气体钻井中钻柱瞬态动力学分析
１１南枉科技２０１ 石油地质
气体钻井中钻柱瞬态动力学分析
胡坤① 张玉红② 王燕妮②
（①西南石油大学 ②中原油田天然气处理厂）
摘要根据空气钻井中钻柱实际工作状态，在ＡＮＳＹＳ中建立计算模型，对其进行瞬态动力学仿真，分析仿真结果，得到钻柱的
瞬态动力学特性，从而为实际工程应用及合适的材料选取做准备。
关键词气体钻井钻柱瞬态分析有限元方法
钻井过程中，井下钻柱的振动影响钻头寿命和钻速，加剧钻柱疲
劳破坏。～旦钻柱断裂，在造成严重经济损失的同时，还影响钻井作
业继续进行。因此掌握井下钻柱工作状态意义十分重大。而利用有限
元方法建立钻柱工作模型，对钻柱进行瞬态动力分析能大幅降低试验
成本，对于钻柱结构设计及材料选取具有较好的指导意义。
１计算模型
空气钻井工作状态如图１所示。钻柱内通入高压气体，流经钻头
后将破碎的岩屑从环空带出，钻柱内外均
充满流体。
（１）基本假设。为建模及计算方便，
对钻柱系统进行了合理假设：①钻柱为三
维弹性直管。②井眼截面为圆形。③忽略
钻柱接头、钻铤、钻头的影响。④假定井
眼轴线与钻柱轴线重合。⑤钻柱内外部流 体密度和压力相同。
（２）建立计算模型。钻柱采用ｐｉｐｅｌ６
单元。钻柱长度１０００米，弹性模量２１０ＧＰａ
泊松比０．３，密度７８００ｋｇ／ｍ。，外径Ｏ．１２７ｍ，
厚度０．００９１９ｍ。设置单元间距为ｌ，产生 图１空气钻井示意图
１００ｏ￣网格。以地面井口为坐标原点，钻柱方向为ｚ轴正方向，以原
点向右为ｘ轴方向，Ｙ轴方向由右手定则确定。
（３）荷载工况。在本次瞬态动力学计算中，共分三个载荷步，
并将每个载荷步存入一个文件，最后在求解中调用三个载荷步。第一
个载荷步为重力载荷（ｇ＝９．Ｓｍ／ｓ ），，
约束条件为：钻柱Ｅ端自由度全约束，
下端约束ｙ轴以外的所有束。第二个载
荷步为加载转速（ｍ．２ ）和扭矩（
上端为３０００Ｎ／ｍ，下端为一３０００Ｎ／ｍ），
约束条件为：限制钻柱Ｅ端ｙ向平移自 图２下端加我的轴向力 由度及转动自由度。第三个载荷步为在下端加载如图２所示的轴向
力，约束条件为：限制上端ｙＰ］运动。
２计算结果分析
考查钻柱的变形情况。分别取时问ｃ＝＝３、３．５、４ｓ，观察钻柱的横
向和纵向位移。如图３（ａ—ｆ）所示。
（ａ）３ｓ时钻柱横向位移 （ｂ）３ｓ 时钻柱纵 向住移
（ｃ）３．５ｓ时钻柱横向位移 （ｄ）３．５ｓ时钻柱纵向位移
（ｅ）４ｓ时钻柱横向的位移 （ｆ）４ｓ时钻柱纵向位移 图３各时刻钻柱横向及纵向位移 从图３可以看出：（ 占柱越靠近下
端，越容易发生弯曲变形，且变形越剧
烈；②在不同时刻，钻柱变形也大不相
同，且随时问增加钻柱下部变形越无规
律。 ，
在时间历程处理器中，观察节点２
（钻柱底端）横向位移和纵向位移随时
问的变化规律以及节点ｌ（钻柱顶端）
支反力随时间的变化规律，如图４、图５、
图６所示。
通过观察图４一图６可知：在底端波动
载荷作用下时，节点２的横、纵向位移以
及节点１的支反力均呈波状变化；节点２纵
向位移的最大值总是出现在底端波动载荷
最大时；节点ｌ的支反力波动范围很大，
说明钻柱纵向振动剧烈。
通过观察约束对的反作用力，可以获
得钻柱与井壁的接触位置。取ｔ＝３、３．２５、
３．５、３．７５、４ｓ时下部钻柱与井壁的接触进
行统计，如表ｌ所示。 ・：；：《 “ｔ－ 圈４节点２横向位移
・ ¨ ： ‘¨ 图５节点２纵向的位移
由表ｌ可知：与井壁接触发生在钻柱 ・‘“ ． “一“
下端；接触处的作用力较大，且在气体钻 图６节点１纵向支反力
井中，由于没有钻井液的润滑，钻柱与井壁的摩擦系数很大，则更容
易发生磨损失效。
表１不同时刻钻柱与井壁的接触节点及接触力
３结论
（１）钻柱越靠近下端，越容易发生弯曲变形，且变形越剧烈；
