CN113688482A - 一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法 - Google Patents

一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法,包括：根据实际钻柱系统建立仿真钻柱系统；并对所述仿真钻柱系统进行质量划分处理，获得多自由度分散质量钻柱系统；基于实际钻柱系统的基础参数获取钻柱系统结构参数；将钻柱系统结构参数导入所述多自由度分散质量钻柱系统，构建多自由度分散质量模型；通过所述多自由度分散质量模型计算得到粘滑振动仿真结果；根据粘滑振动仿真结果获取粘滑振动发生的程度。本发明通过建立一种新的多自由度分散质量模型，能够更精确的模拟真实钻井过程中对钻柱系统粘滑振动发生的状态，能够预测和评估钻柱系统发生粘滑振动的程度，为石油钻井工程技术领域粘滑振动的预测及评估提供了依据。

Description

一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法
技术领域
本发明涉及石油钻探工程技术领域，特别是涉及一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法。
背景技术
在石油钻井作业中，由于钻井设备与井壁井底岩石之间等摩擦，会产生各种各样的振动，这些振动分为：横向振动、纵向振动和扭转振动。其中扭转振动对钻井作业的危害最大，而钻柱粘滑振动就属于扭转振动。粘滑振动是一种钻头粘滞，滑动，再粘滞，再滑动的往复性振动形式，如果不加以抑制，则会造成很严重的钻井事故，例如钻柱粘滑振动会导致钻井设备加速磨损，钻井安全性下降，钻井效率降低和钻井周期延长等不利影响。因此如何真实的模拟钻柱系统粘滑，是研究钻柱系统发生粘滑振动原因的关键。
目前，模拟钻柱系统粘滑的方式大多以建立传统多自由度集中质量模型为主，在实际钻柱系统结构较短的时候，且钻柱系统质量较小的时候，传统多自由度集中质量模型有比较良好的表现。但当实际钻柱系统结构较长，钻柱质量较大的时候，传统多自由度集中质量模型会产生明显的飞轮效应，使得模拟粘滑振动时失真严重。
因此，现在急需一种新的模拟钻柱系统粘滑振动的仿真方法，能够涵盖多种不同结构的钻柱系统，并且能够精确的模拟真实钻井过程中钻柱系统粘滑振动发生的状态，预测和评估钻柱系统发生粘滑振动的程度。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过建立新的多自由度分散质量模型，更精确的模拟真实钻井过程中对钻柱系统粘滑振动发生的状态，预测和评估钻柱系统发生粘滑振动的程度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，包括：
S1：根据实际钻柱系统建立仿真钻柱系统；并对所述仿真钻柱系统进行质量划分处理，获得多自由度分散质量钻柱系统；
S2：基于实际钻柱系统的基础参数获取钻柱系统结构参数；
S3：将所述钻柱系统结构参数导入所述多自由度分散质量钻柱系统，构建多自由度分散质量模型；
S4：通过所述多自由度分散质量模型计算得到粘滑振动仿真结果；
S5：根据所述粘滑振动仿真结果获取粘滑振动发生的程度。
优选地，所述S1具体包括：
S101：提取实际钻柱系统的组成单元，所述组成单元包括：井上部分的转盘，井中部分的钻杆、钻铤和钻井液，以及井下部分的钻头；基于提取的所述组成单元，建立仿真钻柱系统；
S102：将所述仿真钻柱系统中的所述钻杆和所述钻铤按质量划分为n个子钻杆和n个子钻铤,得到所述多自由度分散质量钻柱系统。
优选地，所述实际钻柱系统的基础参数包括但不限于：钻杆长度、钻杆密度、钻杆外径、钻杆内径、钻铤长度、钻头半径、钻井液密度。
优选地，所述钻柱系统结构参数包括但不限于：钻杆刚度、钻杆阻尼、转动惯量。
优选地，所述钻杆刚度表达式为：
Figure BDA0003243221240000031
其中，K为钻杆刚度；L为钻杆长度；G为钻柱的剪切模量；D为钻杆外径；d为钻杆内径；
所述钻杆阻尼表达式为：
C＝αM+βK
其中，C为钻杆阻尼；M为钻杆质量；α、β为瑞尼阻尼系数；
所述转动惯量表达式为：
J＝MD2
其中，J为转动惯量；M为钻杆质量；D为钻杆外径。
优选地，所述钻杆质量表达式为：
