深海天然氣水合物鉆探取心鉆柱振動(dòng)模態(tài)分析

趙宗彬 仇性啟 許俊良

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院 2.中國(guó)石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院

深海天然氣水合物鉆探取心鉆柱振動(dòng)模態(tài)分析

趙宗彬1仇性啟1許俊良2

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院 2.中國(guó)石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院

作為深海天然氣水合物鉆探取心系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵部件,鉆柱在深海復(fù)雜環(huán)境鉆探取心過(guò)程中承受著非常復(fù)雜的外力,不可避免地會(huì)產(chǎn)生橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及其耦合振動(dòng)。鉆柱的共振會(huì)引起鉆柱本身甚至整個(gè)鉆探取心系統(tǒng)的嚴(yán)重失效,進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法成功獲取深海天然氣水合物巖心。為此,根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)振動(dòng)理論的研究成果,結(jié)合深海天然氣水合物鉆探取心的特點(diǎn),利用ANSYS有限元方法對(duì)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行了模態(tài)分析,確定出鉆柱的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速,為避免鉆柱的共振提供了理論依據(jù),同時(shí)還得出以下結(jié)論:①當(dāng)外力的激振頻率和鉆柱的固有頻率相同時(shí),鉆柱內(nèi)的交變應(yīng)力和振幅相當(dāng)大,此時(shí)會(huì)引起鉆柱的共振,整個(gè)鉆柱的振動(dòng)加強(qiáng);②橫向振動(dòng)引起共振的可能性比較小,縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起共振的可能性較大。

深海 天然氣水合物 鉆探取心 鉆柱振動(dòng) 模態(tài)分析 固有頻率 臨界轉(zhuǎn)速 共振

天然氣水合物的勘探開發(fā)已被許多國(guó)家提升為“國(guó)家能源戰(zhàn)略”[1]。與此同時(shí),天然氣水合物取心系統(tǒng)的研制工作也被提上了議事日程。

中國(guó)石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院許俊良等[2-3]研制的繩索式鉆探取心系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)深海極端環(huán)境下天然氣水合物的保溫保壓取樣。該取心系統(tǒng)是通過(guò)大尺寸旋轉(zhuǎn)鉆柱把地面動(dòng)力傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓,從而使鉆頭破碎巖層,通過(guò)鉆柱還可以了解鉆頭的工作狀況和天然氣水合物巖層的破碎情況,并且能夠?qū)r層的壓力狀況進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。另外,在深海中采用大尺寸繩索取心方法鉆取天然氣水合物時(shí),鉆柱所受到的主要外載荷包括:波浪荷載、海水潛流荷載、水浮力、外壁與含水合物巖層之間的摩阻力、鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)與切削巖層引起的扭轉(zhuǎn)力、取心器(內(nèi)管)與鉆桿的相互作用力、天然氣水合物取樣引起的巖層溫度場(chǎng)變化等。在如此復(fù)雜的外力載荷作用下,鉆柱不可避免地會(huì)發(fā)生橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及其耦合振動(dòng),并有可能引發(fā)共振。鉆柱一旦發(fā)生共振,將會(huì)造成鉆柱甚至整個(gè)取心系統(tǒng)的失效,進(jìn)而導(dǎo)致天然氣水合物取心失敗。

目前國(guó)內(nèi)外專家對(duì)石油鉆井中鉆桿的失效原因、振動(dòng)特性等方面的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了研究[4-5],而深海大尺寸繩索取心專用鉆柱的受力與工作機(jī)理比石油鉆井用鉆柱更為復(fù)雜。因此需要全面深入的綜合研究。筆者主要結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外振動(dòng)理論方面的研究成果,從深海天然氣水合物鉆探取心的實(shí)際情況出發(fā),對(duì)鉆柱的振動(dòng)進(jìn)行模態(tài)分析,從理論上解決鉆柱的共振問(wèn)題,以期對(duì)深海天然氣水合物的成功取樣提供幫助。

1 鉆柱振動(dòng)非線性動(dòng)力學(xué)分析

筆者涉及的天然氣水合物鉆探取心為垂直鉆探,沒(méi)有大位移和水平段,鉆柱的變形均為小變形,雖然存在鉆柱的縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及其耦合振動(dòng),但是均為線性振動(dòng),故為幾何線性問(wèn)題;但是在鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆柱不斷地與井壁及含水合物巖層之間的摩擦接觸,不斷影響鉆柱的邊界條件,故具有接觸非線性的特性。

1.1 基本假設(shè)

本次研究做出如下假設(shè):①鉆柱為均質(zhì)、彈性直桿;②鉆柱的橫截面為圓環(huán)形;③鉆柱的變形為小變形且鉆柱的材料為均質(zhì)性材料;④頂部轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速始終保持不變;⑤激勵(lì)振源主要發(fā)生在鉆頭處,并且是隨時(shí)間以一定干擾力頻率按正弦或余弦變化的諧振力;⑥鉆頭的橫向振動(dòng)可以分解為水平面上的 x、y方向的2個(gè)分量來(lái)研究。

