去溫度的影響(9)略去鉆柱重力、平均鉆壓、鉆井液浮力、鉆柱的勻速運(yùn)動(dòng)等靜力的影響(10)僅研究鉆柱縱向振動(dòng)特性。二、力學(xué)模型與坐標(biāo)系鉆柱縱向振動(dòng)的同時(shí)起升系統(tǒng)也隨著振動(dòng)因此縱向振動(dòng)系

7、統(tǒng)應(yīng)該包括井架、鋼絲繩、游車、水龍頭和鉆柱簡(jiǎn)圖見圖1。3(3)???????ttTluttlutTlutluiiii????)()()()(pp式中為鉆柱自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。pT六、邊界條件鉆柱縱向振動(dòng)系統(tǒng)的邊界條件有二一個(gè)是地面或鉆臺(tái)的邊界條件另一個(gè)是鉆頭邊界條件。1.地面邊界第一段鉆柱頂端即井架底座固定因此(4))()0(1tUtu?式中U(t)為鉆臺(tái)位移函數(shù)對(duì)于陸地鉆機(jī)可設(shè)為常數(shù)零。2.鉆頭邊界條件(5))()(btUtLumm?式中

8、為鉆頭振動(dòng)函數(shù)周期平均值為零。)(btU該數(shù)學(xué)模型可以用分離變量法求解。鉆柱縱向振動(dòng)分析軟件簡(jiǎn)介軟件在Windows環(huán)境下，用VisualBasic6.0開發(fā)。一、軟件用途分析鉆柱的縱向振動(dòng)隨井深和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律；設(shè)計(jì)鉆柱組合和選擇轉(zhuǎn)速，避免發(fā)生縱向共振；減少因鉆具共振產(chǎn)生的鉆柱事故。二、輸入?yún)?shù)1鉆柱組合和鉆進(jìn)參數(shù)2鉆井液性能3起升系統(tǒng)參數(shù)。三、輸出參數(shù)鉆柱內(nèi)的動(dòng)負(fù)荷和動(dòng)位移隨井深和轉(zhuǎn)速變化的數(shù)據(jù)和圖形。鉆柱內(nèi)減振器的位置對(duì)鉆柱縱向振

9、動(dòng)的影響一、海拉爾鉆具組合等工程參數(shù)(1)鉆具組合：Φ216mmHJ517三牙輪鉆頭0.25m＋Φ214mm穩(wěn)定器1.5m＋Φ178mm鉆鋌1.5m＋Φ214mm穩(wěn)定器1.5m＋Φ178mm鉆鋌9m＋Φ214mm穩(wěn)定器1.5m＋Φ178mmSJ減振器6m＋Φ178mm鉆鋌27m＋Φ159mm鉆鋌108m＋Φ127mm鉆桿。(2)鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓120170kN轉(zhuǎn)速90110rmin排量32Ls。(3)鉆井液性能：密度12001250kgm

10、3粘度0.1Pa.s。(4)Φ178mmSJ減振器性能：外徑0.178m內(nèi)徑0.065m長(zhǎng)度6.2m平均剛度3900kNm。其剛度等效于彈性模量為1109Nm2的材料產(chǎn)生的剛度。(5)起升系統(tǒng)：井架的等效直徑0.3m長(zhǎng)度40m鋼絲繩的等效直徑0.2m長(zhǎng)度25m大鉤水龍頭的等效直徑0.4m長(zhǎng)度5m。二、減振器的位置對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的影響在鉆頭處輸入為牙輪個(gè)數(shù)為轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)分)的激勵(lì)位移，將阻尼系)30sin(01.0)(rbbtNNtU??bN