钻头与岩石互作用下钻柱黏滑振动规律研究

黏滑振动会引起钻柱上产生高频波动的剪切应力,导致钻柱过早疲劳。为此,在考虑钻头与岩石互作用的情况下,耦合了钻头与岩石互作用模型与钻柱系统4自由度扭转振动模型,建立了考虑钻头与岩石互作用的钻柱系统扭转振动模型,并以现场实测数据对模型精度进行了验证;分析了井深、岩石类型对钻柱系统扭转振动特性的影响规律;据此提出了一些抑制深井/超深井黏滑振动的方法。研究结果表明:井越深越容易发生黏滑振动,且黏滑振动越强;岩石的可钻性越高,钻头在此类岩石中钻进时钻柱系统黏滑振动越弱;使用扭力冲击器等井下动力钻具可以有效地抑制黏滑振动,特别是在硬地层中钻进时,配合攻击性强的钻头可以有效抑制黏滑振动,提高机械钻速。

基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命研究

底部钻具组合(BHA)在井下长期剧烈振动容易导致其疲劳失效,但目前多数研究均通过微分方程计算BHA疲劳寿命,与现场实际工况差距较大。为了更准确地预测BHA的疲劳寿命,借助以有限元法为基础的钻柱动力学理论,考虑钻柱初始裂纹缺陷,建立了基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测模型,利用Newmark-β法对动力学模型进行求解,并与其他文献的研究结果进行对比,验证了模型的准确性;研究了钻压、转速、初始裂纹深度及稳定器安装位置等关键参数对底部钻具组合疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:BHA横向振动比纵向振动更大,横向振动是BHA疲劳失效的主要原因;越靠近钻头横向振动越大,所以近钻头处BHA疲劳寿命更短;钻压越大,中和点下部BHA疲劳寿命缩短越显著;转速越大BHA疲劳寿命越短,低转速范围内转速对BHA疲劳寿命影响较小,高转速范围内转速对BHA疲劳寿命影响较大;具有更大初始裂纹深度的BHA,其疲劳寿命会更短;安装稳定器可以延长近钻头处BHA的疲劳寿命,算例中稳定器安装在距离钻头9 m的位置最佳。研究成果可为优选钻井参数以及确保钻柱安全提供一定的理论指导。