CN113638729B - 一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法 - Google Patents
一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113638729B CN113638729B CN202110899696.6A CN202110899696A CN113638729B CN 113638729 B CN113638729 B CN 113638729B CN 202110899696 A CN202110899696 A CN 202110899696A CN 113638729 B CN113638729 B CN 113638729B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- drill
- stick
- slip vibration
- bit
- torsional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000001629 suppression Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 32
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 28
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 21
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 18
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 238000005553 drilling Methods 0.000 abstract description 23
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000009527 percussion Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
本发明公开了一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，包括：将钻柱等效为转盘、钻杆、钻铤和钻头组成的四自由度粘滑振动模型；所述钻头上设置有扭力冲击器，将所述扭力冲击器提供的扭矩引入所述四自由度粘滑振动模型，建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型；求解所述考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型，获得钻柱粘滑振动特性；根据所述钻柱粘滑振动特性，调节所述扭力冲击器的工作参数以抑制钻柱粘滑振动。本发明建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型，求解钻柱粘滑振动模型获得准确的钻柱粘滑振动特性，根据钻柱粘滑振动特性调节扭力冲击器的工作参数可以抑制钻柱粘滑振动，保证钻井作业的安全和高效。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别是涉及一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法。
背景技术
随着油气资源勘探开发的不断深入，钻井难度越来越大。在钻遇硬地层时，由于岩石塑性和硬度较大，PDC(Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片)钻头破岩效果差，且极易产生粘滑振动以至其过早失效，最终大幅降低机械钻速。扭力冲击器可以将钻井液流体能量转换成高频、扭向和均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，从而辅助PDC钻头克服摩擦扭矩和抑制钻柱粘滑振动。抑制钻柱粘滑振动可以防止钻具过早疲劳失效，提升机械钻速，保证钻井作业的安全和高效。扭力冲击器工作参数作为影响其应用效果的直接因素，需要分析其对钻柱粘滑振动的影响，从而为现场扭力冲击器工作参数的选择提供参考。
现有技术中分析扭力冲击器对钻柱粘滑振动的影响，大都将钻柱看成一个整体，采用单自由度模型或双自由度模型分析，而事实上钻杆与钻铤扭转刚度也有很大的差异，简单地将钻柱看成一个整体，不能准确获得钻柱粘滑振动特性，因此也无法根据钻柱粘滑振动特性合理选择扭力冲击器工作参数抑制粘滑振动。
发明内容
