水平旋转钻柱横向振动特性试验
考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析
考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析
高成;梅熠轩;刘旭辉;孙巧雷;施雷;冯定
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2024(24)3
【摘要】为精确描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液黏性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效黏性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。
结果表明:在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。
本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的应用提供理论指导。
【总页数】7页(P1007-1013)
【作者】高成;梅熠轩;刘旭辉;孙巧雷;施雷;冯定
【作者单位】长江大学机械工程学院;湖北省油气钻完井工具工程中心
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.钻柱内外沿轴向流动的钻井液对钻柱横向振动的影响
2.随钻钻柱振动声波技术在塔里木超深井和水平井中的应用实例分析
3.气体钻水平井的钻柱振动分析
4.基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱-井壁接触仿真分析水平井钻柱-井壁接触仿真分析
5.钻进深度对煤矿水平井钻柱振动特性的影响
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潜孔锤钻柱振动特性分析
潜孔锤钻柱振动特性分析近年来,随着岩土钻凿工程的快速发展,凿岩冲击问题引起了大量学者的关注。
潜孔锤钻进以其自身的优势在钻探行业的地位越来越高,因此对潜孔锤钻进系统的研究非常必要。
针对潜孔锤钻的研究,由于其受力较为复杂,振动形式多变,有很大的难度。
本文以潜孔锤钻柱为研究对象,针对在工程中较为常见、危害较大的纵向、横向、扭转和耦合振动,基于区域分解法分别建立振动方程,并分析了其振动规律。
具体研究内容如下:一、以潜孔锤钻柱纵向振动为例,通过施加正弦半波、方波、三角波三种形式的冲击力,分析了不同特征的周期脉冲冲击力对潜孔锤凿岩系统振动响应的影响。
结果显示当冲量相等时,不同特征的周期冲击力对钻柱的稳态振动响应的影响可以忽略。
二、采用基于广义变分原理的区域分解法,分别建立了潜孔锤单自纵向振动、横向振动和扭转振动的能量泛函,推导得到钻柱动力学方程,并利用Matlab编程求解。
在此基础上,分析了分区数目、多项式位移截取阶数等区域分解法参数和钻柱长度、局部变截面对钻柱模态频率的影响。
结果显示分区数目和截取阶数提高,可以获得更高阶次的模态频率精确解,但是计算时间会明显增加,因此需选择合适的参数。
钻柱模态频率随钻柱长度的增加降低,而受钻柱局部截面变化的影响较小。
三、采用区域分解法,建立了潜孔锤钻柱耦合振动的能量泛函,进一步得到钻柱动力学方程并进行求解。
研究了长度、壁厚对潜孔锤钻柱模态频率的影响和载荷的形式、求解方法和结构阻尼对钻柱模态分析的影响。
结果显示随着钻柱厚度的增大,钻柱模态频率增加,其对低阶模态影响更为显著。
结构阻尼会明显影响钻柱高阶的模态频率。
通过上述的研究,进一步了解潜孔锤钻进过程中钻柱的振动规律,对潜孔锤和其他形式钻进的工程实际和钻柱系统的设计优化有很大的参考价值。
而区域分解法在潜孔锤钻柱系统振动研究中的成功运用,也为钻柱动力学的研究提供了一种新的思路和方法。
水平定向钻机钻杆振动特性研究
水平定向钻机钻杆振动特性研究
作为水平定向钻进施工中最主要的耗材,钻杆通常要在多种力学性能完全不
同的土层中旋转钻进,承受拉、压、弯、扭力以及振动、冲击等载荷。
这使得每
一段钻杆都处于极端的机械应力状态,钻杆容易出现疲劳断裂给施工方造成巨大
损失,而振动是钻杆产生疲劳断裂的主要原因。
本文应用有限元分析软件ANSYS,对钻杆的振动特性进行研究,主要的工作
内容和结论为：1)建立受力最恶劣的造斜段钻杆的有限元模型并进行静力分析,得到了钻杆应力的分布规律及造斜段曲率半径等因素对钻杆应力状态的影响规
律,发现钻杆接头与土壤接触部分是应力集中区域,增大造斜段曲率半径可以减
