钻井液对钻柱振动特性影响分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第27卷第4期钻井液与完井液V_01．27NO．420l0年7月DRILLINGFLUID&C0MPLET10NFLUIDJuly2010文章编号：1001—5620(2010)04—0041—03钻井液对钻柱振动特性影响分析徐鸿志，路政，卢晓峰，胡毅，周军明。(1．中国石油集团T程技术研究院，天津；2．渤海钻探T程技术研究院，天津；3．渤海钻探国际丁程分公司，天津)摘要针对空气钻井存在钻具使用寿命短、钻具失效严重、钻具成本高的问题，应用ANSYS软件，建立了钻柱振动有限元模型，并对液体动力效应和浮力效应的淹

2、没管道单元进行了数值模拟计算。以普光102—2井为例的计算结果表明，钻井液对钻柱振动特性有较大影响。考虑钻井液影响后，钻柱纵向和横向振动各阶固有频率均有较大程度降低，且随钻井液密度增大固有频率缓慢降低；但钻井液对扭转振动特性影响较小。谐响应表明，钻井液动力效应使钻柱低频共振响应加强，高频共振响应减弱，说明钻井液阻尼作用对钻柱的动力安全性有一定的积极意义，这正好与普光102—2井的典型钻柱失效事故的分析结果相吻合。关键词空气钻井；钻柱振动模型；钻井液；固有频率；谐响应中图分类号：TE242．7文献标识码：A在现场应用中发现，空气钻井存在钻具使用际

3、钻柱运动的复杂性，为便于对钻柱进行数值分析，寿命短、钻具失效严重、钻具成本高的问题。据不进行必要的简化，假设：①钻柱简化为均质弹性梁；完全统计，从2007年1月至11月期问，四川东北②把钻柱看作一端固支、另一端滑动并承受钻压的部地区共发生钻具失效事故47次。其中，钻杆断梁，且钻柱轴线与井眼轴线重合；③井筒为钻柱的裂19次，钻铤断裂18次，钻具脱扣4次，加重钻横向运动约束边界；④相对于很长的钻杆部分，井底杆断裂2次，钻具附件失效4次，钻具事故累计损钻具处理为集中质量点，或具有转动惯量的质量点。失钻井时间271．88d(2口井侧钻未完)，报废进尺2

4、)底部钻具组合谐响应分析模型，用于分析底5081．35m。正常钻进时，底部钻柱的拉压应力一部钻具受到周期性扰动(如由于屈曲发生的周期性般较小，不会引起钻柱的损坏，而由于钻柱发生振震击等)时，钻柱产生的横向位移响应。将钻柱简动并与井壁碰撞，会在钻柱内产生很高的交变应力。化为一端铰支，另一端滑动并承受钻压的梁，见图1。可以推断，钻柱断裂主要是由于钻柱振动引起的交变应力所造成的，属于应力疲劳损坏[1-3]o针对空气钻井情况，应用ANSYS软件，建立钻柱振动的有限元模型，利用考虑液体动力效应和浮力效应的图1底部钻具组合动力响应模型(模型2)淹没管道单元

5、进行数值模拟计算，以期对钻井液对1．2计算单元简介钻柱振动特眭的影响进行更深入的探讨。利用ANSYS软件中APDL语言建立有限元实1模型及计算单元简介体模型，选取MASS21单元模拟钻头，PIPE59单元模拟钻铤、钻杆和转换接头。PIPE59单元是一种1．1有限元模型线单元，具有承受拉力、张力、扭转及液体动力效1)钻柱振动模型。针对钻井情况，考虑到实应的能力，考虑液体动力效应和浮力效应，分析在第一作者简介：徐鸿志，助理工程师，1982年生，2009年毕业于中国石油大学(华东)，现在从事钻井液与完井液研究工作。地址：天津市滨海新区津塘公路40号中

6、国石油集团工程技术研究院海洋钻采技术研究所；邮政编码300451；电话(022)66310586／13512018282：E—mail：xuhz．cpoe@cnpc．eom．cn。学兔兔www.xuetutu.com42钻井液与完井液2010年7月井筒中有钻井液时的钻柱真实受力情况。单元的刚度矩阵及质量矩阵分别与梁单元的刚度矩阵及质量褂矩阵类似，只需要对某些元素进行修正，乘以系数扭似。如果管柱与周围的液体有相对运动就会产围生液体动力效应，PIPE59单元用Morison方程(式(1))考虑这一效应。一般形式Morison方程应用广泛，在一些计算

7、中具有重要的作用，用来计算单元阶数上的分布载荷，以考虑流体的动力效应。图2钻井液密度对钻柱扭转振动的影响3．1．2钻井液密度对纵向振动的影响=CDPwf)I))+二(1)不同钻井液密度对钻柱的纵向振动固有频率，nw)+Gw』)f见图3。由图3可以看出，有钻井液时，钻柱纵向振动的固有频率比空气钻井时要低很多。钻井液密式中，{F／L}为由于液体动力效应引起的单位长度度为1．1g／cm。时，第1～3阶固有频率比空气钻井上的载荷；Cn为法向阻力系数；Pw为外部液体的时降低了18％左右；且钻井液密度越高，钻柱的密度；D。为管柱实际外径；{}为法向相对速度

8、固有频率越低。由于钻井液的存在，使钻柱在进行矢量；CM为惯性系数；{}为法向加速度矢量；轴向运动时，受到钻井液的黏滞作用。钻井液的密为切向阻力系数；{