44、減振器的位置對鉆柱縱向振動的影響

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教授博士生導(dǎo)師河北省石油學(xué)會和振動工程學(xué)會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減振器的位置對鉆柱縱向振動的影響李子豐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題和解決問題的途徑。介紹了位移激勵法的鉆柱縱向振動的數(shù)學(xué)模型和力學(xué)分析軟件。對減振器的安放位置對鉆柱縱向振動的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。數(shù)據(jù)表明，減振器的安放位置對鉆柱的縱向振動影響很大。在一些條件下，減振器能起到減小鉆柱振動的作用；但在另一些條件下，減振器還會增加鉆柱的振動。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題和解決問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，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，同時帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。減少鉆具破壞的主要途徑有：（1）提高鉆具的強度和抗疲勞性能，主要包括絲扣的設(shè)計、加工、表面處理、無損檢測、維護(hù)和修復(fù)；（2）采用振動比較輕的鉆進(jìn)方式，如某些類型的PDC鉆頭鉆進(jìn)、井下動力鉆具鉆進(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)。鉆柱振動按形式分為縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動和橫向振動。它們相互作用、相互影響并以縱向振動為主1。本文僅研究鉆柱的縱向振動，并主要探討減振器的位置對鉆柱縱向振動的影響。位移激勵法的鉆柱縱向振動的數(shù)學(xué)模型24井底不平使鉆頭上下振動是導(dǎo)致鉆柱振動的直接原因。取自硬地層的巖心證明了用三牙輪鉆頭鉆進(jìn)時井底為高低不平的三瓣狀。這種三瓣狀井底使三牙輪鉆頭每轉(zhuǎn)一周上下振動三次。多年來對鉆柱振動的測定也

6、得了相同結(jié)論。激勵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(6)鉆井液為牛頓流體(7)鉆井液的動壓力為零(8)略去溫度的影響(9)略去鉆柱重力、平均鉆壓、鉆井液浮力、鉆柱的勻速運動等靜力的影響(10)僅研究鉆柱縱向振動特性。二、力學(xué)模型與坐標(biāo)系鉆柱縱向振動的同時起升系統(tǒng)也隨著振動因此縱向振動系

7、統(tǒng)應(yīng)該包括井架、鋼絲繩、游車、水龍頭和鉆柱簡圖見圖1。3(3)???????ttTluttlutTlutluiiii????)()()()(pp式中為鉆柱自轉(zhuǎn)一周的時間。pT六、邊界條件鉆柱縱向振動系統(tǒng)的邊界條件有二一個是地面或鉆臺的邊界條件另一個是鉆頭邊界條件。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)為鉆臺位移函數(shù)對于陸地鉆機可設(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。鉆柱縱向振動分析軟件簡介軟件在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隨井深和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律；設(shè)計鉆柱組合和選擇轉(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)的動負(fù)荷和動位移隨井深和轉(zhuǎn)速變化的數(shù)據(jù)和圖形。鉆柱內(nèi)減振器的位置對鉆柱縱向振

9、動的影響一、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長度40m鋼絲繩的等效直徑0.2m長度25m大鉤水龍頭的等效直徑0.4m長度5m。二、減振器的位置對鉆柱縱向振動的影響在鉆頭處輸入為牙輪個數(shù)為轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)分)的激勵位移，將阻尼系)30sin(01.0)(rbbtNNtU??bN