M＝ρLπ(D2-d2)
其中，M为钻杆质量；ρ为钻杆密度；L为钻杆长度；D为钻杆外径；d为钻杆内径。
优选地，所述S3具体包括：
S301：基于所述钻柱系统结构参数计算得到钻柱系统的力矩参数；
S302：根据所述钻柱系统结构参数和所述钻柱系统的力矩参数构建多自由度分散质量模型。
优选地，所述钻柱系统的力矩参数包括：转盘的粘性阻尼力矩、钻头上的粘性阻尼力矩、钻头上的摩擦力矩。
优选地，所述转盘的粘性阻尼力矩表达式为：
Figure BDA0003243221240000032
其中，Tar为转盘的粘性阻尼力矩；Crs为转盘粘性阻尼系数；
Figure BDA0003243221240000041
为转盘的角速度；
所述钻头上的粘性阻尼力矩表达式为：
Figure BDA0003243221240000042
其中，Tab为钻头上的粘性阻尼力矩；Cpb为钻头的粘滞阻尼；
Figure BDA0003243221240000043
为钻头的角速度；
所述钻头上的摩擦力矩表达式为：
Figure BDA0003243221240000044
其中，Tb为钻头上的摩擦力矩，Tr为施加在钻头上的扭矩，ξ为正数，Ts为钻头与岩石之间相互作用产生的最大静摩擦扭矩，Wb为钻压，Rb为钻头的半径。
本申请的技术方案的有益效果：
1.本发明通过构建多自由度分散质量模型代替了现有的集中质量模型，大幅降低了深井情况下钻柱质量增大造成的飞轮效应的影响。
2.本发明通过将构建的仿真钻柱系统进行质量划分处理，即通过将钻铤、钻杆质量分散开，使得构建的多自由度分散质量模型更接近于真实情况下钻柱系统的结构分布，能够模拟真实情况下钻柱系统质量不均匀分布的状态；在通过钻柱系统结构参数构建多自由度分散质量模型过程中，还进一步的结合了钻井液对钻柱系统的影响，从而使得模型的计算结果更加准确和贴近真实的钻柱系统运动过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法流程图；
图2为本发明实施例的多角度分散质量模型结构图；
图3(a)为多角度分散质量模型时间与转速表示图；
图3(b)为多角度分散质量模型时间与扭矩表示图；
图3(c)为传统集中质量模型时间与转速表示图；
图3(d)为传统集中质量模型时间与扭矩表示图；
图2中，Jrs为转盘的转动惯量；Jdp1，...，Jdp(n)为各子钻杆的转动惯量；Jbh1，...，Jbh(n)为各子钻铤的转动惯量，Jbb为钻头的转动惯量；Krd1，...，Krd(n)转盘与各子钻杆之间的弹簧扭转刚度；Kdb1，...，Kdb(n)为各子钻杆与整体钻铤之间的弹簧扭转刚度；Kbb为整体钻铤与钻头之间的弹簧扭转刚度；θrs为转盘的角位移；Crd为转盘与整体钻杆之间的弹簧扭转阻尼；Crd1，...，Crd(n)为转盘与各子钻杆之间的弹簧扭转阻尼，Cdb1，...，Kdb(n)为整体钻杆与各子钻铤之间的弹簧扭转阻尼，Cbb为整体钻铤与钻头之间的弹簧扭转阻尼；Tm为转盘的驱动扭矩；Tar为转盘的粘性阻尼力矩；Tab为钻头上的粘性阻尼力矩；Tr为施加在钻头上的扭矩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提出的一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，包括：
S1：根据实际钻柱系统建立仿真钻柱系统；并对所述仿真钻柱系统进行质量划分处理，获得多自由度分散质量钻柱系统，具体方式如下：
首先选取任意对象井，根据该对象井的实际钻柱系统建立仿真钻柱系统；具体步骤如下所示：
S101：提取实际钻柱系统的组成单元，所述组成单元包括：井上部分的转盘，井中部分的钻杆、钻铤和钻井液，以及井下部分的钻头；基于提取的所述组成单元，建立仿真钻柱系统；
S102：将所述仿真钻柱系统中的所述钻杆和所述钻铤按质量划分为n个子钻杆和n个子钻铤,得到如图2所示的多自由度分散质量钻柱系统。
S2：基于实际钻柱系统的基础参数获取钻柱系统结构参数，其具体方式为：
根据选取的对象井，获取其实际钻柱系统的基础参数，如钻杆长度、钻杆密度、钻铤长度、钻铤密度、钻头半径、钻井液密度等；
在本实施例中，选取5000米深井为例，其中钻铤长200m，钻铤外径0.209m，钻铤内径0.108m，钻柱长4800m，钻柱外径0.127m，钻柱内径0.108m，钻柱密度7850kg/m3，钻井液密度1.3g/m3，钻头半径0.2225m；