本发明的目的在于针对：不能准确获得钻柱粘滑振动特性的问题，提供一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，以建立考虑扭转冲击作用的四自由度钻柱粘滑振动模型，求解模型得到准确的钻柱粘滑振动特性，根据钻柱粘滑振动特性选择扭力冲击器工作参数，抑制钻柱的粘滑振动。
为了实现上述目的，本发明提供了一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，包括：
S1：将钻柱等效为转盘、钻杆、钻铤和钻头组成的四自由度粘滑振动模型；
S2：所述钻头上设置有扭力冲击器，将所述扭力冲击器提供的扭矩引入所述四自由度粘滑振动模型，建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型；
S3：求解所述考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型，获得钻柱粘滑振动特性；
S4：根据所述钻柱粘滑振动特性，调节所述扭力冲击器的工作参数以抑制钻柱粘滑振动。
本发明将钻柱等效为转盘、钻杆、钻铤和钻头组成的四自由度粘滑振动模型，钻头上设置有扭力冲击器，将所述扭力冲击器提供的扭矩引入所述四自由度粘滑振动模型，建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型，求解钻柱粘滑振动模型获得准确的钻柱粘滑振动特性，根据钻柱粘滑振动特性调节扭力冲击器的工作参数可以抑制钻柱粘滑振动，进而可以防止钻具过早疲劳失效，提升机械钻速，保证钻井作业的安全和高效。
可选的，将转盘、钻杆、钻铤和钻头等效为四个质量块，相邻两个质量块之间连接有弹簧和阻尼器，形成所述四自由度粘滑振动模型。
可选的，所述四自由度粘滑振动模型为：
式中，Jr、Jd、Jc和Jb分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量， 和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角位移，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角速度，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角加速度，Krd为转盘和钻杆之间的弹簧刚度，Kdc为钻杆和钻铤之间的弹簧刚度，Kcb为钻铤和钻头之间的弹簧刚度，Crd为转盘和钻杆之间的弹簧阻尼，Cdc为钻杆和钻铤之间的弹簧阻尼，Ccb为钻铤和钻头之间的弹簧阻尼，Tm为转盘处施加的扭矩，Tar和Tab分别为转盘和钻头处的粘性阻尼扭矩，Tfb为钻头和岩石的摩擦扭矩。
可选的，将扭力冲击器提供的扭矩引入式所述四自由度粘滑振动模型，得到考虑扭转冲击作用的钻柱扭转振动模型为：
式中，Jr、Jd、Jc和Jb分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量， 和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角位移，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角速度，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角加速度，Krd为转盘和钻杆之间的弹簧刚度，Kdc为钻杆和钻铤之间的弹簧刚度，Kcb为钻铤和钻头之间的弹簧刚度，Crd为转盘和钻杆之间的弹簧阻尼，Cdc为钻杆和钻铤之间的弹簧阻尼，Ccb为钻铤和钻头之间的弹簧阻尼，Tm为转盘处施加的扭矩，Tar和Tab分别为转盘和钻头处的粘性阻尼扭矩，Tfb为钻头和岩石的摩擦扭矩，T为扭力冲击器提供的高频扭矩。
可选的，所述考虑扭转冲击作用的钻柱扭转振动模型为：
式中，Cr为转盘处的粘性阻尼系数，Cb为钻头处的粘性阻尼系数。
可选的，钻头和岩石的摩擦扭矩为：
式中，Dv为钻头动摩擦与静摩擦之间的临界转速，Tr为施加在钻头上的扭矩，Tsb为最大静摩擦扭矩，WOB为钻压，Rb为钻头半径，为与钻头的角速度有关的钻头的摩擦系数。
可选的，与钻头的角速度有关的钻头的摩擦系数为：
式中，μsb为钻头静摩擦系数，μcb为钻头动摩擦系数，γb为与钻头和岩石有关的系数，0＜γb＜1。
可选的，施加在钻头上的扭矩为：
可选的，所述扭力冲击器的工作参数包括扭转冲击载荷和冲击频率。
可选的，调节所述扭力冲击器的工作参数包括增大冲击频率和/或增大扭转冲击载荷。
本发明的有益效果是：
1.本发明将钻柱等效为转盘、钻杆、钻铤和钻头组成的四自由度粘滑振动模型，钻头上设置有扭力冲击器，将所述扭力冲击器提供的扭矩引入所述四自由度粘滑振动模型，建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型，求解钻柱粘滑振动模型获得准确的钻柱粘滑振动特性，根据钻柱粘滑振动特性调节扭力冲击器的工作参数可以抑制钻柱粘滑振动，进而可以防止钻具过早疲劳失效，提升机械钻速，保证钻井作业的安全和高效；
