岩心钻探中钻柱扭转振动形成机理分析

■贾文忠

（河北省地矿局第二地质大队 河北唐山063000）

岩心钻探中钻柱扭转振动形成机理分析

■贾文忠

（河北省地矿局第二地质大队 河北唐山063000）

在岩心钻探中，钻柱在机器的带动下会发生震动，这些震动对钻柱及钻探工作造成一定的影响，扭转振动作为最主要的振动形式之一，研究它具有十分重要的意义。通常，剧烈的扭振易引起钻头"憋跳"，增加事故的风险，对钻进过程极为不利，其危害不可忽视。文章基于此，对岩心钻探中钻柱扭转振动形成机理进行细致分析。

岩心钻探钻柱扭转振动形成机理

1　钻柱振动概述

在深部钻井过程中，钻杆柱将钻头送入井眼底部并传递动力，靠钻头的回转给进破碎岩石，形成井筒；通过钻柱向孔内输送高压泥浆，靠泥浆的粘度和流动等将孔底碎岩屑悬浮并携带至地表。处于旋转状态下的钻柱，除了承受轴向拉力和压力作用之外，还承受弯曲应力、扭矩、离心力、热力等作用力，管柱受力多样性决定了其在孔内空间运动的复杂程度。根据井下钻柱的实际工作和磨损情况分析，钻柱在井眼内的旋转形式主要包括：1）自转；2）公转；3）涡动。其中，公转和涡动时，钻柱与井壁之间的摩擦阻力大，钻杆连续不稳定的旋转运动加速了管柱的磨损和疲劳破坏，也引发了钻柱的振动，导致BHA涡动、跳钻以及BHA共振。

钻柱的振动涉及材料、热力、断裂等非常复杂的力学问题，其基本振动形式包括纵向振动、横向振动、扭转振动和耦合振动，国内外学者指出，它们振动形态和本质是不相同的，激励它们自振的条件不但与管柱本身几何特征和物理性质有关，也与它的旋转速度有关，一旦转速达到某一临界值时，就可能引起钻柱共振，而共振的直接危害就是钻杆过早的达到疲劳极限而失效。

2　钻柱扭转振动形成机理

扭转振动是指管柱绕其中心线的扭摆振动，象钟表内的扭簧带动摆轮，左右反复地扭动，故又称作扭簧振动。井底对钻头的旋转阻力不断变化，使钻杆产生交变剪应力，降低钻柱的稳定性和寿命。扭转振动的形成与钻头结构、岩层性质和均匀程度、管柱材料、钻压和转速等因素有关，可概括如下：

2.1黏滑转动和蹩钻

钻柱旋转过程中，由于钻头、钻杆与井壁和井底之间的非线性接触引起钻柱间歇地“黏滞静止”和高速转动的一种周期性运动。黏滑可看作是扭转振动的一种特定表现形式。钻柱处于黏滞状态，随着立轴驱动上部钻杆转动，管柱发生扭转变形和应力累积，整个管柱就像扭簧一样被不断上紧，当继续增大时，管柱克服井壁岩石和泥浆对管柱的摩阻力矩，瞬时转动，钻头骤然越过波状井底遇阻的那个坡，管柱积累的应力猛然释放，这时钻头会飞快地越过几个波，形成对井底的多次冲击，这就是蹩钻现象。管柱转动后，外部摩擦阻力降低，导致钻杆产生约2～6倍立轴角速度的波动，随着积聚的扭转变形能迅速释放，管柱旋转角速度下降，做减速运动，当钻柱黏性阻力增大到强迫管柱进入静止状态时，就完成一个周期的黏滑振动过程。

对于孔深达数千米的小口径岩心钻探工程，这种周期性的黏滑运动产生的扭转波动相当于在立轴和钻头之间施加扭转脉冲，在数秒内就可产生管柱“静止”和“滑动”运动，短时间内应力循环积累和释放，引起钻杆柱结构的不稳定而产生振动现象。此外，国内有学者根据相似理论设计和建造钻杆柱的实验模型装置以研究管柱的运动和动力状态，认为黏滑对钻速的影响最不利，井下约有45～50%的时间消耗在黏滑运动上。