小钻杆的最大应力值；2)对钻孔中钻杆的横向振动、纵向振动和扭转振动分别进行分析,得到了钻杆不同形式振动的固有频率以及造斜段曲率半径、水平段长度、钻杆规格及推拉力等参数对钻杆振动特性的影响规律,发现水平段长度的增大和推拉力的提高会降低钻杆横向振动、纵向振动和扭转振动的固有频率,增大造斜段曲率半径会降低钻杆横向振动的固有频率而增大钻杆规格会提高钻杆的横向
振动固有频率；3)结合工程算例分析了钻杆振动特性在工程中的应用,发现增大造斜段曲率半径或者增大钻杆规格均可以避免钻杆产生横向共振,对钻杆振动特性的研究结果对工程施工转速优选和钻孔轨迹设计具有一定的指导意义；4)设计实验测量悬臂钢管的固有频率并与仿真计算结果进行对比,验证了钻杆振动分析模型的正确性。
水平井侧钻过程中钻柱振动规律的研究
（ ９ ）
ｙ ， ：Ａｎ Ｂｓ ）Ｃｎ ） （ｔ ［ｉ詈） ｃ（ ＋ｓ （ ＋ ｘ） ｓ（ ＋ ｏ ｉ ｈ Ｄｓ ）ｉ∞＋） ｃｈ 】 （ ｏ（ ｓ ｎ
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１ ３ 钻柱 的扭 转 自然 振动 的基 本 方程 ．
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＇ －＇ ＇ ＝ 。 （ １＇… ｎ ２ 警 ３
１ 钻柱 系统的各种振动分析
在水 平井 侧钻 过 程 中钻 柱 存 在着 各 种 振 动 ， 常 常表现 为钻 柱 的 轴 向振 动 、 向 振 动 和 扭 转 振 动 。 侧
本文 对水 平 井 水 平 井 段 侧 钻 过 程 的 振 动 问 题 进 行 分析 ， 各种振 动 形 式 （ 图 １ 。对 于水 平井 段 的钻 见 ）
１ １ 钻 柱轴 向 自然振 动的基本 方程 ． 假定 所研 究 的钻 杆是 匀质 的细 长杆 ， 元段 微 在运 动过 程 中产生位 移 。由动力学 定律 ， 可得
：
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、
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方程（ ） Ｅ为材料 的杨 氏模 量， １ 中， Ｐ为钻柱 的密
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度， ０为轴 向 波 在钻 柱 中 的传 播 速度 。方程 （ ） １ 的
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振 动 的规 律 。 该 分 析 为 水 平 井 钻 井 工 程避 免钻 柱 共 振 提 供 了可靠 的理 论 依 据 。
钻柱纵向横向振动分析研究进展
钻柱纵向\横向振动分析研究进展作者：刘磊刘剑辉来源：《硅谷》2011年第03期摘要：钻井是石油生产中的重要环节，而钻柱更是重中之重。
主要阐述当前钻柱振动研究的基本方法和基本理论。
通过对钻柱纵向、横向振动的分析，找出振动规律。
这些研究对于钻柱乃至整个生产过程的安全性有十分重要的作用。
关键词：钻柱；振动；安全性中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210025－010 引言石油行业中，生产中的各个环节紧密联系。
石油钻井是油田生产中最基础的环节，钻井的质量直接影响到后续生产；钻井也是生产各个环节中投入最大、难度最大的。
在石油钻井中，钻柱能否安全工作，不仅影响到油田安全；通过降低油田钻柱的失效事故，也能极大程度提高油田的经济效益。
在众多导致钻柱失效的原因中，由于钻柱振动产生的危害不容忽视。
对钻柱危害最大的振动主要为钻柱横向和纵向振动。
对钻柱振动的研究历来是国内外学者的重要研究方向。
上世纪80年代开始众多学者对其进行了深入的分析，近年来随着计算机技术和有限元分析技术的提高，计算机仿真分析也成为了一个重要的研究方法。
但是，钻柱的振动是一个极其复杂的过程，许多理论和研究成果还待进一步修改和完善。
1 钻柱振动危害钻柱振动会对油田生产带来极大危害。
首先，由于钻柱的振动，会产生交变载荷，长期工作在交变载荷下容易导致钻柱的疲劳失效，钻柱疲劳破坏是一种典型的钻柱失效形式。
在井眼中，套管是井壁唯一的保护层，钻柱在套管中工作，由于钻柱和套管的接触，加大了套管的磨损程度。
而且当钻柱的固有频率与激励频率接近时，钻柱会发生共振，此时钻柱受到的影响是最大的。
在油田生产中，钻柱失效不胜枚举。
2 钻柱振动基础理论目前，国内外学者对钻柱进行了一系列的研究分析，主要还是基于一些基本振动理论进行的分析。
这其中最主要的方法就是非线性分析方法。
基于这些理论和方法完成了对钻柱纵向、横向的振动分析。
当系统振动过程可以用非线性微分方程描述时，此时系统的振动称之为非线性振动。
水平井钻柱涡动特性数值分析与试验
运动状态,仅小幅增加其运动范围.研究成果对水平井钻井工艺参数的选定有一定的借鉴作用.