2.本发明通过考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型分析扭力冲击器的工作参数对钻柱粘滑振动的影响，当扭转冲击载荷较低时，增大扭转冲击载荷可以显著降低粘滑周期甚至消除钻柱粘滑振动，增大冲击频率可以减弱钻柱粘滑振动，并提高钻柱转动时的稳定性，为扭力冲击器工作参数的选择了提供了指导。
附图说明
图1是设置有扭力冲击器的钻柱示意图；
图2是四自由度粘滑振动模型图；
图3是考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型求解流程图；
图4a是无扭力冲击器时钻柱各位置角位移图；
图4b是无扭力冲击器时钻柱各位置角速度图；
图4c是无扭力冲击器时钻柱各位置角加速度图；
图4d是无扭力冲击器时钻柱各位置扭矩图；
图5a是有无扭力冲击器钻头角位移对比图；
图5b是有无扭力冲击器钻头角速度对比图；
图5c是有无扭力冲击器钻头角加速度对比图；
图5d是有无扭力冲击器钻扭矩对比图；
图6a是不同扭转冲击载荷下钻头角位移图；
图6b是不同扭转冲击载荷下钻头角速度图；
图6c是不同扭转冲击载荷下钻头角加速度图；
图6d是不同扭转冲击载荷下钻头扭矩图；
图7a是不同冲击频率下钻头角位移图；
图7b是不同冲击频率下钻头角速度图；
图7c是不同冲击频率下钻头角加速度图；
图7d是不同冲击频率下钻头扭矩图；
图8是不同冲击频率下钻柱的角速度图。
图中标记：1-转盘，2-钻杆，3-钻铤，4-钻头，5-扭力冲击器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
1、建立四自由度粘滑振动模型
图1是设置有扭力冲击器的钻柱示意图，图2是四自由度粘滑振动模型图，如图1-图2所示，扭力冲击器5是一种安装在钻头4上部并配合PDC钻头4使用的井下工具，钻井液流体能量通过高频撞击系统转化成高频扭转冲击能量，并直接传递给PDC钻头4辅助破岩。
本发明在建立四自由度粘滑振动模型时，做出以下假设：
(1)将转盘1、钻杆2、钻铤3和钻头4视为四个质量块，相邻质量块之间由具有一定刚度和阻尼的弹簧连接；
(2)钻进时，钻柱不发生横向振动；
(3)不考虑钻柱与井壁之间的摩擦；
(4)用集中的摩擦扭矩代替钻头4与岩石之间相互作用。
所述四自由度粘滑振动模型的方程形式为：
式中，Jr、Jd、Jc和Jb分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量， 和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角位移，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角速度，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角加速度，Krd为转盘和钻杆之间的弹簧刚度，Kdc为钻杆和钻铤之间的弹簧刚度，Kcb为钻铤和钻头之间的弹簧刚度，Crd为转盘和钻杆之间的弹簧阻尼，Cdc为钻杆和钻铤之间的弹簧阻尼，Ccb为钻铤和钻头之间的弹簧阻尼，Tm为转盘处施加的扭矩，Tar和Tab分别为转盘和钻头处的粘性阻尼扭矩，Tfb为钻头和岩石的摩擦扭矩。
2、建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型
钻头4上设置有扭力冲击器5，建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型时，将扭力冲击器5提供的高频扭矩引入式(1)，得到考虑扭转冲击作用的钻柱扭转振动模型为：
式中，T为扭力冲击器提供的高频扭矩，扭力冲击器提供的高频扭矩是关于扭转冲击载荷和冲击频率的函数，Tar为转盘处的粘性阻尼扭矩， 为转盘的角速度，Cr为转盘处的粘性阻尼系数。
钻头4和岩石的摩擦扭矩为：
式中，Dv为钻头动摩擦与静摩擦之间的临界转速，Tr为施加在钻头上的扭矩，Tsb为最大静摩擦扭矩，WOB为钻压，Rb为钻头半径，为钻头的角速度，/>为与钻头的角速度有关的钻头的摩擦系数。
施加在钻头4上的扭矩为：
式中，和/>分别为钻铤和钻头的角位移，/>和/>分别为钻铤和钻头的角速度，Kcb为钻铤和钻头之间的弹簧刚度，Ccb为钻铤和钻头之间的弹簧阻尼，Tab为钻头处的粘性阻尼扭矩，/>Cb为钻头处的粘性阻尼系数。
与钻头4的角速度有关的钻头4的摩擦系数为：
式中，为钻头的角速度，μsb为钻头静摩擦系数，μcb为钻头动摩擦系数，γb为与钻头和岩石有关的系数，0＜γb＜1。
因此，将式(2)整理可得：
将式(6)简化可以得到：
转动惯量矩阵[J]为：