在不同时刻，钻柱变形也大不相同，且随时间增加钻柱下部变形状态
越随机。
（２）钻柱与井壁接触发生在钻柱下端；接触处的作用力较大，
且在气体钻井中，由于没有钻井液的润滑，钻柱与井壁的摩擦系数很
大，则更容易发生磨损失效。
参考文献
【１】陈志学．气体钻井工艺技术理论及应用研究ｐ】．西南石油大学学士
论文．２００６．４ 【２］张晓东，等．气体钻井技术剖析及研究前景展望Ⅱ１－石油机械，
２００８（６）：７５—７８ ｆ３］３ 赵业荣气体钻井理论与实践ｆＭ】．北京：石油ｓ－，＿ｌｌ：出版社，２００７ ［４】邹海洋，等．气体钻井钻柱失效机理分析口１石油钻探技术，
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艺．２００８（５）：３４—３６ ［６Ｊ祝效华，等．气体钻井钻具断裂机理分析Ｕ］．石油矿场机械，
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２００８（２）：４９—５２ （８ｌ廖忠会，等．气体钻井断钻铤事故的原因分析及预防嘲．钻泉工
艺。２００７（６）：６—８ 作者简介胡坤（１９８３－），西南石油大学机电工程学院在读研究
生。主要从事石油井下工具研究。 （收稿日期：２０１０－０４－２３）
气体钻井钻具热—应力数学模型分析
气体钻井钻具热—应力数学模型分析
针对钻柱的频繁失效，提出了热因素对钻具失效的影响原因。建立了钻具热-应力数学模型，在此基础上分析了热产生的应力对钻具的影响。通过ABAQUS仿真分析了不同温度场下对钻具的应力影响。分析表明：热积聚因素作为引起钻柱失效的一个很重要因素，不容忽视。
标签：气体钻井；热-应力；热积聚；仿真分析
气体钻井钻柱的失效主要是由钻柱的振动、地层条件、循环物质的性质、热因素造成的[1，2]。然而，现在很少有人将热因素对钻柱失效的影响进行分析。许多实际工程问题中，由于温度的影响而使结构产生过大的热应力，因而产生破坏性效果时有发生。分析由温度引起的应力（热应力）有着十分重要的意义。所以，在气体钻井中，热积聚因素作为引起钻柱失效的一个很重要因素，不容忽视。
1 模型的建立
建立钻具热-应力数学模型时，我们做如下假设[3]：因钻柱与井壁碰撞摩擦过程很短暂，所以忽略气体循环介质所带走的热量；钻柱与井壁的动摩擦系数为常数。
钻柱与井壁摩擦接触面上的热流密度为：
式（1）中，？椎为单位时间内通过某一给定面积的热量，w；A为导热面积；q为单位时间内通过单位面积的热流量，w/m2。
将钻柱与井壁碰撞摩擦面简化为一微小平面，其面积为S，则此面积上的摩擦力矩为：
2 钻具热因素失效的力学分析
2.1 基本原理
研究物体的热问题包括两方面的内容[4]：（1）传热问题的研究：确定温度场；（2）热应力问题研究：在已知温度场的情况下确定应力应变。
实际上，这两个问题是相互影响和耦合的，但是在大多数情况下，传热问题所确定的温度将直接影响物体的热应力，而后者对前者的耦合影响不大，因而可将物体的热问题看成是单向耦合过程，可分为两个过程来进行计算。
在一定的条件下，热应力会导致结构产生很大的热变形，直至结构破坏。热应力计算原理为：
当物体各部分温度发生变化时，物体将由于变形而生产线应变αT（Φ-Φ0），其中αT是材料的线膨胀系数，Φ是弹性体内任一点瞬时的温度值，Φ0是初始温度值。如果物体各部分的热变形不受任何约束时，则物体有变形而不引起应力。但是，物体由于约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行时，则在物体中产生应力。物体由于温度变化而的应力称为热应力或温度应力。
空气钻井中钻柱扭转振动的计算
ValueEngineering
等级尺度很好好一般差很差0.90.70.50.30.1表3评价等级尺度表受CI=0.0145CR=0.0163。