关键词:水平井;动力学;涡动;钻柱
中图分类号:
O３１３９
DOI:
１０．
３９６９/
．
s
sn．
１００４
有报道,甚至水平 井 钻 井 过 程 中 是 否 会 存 在 涡 动
现象还存在着一定的争议.本文针对水平井钻柱
的动力学特征,建立了水平井钻柱的运动方程,并
基于自主研制的 水 平 井 钻 柱 动 力 学 试 验 装 置,采
用数值模拟和试 验 研 究 相 互 结 合 的 方 法,开 展 了
水平井钻柱涡动动力学行为机理的研究.
底部 钻 柱 动 力 学 特 性 进 行 了 研 究.JANSEN
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水平井钻柱涡动特性数值分析与试验———王宝金 任福深 朱安贺等
等 [１Ｇ２]和 NAGANAWA 等 [３]根 据 非 线 性 转 子 动
力学理论,建立了量纲一钻柱涡动方程,并进行了
ecos
φ
(
７)
在新坐标系下钻柱的运动微分方程为
mÿG ＋kyG ＝ k
要作用.钻柱在旋转钻井过程中,受井眼的限制,
事实已被接受.这种钻柱的涡动对钻井作业十分
不利,尤其是底部钻柱的反向涡动,会加快钻柱的
收稿日期:
２０１７ ０８ ２２
基金项目:国家自然科学基金资助项目(
１１３７２０７１);东北石油大
学研究生创新科研项目(
YJSCX２０１６－０２２NEPU)
钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动分析
钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动分析王鸿雁;肖文生;刘忠砚;侯超;崔俊国;付雷【摘要】钻井过程中,钻柱的横-扭耦合振动是钻井作业工程中无法避免的一种运动形态,也是产生钻柱故障和系统噪声的原因之一.针对实际钻井过程中,钻柱在井下的受力情况复杂,提出采用了一种简化假设方法,对局部坐标系中空间钻柱单元与间隙元进行分析,推导出钻柱横—扭耦合振动的动力学矩阵和钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动规律,从而取得了钻井过程中钻柱的横—扭耦合振动特性,对于钻井过程中振动和噪声的控制与故障排除也提供了有价值的参考.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2014(034)001【总页数】6页(P61-66)【关键词】振动与波;钻柱;横扭耦合振动【作者】王鸿雁;肖文生;刘忠砚;侯超;崔俊国;付雷【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266580;北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安710000【正文语种】中文【中图分类】TB52振动问题是钻井过程中的一种重要的危害和噪声来源。
为了提高钻井的可靠性和安全性，降低钻井的工作噪声，对钻井过程中钻柱的振动问题进行研究是有必要的。
钻柱横扭耦合振动是引起钻井故障的原因之一，横扭耦合振动的加剧会造成钻杆断裂、钻杆磨损严重、噪声过大等问题，这些都会影响钻进的动力性和安全性。
对钻进过程中钻柱横扭耦合振动的研究具有重要的意义。
在垂直井中，假设钻进前，钻柱轴线与井眼轴线重合，并且没有初始变形；在钻进过程中，由于钻柱很长且柔性较好，在载荷作用下一般不会产生塑性变形，因此可以认为材料是线弹性的。
在狭长的井眼中，钻柱的变形受井壁的限制，产生了钻柱与井壁之间的接触问题，接触点的位置是未知的，并且在接触点处，钻柱与井壁之间存在摩擦力，于是，形成了接触摩擦非线性问题。
水平井钻柱纵向振动研究的开题报告
水平井钻柱纵向振动研究的开题报告
一、研究背景和意义
水平井是一种油气钻井方式，与直井相比，其具有水平延伸距离大、生产能力高等优点，越来越受到油气开采企业的重视。
然而，钻井过程中井钻柱的纵向振动会对钻井效率和设备寿命产生不利影响。
因此，研究水平井钻柱纵向振动及其控制方式具有重要意义。
二、研究内容
本文旨在研究水平井钻柱纵向振动特征及其控制方式。
具体研究内容如下：
1、搜集水平井钻井数据，分析钻柱纵向振动的原因和机理。
2、研究钻柱失稳时的动力模型，建立水平井钻柱纵向振动数学模型。
3、分析纵向振动的频率响应特性和稳定性，给出控制策略。
4、采用数值仿真方法验证控制策略的有效性。
三、研究方法
1、采用实验数据分析法，分析钻柱纵向振动的原因和机理。
2、建立水平井钻柱纵向振动数学模型，采用控制理论分析纵向振动的频率响应特性和稳定性。
3、采用MATLAB等数值仿真软件，对控制策略进行验证和优化。
四、预期成果和创新点
本研究旨在探索水平井钻柱纵向振动的机理和控制方式，预期成果如下：
1、揭示水平井钻柱纵向振动的机理和特征，给出控制策略。
2、建立基于控制理论的水平井钻柱纵向振动模型，实现对纵向振动的预测和控制。
3、验证控制策略的有效性，为水平井钻井提供指导意见。
本研究的创新点在于：1、研究水平井钻柱的纵向振动机理和特征；2、基于控制理论建立水平井钻柱纵向振动模型；3、探索水平井钻柱纵向振动的控制策略。
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５２ ．１ ｒ ／ｍｉ ｎ。
关键词 ： 钻井 ； 水 平 旋 转 钻 柱 ；钻 压 ； 转 速 ；横 向 振 动 ； 试验 中图 分 类 号 ： Ｔ Ｅ ２ ４ ３ 文献标志码 ： Ａ
Ｅｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｏ ｎ ｌ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｌ ｖ ｉ ｂｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｈｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｏ ｔ ａ ｒ ｙ ｄｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年
第３ ７卷
中国石油大学学报 （自然科 学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ
Ｖｏ Ｉ ＿ ３ ７ Ｎｏ ． ４ Ａｕｇ ． ２ ０１ ３
第 ４期
Ｓ ＨＡＯ Ｄｏ ｎ ｇ — ｄ ｏ ｎｇ，ＧＵＡＮ Ｚｈ ｉ — ｃ ｈ ｕ ａ ｎ，Ｗ ＥＮ Ｘｉ ｎ，Ｓ ＨＩ Ｙｕ— ｃ ａ ｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｅ ｎ ｇ ｔ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ，Ｑ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ ８ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
邵 冬 冬 ，管 志 川 １ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ温 欣 ， 史玉才
（ 中国石油 大学石 油工程 学院， 山 东青岛 ２ ６ ６ ５ ８ ０ ） 摘要 ： 利用水平井钻柱 动力学特性模 拟装 置 ， 对 不 同钻 压和转 速条件 下水平旋 转钻 柱横 向振 动特性 进行试验 研究 。 结果表明 ： 钻压 和转速 是影 响水 平井旋转钻柱横 向振动特 性 的重 要 因素 ； 随着 转速增 加 ， 两横 向振 动 的频 率逐渐 变 大而相位差变小 ， 两横 向振 动频 率与钻柱 自转频率 呈线性 关系 ； 钻压 增大对两 横 向振动频率 的影 响不大 ， 但两横 向 振动 的相位 差会 随着钻 压 的增 大 而逐渐 变小 ； 实 际钻进 中 ， 钻柱 一直处 于井筒 的右 下部 ， 转 速选取 时应 尽量避 开
文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ５ ０ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ － ０ １ ０ ０ － ０ ４
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ － ５ ０ ０ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ １ ５
水 平旋 转 钻 柱 横 向振 动 特 性 试 验