阻尼矩阵[C]为：
刚度矩阵[K]为：
阻尼矩阵[T]为：
和/>是三个列矩阵。
3、建立考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型
图3是考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型求解流程图，如图3所示，本发明采用MATLAB的常微分方程求解方法——四阶-五阶龙格库塔法，对考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型进行求解，获得钻柱各部位的角位移、角速度、角加速度和扭矩随时间的变化关系，即获得钻柱粘滑振动特性，以此可以判断钻柱粘滑振动程度。
4、调节扭力冲击器的工作参数
根据钻柱粘滑振动特性，调节扭力冲击器5的工作参数以抑制钻柱粘滑振动。扭力冲击器5可以为钻头提供额外扭矩辅助破岩而无需扭矩的积累，从而减弱甚至消除粘滑振动，极大的提高钻头破岩能力和机械钻速。扭转冲击载荷是抑制钻柱粘滑振动的主要参数，当扭转冲击载荷较低时，增大冲击载荷可以明显的抑制甚至消除钻柱粘滑振动。钻头在冲击频率较小时无法有效破碎岩石，仍会出现粘滑现象，增大冲击频率可以抑制钻柱粘滑振动，并减弱钻柱角速度的波动幅度，从而提高钻柱转动时的稳定性。在实际钻井过程中，可根据钻柱粘滑振动特性和破岩需求选择合适的扭转冲击载荷，从而有效抑制钻柱粘滑振动和提高钻柱使用寿命。
5、实例分析
5.1、考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型的准确性验证
表1是粘滑振动基本计算参数表，现有技术采用表1中列出的参数对钻柱粘滑振动进行了仿真分析。将表1中参数带入本发明的考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型，可以复现现有的仿真结果，说明采用本发明的考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型进行分析，可以获得准确可靠的钻柱粘滑振动特性。
表1粘滑振动基本计算参数
5.2、钻柱粘滑振动特性分析
图4是无扭力冲击器时钻柱粘滑振动特性图，图4a是无扭力冲击器时钻柱各位置角位移图，图4b是无扭力冲击器时钻柱各位置角速度图，图4c是无扭力冲击器时钻柱各位置角加速度图，图4d是无扭力冲击器时钻柱各位置扭矩图。
如图4a和图4b所示，转盘、钻杆、钻铤和钻头并不是同时转动的，转盘扭矩向下部钻具传递时有一定延迟。结合图4c和图4d所示，因为钻头受到地层的摩擦作用，且初始阶段传递下来的扭矩不足以克服摩擦扭矩，需要扭矩的积累，所以钻头在停滞一段时间后才开始转动。另外，当钻头从粘滞向滑移状态转变时，钻头所受扭矩达到最大值，此时钻头的角加速度达到8rad/s2左右。
钻柱粘滑振动会加快PDC钻头磨损和钻柱疲劳失效，当钻柱发生粘滑振动时，钻头所受扭矩不足以克服摩擦扭矩，停止转动，而转盘施加的扭矩不变，此时上部传递的扭矩将累加在钻柱上，导致钻柱出现扭曲现象。当钻头处扭矩大于地层最大静摩擦扭矩时，钻头瞬间加速，角速度达到8rad/s2左右，这将对钻头和近钻头处钻柱造成极大破坏，而扭力冲击器可以直接为PDC钻头提供额外的高频冲击能量辅助破岩，从而抑制钻柱粘滑振动。
图5是有无扭力冲击器钻头粘滑振动特性对比图，图5a是有无扭力冲击器钻头角位移对比图，图5b是有无扭力冲击器钻头角速度对比图，图5c是有无扭力冲击器钻头角加速度对比图，图5d是有无扭力冲击器钻扭矩对比图。本发明所选用的扭力冲击器扭转冲击载荷为2000N·m，冲击频率为1200Hz。如图5a-图5d所示，安装扭力冲击器后，钻柱不再出现粘滑现象，粘滑振动得到了很好的抑制。钻头所受扭矩在短暂波动后，围绕一固定值上下小幅波动，此时钻头角加速度也围绕0rad/s2小幅波动，钻头角速度稳定在一个较高的数值，钻头角位移与时间呈线性关系，装有扭力冲击器的钻头在100s内的角位移是无扭力冲击器钻头的2.31倍左右，极大的提高了机械钻速。这是由于扭力冲击器提供的额外扭矩，使得钻头可以持续破岩而无需扭矩的积累，从而抑制了钻头扭矩的波动，让钻头角加速度和角速度保持稳定，最终消除钻柱粘滑振动。
5.3、扭力冲击器工作参数对钻柱粘滑振动的影响
扭转冲击载荷和冲击频率是扭力冲击器的两个主要工作参数，将直接影响到扭力冲击器使用效果。扭转冲击载荷主要受扭力冲击器螺旋齿角度影响，冲击频率则主要与冲击锤冲程、流道面积和排量等有关，在工程应用中，本领域技术人员可以通过选择不同的扭力冲击器结构参数和钻井液排量，来调节扭转冲击载荷和冲击频率。因此，发明基于考虑扭转冲击作用的钻柱粘滑振动模型，分析了扭转冲击载荷和冲击频率对钻柱粘滑振动的影响。
表2扭力冲击器基本参数