1.2 鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

利用有限元法可以將鉆柱系統(tǒng)離散化為n個(gè)單元,這些有限單元組成一個(gè)多自由度系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 鉆柱離散單元系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基本方程為:

式中M表示系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;U″表示系統(tǒng)加速度;C表示阻尼矩陣;U′表示系統(tǒng)速度;K表示剛度矩陣;U表示系統(tǒng)位移;F表示系統(tǒng)外部作用力。

2 鉆柱振動(dòng)模型的建立與求解

2.1 選擇單元

選擇合適的單元是有限元分析的關(guān)鍵。筆者采用PIPE16單元來(lái)模擬鉆柱,PIPE16單元是一種基于3-D梁?jiǎn)卧揖哂欣?、壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲性能的單軸單元,能夠很好地模擬鉆柱的橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。采用集中質(zhì)量單元MASS21來(lái)模擬鉆頭。各單元的特性通過(guò)KEYOPT選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。

2.2 振動(dòng)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

該鉆探取心鉆柱系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為上端固定,下端鉆頭看作長(zhǎng)度可以忽略的集中質(zhì)量,如圖2所示。

根據(jù)水合物鉆探取心實(shí)際情況,結(jié)合本文參考文獻(xiàn)[6],設(shè)計(jì)鉆柱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2.3 建立有限元模型

根據(jù)ANSYS直接生成有限元模型的方法[7],分別采用PIPE16單元和MASS21單元分別建立鉆柱和鉆頭的振動(dòng)有限元模型。如圖3所示。

圖2 鉆柱和鉆頭振動(dòng)模型圖

表1 鉆柱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖3 鉆柱振動(dòng)系統(tǒng)有限元模型圖

2.4 加載求解及后處理

由于橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)邊界條件的不同,在ANSYS中分別對(duì)這3種振動(dòng)模型進(jìn)行加載求解。橫向振動(dòng)可以假設(shè)鉆柱上端為固定端約束,下端只能在X—Y平面內(nèi)移動(dòng)的約束;縱向振動(dòng)可以假設(shè)為鉆柱上端為固定端約束,下端只能沿軸向方向運(yùn)動(dòng)的約束;扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可以假設(shè)為鉆柱上端為固定端約束,下端只能繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的約束。

利用ANSYS模態(tài)分析中的子空間迭代法提取了3種振動(dòng)模型的模態(tài)。子空間迭代法是在瑞利—里茲法的基礎(chǔ)上,通過(guò)迭代不斷改進(jìn)的方法,對(duì)于求解鉆柱這類多自由度體系的大型廣義特征值問(wèn)題非常有效,利用子空間迭代法可以求得鉆柱3種振動(dòng)模型的各階固有頻率和振型。

文中對(duì)鉆柱的振動(dòng)模態(tài)分析擴(kuò)展到20階模態(tài),但是根據(jù)大量研究試驗(yàn)可知,10階模態(tài)就足以表明鉆柱的振動(dòng)情況。表2列出了鉆柱橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的前10階頻率。

表2 鉆柱振動(dòng)前10階頻率表 Hz

由表2可以得出以下結(jié)論:①橫向振動(dòng)每?jī)呻A固有頻率相同,且固有頻率比較小,不會(huì)引起鉆柱的共振,但是振幅變大,鉆柱會(huì)發(fā)生明顯的彎曲;②通過(guò)縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率的對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)二者有重疊的部分,很容易引起縱向和扭轉(zhuǎn)的同時(shí)共振。這為研究鉆柱的振動(dòng)特性以及如何避免鉆柱共振提供了理論依據(jù)。

3 避免鉆柱共振研究

鉆柱的共振是指在外力的激勵(lì)頻率和鉆柱的固有頻率相等時(shí),鉆柱的振幅最大。共振發(fā)生時(shí),鉆柱局部受到集中應(yīng)力的作用,周期性的共振作用對(duì)鉆柱的破壞性非常大,使其產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損,并有可能導(dǎo)致天然氣水合物鉆探取心的失敗。

在鉆探取心現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)改變鉆井參數(shù)來(lái)改變激勵(lì)頻率,減少共振現(xiàn)象的發(fā)生。一般有3種方法:①減小鉆壓,即減小激勵(lì)力的能量,避免鉆柱強(qiáng)烈的振動(dòng);②改變轉(zhuǎn)速,從而改變激勵(lì)頻率;③改變鉆井液性能,改善鉆進(jìn)條件,如靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦等間接改變激勵(lì)頻率[8]。