对于A1W1=0.6370
0.1047
0.25800
3此矩阵的一致性可以接受CI=0.0193
CR=0.0370。
对于A2W2=0.8333
0.16600
7此矩阵的一致性可以接受。
对于A3W3=0.1429
0.7143
0.14200
9此矩阵的一致性可以接受。
CI=2.2204e-016CR=4.2701e-016。
对于A4W4=0.5000
0.50000
0此矩阵的一致性可以接受。
3.2利用模糊评价法对专线运输绩效进行考核
3.2.1确定评价集确定评价集V={很
差，差，一般，好，很好}或V={很低，低，一
般，高，很高}。（表3）
3.2.2建立模糊评价矩阵由企业部门
经理和专家20人组成考评小组进行考评，
经统计分析，得到评价矩阵如下所示：
R1=0.20.40.250.150
0.150.20.50.10.05
0.20.30.350.10.000
5R2=0.250.40.250.10
0.150.250.40.150.000
5
R3=0.150.20.450.10.1
0.20.350.250.150.05
0.10.150.40.250.100
5R4=0.150.20.350.150.15
0.10.150.350.250.100
5
3.2.3模糊评价结果对于评价对象，权重W1=0.6370
0.1047
0.25800
3，模糊评价结果为B1=W1T·R1=0.6370
0.1047
0.25800
3T
×0.20.40.250.150
0.150.20.50.10.05
0.20.30.350.10.000
5=
（0.19480.35320.30200.13190.0182）
同理得：B2=（0.23330.37500.27500.10830.0083），B3=（0.1786
0.30000.30000.15720.0174），B4=（0.12500.17500.35000.2000
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:ADOI:103863/jissn1000-2634200806019
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(RWD)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。
气体钻井岩屑颗粒动力学分析_韩春雨
气体钻井是利用空气或其他气体作为循环介质的一种低压欠平衡钻井技术。由于气体密度较低，组分主要为干气及必要添加剂，能有效地在低压、易漏、水敏性强的泥页岩等层段钻进，因此气体钻井具有常规钻井液不可比拟的优越性[1,2]。但是目前在气体欠平衡钻井研究领域中，主要集中在注气量的设计上，基本上都是把岩屑当作均一的规则颗粒考虑，这与实际钻井过程不相符合。本文根据气固两相流流动基本理论，对比岩屑颗粒进行几何尺寸的划分、受力与摩阻等因素对钻井过程的气体携岩影响，可为今后的气体钻井环空岩屑运移动力学研究提供一定的参考。1井筒环空岩屑颗粒性态特征在气体钻井过程中遇到的环空气固两相流动中的岩屑颗粒都不可能是均一的球体，而是直径由小到大分布的分散相。由于颗粒的直径不同，其流动工况和流动规律亦各不相同，这使两相流的研究更复杂。一般采用以下两种方法进行处理：一种是找出颗粒大小的分布规律，利用这个规律来求解两相流问题；另一种方法是把分散相颗粒采用合适的方法进行平均，以这样的平均直径来代替整个分散相颗粒群的运动规律。粒度是岩屑颗粒在空间范围所占大小的线性尺度。粒度越小，颗粒微细程度越大[3,4]。表面光滑的球形颗粒只有一个线性尺寸，即直径，粒度也就相当于岩屑颗粒直径。