表2给出了扭力冲击器的部分参数，一般情况下，扭力冲击器冲击频率控制在500Hz-2000Hz左右。因此，本发明选择203mm外径的扭力冲击器，分析了扭转冲击载荷分别为475N·m、2097N·m和2572N·m时的钻柱粘滑振动特性，以及冲击频率分别为500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz、1200Hz和1400Hz时的钻柱粘滑振动特性。
扭转冲击载荷作为扭力冲击器最重要的工作参数，其大小将直接影响到钻头能否克服摩擦扭矩和抑制钻柱粘滑振动。图6是不同扭转冲击载荷下的钻头粘滑振动特性图，图6a是不同扭转冲击载荷下钻头角位移图，图6b是不同扭转冲击载荷下钻头角速度图，图6c是不同扭转冲击载荷下钻头角加速度图，图6d是不同扭转冲击载荷下钻头扭矩图。在冲击频率为900Hz时，不同扭转冲击载荷下的钻头粘滑振动特性如图6a-图6d所示。扭力冲击器提供的扭转冲击载荷对钻头起到了很好的降粘作用，随着扭转冲击载荷的增大，钻柱粘滑振动得到了抑制并消除。当扭转冲击载荷为475N·m时，钻头虽然还是会出现粘滑现象，但是粘滑周期相较于无扭冲钻头缩短了26％左右，100s的角位移增加了18％左右，这说明475N·m扭转冲击载荷下的扭力冲击器可以抑制钻头的粘滑振动，只是作用效果较弱。当扭转冲击载荷增加到2097N·m时，可以明显看见钻头的粘滑振动得到了消除，钻头的角速度趋于稳定，其角位移与时间呈线性关系。而当扭转冲击载荷增加到2527N·m时，相较于扭转冲击载荷为2097N·m下的钻头扭转特性，钻头扭矩和角加速度基本相等，稳定状态下2527N·m扭冲下的钻头角速度略大，其角位移增加了6％左右。这说明当粘滑振动现象消失后，继续增大扭转冲击载荷虽然可以增加钻头角位移，但增益较小。
合理的冲击频率可以为钻头提供更为稳定的扭转冲击载荷，来提高钻头破岩时的稳定性。本发明分析了2097N·m扭转冲击载荷下，冲击频率分别为500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz、1200Hz和1400Hz时钻柱的粘滑振动特性。图7是不同冲击频率下的钻头粘滑振动特性图，图7a是不同冲击频率下钻头角位移图，图7b是不同冲击频率下钻头角速度图，图7c是不同冲击频率下钻头角加速度图，图7d是不同冲击频率下钻头扭矩图。如图7a-图7d所示，在10s-20s时钻头的粘滑振动特性受冲击频率的影响较为明显。此时，若冲击频率为500Hz和600Hz，会出现一次粘滑现象，但粘滑周期很短，并且随着频率的增加，粘滑振动逐渐减弱甚至消失。当冲击频率较低时(500Hz或600Hz)，钻头无法及时有效的破碎岩石，需要扭矩的积累，从而产生粘滑现象。当冲击频率增加后，高频扭冲可使钻头连续破岩，最终消除钻柱粘滑振动。
图8是不同冲击频率下钻柱的角速度图，如图8所示，不同冲击频率下，钻柱各位置的角速度均围绕6.5rad/s上下波动，随着冲击频率的增加，钻柱各位置角速度波动幅度逐渐减小。当冲击频率增加到1000Hz后，钻柱各位置角速度波动幅度不到1000Hz以下的三分之一，钻柱运动更加稳定。因此，在实际钻井工程设计中，扭力冲击器在满足扭转冲击载荷的前提下，可提高其冲击频率至1000Hz以上，来减弱钻柱粘滑振动和提高钻柱转动时的稳定性。
综上所述：
(1)扭力冲击器可以为钻头提供额外扭矩辅助破岩而无需扭矩的积累，从而减弱甚至消除粘滑振动，极大的提高钻头破岩能力和机械钻速。
(2)扭转冲击载荷是抑制钻柱粘滑振动的主要参数，当扭转冲击载荷较低时(低于2000N·m)，增大冲击载荷可以明显的抑制甚至消除钻柱粘滑振动，但继续增大冲击载荷，钻柱粘滑振动特性变化较小；
(3)钻头在冲击频率较小时(500Hz或600Hz)无法有效破碎岩石，仍会出现粘滑现象，增大冲击频率可以抑制钻柱粘滑振动，并减弱钻柱角速度的波动幅度，从而提高钻柱转动时的稳定性；
(4)在实际钻井过程中，可根据钻柱粘滑振动特性和破岩需求选择合适的扭转冲击载荷，且扭力冲击器冲击频率需达到1000Hz以上，从而有效抑制钻柱粘滑振动和提高钻柱使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，包括：
S1：将钻柱等效为转盘、钻杆、钻铤和钻头组成的四自由度粘滑振动模型，
其中，将转盘、钻杆、钻铤和钻头等效为四个质量块，相邻两个质量块之间连接有弹簧和阻尼器，形成所述四自由度粘滑振动模型；
S2：所述钻头上设置有扭力冲击器，将所述扭力冲击器提供的扭矩引入所述四自由度粘滑振动模型，建立考虑扭转冲击作用的钻柱扭转振动模型，
其中，将扭力冲击器提供的扭矩引入所述四自由度粘滑振动模型，得到考虑扭转冲击作用的钻柱扭转振动模型为：
