井下段鉆柱耦合振動(dòng)及鉆井液壓力分析*

劉 靜 王 川 郝 晨 杜青云 王 濤 張 鋮

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.大港油田石油工程研究院3.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司)

0 引 言

在深水鉆井作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)鉆頭與地層接觸時(shí)，鉆柱系統(tǒng)會(huì)同時(shí)受到橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的干擾，這嚴(yán)重影響鉆柱和井下設(shè)備的使用壽命。產(chǎn)生這些振動(dòng)的原因包括井筒內(nèi)壁和鉆柱以及鉆頭和地層界面的沖擊和摩擦、鉆鋌段的不平衡、偏心或初始曲率、各種線性或非線性共振等。這些振動(dòng)通常比較復(fù)雜，并且同時(shí)發(fā)生[1-2]。R.DAWSON等[3]和牟海維等[4]系統(tǒng)研究了鉆柱的黏滑振動(dòng)，并證明只能用非線性摩擦力解釋黏滑現(xiàn)象。況雨春等[5]建立了鉆頭和鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)仿真模型，得到了鉆頭處扭矩的變化規(guī)律，但沒(méi)有考慮波動(dòng)鉆速對(duì)扭矩的影響。W.R.TUCKER等[6]建立了一個(gè)完整的連續(xù)介質(zhì)模型，該模型解釋了橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)之間的完全耦合以及它們之間的能量交換，但沒(méi)有考慮井筒壓力的變化。劉清友等[7]將井下部分的鉆柱和鉆頭簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)，建立了鉆頭和巖石相互作用的動(dòng)力學(xué)模型，鉆頭和鉆柱橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，但沒(méi)有分析不同振動(dòng)方式的耦合作用。韓春杰和閆鐵等[8-10]采用微元線性法對(duì)鉆柱的橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行了分析，使用有限元法研究了鉆柱軸向的振動(dòng)規(guī)律，但沒(méi)有分析鉆井參數(shù)對(duì)鉆壓的影響。李國(guó)慶等[11]使用有限元方法分析了鉆柱的橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)，在考慮鉆柱耦合振動(dòng)的彈性剛度和幾何剛度基礎(chǔ)上，建立了鉆柱耦合振動(dòng)分析的綜合模型，但是沒(méi)有分析井筒內(nèi)鉆井液的壓力波動(dòng)情況。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)深水鉆井井下段鉆柱的受力分析，建立了井下段鉆柱非線性耦合振動(dòng)數(shù)學(xué)模型和井筒內(nèi)鉆井液壓力波動(dòng)模型，分析了波動(dòng)鉆壓對(duì)鉆柱橫向和縱向耦合振動(dòng)以及井筒內(nèi)鉆井液壓力波動(dòng)的影響，以及波動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)鉆柱縱扭耦合振動(dòng)、黏滑振動(dòng)、鉆壓以及鉆頭扭矩的影響。

1 鉆柱非線性耦合振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

深水鉆井過(guò)程中地層的不確定性會(huì)使鉆頭受力不穩(wěn)定，容易引起跳鉆以及鉆頭扭矩波動(dòng)。鉆頭主動(dòng)扭矩的釋放會(huì)導(dǎo)致鉆柱發(fā)生周期性反轉(zhuǎn)，加劇鉆柱縱向振動(dòng)[12]。鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生橫向變形，與井壁接觸產(chǎn)生摩擦。摩擦力會(huì)引起鉆柱渦動(dòng)和黏滑振動(dòng)，同時(shí)加劇鉆柱反轉(zhuǎn)，反過(guò)來(lái)影響鉆柱橫向和縱向振動(dòng)，幾種振動(dòng)耦合在一起產(chǎn)生的交變應(yīng)力極易使鉆柱發(fā)生斷裂和磨損等事故。鉆柱耦合動(dòng)力學(xué)除了與鉆柱和井眼參數(shù)有關(guān)外，還與環(huán)境和鉆井平臺(tái)等因素有關(guān)，合理分析深水鉆井鉆柱耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)理對(duì)減少鉆具疲勞失效至關(guān)重要。井下段鉆柱耦合振動(dòng)模型如圖1所示。

圖1 井下段鉆柱耦合振動(dòng)模型

鉆柱在井筒內(nèi)的3個(gè)自由度分別為軸向位移z、橫向位移r和旋轉(zhuǎn)角度θ。設(shè)井眼軸線與井口平面的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，鉆柱軸向位移豎直向下的方向?yàn)檎瑱M向位移指向井壁的方向?yàn)檎?，鉆柱繞井眼中心軸的旋轉(zhuǎn)角度以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎Ｔ谇邢縻@進(jìn)過(guò)程中，鉆柱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速Φr以及預(yù)設(shè)鉆壓(Wob)由頂部鉆機(jī)提供。