非球形颗粒或虽然大体上呈球形，但表面不光滑的颗粒，则可以用某种规定的线性尺度表示粒度。其中有一些规定是以某种意义的相当球或相当圆的直径作为粒度的。有些规定的粒度并不是相当球或圆的直径，也可统称为颗粒的直径。用来描述颗粒粒度的“直径”主要有三轴径、球当量径、圆当量径和统计平均径。这几种描述岩屑颗粒直径的方法中，以球当量直径应用较多，其表达式如下：dsV=6Vsπ3姨（1）但此方法没有考虑井筒环空高速流动气体（气相）对岩屑颗粒的影响。由于岩屑是由几何形状不规则的小颗粒组成，为解决实际问题，本研究根据Stokes定律，定义岩屑直径dst为岩屑等沉降速度的直径，由于考虑了环空高速流动的气相的作用，与实际工程应用较为吻合，见方程（2）所示：dst=18μvtρ-ρf姨姨g姨（2）式中：μ—岩屑在沉降介质中的粘性系数；ρ—岩屑的密度,kg/m3；ρf—沉降介质的密度，kg/m3;vt—环空岩屑的等沉降速度,m/s。2井筒环空岩屑颗粒受力分析在井筒环空气—固两相流中，故体岩屑颗粒在运动中的主要受力有重力、浮力、气动阻力、压强梯度、附加质量力、巴塞特力、萨夫曼升力、马格努斯升力等[2~4]。（1）重力。由于是在重力场中研究气体和固体颗气体钻井岩屑颗粒动力学分析韩春雨1龙刚2纪海鹏1（1.长庆石油勘探局，西安710061；2.中石化西南油气分公司工程技术研究院，德阳618000）摘要：根据气固两相流流动理论，研究井筒环空岩屑颗粒动力学，分析岩屑颗粒几何尺寸的划分、受力与摩阻等因素对钻井过程的气体携岩影响。关键词：气体钻井；岩屑；气动阻力；动力学中图分类号：TE242文献标识码：A文章编号：1673-1980（2008）06-0031-03
水平井旋转钻柱流固耦合动力学分析
水平井旋转钻柱流固耦合动力学分析1)
罗敏*2)，赵厦，姜富洋，张强
（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江，大庆163318）
摘要：在石油钻井工程中，旋转钻柱不仅与井壁产生随机多向碰撞，还与钻柱内外环空流体耦合，构成一个复
杂的非线性流固耦合系统。本文考虑旋转钻柱的结构和工作状态，将结构动力学方程、流体连续方程和动量方
程耦合，建立了旋转钻柱流固耦合动力学分析的三维数值模型和计算方法。取水平井旋转钻柱和内外流体为研
究对象，流体为钻井液，考虑流固耦合特性，对旋转钻柱进行动力学分析，并与研究介质为空气情况进行对比，
结果表明了流固耦合的作用效果。为石油钻采管柱的研究提供了可行的研究方法，对水平井钻柱动力学发展具
有一定的指导意义。
关键词：流固耦合；旋转钻柱；动力学；数值计算
引言
在石油钻井工程中，钻柱是一根直径只有几百毫米、长度为数千米的细长梁，靠自重和旋转运动为
钻头施加钻压和扭矩进行破岩；同时，钻柱内孔和环空（钻柱与井壁间隙）有流动钻井液进行携砂和冷
却，钻柱与钻井液构成了一个复杂的非线性流固耦合系统，理论研究具有一定的难度。
目前，人们在钻柱动力学研究方面[1-4]和钻井液流动特性[5-6]研究方面已取得了一定的成绩，在工程中得
到了较好的应用。在流固耦合[7-8]方面也开展了一些研究，有些学者[9]对环形间隙内振动圆柱流固耦合动
力特性进行了研究，文中建立的是二维模型，且做了一些假设。有些学者[10]考虑钻井液与钻柱的泊松耦
合，对其纵向振动特征进行了研究，它研究的流体为同心流体。但由于钻柱受力状态复杂，影响因素考
虑不全面，开展钻柱流固耦合的研究还不成熟，还有很多问题有待于进一步研究。因此，本文考虑了接
触非线性特性和动力学特性，研究了旋转钻柱流固耦合的效果，该研究使钻柱的受力状态得到合理描述，
为钻柱优化设计和井眼轨迹控制提供可行的方法。
1旋转钻柱流固耦合动力学分析模型
