大位移井钻柱振动规律研究

李峰

摘要：在位移井钻的施工的过程中，往往会受到各种振动的影响，如果这些振动集中爆发的话，就会对钻柱造成巨大的影响，不仅仅会使钻柱受到一定程度的破损，而且还会影响工程的稳定，造成严重的安全隐患。针对钻柱的振动的规律，分析其受到振动的行为因素，在线性分析的支持下，了解大位移钻井横向振动、纵向振动以及扭转振动之间的频谱方程，从而减少钻柱共振现象的产生。本文及浅谈大位移井钻柱振动规律研究。

关键词：大位移井;钻柱;振动规律

大位移井就是移度比较大的井，具体指的是水平位移和垂直位移之间的比值超过2的一种定向井。这种井地处的位置一般在浅海滩区，虽然油气的含量很高，但是 由于位置的原因，导致钻井船无法进入其中进行钻井工作。在这种情况下，使用大位移法进行钻井工作成为了最优化的选择。但是由于大位移钻井法在工作的过程中很容易受到摩擦震动的问题，所以研究对大位移钻柱的震动规律进行研究，有着非常重要的意义。

一、大位移井钻柱横向振动的规律

横振在钻井的过程中是比较常见的现象，在对横振进行研究的前期，认为主要是钻头和钻地工具受到的协迫性共振所引发的。但是在试验的过程中，才发现由于钻头受到的震动波动是由于横向和轴向的一个非线性耦合，这种震动对于钻柱的影响是非常大的，除此之外，涡动也是钻柱横向振动的一大因素。涡动主要是指钻柱的钻具或者是工具的开头与井壁互相摩擦震动的结果，事实证明不管事前涡动还是后涡动，都能够对钻柱造成极大的损伤。我们在对于横振的研究上，一般采取的是有限元法来进行研究，这种方法是现阶段比较出色的横向振动研究法，能够详细的描述横向振动的频率规律。有限元法能够通过线性的分析，精准的得到钻柱在工作时的频率，也能够得到基于BHA的自振频率，还可以得到其中有害震源的反应频率。本次模拟实验也是通过有限元法研究横振规律将以直井或者是接近直井的情况下使用，通过这种环境真实的反应震动的频率，采用线性模型描述其中动力现象。

本文横向振动规律研究的方式是线性分析法，通过描述在81/2In（216mm）井眼的一个63/4in的BHA的一个组合。本次实验需要出于钻头后面的BHA的三个穩定器进行权利的支持，总长度为30.25m。使用的钻柱为随钻测量仪在短节上的部分，在整体的钻柱上，采取13个有着优良抗压性能的钻柱，总长度达到120米左右。在CSDP的采用上，使用的是几何尺寸为内127外72毫米的尺寸。本次试验中，将提供高达100KN的连续钻压，同时提供6.5KN·m的扭矩施压。

实验开始前需要进行最基本的假设：

钻柱的轴线基本沿井眼轴线，相同尺寸、井斜角的部分可以作为一个整体：

相对于很长的钻杆部分，井底钻具组合对横向自由撰动的影响可以忽略不计，忽略t柱与井璧的摩擦，考虑泥浆对钻柱振动质量的影响;激振力米源于马达和钻杆部分质量的不平衡，钻柱系统按顶部规定的旋转速度旋转。

二、大位移井水平井段钻进中钻柱的扭转振动研究

对于钻柱在水平段钻进过程中受到的扭转振动的研究，同样需要在不会对结果造成大幅度影响的时候，做出四点的假设：一是钻柱在运行的过程中默认是一个均匀的质量弹性杆;二是假设下部钻具组合的过程中，钻柱是在井眼的下方;三是假定在工作的过程中，转盘的转速是一个常量，不会发生变化;四是假定实验中井眼是比较理想的横截面，井壁也是比较有弹性或者是由刚性。在这种假设的情况下，在探究钻柱的扭转振动力学。

在分析钻柱承受扭转转振动的时候，在模型的建立上，应当以钻柱的轴为x轴，dx为微元段，那么在钻柱振动时的位移角度是θ，相对应的扭矩也就是M=（x，t），可以清晰的看到，钻柱的水平面之间的夹角是为a，那么，在这种情况下，根据材料学可以推断出微元段相对转角和扭矩之间的一个联系，即M=GJP dθ/dx

在这个联系方程式中，G代表的是剪切的一个弹性模量，JP代表的是截面的一个极惯性矩。

由此可以建立一个微元段在动力学上的方程式：

在这个方程式中，IP表示的是在微分段钻柱横基面的惯性矩，IP和JP的关系非常明显，IP=PJPdx

将上述方程式带入，即可得到

假设JP是等值轴，且剪切波和纵波相比，在杆内的传播比较小，那么方程式可以进行求解：

根据实例进行分析和计算，如果钻柱和钻头被当成一个统一的整体，固定端则是另一端的稳斜段，那么在大位移井钻柱运动的过程中，稳斜段与井的夹角是九十度。那么从整体上看，像是一个一端固定一端自由运动的转体。这时扭转振动的固有频率ωn就可以通过一下的方程式进行表示：

n表示的是阶数，且n=1时所受到扭振的力度最大，G仍然表示的是材料的一个剪切模量，PS表示材料的密度。PF代表钻井液的密度，A仍然是钻柱的截面积。那么钻柱在运动过程中，和液体之间多增加的钻柱质量为：

根据整体的规律表明，钻柱的长度越长，钻柱受到的扭转的刚度越小，共振的频率也就越来低。

结束语：钻柱作为工程实践中利用的重要工具，有着非常突出的利用价值，但是其振动问题却对钻柱的使用效率和安全造成了严重的影响，所以必须要对此问题进行有效的解决。通过研究钻柱振动的各类因素，从而找出有效控制措施，实现钻柱利用的实效性提升。

参考文献：

[1]兰凯，刘香峰.钻柱恶性振动识别与抑制技术研究进展[J].吉林大学学报（地球科学版），2017，47（1）：203-214.