在深海天然氣水合物鉆探取心過(guò)程中,鉆頭切削含水合物的巖層,會(huì)與巖層之間產(chǎn)生周期性碰撞。這種碰撞作用會(huì)沿著整個(gè)鉆柱系統(tǒng)向上傳遞,這便是激勵(lì)作用產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象。鉆柱振動(dòng)的形式不同且使用不同型號(hào)的鉆頭都會(huì)產(chǎn)生不同大小的激勵(lì)頻率,根據(jù)深海天然氣水合物鉆探取心的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,若使用三刀翼刮刀鉆頭鉆進(jìn),則由海底天然氣水合物巖層可取得三瓣?duì)顜r心,當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速為n(r/min)時(shí),鉆柱橫向和縱向振動(dòng)時(shí)發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速可由下式確定:

鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速可由下式確定:

式中 nc表示鉆柱臨界轉(zhuǎn)速,r/min;fi表示振動(dòng)的第i階固有頻率,Hz。

將表2中鉆柱振動(dòng)的固有頻率計(jì)算結(jié)果分別代入上式得到鉆柱共振不同階數(shù)的臨界轉(zhuǎn)速,如表3所示。

表3 鉆柱發(fā)生共振臨界轉(zhuǎn)速表 r·min-1

從表3可以得知,在天然氣水合物的鉆探取心過(guò)程中,采用不同的轉(zhuǎn)速,可以避開鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速,從而可以避免鉆柱因橫向、縱向或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而發(fā)生共振。

4 結(jié)論

筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外鉆柱振動(dòng)的研究現(xiàn)狀[4-5,8],通過(guò)對(duì)天然氣水合物鉆柱系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析,計(jì)算了鉆柱振動(dòng)的固有頻率及其發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速,可以得出以下初步結(jié)論:

1)利用ANSYS軟件能夠較精確地計(jì)算出鉆柱振動(dòng)的固有頻率,并進(jìn)一步計(jì)算出鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速,為避免鉆柱的共振提供了理論依據(jù)。

2)當(dāng)外力的激振頻率和鉆柱的固有頻率相同時(shí),鉆柱內(nèi)的交變應(yīng)力和振幅相當(dāng)大,此時(shí)會(huì)引起鉆柱的共振,整個(gè)鉆柱的振動(dòng)加強(qiáng)。

3)橫向振動(dòng)引起共振的可能性比較小,縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起共振的可能性大,而且在一定的轉(zhuǎn)速下有可能同時(shí)引起縱向及扭轉(zhuǎn)的共振。

4)考慮到深海復(fù)雜的外部環(huán)境,天然氣水合物鉆探取心中影響鉆柱振動(dòng)的因素十分復(fù)雜,并且有些因素目前難以掌握,該計(jì)算模型是在一些假設(shè)和簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此還需要進(jìn)一步研究。

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Finite element analysis of modal vibrations of drill strings in deep-sea natural gas hydrate coring/drilling

Zhao Zongbin1,Qiu Xingqi1,Xu Junliang2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,China University ofPetroleum,Dongying,S handong 257061,China;2.Drilling Technology Research Institute,Sinopec S hengli B ranch,Qingdao,S handong 250000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 31,ISSUE 1,pp.73-76,1/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

As an essential part in the equipment of deep-sea natural gas hydrate coring/drilling,drill strings have to bear such complicated external forces under deep sea environment that horizontal,vertical,torsional,and coupled axial vibrations occur inevitably.In addition,the resonate vibration of drill strings will lead to serious failures of drill strings or even of the whole coring/drilling system. In view of this,based on the research results of vibration theory at home and abroad,ANSYS finite element models,in combination with the characteristics of natural gas hydrate coring/drilling in deep sea,are adopted to conduct the modal analysis of the horizontal, vertical,and torsional vibrations of drill strings,thus the inherent frequency and the critical rotation speed of drill strings are determined,which provides theoretical basis for the prevention of resonate vibrations of drill strings.Meanwhile,conclusions are drawn as follows:a.when the vibration frequency of the external force equals the inherent frequency of drill strings,the alternative stress and vibration amplitude are getting significantly large enough to cause the resonate vibration of drill strings;b.comparatively speaking,the resonate vibration is easier caused by the vertical and torsional vibrations rather than by the horizontal vibrations.

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國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題“天然氣水合物鉆探取心關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào):2006AA09A207)。

趙宗彬,1986年生,中國(guó)石油大學(xué)(華東)碩士研究生;主要從事天然氣水合物鉆探取心系統(tǒng)的研究工作。地址: (257061)山東省東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)北一路739號(hào)。電話:(0546)8391143,15265463933。E-mail:zhaozongbin061@163.com

趙宗彬等.深海天然氣水合物鉆探取心鉆柱振動(dòng)模態(tài)分析.天然氣工業(yè),2011,31(1):73-76.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.016

(修改回稿日期 2010-12-02 編輯 居維清)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.016

Zhao Zongbin,born in 1986,is studying for an M.Sc.degree,being mainly engaged in natural gas hydrate coring/drilling program.

Add:No.739,Beiyi Rd.,Dongying District,Dongying,Shandong 257061,P.R.China

Tel:+86-546-8391 143Mobile:+86-15265463933E-mail:zhaozongbin061@163.com