1.1 基本假設(shè)

鉆柱的橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)通常同時(shí)存在，并且互相影響。為了研究鉆柱的非線性耦合振動(dòng)規(guī)律以及鉆柱振動(dòng)對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速和鉆井液壓力的影響，取從井口到井底的鉆柱整體為研究對(duì)象，并在以下假設(shè)的基礎(chǔ)上搭建鉆柱非線性耦合振動(dòng)模型：①鉆柱結(jié)構(gòu)一體化，將其視為彈性體；②對(duì)于縱向振動(dòng)，將鉆柱兩端簡(jiǎn)化為鉸支，不考慮鉆柱接頭處與井壁的接觸外力，只考慮受力變形；③鉆柱截面為圓形，其內(nèi)外邊界以及井筒內(nèi)壁都為剛性；④井口為固定端，井筒底部為自由端；⑤鉆柱軸線與井眼軸線重合，且轉(zhuǎn)角為0。

1.2 非線性耦合振動(dòng)方程

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[13]建立井下段鉆柱非線性耦合振動(dòng)微分方程：

(1)

式中：ml、ma分別表示鉆柱系統(tǒng)橫向和軸向有效質(zhì)量，F(xiàn)r、Ft分別表示鉆柱與井壁接觸時(shí)產(chǎn)生的徑向力和切向力，F(xiàn)ob和Tob分別表示鉆柱對(duì)井底的壓力以及鉆頭受到的扭矩，ka、kr、kt分別表示鉆柱縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)剛度，ch、ca、ct分別表示井筒內(nèi)鉆井液對(duì)鉆柱橫向、縱向以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)損耗系數(shù)，v表示鉆柱中心在水平方向上的速度，eo表示鉆柱的偏心率，J表示鉆柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Dco表示鉆鋌外徑。

上述方程中的變量Fob和Tob可以用如下非光滑方程進(jìn)行描述[14-15]：

(2)

(3)

式中：kc表示地層剛度，so表示鉆井不規(guī)則參數(shù)，Dw表示井眼直徑，nb表示鉆頭系數(shù)，與鉆頭類型相關(guān)。

鉆頭上的扭矩由鉆頭與井壁的摩擦力以及鉆頭切削巖石的力共同抵消，摩擦損耗部分由以下平滑函數(shù)給出：

(4)

式中：us為鉆頭與井壁的靜摩擦因數(shù)，uk為鉆頭與井壁的動(dòng)摩擦因數(shù)。

δc表示鉆頭的平均切削深度，表達(dá)式為：

(5)

(6)

鉆柱與井筒的接觸力可分解為沿徑向的力Fr和垂直于徑向的切向力Ft兩種非光滑力，其定義如下：

(7)

(8)

式中：Dw表示井眼直徑；橫向接觸力f(vrel)通過(guò)參考文獻(xiàn)[13]提出的軸向扭轉(zhuǎn)接觸來(lái)描述，其表達(dá)式為：

(9)

(10)

考慮鉆井液對(duì)鉆柱系統(tǒng)有效質(zhì)量的影響，鉆柱系統(tǒng)在縱向和橫向上的有效質(zhì)量ma、ml可分別表示如式(11)和式(12)所示。同時(shí)為了簡(jiǎn)化模型，底部鉆具組合只考慮鉆鋌。

ma=mBHA+mad+mdp

(11)

ml=mBHA+mad

(12)

式中：mBHA表示底部鉆鋌的質(zhì)量，mad表示鉆井液對(duì)鉆鋌的附加質(zhì)量，mdp表示鉆柱質(zhì)量。

鉆柱系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)慣量J由鉆柱底部鉆具組合慣性和上部鉆柱慣性組成，其表達(dá)式如下：

(13)

式中：ρ表示鉆柱材料密度，dco表示底部鉆鋌的內(nèi)徑，lBHA表示鉆鋌長(zhǎng)度，Ddp和ddp分別表示鉆柱的外徑和內(nèi)徑，ldp表示鉆柱長(zhǎng)度。

鉆柱在縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)方向上的剛度計(jì)算方法如下。其中，橫向剛度kr受鉆頭扭矩和鉆壓的影響，表明鉆柱的橫向剛度會(huì)隨著鉆頭的扭矩和鉆柱對(duì)井底的壓力波動(dòng)而發(fā)生變化。

(14)

(15)

(16)