通过这些基础参数计算得到钻柱系统结构参数，如：钻杆刚度、钻杆阻尼、转动惯量、钻头与岩石界面摩擦系数等；
其中钻杆刚度的计算表达式为：
Figure BDA0003243221240000071
公式(1)中，K为钻杆刚度；L为钻杆长度；G为钻柱的剪切模量；D为钻杆外径；d为钻杆内径；
钻杆阻尼计算表达式为：
C＝αM+βK (2)
公式(2)中，C为钻杆阻尼；M为钻杆质量；α、β为瑞尼阻尼系数；
转动惯量计算表达式为：
J＝MD2 (3)
公式(3)中，J为转动惯量；M为钻杆质量；D为钻杆外径。
钻杆质量计算表达式为：
M＝ρLπ(D2-d2) (4)
公式(4)中，M为钻杆质量；ρ为钻杆密度；L为钻杆长度；D为钻杆外径；d为钻杆内径。
根据上述公式(1)、(2)、(3)、(4)以及实际的钻柱系统结构情况，能够计算得到如表1所示的钻柱系统各个结构参数：
表1
结构参数 数值
转盘转动惯量J<sub>rs</sub>(kg·m<sup>2</sup>) 930
钻杆转动惯量J<sub>dn</sub>(kg·m<sup>2</sup>) 13903
钻铤转动惯量J<sub>bh</sub>(kg·m<sup>2</sup>) 750
钻头转动惯量J<sub>bb</sub>(kg·m<sup>2</sup>) 472
转盘与钻杆之间的扭转刚度K<sub>rd</sub>(N·m/rad) 389
钻杆与钻铤之间的扭转刚度K<sub>db</sub>(N·m/rad) 389
钻铤与钻头之间扭转刚度K<sub>bb</sub>(N·m/rad) 907
转盘与钻杆之间扭转阻尼C<sub>rd</sub>(N·m·s/rad) 1295
钻杆与钻铤之间的扭转阻尼C<sub>db</sub>(N·m·s/rad) 1295
钻铤与钻头之间的扭转阻尼C<sub>bb</sub>(N·m·s/rad) 181
转盘粘性阻尼系数C<sub>rs</sub>(N·m·s/rad) 425
钻头粘滞阻尼系数C<sub>ab</sub>(N·m·s/rad) 50
S3：将钻柱系统结构参数导入所述多自由度分散质量钻柱系统，构建多自由度分散质量模型，具体方式如下：
S301：基于所述钻柱系统结构参数计算得到钻柱系统的力矩参数；
本发明考虑了内径钻井液跟随钻柱旋转，对钻柱系统扭转运动造成的影响，通过钻柱系统结构参数计算得到钻头上的粘性阻尼力矩，从而获取钻井液对钻头的影响；还通过钻柱系统结构参数计算得到转盘的粘性阻尼力矩和钻头上的摩擦力矩，具体计算方式如下：
钻头上的粘性阻尼力矩计算表达式为：
Figure BDA0003243221240000091
(5)
公式(5)中，Tab为钻头上的粘性阻尼力矩；Cpb为钻头的粘滞阻尼；
Figure BDA0003243221240000092
为钻头的角速度；
转盘的粘性阻尼力矩表达式为：
Figure BDA0003243221240000093
公式(6)中，Tar为转盘的粘性阻尼力矩；Crs为转盘粘性阻尼系数；
Figure BDA0003243221240000094
为转盘的角速度；
由于钻头在切削岩石时所受摩擦力矩的不同，钻头上的摩擦力矩用三段方程表示，如下：
Figure BDA0003243221240000095
公式(7)中，Tb为钻头上的摩擦力矩，Tr为施加在钻头上的扭矩，ξ为一个接近于零的正数；
当钻头的角速度
Figure BDA0003243221240000096
且积聚在钻头上的驱动扭矩|Tr|≤Ts，说明钻头此时所受的摩擦力矩大于由钻柱传递来的驱动扭矩，钻头处于粘滞状态，此时：
Figure BDA0003243221240000097
公式(8)中，Cbb为钻铤与钻头之间的扭转阻尼，单位为N·m·s/rad；Kbb为钻铤与钻头之间的扭转刚度，单位为N·m/rad；
Figure BDA0003243221240000101
为钻头的角速度，单位为rad/s；
Figure BDA0003243221240000102
为钻铤的角速度，单位为rad/s；θbh为钻铤的角位移，单位为rad；θpb为钻头位移，单位为rad。
公式(7)中的Ts为钻头与岩石之间相互作用产生的最大静摩擦扭矩的计算表达式为：