2.2地层因素

钻头的直接作用对象是岩石，节理发育的岩石在硬度和强度上的各向异性使其力学性质不均匀，由于金刚石回转钻进以钻头剪切碎岩为主，动载作用下钻头间歇性的克入岩层引起转速的变化，扭转波动迫使钻杆绕其自身轴线旋转，并以弹性波的形式沿着钻柱传到地表，到达地面后再沿着钻柱反向传给钻头。由于钻井液阻尼的作用，弹性能在传播过程中逐渐降低，振动波形发生了变化，振幅也逐步减小，当钻头的振动频率等于钻柱固有频率的整数倍时，将引起钻柱的共振，此时钻柱内的交变剪应力增大。

大量的现场钻柱振动信号监测表明，软硬交错、松散破碎地层中钻杆柱的扭转振动是一种非常普遍的现象。井底反转扭矩与钻头的结构直接相关，不同的钻进工艺引起的振动强度不同，对于小口径金刚石钻进，钻头以高速旋转运动获得较高的钻进效率，但是这种高速旋转在复杂地层中扭转波动能大，极易引发钻杆的共振。

2.3钻柱管材属性.

管柱的扭转振动固有频率与自身外形尺寸、质量、硬度、材料弹模有关。对同样外形的管柱，材质硬度越高频率越高，质量越大频率越低。扭转振动固有频率的高低反映不同能级状态下钻杆柱发生扭转共振的难易程度，钻杆柱属性的改变就对扭转振动的发生产生了影响。常规的钻杆都是有不同成分的合金无缝钢管制成的，深井作业的钻柱由于受到井内高温的影响，导致钢材内部晶体排列形式、钻柱材料的性质和几何形状发生变化，进而使钻柱的固有频率也发生变化。同时由于钻杆柱自身在高温环境下的力学性质较差，外界很小的激励都有可能引发杆柱共振和弯曲变形。3）不均匀温度场引起钻柱轴向伸缩量不同，在约束条件下，弹性管柱产生的附加热应力引起子结构刚度特性的变化。钻杆结构刚度、尺寸、材料性质等等都是与固有频率相关的属性，他们的变化改变了钻杆柱扭转振动形成条件。

2.4钻探因素

钻压、转速、泵压：钻压大小决定激励力能量的大小；钻机转速与激励力频率有直接关系；泥浆泵泵压的稳定性对钻柱在井内的运动状态有影响，特别是在空气钻井中，由于往复泵的周期吸排气和内加厚钻杆截面的变化导致气流的压力和速度周期性的变化，产生气体脉动，加剧钻杆柱的振动。泥浆性能：泥浆中固相的含量对钻速有影响，随着固相含量增加，冲洗液的水力参数变坏，压力和转速对孔底破碎岩石的有效性的影响下降，钻井指标差，因此不分散体系的泥浆其钻进速度比分散体系的泥浆快。同时固相的性能与钻柱与井壁、钻柱与泥浆之间的静态和动态摩擦力相关，性能好的泥浆不仅能降低摩擦力矩，还能有效的吸收钻杆柱的扭转弹性波的能量。

钻进参数对激励产生了影响，间接改变了管柱的振动状态，当钻压、转速达到某一数值时，可能削弱钻柱的振动，也可能对钻柱的扭转共振有利。通常，钻杆柱任何一种形式的振动都有可能伴随着其他形式的振动，各种振动之间存在一定的联系。激发钻柱扭振的因素有许多，但由于弹性细长钻柱自身扭转刚度很小，外界低扰动就能使钻柱产生很大的旋转位移，钻柱与井壁、钻头与井底岩石之间的摩阻力是引起钻杆柱激振的主要来源，因此，地层因素对钻杆柱的振动影响最大。

[1]吕苗荣编著.石油工程管柱力学 [M].北京:中国石化出版社,2012,01.

[2]李军强.井下温度对钻柱扭转振动固有频率影响的讨论 [J].石油矿场机械,2006,35 （6）

[3] 章扬烈编著.钻柱运动学与动力学[M] .北京:石油工业出版社,2001.

F407.1[文献码]B

1000-405X（2016）-2-384-1

贾文忠（1966～），男，工程师，本科，研究方向为岩心钻探。