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1、减振器的位置对钻柱纵向振动的影响李子丰1张书瑞2郭盛堂2刘卜2(1燕山大学，2大庆石油管理局钻井一公司)提要概述了海拉尔深井钻井面临的钻具破坏问题和解决问题的途径。介绍了位移激励法的钻柱纵向振动的数学模型和力学分析软件。对减振器的安放位置对钻柱纵向振动的影响规律进行了研究。数据表明，减振器的安放位置对钻柱的纵向振动影响很大。在一些条件下，减振器能起到减小钻柱振动的作用；但在另一些条件下，减振器还会增加钻柱的振动。减振器直接接在钻头上减振效果良好。关键词钻柱,纵向振动,数学模型,减振器,共振,防振1______________
2、________*李子丰(1962),男,河北迁安人,1983年毕业于大庆石油学院钻井工程专业,1992年于石油大学(北京)油气田开发工程专业获博士学位,1992-1994年任哈尔滨工业大学力学博士后。现任燕山大学石油工程研究所所长,教授,博士生导师,河北省石油学会和振动工程学会理事,从事石油钻采工程方面研究。地址：（066004）河北省秦皇岛市燕山大学石油工程研究所。电话：（0335）8079211。E-mail:zfli@ysu.edu.cn。1______________________*李子丰(1962),男,河北迁
3、安人,1983年毕业于大庆石油学院钻井工程专业,1992年于石油大学(北京)油气田开发工程专业获博士学位,1992-1994年任哈尔滨工业大学力学博士后。现任燕山大学石油工程研究所所长,教授,博士生导师,河北省石油学会和振动工程学会理事,从事石油钻采工程方面研究。地址：（066004）河北省秦皇岛市燕山大学石油工程研究所。电话：（0335）8079211。E-mail:zfli@ysu.edu.cn。海拉尔深井钻井面临的钻具破坏问题和解决问题的途径随着大庆油田的不断开发，寻找新的接替资源已成必然。海拉尔地区是大庆油田外围勘探
4、的重点，并取得了重大突破。海拉尔地区深井钻井的主要困难是钻具破坏。其主要形式是钻铤断扣和粘扣。尽管在钻具防破坏上加大了科研和生产投入，（1）更换了切扣、修扣钻铤，（2）对于深井钻具组合采取上下倒换、探伤等措施，但发生钻铤断裂事故的次数仍然很多。2005年共发生钻铤断裂事故10次，平均断裂频次为0.4次/口，严重地制约了该区钻井速度和经济效益。2006年海拉尔地区预计钻井21口，平均井深较上年有所增加。如果钻具断裂次数下降，可大大提高该区的钻井速度，同时带来相应的经济效益和社会效益。减少钻具破坏的主要途径有：（1）提高钻具的强
5、度和抗疲劳性能，主要包括丝扣的设计、加工、表面处理、无损检测、维护和修复；（2）采用振动比较轻的钻进方式，如某些类型的PDC钻头钻进、井下动力钻具钻进等；（3）采用减振工具，如减振器和防涡稳定器；（4）选择合理的转速避开共振区。钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动。它们相互作用、相互影响,并以纵向振动为主1。本文仅研究钻柱的纵向振动，并主要探讨减振器的位置对钻柱纵向振动的影响。位移激励法的钻柱纵向振动的数学模型2-4井底不平,使钻头上下振动是导致钻柱振动的直接原因。取自硬地层的岩心证明了用三牙轮钻头钻进时井底为高低
6、不平的三瓣状。这种三瓣状井底使三牙轮钻头每转一周上下振动三次。多年来对钻柱振动的测定也得了相同结论。激励位移法以钻头位移为定解条件之一。一、基本假设(1)钻柱处于线弹性变形状态;(2)钻柱横截面为圆形或圆环形;(3)井筒轴线是垂直向下的;(4)钻柱轴线与井筒轴线重合;(5)略去钻柱的横向和扭转振动;(6)钻井液为牛顿流体;(7)钻井液的动压力为零;(8)略去温度的影响;(9)略去钻柱重力、平均钻压、钻井液浮力、钻柱的匀速运动等静力的影响;(10)仅研究钻柱纵向振动特性。二、力学模型与坐标系钻柱纵向振动的同时,起升系统也随着振
7、动,因此,纵向振动系统应该包括井架、钢丝绳、游车、水龙头和钻柱,简图见图1。6在图1ａ中,井架承受着压力,并随着钻柱的振动而振动。为了研究方便,将井架“颠倒”过来,如图1ｂ所示。因为井架是线性弹性体,所以将图1ａ简化为图ｂ只是将井架受力由压力变为拉力。在此振动系统中,井架、钢丝绳、游车和水龙头所起的作用类似于钻柱,因此,将它们各视为一段钻柱,见图1c。简化的纵向振动系统就形成了。选用柱坐标和局部曲线坐标系,柱坐标系原点Ｏ位于第一段钻柱顶端即井架底部,ｚ为纵坐标,单位矢量为ｋ;局部曲线坐标系原点取在各段钻柱顶端,向下为正,变量
8、为。钻头钻铤钻杆游车和水龙头钢丝绳井架abc图1力学模型三、微分方程设在图1ｃ中,共有m段钻柱,对于第i段用局部坐标系,推导出钻柱纵向振动微分方程2：（1）式中,分别为第i段钻柱的纵向位移函数、钻柱长度、波速、材料弹性模量、材料密度、钻柱半径、截面积,l为第i段钻柱任意一点到该段顶端的距离