Ts＝WbRbμsb (9)；
公式(9)中，Wb为钻压，单位为N；Rb为钻头的半径，单位为m；μsb为静摩擦系数。
S302：根据所述钻柱系统结构参数和所述钻柱系统的力矩参数构建多自由度分散质量模型：
根据以上公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)得到的参数构建如下所示的多自由度分散质量模型：
Figure BDA0003243221240000103
公式(10)中，Jrs为转盘的转动惯量；Jdp1，...，Jdp(n-1)，Jdp(n)为各子钻杆的转动惯量；Jbh1，...，Jbh(n-1)，Jbh(n)为各子钻铤的转动惯量，Jbb为钻头的转动惯量；
Figure BDA0003243221240000104
为转盘的角加速度；
Figure BDA0003243221240000105
Figure BDA0003243221240000106
为各子钻杆的角加速度；
Figure BDA0003243221240000107
为各子钻铤的角加速度；
Figure BDA0003243221240000111
为钻头的角加速度；Krs为转盘的扭转刚度；Krd1，...，Krd(n-1)，Krd(n)转盘与各子钻杆之间的弹簧扭转刚度；Kdb1，...，Kdb(n-1)，Kdb(n)为各子钻杆与整体钻铤之间的弹簧扭转刚度；Kbb为整体钻铤与钻头之间的弹簧扭转刚度；θrs为转盘的角位移；θdp为整体钻杆的角位移；θdp1，...，θbp(n-1)，θdp(n)为各子钻杆的角位移；θbh为整体钻铤的角位移；θbh1，...，θbh(n-1)，θbh(n)为各子钻铤的角位移；θpb为整体钻头的角位移；Crd为转盘与整体钻杆之间的弹簧扭转阻尼；Crd1，...,Crd(n-1)，Crd(n)为转盘与各子钻杆之间的弹簧扭转阻尼，Cdb1，...，Cdb(n-1)，Cdb(n)为整体钻杆与各子钻铤之间的弹簧扭转阻尼，Cbb为整体钻铤与钻头之间的弹簧扭转阻尼；
Figure BDA0003243221240000112
为转盘的角速度；
Figure BDA0003243221240000113
为整体钻杆的角速度；
Figure BDA0003243221240000114
为各子钻杆的角速度，
Figure BDA0003243221240000115
为整体钻铤的角速度；
Figure BDA0003243221240000116
为各子钻铤的角速度；
Figure BDA0003243221240000117
为钻头的角速度；Tm为转盘的驱动扭矩；Tar为转盘的粘性阻尼力矩；Tab为钻头上的粘性阻尼力矩；Tb钻头上的摩擦力矩。
S4：通过所述多自由度分散质量模型计算得到粘滑振动仿真结果：具体如下：
设定多自由度分散质量钻柱系统运行的初始参数，如扭矩、转速、钻压等，当参数设置完毕后，多自由度分散质量模型开始进行计算，得到粘滑振动仿真结果；
本实施例中，设置运行的初始参数为：转盘输入扭矩Tm＝10000N·m，钻压Wb＝100000N。
S5：根据所述粘滑振动仿真结果获取粘滑振动发生的程度，具体获取粘滑振动发生程度方法如下：
通过对多角度分散质量模型进行计算得到的仿真结果进行分析，获得钻柱、钻头的振动频率、幅度，力矩振动的频率、幅度，从而判别粘滑振动发生的程度。
本实施例中，设定相同的运行初始参数，对多自由度分散质量模型和传统多自由度集中质量模型分别进行计算，将其仿真结果进行比较，具体如下所示：
多自由度分散质量模型和传统多自由度集中质量模型均在转盘输入扭矩10000N·M，钻压100000N的输入参数下运行。
如图3(a)、图3(b)所示，本发明的多自由度分散质量模型的转盘、钻杆、钻头依次启动，达到峰值后，进入了一个振动区间，在这个区间里无论是转盘、钻杆还是钻头均在较大的速度范围里振动变化，并且它们的振动频率也较高。
如图3(c)、图3(d)所示，传统多自由度集中质量模型中的转盘在扭矩输入后，速度迅速提升至5rad/s，随后迅速下降，最后稳定在4.5rad/s左右；钻杆与转盘则是在转盘启动后的一段时间里开始，才一次转动，速度均为先上升，达到峰值后开始下降，最后趋于稳定。