式中：E和G分別表示彈性模量和剪切模量，I表示鉆柱的慣性矩，其計(jì)算式如下。

(17)

2 鉆柱振動(dòng)引起的壓力波動(dòng)

2.1 鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)引起的壓力波動(dòng)

(18)

式中：ΔpG表示因鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)引起的井眼環(huán)空內(nèi)壓力波動(dòng)，ΔS=x(t)，表示鉆柱底部升沉運(yùn)動(dòng)的位移，Vd表示井眼內(nèi)鉆柱的體積，Va表示井眼內(nèi)鉆井液的體積，cf表示井眼內(nèi)鉆井液的可壓縮性系數(shù)。

2.2 鉆柱彎曲變形引起的壓力波動(dòng)

鉆柱在井筒內(nèi)的橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及鉆具的渦動(dòng)都會(huì)引起鉆柱的彎曲變形，考慮由于鉆柱的彎曲變形引起的鉆井液的流動(dòng)，則其造成的流體壓力分布為[17]：

(19)

(20)

(21)

式中：Ω和ω分別表示鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)和渦動(dòng)角速度，h表示井眼軸線到鉆柱外緣一固定點(diǎn)的距離。

3 模型求解及模擬分析

采用四階龍格-庫(kù)塔方法在Matlab中搭建模型，進(jìn)而求解鉆柱耦合振動(dòng)模型。龍格-庫(kù)塔法是解微分方程的方法之一，由于其精度高、收斂穩(wěn)定，所以在工程上應(yīng)用十分廣泛。其表達(dá)式如下：

(22)

其中：

k1=f(xn,yn)

(23)

(24)

(25)

k4=f(xn+h,yn+hk3)

(26)

將耦合模型降階后可表示為：

(27)

由式(23)～式(26)可以得出耦合模型的龍格-庫(kù)塔求解公式：

(28)

其中：

(29)

(30)

(31)

(32)

在建立深水鉆井井下段鉆柱耦合振動(dòng)模型時(shí)，主要考慮了鉆井系統(tǒng)的鉆壓和轉(zhuǎn)速等因素對(duì)鉆柱耦合振動(dòng)以及井筒內(nèi)鉆井液壓力的影響。以南海某深水井?dāng)?shù)據(jù)為例，其水深1 000 m，井深500 m，鉆柱和鉆鋌長(zhǎng)度分別為1 300和200 m，鉆柱內(nèi)、外徑分別為0.135 8和0.168 3 m，鉆鋌內(nèi)、外徑分別為0.076 2和0.228 6 m，鉆柱材料密度為7 850 kg/m3，其彈性模量和剪切模量分別為210和78 GPa。鉆井液密度為1 300 kg/m3，且假設(shè)其不可壓縮，井筒內(nèi)鉆井液的附加質(zhì)量為33 450 kg。井眼直徑為0.381 m，地層剛度為23 000 kN/m，鉆井不規(guī)則參數(shù)s0=0.001。頂部鉆機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為40 r/min，平均鉆壓為22.5 kN。鉆柱的損耗系數(shù)ch、ca、ct分別為21 830、4 000、7.4，鉆柱與井壁的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.3、靜摩擦因數(shù)為0.35。鉆柱的偏心率eo=0.5，鉆頭系數(shù)nb=3。基于上述參數(shù)，對(duì)井下段鉆柱的各種耦合振動(dòng)進(jìn)行模擬分析。

3.1 深水鉆井鉆柱橫縱耦合振動(dòng)分析

深水鉆井中，井下段鉆柱的橫向振動(dòng)主要由中性點(diǎn)至鉆頭段產(chǎn)生的離心力引起，離心力會(huì)使鉆柱彎曲變形，從而導(dǎo)致其縱向應(yīng)力變化。鉆柱的縱向振動(dòng)導(dǎo)致底部鉆壓變化，反過(guò)來(lái)影響鉆柱受到的軸向力，從而影響鉆柱的橫向振動(dòng)和井筒鉆井液壓力分布。不同鉆壓下鉆柱的橫向、縱向振動(dòng)規(guī)律以及井筒內(nèi)鉆井液壓力波動(dòng)規(guī)律如圖2～圖6所示。

圖2 不同鉆壓下鉆柱的橫向振動(dòng)響應(yīng)

圖3 鉆柱橫向和縱向振動(dòng)響應(yīng)隨鉆壓的變化

圖4 中性點(diǎn)橫向振動(dòng)響應(yīng)和井筒壓力波動(dòng)

圖5 不同鉆壓下鉆柱縱向振動(dòng)響應(yīng)