根据工程实际结构，选取旋转钻柱、管内外流体和井壁为研究对象，整个模型包括直井段、任意曲
基于钻柱动力学大位移井钻具接头可靠性研究
２０２４年第５３卷第２期第１页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜 ２０２４，５３（２）：１９
文章编号：１００１３４８２（２０２４）０２０００１０９
基于钻柱动力学大位移井钻具接头可靠性研究
沈吉阳１，孙晨皓２，王建民１，张木楠１，邹树江１，彭 勇３（１．中国石油集团海洋工程有限公司，天津３００４５１；２．中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京１０２２４９；３．中国石油集团海洋工程有限公司，北京１０００２８）①
摘要：以埕海区块大位移井的钻具组合与井身结构为基础，通过钻柱动力学技术计算相同钻压、排量、转速条件下，不同井深底部钻具组合所承受的动态载荷。结果表明：随着井深的增加，随钻测量系统ＭＷＤ承受的轴向载荷均值逐渐降低，扭矩载荷均值逐渐增大，弯矩与井眼曲率直接相关，且随着井深的增加载荷幅值在变大，并利用随钻测量数据对井眼狗腿度和钻具承受的弯矩载荷进行验证，证明了动力学计算的有效性。从动力学计算结果中选出２个工况环境恶劣的载荷谱，并将极限载荷施加在ＭＷＤ工具接头上，分析螺纹静强度，结果表明：外螺纹应力最大位置都是位于距台肩面的第２个齿根部，内螺纹最大应力位于端面到第１个螺纹处，螺纹根部的Ｍｉｓｅｓ应力低于材料屈服强度；在交变载荷作用下分别循环作用１．０×１０７次，接头螺纹的疲劳安全系数为１．１～１．２，在井下工况复杂多变的情况下仍存在一定风险。关键词：接头螺纹；大位移井；钻柱动力学；疲劳安全系数中图分类号：ＴＥ９２１．２０２ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０２４．０２．００１
犛狋狌犱狔狅狀犚犲犾犻犪犫犻犾犻狋狔狅犳犇狉犻犾犾犻狀犵犜狅狅犾犑狅犻狀狋犻狀犈狓狋犲狀犱犲犱犚犲犪犮犺犠犲犾犾犅犪狊犲犱狅狀犇狉犻犾犾犛狋狉犻狀犵犇狔狀犪犿犻犮狊ＳＨＥＮＪｉｙａｎｇ１，ＳＵＮＣｈｅｎｈａｏ２，ＷＡＮＧＪｉａｎｍｉｎ１，ＺＨＡＮＧＭｕｎａｎ１，ＺＯＵＳｈｕｊｉａｎｇ１，ＰＥＮＧＹｏｎｇ３（１．犆犘犗犈，犜犻犪狀犼犻狀３００４５１，犆犺犻狀犪；２．犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿（犅犲犻犼犻狀犵），犅犲犻犼犻狀犵１０２２４９，犆犺犻狀犪；３．犆犘犗犈，犅犲犻犼犻狀犵１０００２８，犆犺犻狀犪）
井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用
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
深井钻柱振动规律的分析及应用
深井钻柱振动规律的分析及应用
韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉
【摘 要】钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象,对钻井的影响很大,钻柱共振是钻柱失效的主要原因.文章研究深井钻柱的振动问题,以深井钻柱为研究对象,分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动.首先,建立了深井钻柱各种振动的力学模型,获得了钻柱振动所遵循的物理规律,得到了钻柱的各种共振频率.然后,结合实际对振动规律进行了应用,该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据.
【期刊名称】《天然气工业》
【年(卷),期】2005(025)009
【总页数】4页(P76-79)
【关键词】深井;钻井;纵向振动;钻柱横向振动;扭转振动
【作 者】韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉
【作者单位】大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院
【正文语种】中 文
【中图分类】工业技术
-J.• i--~ 天然气工业2005 年 9 月深井钻柱振动规律的分析及应用 普韩春杰阎铁毕雪亮陈 要 辉｛大庆石油学院〉事事春杰等．深井钻柱振动规律的分析及应用．天然气工业 ， 2005;25(9) , 76～ 79摘 要 钻位振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大 ， 钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻
柱的振动问题 ． 以深井＋伊拉为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动 、 横向振动及扭转振动．首先 ， 建立了深井钻柱各种振动的力学模型 ． 获得了钻柱振动所遵循的物理规律 ． 得到了钻柱的各种共振频率．然后 ． 结合实际对振动规律进行了应用 ． 该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据．主题词深井钻井纵向振动钻柱横向振动扭转振动随着钻井技术的不断提高 ．勘探开发是国内外钻井的主要丁 ． 作之一，已取得了很大的经济效 益和社会敢益 ， 然而深井钻具疲劳失效问题也比较 突出。钻柱的剧烈振动是引起深井钻具失效 的 主要 原因，因为钻柱在剧 烈振动 的 过程 中， 钻柱表面的应 力集巾，应力较大处可能产生裂纹 ， 裂纹延伸到一定 程度时 ． 钻柱会安然发生断裂事故．本文针对深井 钻具失敢问题 ． 进行深井钻具组合的钻柱力学分析 ， 找出影响钻柱断裂、疲劳破坏的主要因素，提出减少 钻具失效的方法和手段 ， 对于提高深井钻井速度 ． 降 低钻井戚本有重要意义。
油气井钻井中钻柱摩阻计算与分析
I 3钻柱摩阻计算与分析 ...................................................................................................... 1
3.1 摩阻研究的意义、现状及存在问题 ....................................................................................... 1
3.1.1 研究目的和意义 ........................................................................................................... 1
3.1.2 研究现状和发展趋势.................................................................................................... 2
3.1.3 摩阻分析存在的主要问题 ............................................................................................ 3
3.2 钻柱动力学基本方程 .............................................................................................................. 5
3.3 钻柱摩阻预测与分析 ............................................................................................................ 11
下部钻柱有限元动力学仿真研究
第３０卷第６期 ２００８年１２月 西南石油大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＶｏＩ．３０ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２００８
文章编号：１０００—２６３４（２００８）０６—００８５—０４
下部钻柱有限元动力学仿真研究
林元华 ，付建红 ，卢亚锋 ，戴荣东 ，阎振来
（１．西南石油大学石油管力学和环境行为重点实验室，四川成都６１０５００；２．胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营２５７０１７）
摘要：针对下部钻柱在钻井过程中的振动状态，分析了振动机理，并建立下部钻枉组合节点单元三维动力学模型， 运用强迫频率理论和高斯列主消元法对动力学方程组进行求解，得到不同转速下的最大径向变形及弯曲应力，绘出
相应的幅频响应曲线，确定相应的临界转速。研究表明，钻柱转速对钻柱振动影响较大，通常钻柱工作转速要避开钻
具组合谐振频率，可减缓钻柱振动，保护钻柱。 关键词：下部钻柱；有限元；动力学；仿真
中图分类号：ＴＥ９２１．２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３８６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—２６３４．２００８．０６．０２０
引 言
钻柱是石油钻井中必不可少的机械能和水力能
量传递通道，承受着拉、压、弯扭及液力作用。所以，
受力状况和运动形态十分复杂。钻柱振动是石油钻
井过程中的普遍现象，如果控制不好，会造成钻井过
程中钻柱断裂、失效等严重事故。近几年强化钻井和
提高机械钻速是钻井行业的主题，钻柱面临较大的
挑战，因此选择合理的机械转速避开钻柱共振区域，
是减少下部钻具组合（ＢＨＡ）失效的主要途径之一。
国内外学者对下部钻柱的振动问题进行了一定
的研究¨ Ｊ。为更好地了解和掌握井下钻柱动态工
作状态、优选钻井参数及减少钻柱疲劳失效，笔者建
立了下部钻具组合动力学模型，采用有限元法对下
部钻具组合进行动力学分析，对钻具组合在井筒内