式中，Jr、Jd、Jc和Jb分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量， 和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角位移，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角速度，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角加速度，Krd为转盘和钻杆之间的弹簧刚度，Kdc为钻杆和钻铤之间的弹簧刚度，Kcb为钻铤和钻头之间的弹簧刚度，Crd为转盘和钻杆之间的弹簧阻尼，Cdc为钻杆和钻铤之间的弹簧阻尼，Ccb为钻铤和钻头之间的弹簧阻尼，Tm为转盘处施加的扭矩，Tar和Tab分别为转盘和钻头处的粘性阻尼扭矩，Tfb为钻头和岩石的摩擦扭矩，T为扭力冲击器提供的高频扭矩；
S3：求解所述考虑扭转冲击作用的钻柱扭转振动模型，获得钻柱粘滑振动特性；
S4：根据所述钻柱粘滑振动特性，调节所述扭力冲击器的工作参数以抑制钻柱粘滑振动。
2.根据权利要求1所述的考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，所述四自由度粘滑振动模型为：
式中，Jr、Jd、Jc和Jb分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量， 和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角位移，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角速度，/>和/>分别为转盘、钻杆、钻铤和钻头的角加速度，Krd为转盘和钻杆之间的弹簧刚度，Kdc为钻杆和钻铤之间的弹簧刚度，Kcb为钻铤和钻头之间的弹簧刚度，Crd为转盘和钻杆之间的弹簧阻尼，Cdc为钻杆和钻铤之间的弹簧阻尼，Ccb为钻铤和钻头之间的弹簧阻尼，Tm为转盘处施加的扭矩，Tar和Tab分别为转盘和钻头处的粘性阻尼扭矩，Tfb为钻头和岩石的摩擦扭矩。
3.根据权利要求2所述的考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，所述考虑扭转冲击作用的钻柱扭转振动模型为：
式中，Cr为转盘处的粘性阻尼系数，Cb为钻头处的粘性阻尼系数。
4.根据权利要求3所述的考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，钻头和岩石的摩擦扭矩为：
式中，Dv为钻头动摩擦与静摩擦之间的临界转速，Tr为施加在钻头上的扭矩，Tsb为最大静摩擦扭矩，WOB为钻压，Rb为钻头半径，为与钻头的角速度有关的钻头的摩擦系数。
5.根据权利要求4所述的考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，与钻头的角速度有关的钻头的摩擦系数为：
式中，μsb为钻头静摩擦系数，μcb为钻头动摩擦系数，γb为与钻头和岩石有关的系数，0<γb<1。
6.根据权利要求4所述的考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，施加在钻头上的扭矩为：
7.根据权利要求1所述的考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，所述扭力冲击器的工作参数包括扭转冲击载荷和冲击频率。
8.根据权利要求7所述的考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法，其特征在于，调节所述扭力冲击器的工作参数包括增大冲击频率和/或增大扭转冲击载荷。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110899696.6A CN113638729B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110899696.6A CN113638729B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113638729A CN113638729A (zh) | 2021-11-12 |
| CN113638729B true CN113638729B (zh) | 2023-08-04 |
Family
ID=78419820
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110899696.6A Active CN113638729B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113638729B (zh) |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7114578B2 (en) * | 2002-04-19 | 2006-10-03 | Hutchinson Mark W | Method and apparatus for determining drill string movement mode |