圖6 不同鉆壓下井底鉆井液壓力波動(dòng)

由圖2和圖3 可以看出，在僅考慮鉆壓的情況下，井下段鉆柱的橫縱向振動(dòng)響應(yīng)隨鉆壓的增加而變大，鉆壓對(duì)鉆柱的橫向振動(dòng)影響更為明顯。這是由于鉆壓會(huì)影響地層對(duì)鉆柱系統(tǒng)的軸向支撐力，從而導(dǎo)致鉆柱橫向振動(dòng)頻率改變。圖4表明井下段鉆柱中性點(diǎn)的橫向振動(dòng)響應(yīng)和附近的鉆井液壓力也隨鉆壓的增加而變大，同時(shí)呈周期性變化。由圖5和圖6可以看出，井下段鉆柱的縱向振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間呈周期性變化，受到鉆柱縱向振動(dòng)的影響，井底鉆井液壓力也隨時(shí)間呈周期性變化，同時(shí)鉆井液壓力隨鉆柱縱向振動(dòng)幅度的增大而上升。

3.2 深水鉆井鉆柱縱扭耦合振動(dòng)

深水鉆井中，井下段鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起縱向振動(dòng)和動(dòng)載，底部鉆具的縱向振動(dòng)導(dǎo)致鉆壓和井底壓力波動(dòng)。由于鉆壓的劇烈波動(dòng)，鉆頭脫離井底引起跳鉆，跳鉆會(huì)對(duì)鉆頭造成沖擊。鉆頭黏滑振動(dòng)引起的鉆頭轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)加劇鉆柱縱向振動(dòng)。此外，鉆柱縱向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的周期性反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也會(huì)加劇鉆頭上的扭矩波動(dòng)，從而影響?zhàn)せ駝?dòng)。

不同轉(zhuǎn)速下的鉆壓波動(dòng)和鉆頭黏滑振動(dòng)分別如圖7和圖8所示。鉆頭與地層保持接觸時(shí)，鉆壓不為0。當(dāng)鉆頭發(fā)生黏滑振動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)存在鉆柱中的能量會(huì)被釋放，從而導(dǎo)致非常大的縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。縱向振動(dòng)反過(guò)來(lái)又影響鉆壓和鉆頭扭矩的大小。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，鉆柱的縱向振動(dòng)幅度以及鉆頭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅度都會(huì)增大，這是因?yàn)榭v向共振的作用。這種共振導(dǎo)致鉆頭與地層失去接觸，鉆壓和鉆頭扭矩都為0。由圖9和圖10可以看出，隨轉(zhuǎn)速的增大，雖然鉆柱的縱向振動(dòng)和鉆頭扭矩波動(dòng)也隨之增大，但轉(zhuǎn)速增大對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)影響更大。此外，鉆頭處的扭矩波動(dòng)隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化。因此，在進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)不同的工作環(huán)境選擇合適的轉(zhuǎn)速。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下的鉆壓波動(dòng)

圖8 不同轉(zhuǎn)速下鉆頭黏滑振動(dòng)

圖9 鉆柱縱向振動(dòng)和鉆頭扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化

圖10 不同轉(zhuǎn)速下鉆頭扭矩波動(dòng)

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)深水鉆井作業(yè)中井下段鉆柱橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)方向的非線性耦合振動(dòng)以及井筒內(nèi)鉆井液壓力波動(dòng)的問(wèn)題，建立了井下段鉆柱橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)和鉆井液壓力波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)各種鉆井情況下鉆井系統(tǒng)的鉆壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的模擬計(jì)算，獲得了井下段鉆柱耦合振動(dòng)的基本規(guī)律以及鉆井液壓力波動(dòng)規(guī)律。

(2)增大鉆壓對(duì)鉆柱的橫向振動(dòng)影響最大，同時(shí)又導(dǎo)致了井筒內(nèi)鉆井液壓力的劇烈波動(dòng)，使鉆柱動(dòng)力穩(wěn)定性變差。

(3)增大轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)鉆柱系統(tǒng)縱向振動(dòng)影響最大，轉(zhuǎn)速的增大會(huì)使鉆柱的縱向振動(dòng)幅度和鉆頭扭矩波動(dòng)幅度上升，降低鉆柱穩(wěn)定性。

(4)鉆柱系統(tǒng)的耦合振動(dòng)存在共振的可能，并且耦合振動(dòng)呈一定的周期性變化。鉆柱耦合振動(dòng)規(guī)律的深入研究有助于鉆柱振動(dòng)理論及分析方法的完善，并且對(duì)工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。