力学大会2015集浅谈直井中钻柱系统的粘滑振动.pdfVIP

引 言 粘滑振动由相互作用物体间的摩擦造成，主要表现为振动物体的粘滞与滑脱状态 交替出现。对大部分物体而言，由于振动状态交替变化的频率往往比较高，粘滑振动现 [1] 象难以明显地观察到，但粘滑现象的存在却是客观事实 。工程中存在大量可明显观察 [2] [3] [4] [5] 到粘滑振动的系统，如钻床的铣刀 、电动钻具的钻头 、轮轨系统 、刹车系统 、运动 [6] [7] [8] 的地层 、乐器 以及行走的动物 等，引起众多学者的广泛关注。 钻柱系统是开采地层中油气资源的重要设备，主要包括转盘、钻柱（包括钻杆与钻 铤）以及钻头等。井口能量由持续转动的转盘输入钻柱系统，该能量通过钻柱由井口传 至井底的钻头，钻头在下部钻具的重量及钻柱传递的扭矩作用下与地层直接作用，刮切 [9] 岩石并形成井眼，钻头破碎的岩屑由钻 带出井筒完成钻井过程 。由于钻柱具有大 长径比（井身3000 m 的钻柱长径比达23000）的特性，其刚度很小，在地层阻碍作用下极易产生粘滑振动。 钻柱系统的粘滑振动是指当钻进中的钻头因破岩扭矩不足而停止转动时，钻柱由 于转盘的持续转动而积蓄能量，待所积能量足以使钻头打破岩石阻碍时，钻头在巨大的 [10] 驱动力下高速转动 。钻柱系统的粘滑振动表现为钻头粘滞与滑脱不断地交替循环，钻 头在滑脱阶段的速度及加速度通常都较大。钻柱系统粘滑振动对钻井过程的影响主要 [11] 包括：浪费系统能量、加剧钻具失效、影响井身质量以及降低钻井效率等 。 通常情况下，随井身的增加，岩石强度增大而可钻性变差，钻头打破岩石阻碍所需 要的能量增加。同时，钻柱刚度随井身的增加而减小，现场钻井资料表明井深的增加将 使钻柱系统更易于产生粘滑振动。随着当前油气钻采逐步转向深部地层，钻柱系统粘滑 振动对钻进产生的影响不断增大。针对这一问题，由国际钻井承包商 （IADC）赞助 [12] 的题为“钻柱粘滑振动的抑制”的研讨会于2011年在 休斯顿召开 。 [13,14] 上世纪80年代以来，国外学者便提出了钻柱粘滑振动的概念 。随后，众多学者 采用简易扭转摆或轮带-弹簧-质量系统等力学模型研究粘滑振动[15- 17] [18,19] 。由于粘滑振动的复杂性，现有理论未能系统地阐述粘滑振动产生的原因 ，现场 [20,21] 通过调节钻井参数抑制粘滑振动的方法也未见解释 。然而，了解粘滑振动产生的原 因却是认识这一现象并最终实现振动控制的基础。基于这一背景，本文以直井为研究对 象，采用扭转摆模型阐述粘滑现象的振动特性。 1 钻柱系统动力学模型 1.1 钻柱粘滑振动模型 钻柱系统产生粘滑振动时弹性钻柱周期性地 和释放能量，在驱动力以及阻尼 力等外力作用下，表现为钻头周期性地停止和运动。为更加 揭示钻柱粘滑振动形 成的原因及其不同阶段振动状态的变化，结合钻柱系统的工作环境和运动特点，建立图 1所示的直井钻柱系统粘滑振动模型。模型中将钻柱系统简化为具有扭转刚度和集中质 量的扭转弹簧，忽略其它振动的影响，将钻头与地层的作用视为库仑摩擦。图中，LP 为 钻杆长度，LC 为钻铤长度，g 表