| US7954559B2 (en) * | 2005-04-06 | 2011-06-07 | Smith International, Inc. | Method for optimizing the location of a secondary cutting structure component in a drill string |
| US7748474B2 (en) * | 2006-06-20 | 2010-07-06 | Baker Hughes Incorporated | Active vibration control for subterranean drilling operations |
| US8798978B2 (en) * | 2009-08-07 | 2014-08-05 | Exxonmobil Upstream Research Company | Methods to estimate downhole drilling vibration indices from surface measurement |
| US8453764B2 (en) * | 2010-02-01 | 2013-06-04 | Aps Technology, Inc. | System and method for monitoring and controlling underground drilling |
| AU2011347490A1 (en) * | 2010-12-22 | 2013-06-20 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Controlling vibrations in a drilling system |
| WO2016040573A1 (en) * | 2014-09-11 | 2016-03-17 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Lmi-based control of stick-slip oscillations in drilling |
| NL2016859B1 (en) * | 2016-05-30 | 2017-12-11 | Engie Electroproject B V | A method of and a device for estimating down hole speed and down hole torque of borehole drilling equipment while drilling, borehole equipment and a computer program product. |
| CN106121513A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-11-16 | 西南石油大学 | 一种复合冲击钻井工具 |
| WO2019011202A1 (zh) * | 2017-07-11 | 2019-01-17 | 西安漫垣机电设备有限公司 | 惯性约束牵连运动的诱导钻进方法和惯性约束诱导钻进装置 |
| US10995605B2 (en) * | 2018-05-31 | 2021-05-04 | Halliburton Energy Services, Inc. | Method and system for stick-slip mitigation |
| CN110067550B (zh) * | 2019-01-23 | 2020-05-01 | 中国地质大学（武汉） | 一种具有多自由度-变参数的钻柱系统回转运动建模方法 |
| CN113076649A (zh) * | 2021-04-08 | 2021-07-06 | 西南石油大学 | 一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法 |
-
2021
- 2021-08-06 CN CN202110899696.6A patent/CN113638729B/zh active Active
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 井下粘滑振动强度量化评估方法研究与应用;崔猛;孙梦慈;刘强;郭卫红;冯雪龙;;钻采工艺(01);全文 * |
| 基于复杂环境多自由度牙轮钻头动力学模型建立与分析;刘清友;孟庆华;庞东晓;鲁柳利;;应用力学学报(04);全文 * |