根据以上两个模型模拟结果，能够很明显的观察出，当传统多自由度集中质量模型在5000m井深，100KN钻压，10000N·M输入扭矩下，其飞轮效应明显，在启动后钻柱迅速趋于稳定，明显与实际钻井情况不同。而本发明的多自由度分散质量模型，在相同结构参数、相同钻压、相同输入扭矩下，能够准确地模拟出钻柱的运动状态。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于，包括：
S1：根据实际钻柱系统建立仿真钻柱系统；并对所述仿真钻柱系统进行质量划分处理，获得多自由度分散质量钻柱系统；
S2：基于实际钻柱系统的基础参数获取钻柱系统结构参数；
S3：将所述钻柱系统结构参数导入所述多自由度分散质量钻柱系统，构建多自由度分散质量模型；
S4：通过所述多自由度分散质量模型计算得到粘滑振动仿真结果；
S5：根据所述粘滑振动仿真结果获取粘滑振动发生的程度。
2.根据权利要求1所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述S1具体包括：
S101：提取实际钻柱系统的组成单元，所述组成单元包括：井上部分的转盘，井中部分的钻杆、钻铤和钻井液，以及井下部分的钻头；基于提取的所述组成单元，建立仿真钻柱系统；
S102：将所述仿真钻柱系统中的所述钻杆和所述钻铤按质量划分为n个子钻杆和n个子钻铤，得到所述多自由度分散质量钻柱系统。
3.根据权利要求1所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述实际钻柱系统的基础参数包括：钻杆长度、钻杆密度、钻杆外径、钻杆内径、钻铤长度、钻头半径、钻井液密度。
4.根据权利要求1所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述钻柱系统结构参数包括：钻杆刚度、钻杆阻尼、转动惯量。
5.根据权利要求4所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述钻杆刚度表达式为：
Figure FDA0003243221230000021
其中，K为钻杆刚度；L为钻杆长度；G为钻柱的剪切模量；D为钻杆外径；d为钻杆内径；
所述钻杆阻尼表达式为：
C＝αM+βK
其中，C为钻杆阻尼；M为钻杆质量；α、β为瑞尼阻尼系数；
所述转动惯量表达式为：
J＝MD2
其中，J为转动惯量；M为钻杆质量；D为钻杆外径。
6.根据权利要求5所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述钻杆质量表达式为：
M＝ρLπ(D2-d2)
其中，M为钻杆质量；ρ为钻杆密度；L为钻杆长度；D为钻杆外径；d为钻杆内径。
7.根据权利要求1所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述S3具体包括：
S301：基于所述钻柱系统结构参数计算得到钻柱系统的力矩参数；
S302：根据所述钻柱系统结构参数和所述钻柱系统的力矩参数构建多自由度分散质量模型。
8.根据权利要求7所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述钻柱系统的力矩参数包括：转盘的粘性阻尼力矩、钻头上的粘性阻尼力矩、钻头上的摩擦力矩。
9.根据权利要求8所述的钻柱粘滑振动分散质量仿真方法，其特征在于：
所述转盘的粘性阻尼力矩表达式为：
Figure FDA0003243221230000031
其中，Tar为转盘的粘性阻尼力矩；Crs为转盘粘性阻尼系数；
Figure FDA0003243221230000032
为转盘的角速度；
所述钻头上的粘性阻尼力矩表达式为：
Figure FDA0003243221230000033
其中，Tab为钻头上的粘性阻尼力矩；Cpb为钻头的粘滞阻尼；
Figure FDA0003243221230000034
为钻头的角速度；
所述钻头上的摩擦力矩表达式为：
Figure FDA0003243221230000035
其中，Tb为钻头上的摩擦力矩，Tr为施加在钻头上的扭矩，ξ为正数，Ts为钻头与岩石之间相互作用产生的最大静摩擦扭矩，Wb为钻压，Rb为钻头的半径。
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