井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用

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大位移井钻柱振动规律研究

大位移井钻柱振动规律研究引言在油气开采过程中，井下钻井作业是至关重要的环节，而大位移井钻柱振动问题一直是制约井下钻井作业安全和效率的重要因素。

针对大位移井钻柱振动问题的研究具有重要的理论和实际意义。

本文将对大位移井钻柱振动规律进行研究，以期为井下钻井作业的安全和高效进行提供理论支撑。

一、大位移井钻柱振动的影响因素1.1 井下地层条件井下地层的条件会直接影响到钻井作业的振动情况。

不同的地层条件对井下钻井作业的振动表现会有所差异。

1.2 钻井工艺参数钻井工艺参数包括钻头旋转速度、钻压和进给速度等，这些参数的不同组合对于井下钻柱振动会产生不同的影响。

1.3 钻柱结构及材料钻柱的结构和材料也会对井下振动产生一定的影响。

不同的钻柱结构和材料对于振动的影响不同。

1.4 钻井液性质钻井液的性质会对振动产生一定的影响，包括密度、黏度和化学成分等。

1.5 其他因素除了以上因素外，地质构造、井眼形态等因素也会对井下大位移钻柱振动产生影响。

二、大位移井钻柱振动的数学模型2.1 振动的动力学方程大位移井钻柱振动的动力学方程可以用如下的形式表示：m\frac{d^2x}{dt^2} + c\frac{dx}{dt} + kx = F(t)m为钻柱的质量，c为阻尼系数，k为刚度，F(t)为外力。

2.2 大位移井钻柱振动分析通过对动力学方程的分析，可以得到大位移井钻柱振动的一些基本特性，包括振幅、频率和相位等。

这些特性对于理解和控制井下振动具有重要意义。

三、大位移井钻柱振动的实验研究3.1 实验内容针对大位移井钻柱振动问题，可以进行一系列的实验研究。

通过不同的地层条件、钻井工艺参数和钻柱结构等因素的组合，进行井下振动的实验研究。

3.2 实验方法实验方法主要包括现场井下实验和室内模拟实验两种。

现场井下实验可以直接采集井下振动数据，但操作难度大；室内模拟实验可以通过模拟井下条件，对振动进行研究。

四、大位移井钻柱振动的控制方法4.1 控制策略针对大位移井钻柱振动问题，可以采取一系列的控制策略，包括优化钻井工艺参数、改进钻柱结构和材料、调整钻井液性质等。

油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析

文章编号:1000-2634(2008)06-0081-04油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析*石晓兵,陈平,熊继有( 油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学,四川成都610500)摘要:针对深井、超深井、高压油气井等钻井作业中安全高效的扩眼问题,研究随钻扩眼钻具组合在井下的实际受力情况,对随钻扩眼钻进钻柱扭转振动进行了三维有限元模拟,提出了研究扩眼器的质量偏心、钻机顶部支撑等因素对扭转振动作用的力学分析模型,并讨论了随钻扩眼钻具组合的扭转振动频率和动力学强度等力学问题。

通过分析提出了在实际施工作业中减少扭转振动带来危害的技术措施,为油气深井高效随钻扩眼的钻井参数的优化和安全钻进提供了理论基础和参考依据。

关键词:油气深井;钻井;随钻扩眼;扭转振动中图分类号:TE245 文献标识码:A DO I:10 3863/j i ssn 1000-2634 2008 06 019引言随着石油工业的发展,油气勘探面临越来越复杂的地质问题,钻井难度越来越大,特别在深井和超深井中,钻井作业的复杂性、高压油气井的钻井作业等都使安全高效的扩眼作业技术需求不断增长,扩大井眼直径使其超过钻头尺寸可以解决复杂问题,例如盐层蠕变缩径、钻屑沉积、井壁形成虚泥饼。

在深井钻井中要求下多层套管,为了扩大井眼尺寸、降低钻井成本,增加了对更可靠的井下扩眼器的应用需求[1-2]。

随钻扩眼(R W D)是解决复杂深井阻卡、非常规井身结构应用和提高固井质量的有效手段。

目前这项技术掌握在国外技术服务公司手中,只做技术服务,工具研制和钻具组合设计原理没有公开报道过。

近年来国内开始了这类工具的研制与现场试验[3]。

加快国内随钻扩眼技术的发展与应用,进行随钻扩眼钻具组合设计及其受力分析研究,从而为油气深井高效随钻扩眼的钻井参数的优化和安全钻进提供理论基础和参考依据,以适应复杂深井超深井钻井的发展,具有重要的现实意义。

1 随钻扩眼钻柱扭转振动有限元分析钻头的周期性运动导致扭矩成周期性变化,引起周期性的扭转振动。

井下振动测量、分析原理研究

井下振动测量、分析原理研究摘要：井下振动测量在工程施工中具有重要的意义，其能够对于地下施工作业中的钻头以及钻柱系统的工作状况及时的了解，以便于防止由于振动异常而带来的一系列危害，影响正常的施工进展。

近些年来，对于井下振动测量的研究与开发应用已经有了一定的发展，新的振动测量工具也相继问世，其在新的工具中融入了当前先进的科学技术。

笔者将在下文中对井下振动测量和原理进行研究分析，其主要首先对井下振动测量工具设计进行详细的介绍，然后再以多坐标钻柱系统模型为基础，建立一定的井下振动运动以及振动测量的方程，通过合理的推导和计算，从而从数学和物理模型角度来对井下振动测量理论进行系统化分析，最后对井下异常振动的三种情况进行详细介绍，为我国井下振动测量以及其测量工具的优化创新提供一定的理论依据。

关键词：井下振动；振动测量；异常振动；原理研究前言井下振动现象主要是与钻头以及钻柱系统在进行作业的过程中的多方面因素影响作用有着紧密的联系，如果在井下作业中不能对振动进行及时有效地控制，就会带来一些比较严重的后果，比如影响正常的作业进度，使得作业进度迟滞；另外，井下振动还会对钻头设备带来一定的损坏，加大其磨损程度，同时，过大的振动还可能导致影响作业的井身质量，从而不利于工程的开展实施，增加施工作业的成本。

所以，在井下作业的过程中必须要对井下振动高度重视，全面了解井下作业的钻头、钻柱系统的工作动态，实时的对其工作状况进行监测测量，以便于能够在第一时间发现问题，及时采取措施来对其控制，降低振动所带来的危害。

当然，在现今阶段，我国的井下振动测量工具的开发和国外相比还是存在着比较大的差距，很多工具都得依靠进口，因此，井下振动测量的原理研究是一个比较热门的领域，对于井下振动测量工具开发有着极大的积极作用。

1．井下振动测量工具设计主要是借助井下振动测量工具传感器来完成对井下钻头以及钻柱系统的振动信号的采集，并且对所采集的信号进行加以处理分析。

油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析

进提供了理论基础和参考依据。
关键词：气深井；井；钻扩眼；转振动油钻随扭
中图分类号：Ｅ４Ｔ２５
文献标识码：Ａ
ＤＩ１．８３ｊｉｎ１０２３．０８０．１Ｏ：０３６／．ｓ．００— ６４２０．６０９ｓ
引言
起周期性的扭转振动。钻柱的扭转振动主要是由钻头的粘滑运动造成的，即钻头旋转速度变化很大，在
过随着石油工业的发展，气勘探面临越来越复某一瞬时钻头可能静止不动，一段时间后便以数油这杂的地质问题，钻井难度越来越大，特别在深井和超倍于平均转速的速度旋转，样就可能导致钻柱的
摘
要：针对深井、超深井、高压油气井等钻井作业中安全高效的扩眼问题，究随钻扩眼钻具组合在井下的实际受研
力情况，对随钻扩眼钻进钻柱扭转振动进行了三维有限元模拟，出了研究扩眼器的质量偏心、提钻机顶部支撑等因素对扭转振动作用的力学分析模型，并讨论了随钻扩眼钻具组合的扭转振动频率和动力学强度等力学问题。通过分析提出了在实际施工作业中减少扭转振动带来危害的技术措施，为油气深井高效随钻扩眼的钻井参数的优化和安全钻
问题处理起来较为方便。为了便于分析钻头及钻柱
基金项目：国家自然科学基金项目（０１０３。９６０１）
作者简介：石晓兵（９７一，（１６）男汉族）重庆酉阳人，，副教授，博士，从事石油工程教学与科研工作。

深井钻柱粘滑振动特性分析

深井钻柱粘滑振动特性分析贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖【摘要】粘滑振动严重影响钻柱系统的机械钻速,进而增加钻井成本,影响完井周期.为研究深井钻柱系统的粘滑振动特性,采用集中参数模型,通过钻头与岩石相互作用原则,既考虑钻头的摩擦作用,又考虑钻头的切削作用,建立钻柱系统轴向和扭转的耦合振动无量纲控制方程.基于MATLAB/Simulink软件对钻柱系统振动响应进行数值求解,分析了无量纲化控制参数,即转盘角速度、钻压以及粘性阻尼比、刀翼数对钻柱粘滑振动特性的影响.结果表明,确定的钻柱结构和系统参数存在发生粘滑振动的临界值,增大转盘转速、减小钻压、增大阻尼比到临界值时,钻头粘滑振动消失,同时增加刀翼数也会使粘滑振动得到抑制.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2018(047)006【总页数】7页(P1-7)【关键词】钻柱系统;切削作用;耦合振动;粘滑振动【作者】贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE921.2钻具在切割岩层时受到摩擦、压强、岩石质地等因素影响，经常会出现钻柱振动现象，造成严重的钻井问题，例如脱扣、跳钻、钻头的提前失效、较低的机械钻速以及BHA的失效等[1]。

通常，钻柱振动被分为纵向、横向及扭转振动3种形式。

本文研究的钻柱系统为旋转钻井系统，其广泛用于深层油气资源的勘探开发。

在深井的钻井过程中，随着井深的增加，岩石硬度增加，塑性增加，地质条件更加错综复杂，并且随着钻柱长度的增加，钻柱的等效转矩刚度降低，传递转矩不足，在钻柱、钻头与井壁、井底的摩擦作用下，钻柱系统极易产生粘滑振动。

钻柱粘滑振动被视为一种破坏性极大的扭转振动，将导致钻头及井下钻具的加速失效，严重影响钻井效率和钻井成本[2]。

1980年代，大位移钻井过程中出现的“粘滑”现象引起了钻井研究人员的注意，认为粘滑振动为扭转振动的一种特殊情况。

钻柱系统非线性振动机理分析及控制方法

通过理论分析和实验研究，验证了钻柱系统非线性振动的存在和特性，为后续的控制方法研究提供了基础。
针对不同类型和工况的钻证和对比分析。
研究不足与展望
虽然本文对钻柱系统非线性振动的机理进行了较深入的研究，但仍存在一些未考虑到的因素和边界条
件，需要进一步拓展和完善。
01
钻柱系统非线性振动的现象和特征
分析钻柱系统非线性振动的现象和特征，如跳跃、混沌等。
02
钻柱系统非线性振动的产生机理
从力学角度分析钻柱系统非线性振动的产生机理，如材料非线性、几
何非线性等。
03
钻柱系统非线性振动的控制方法
根据非线性振动的特性和产生机理，提出相应的控制方法，如改变材
料属性、优化结构设计等。
钻柱系统非线性振动机理分析及控制方法
2023-11-07
目录
• 引言 • 钻柱系统动力学模型 • 钻柱系统非线性振动的机理分析 • 钻柱系统非线性振动的控制方法 • 数值模拟与实验验证 • 结论与展望
01
引言
研究背景和意义
钻柱系统在石油、天然气等资源开采中发挥着关键作用，其振动特性对钻井效率和钻柱的完整性都有重要影响。
发展趋势主要体现在以下几个方面
考虑到钻柱系统的复杂性和时变性，研究更加精确的非线性模型和分析方法；
结合多学科知识，研究多种因素（如温度、压力、转速等）对钻柱系统非线性振动的影响；
探索有效的控制方法和技术，以降低非线性振动对钻井作业的影响，提高钻井效率和安全性。
02
钻柱系统动力学模型
基于隔振技术的控制方法
利用隔振技术对钻柱系统的振动进行被动控制，通过隔离外部激励对系统的影响，降低系统的振动响应。

钻井液中钻柱振动分析

第３９卷第１期
２０１７年１月
能源与环保
ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
Ｖ０ｌ＿３９Ｎｏ．１
Ｊａｎ．
２０１７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｒｉｌｌｉｎｇｓｔｉｒｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｒｌｌｉｎｇｌｆｕｉｄｈａｓｂｅｅｎａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄｉｎｄｉｌｒｌｉｎｇ，ｉｔｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｄｉｒｌｌｓｔｉｒｎｇｆａ — ｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ，ｒｅｄｕｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌｉｆｅ，ｂｕｔｌｓａｏｗｉｌｌｂｉｎｒｇｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄｂｅｎｅｉｆｔｓｔｏｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎｎａｋｅｄｗｅｌｌｓ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｕｅｔｏｖｉ — ｂｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇａｎｄｗｅｌｌｂｏｒｅｗｉｌｌｅｎｌａｒｇｅｂｏｒｅｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｏｒｃａｎｆｏｒｍｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｈｏｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｒｉｎｇｇｒｅａｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｎｌａｔｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．Ｂｕｔｉｎｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎｏｒｌａｒｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｗｅｌｌｓａｎｄｗｅｌｌｓｗｉｔｈｌａｒｇｅｉｎ — ｃｌｉｎｅｄａｎｇｌｅ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｌｒｌｉｎｇｓｔｉｎｒｇｃａｎｐｒｏｐｅｒｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｂｏｔｔｏｍｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｉｒｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｌｓｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈｏｌｅｃｌｅａｎｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｇｒｉｔａｎｄａｖｏｉｄａｌｏｔｏｆｃｏｍｐｌｅｘａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇｉｎｔｈｅｗｅｌｌｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔ，ｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｄａｍｐｉｎｇｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒｌａｒｅｆｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｅｘ — ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｃａ￣ｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄａｌｓｏｈａｓａｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．

利用钻柱振动频谱判别钻柱复杂情况的方法

利用钻柱振动频谱判别钻柱复杂情况的方法
李春山;王崇敬;陈添;梁宏伟;孙卫
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(035)005
【摘要】为实现钻井过程中井下钻柱运动状态以及井下复杂情况的实时监测,依据振动测试原理,结合实际钻井工况中钻柱振动特征,研制钻柱振动信号测量及处理系统.现场试验结果表明:钻柱出现黏卡、跳钻等现象后,利用快速傅里叶变换和小波变换处理方法可有效提取和识别钻柱在井下的振动特征；研制的钻柱振动采集系统可以应用于现场钻柱振动信号的采集、处理,其结果可以判断钻柱的井下工作状态.【总页数】5页(P56-60)
【作者】李春山;王崇敬;陈添;梁宏伟;孙卫
【作者单位】西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555;中国石油化工集团公司西南石油局,四川绵阳621000;中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555;中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555;西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069【正文语种】中文
【中图分类】TE258
【相关文献】
1.随钻测井钻柱声波的频谱特性 [J], 车小花;乔文孝;李俊;鞠晓东;王春艳
2.钻柱声波传输信道频谱特性分析 [J], 王斌斌
3.钻柱振动条件下的钻井液冲蚀引起的钻柱失效 [J], 田家林;付传红;杨琳;庞小林;李友;朱永豪
4.利用临界面方法建立钻柱疲劳寿命预测模型 [J], Pla.,JCR;孙铭新
5.钻柱应力波频谱分析技术的应用 [J], 刘志国;郭学增
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井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用
关键词：钻柱振动钻具加速度计 mwd
一、井下钻具振动的定义及危害
1.井下钻具振动的定义
井下钻具震动是指井下钻具在受到外界震击以后，发生的周期性、围绕中心位置来回的弹性运动，进行能量释放的过程。

井下钻具的破坏方式主要有两种：
1.1受到瞬间的强烈震击，碰撞对钻具造成破坏。

1.2受到外界能量输入以后，钻具自身发生的频繁的周期性的振动，使钻柱发生弹性破坏。

2.井下钻具振动的危害[2]
破坏钻柱及钻头。

造成井下事故（如粘卡）
浪费大量非生产时间，增加生产成本。

降低进尺，浪费不必要的能量在钻具振动上。

二、井下钻具振动的检测
sperry-sun是通过dds（钻柱动力传感器）来测量井下钻具振动的。

而dds是由三个互成直角的加速计（x，y，z）组成。

x指钻柱中心在侧向上沿x轴上的加速度（axc）和钻柱径向上沿x轴方向上的离心加速度（rω2）的叠加，y指在侧向上钻柱中心沿与x 轴垂直的y轴上的加速度（ayc）和与离心力相垂直的加速度（rω）的叠加，r指钻柱的半径，ω指钻柱的转速（rpm）。

z指钻柱沿轴
向方向的加速度（azc）[1]。

1.模拟/加速计板
模拟/加速计板是一个被组合了加速计的模拟电路板。

模拟电路板用来监控，过滤和放大变频信号。

这种信号通过以下三种方式来体现：峰值，平均值和脉冲。

2.数字面板
数字面板包含一个摩托罗拉8字节hc11处理器，512 kb ram， 32 kb eeprom（电子可擦只读内存）和一个温度传感器。

所有的数据（峰值，均值，脉冲和温度）计数范围为0-255。

三、钻柱振动的分类和影响因素
1.振动机理及分类[1]：
钻头和钻柱振动可分为三种类型：
轴向：钻柱沿轴方向上的移动。

扭转：钻柱侧向扭转引起的移动。

横向：钻柱水平横向上的移动。

主要有以下六种常见的振动类型。

1.1钻头的跳动
1.2粘/滑-扭矩引起的移动
1.3钻头旋转-横向上的移动。

1.4钻具组合旋转- 横向上的移动。

1.5侧向上的震动。

1.6耦合模式的振动-涉及了所有三种振动的运动。

2.振动的影响因素
2.1钻进参数
优化钻进参数（主要指钻压和转速），使之处于振动安全范围内。

离心力的大小和转速的平方成正比，转速越高，产生在钻头和钻柱上的非平衡力就越大，越多的能量产生侧向上的震动。

2.2井眼井斜
钻进直井时容易产生侧向上的振动。

在定向井中，钻柱重力有减少侧向位移的趋势。

更大的摩擦扭矩，扭转振动（粘/滑）在斜井中容易产生。

2.3井底钻具组合：
不稳定的钻具组合更能诱发钻铤和钻头的旋转，使用满眼扶正器保护mwd仪器免于破坏性的振动损坏；使用螺旋钻铤代替普通钻铤以减少摩阻；定期探伤钻具，尤其接箍处。

2.4钻头：防旋转pdc钻头比普通pdc更稳定。

2.5岩性：振动总是随着地层硬度的增加而增加。

2.6井眼尺寸：扩大的井眼（大肚子）增加钻头和钻柱的不稳定性，增加侧向震动，钻头、钻柱旋转的可能性。

四、振动的诊断流程和缓解措施
1.振动诊断流程
1.1下载参数，设置初始值
1.2监测实时dds数据
1.3检查振动情况：如振动值低，则回到步骤2；如振动值高或
中，继续步骤4
1.4检查进尺、钻压，和扭矩，汇报司钻（振动值高采取步骤5，振动值中采取步骤6）
1.5诊断情况，采取措施
1.6仔细监测，判断状态，如果持续一个小时以上，采取措施。

1.7步骤5、步骤6进行完毕后回归到步骤2，继续监测。

五、结论与认识
1.sperry-sun通过三个互成直角的加速度计（x、y和z）来测量井下钻柱振动，再由模拟电路输出加速度峰值、平均值和脉冲。

2.井下钻柱振动主要包括轴向、侧向和扭转振动三种类型。

影响因素主要有：钻进参数（钻压和转速）、井眼井斜、钻具组合、钻头、岩性、井眼大小。

3.dds可以实时监测井下钻柱振动，分析解释不同曲线，采取不同的措施来缓解和避免钻柱振动。

参考文献
[1] sperry-sun， a halliburton company. drillstring dynamics sensor （dds） sensor manual，1999.
[2]陈红昌刘玉榜隋海东等. dds振动传感器在随钻地质导向中的应用，2008.。