| 水平井造斜段弯曲钻柱振动方程的建立及求解;伊鹏;刘衍聪;孙振刚;;石油机械(07);全文 * |
| 深井钻柱粘滑振动特性分析;贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖;;石油矿场机械(06);全文 * |
| 钻杆纵-扭耦合振动两自由度模型的动力学分析;韩善凯;李欣业;侯书军;陈涛;;燕山大学学报(03);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113638729A (zh) | 2021-11-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7036612B1 (en) | Controllable magneto-rheological fluid-based dampers for drilling | |
| Kamel et al. | Modeling and analysis of stick-slip and bit bounce in oil well drillstrings equipped with drag bits | |
| AU2011101765A4 (en) | Controlling vibrations in a drilling system | |
| Warren et al. | Torsional resonance of drill collars with PDC bits in hard rock | |
| WO2016007689A1 (en) | Drill string axial vibration attenuator | |
| CA3063998C (en) | Vibration reducing drill string system and method | |
| CN114585797A (zh) | 用于减轻井下工具振动的阻尼器 | |
| Kamel et al. | Modeling and analysis of axial and torsional vibrations of drillstrings with drag bits | |
| CN113638729B (zh) | 一种考虑扭力冲击器的钻柱粘滑振动抑制方法 | |
| CN109268419B (zh) | 一种钻井提速机构 | |
| Wang et al. | Experimental Study on Axial Impact Mitigating Stick‐Slip Vibration with a PDC Bit | |
| CN106320984A (zh) | 利用涡激振动实现轴向冲击的钻井工具 | |
| US20060000643A1 (en) | Top drive torsional baffle apparatus and method | |
| CN211008469U (zh) | Pdc钻头自激动态平衡扭矩装置 | |
| CN116624107A (zh) | 一种随钻机械式可变刚度减振器 | |
| Warren et al. | Shock sub performance tests | |
| CN201661248U (zh) | 一种钻头、钻柱减振工具 | |
| CN113638728B (zh) | 一种超深井钻柱粘滑振动抑制方法 | |
| Saadat et al. | A comprehensive study on vibration control and evaluation of drill string during drilling operation | |
| CN109403878A (zh) | 一种用于保护顶驱的减振器 | |
| CN112196934A (zh) | 多维复合减振器 | |
| Tang et al. | Effects of high-frequency torsional impacts on mitigation of stick-slip vibration in drilling system | |
| RU2781978C1 (ru) | Наддолотный виброгаситель | |
| CN209398373U (zh) | 一种用于保护顶驱的减振器 | |
| Chodankar et al. | A comprehensive fluid coupled lateral drill string vibration model based on classical vibration theories |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |