针对可调弯螺杆钻具振动特性研究

针对可调弯螺杆钻具振动特性研究

付强

天合石油集团汇丰石油装备股份有限公司 黑龙江牡丹江 157000

摘要：可调弯螺杆钻具在减少钻具储备量、降低定向井、大斜度井、水平井钻井成本方面起到十分有效的作用，但是，在超深井钻井过程中，由于钻井工况存在的复杂性，螺杆钻具出现刺漏和连接螺纹断裂的失效情况时有发生，一般失效过程为产生疲劳裂纹、产生疲劳断裂，一般造成这种情况的原因和钻柱整体振动有关。文中通过建立钻柱动力学模型研究可调弯螺杆钻具振动特性，为进一步研究深井钻井钻具失效夯实研究基础。

关键词：可调弯；螺杆钻具；振动特性

钻具振动是螺杆钻具产生失效的主要原因，因此，对螺杆钻具进行振动特性研究对保证螺杆钻具的安全性十分必要。文中利用钻柱动力学分析法建立钻柱动力学分析模型，对可调弯螺杆钻具全井段所承受的纵向、横向和扭转振动振型和固有频率进行模拟，通过分析不同弯角螺杆钻具在井下产生共振的可能性，确定在进行可调弯螺杆钻具钻井参数设计的过程中要尽量避免或减小钻柱在低阶固有频率上产生共振，要适当考虑配置扶正器、减震器等不同类型的深井减振工具。

1钻柱动力学分析模型

1.1钻柱动力学建模

钻柱在井下的受力情况和运动状态比较复杂，在分析前必要进行一定假设，为简化建模，在建模师不考虑钻杆间螺纹连接和钻杆连接接头截面变化，钻杆分段内视为同一内外径，为了便于计算，忽略不同钻具间转换接头和工具外径变化。从钻头开始向上划分成多个单元，任取一个单元中心轴线为 , 与 分别于截面主惯性轴相重合，在每个节点取移动位移和转动位移，包含六个自由度。单元总能量=动能+势能，任意取钻柱元段分析，该元段动能可表示为：

弯曲扭转变形能为：

单元体的总势能为：

1.2接触函数

在进行钻柱动力学分析过程中，要充分考虑到钻柱和井壁间的接触碰撞与摩擦，假设钻柱振动的阻尼影响因素包含钻井液的影响、钻柱材料的内摩擦，钻柱和井壁间的接触力与摩擦力主要被分解为径向力和切向力，主要可以通过IM-PACT冲击函数进行求解。首先假设井壁径向摩擦因数和轴向摩擦因素相等，摩擦力分配为：

此时，钻柱和井壁之间产生的摩擦切向力对钻柱产生一个摩擦等效力矩,通过等效摩擦力矩就可以模拟钻柱和井壁接触过程中的摩擦情况。

局部坐标系下的单元运动方程为：

整体坐标系与局部坐标的转换关系为：

钻柱结构的总体运动方程为：

1.3可调弯螺杆钻具振动建模

为建立振动模型，在简化基础上对边界条件进行处理，通过ABAQUS进行建模、边界条件加载、求解、模态提取和后处理，为了处理方便，将结果文件写入结果分析文件中，文件内容包含振动特征输出、固有频率、参与系数和有效质量等参数，为了计算方便，选取ABAQUS模拟钻铤、钻杆和扶正器，钻柱模型主要参数为：钻柱弹性模量210GPa；钻柱泊松比0.3；钻柱密度为7.84 ，利用ABAQUS求得钻柱振动各阶固有频率和振动类型。

2可调弯螺杆钻具振动特性分析

2.1纵向振动

钻具纵向振动会引起钻头损坏、快速磨损，引起跳钻、造成钻速降低，容易诱发其他的振动形式，或造成钻柱轴向上振动频率变大。根据钻具组合数据建立模态分析模型，通过分析可以看出，伴随钻柱长度增加，钻柱纵向振动固有频率呈现逐渐减弱状态，在井深一定时，阶数越高，纵向振动固有频率越大，伴随井深增加，钻柱纵振固有频率各阶间间隔明显减小，钻柱可选择范围越小，由此可见，在深井钻井中，因此造成钻柱出现共振造成钻具损坏的现象十分严重。

2.2横向振动

钻柱横向振动有可能会造成钻速下降钻头过早磨损、钻具稳定器不均匀磨损、底部钻具组合冲蚀扭断、井眼扩大、井壁不稳定，极其容易诱发其他振动。根据钻具组合数据建立模态分析模型，通过分析可以看出，钻柱横向振动固有频率伴随钻柱长度增加呈现出减小的趋势，但是幅度很小，钻柱长度对横向振动的影响较其对纵向振动的影响要小很多，但是因为钻柱横向振动固有频率较小，各阶固有频率间隔小，所以更容易产生横向共振，临界转速选择范围狭小。

2.3扭转振动

钻柱扭转振动可能会造成钻速减弱、钻具冲蚀扭断、钻具过早损伤或故障、钻头过早疲劳损伤或损坏、钻具脱落的情况，直接增加钻井成本，在钻具产生扭振过程中，钻头钻速会产生波动，甚至瞬时反转，很容易出现钻头损坏。根据钻具组合数据建立模态分析模型，通过分析可以看出，钻柱扭转振动频率呈现出逐渐减小的趋势，阶数越高减小趋势愈发明显，减小量越大，在井深达到一定程度时，阶数越高扭转振动固有频率越大，采用大直径钻铤下部分钻柱后刚度增加^[1]。

2.4分析算例

采用与模态分析一致的单元类型、材料属性、建模方法和边界条件开展建模，通过ABAQOUS Visualization后处理模块进行处理，分别对钻柱纵向振动、横向振动、扭转振动进行分析，使用ABAQOUS Standard中的Lanczos频率提取方法提取钻柱纵向振动、横向振动、扭转振动前10阶固有频率和振动类型，通过分析算例验证了钻柱的纵向共振属性

^[2]。

3结论

伴随螺杆钻具可调弯角的角度增大，螺杆钻具更容易产生共振现象，其所承受的轴向力平均值和幅值随之产生增高的情况，各阶固有频率窗口更小，想要通过调整临界转速避开共振十分困难，其所承受的轴向振动也更加剧烈。

伴随螺杆钻具的可调弯角逐渐增大，钻具钻柱所承受的扭矩、弯矩的平均值保持无变化，但是钻具钻柱承受的幅值逐渐增大，钻柱出现严重纵向共振现象，这表明可调弯螺杆钻具在深井下产生钻具钻柱疲劳失稳的情况大幅度上升，钻具钻具有可能产生损坏的位置，所以，在进行可调弯螺杆钻具钻井参数设计的过程中要尽量避免或减小钻柱在低阶固有频率上产生共振，适当考虑配置扶正器、减震器等不同类型的深井减振工具^[3]。

参考文献：

[1]狄勤丰,胡菲菲,周波,王春生,李宁,娄尔标,王文昌.气体钻井预弯曲钟摆钻具控斜的动力学行为[J].天然气工业.2019(07):94-98.

[2]吴泽兵,黄海,郑维新,张文超,赵海超.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[J].科学技术与工程.2020(33):13762-07.

[3]刘强,刘轶溟,杨春雷.新型螺杆钻具连接螺纹抗疲劳性能[J].塑性工程学报.2021(04):190-198.