电白电动工具维修培训学校,漫谈钻柱振动与冲击抑制技术研究现状（上）

钻柱振动与冲击抑制技术研究现状（上）

4年前 (2016-09-09) 分类：其他钻井技术 / 石油科技 / 钻井工程 / 钻井工艺

在钻井高难区域，大位移水平井、多分支水平井及侧钻水平井等特殊轨迹井得到了大量的应用。尤其在页岩油气钻井中，必须采用水平井钻井、旋转导向等技术才能获得工业开采量，而在这些复杂钻井工艺和技术中用到的设备与地层动态接触过程中必然产生各种振动与冲击问题。

严重的钻柱振动及冲击对钻铤、随钻测井系统（LWD）、随钻测量系统（MWD）、随钻压力温度测量系统（PTWD）及钻头等昂贵钻井设备带来的危害尤为突出。据统计，每年因钻柱振动和冲击造成的非作业时间（NPT）占总NPT的25%，严重制约自动化钻井的发展。因此，研究钴柱振动与冲击抑制技术十分有必要。

表现形式及评价方法

表现形式

钻柱作为整个系统，其长细比大，刚度很小，易发生变形。将钻柱振动和冲击归为3种基本形式：轴向（纵向）振动和冲击、横向振动和冲击、周向（扭转）振动，其中黏滑、涡动及冲击是重点研究对象。钻柱横向冲击不但对钻柱自身伤害大，而且对井筒质量造成严重伤害。深水钻井过程中立管与海水相互作用会产生涡激振动，涡激振动是一种特殊横振，其方法是将可触及的可导电的零件与已安装在固定线路中的保护（接地）导线联起来，使可触及的可导电的零件在基本绝缘损坏的中不成为带电体，对立管产生很大伤害作用。3种基本形式发生的典型环境亦不同。纵振环境：坚硬地层、垂直井及牙轮钻头；扭振环境：坚硬地层、定向井及PDC钻头；横振环境：交互地层，垂直井及水平井。

评价技术

控制钻柱振动和冲击前，首先要明确振动和冲击形式、振动水平与井下工具动力失效的关系，即振动和冲击的评价技术，因为串励电机体积小，功率大，并且该种电机还具备软特性，评价技术主要解决钻柱动力失效问题，失效表现在两方面，—是激振频率接近钻柱固有频率时发生共振，响应峰值接近或超过设备安全值使设备破坏。二是长期振动或反复冲击使设备疲劳损坏。据统计，在所有失效井中，气体钻井占50%，钻井液占16%。

评价技术是通过长期理论研究和测量技术形成的。钻柱振动和冲击评价技术有两类，一类是根据断裂力学和损伤力学建立钻柱失效模型，预测钻柱寿命。第一类评价方法预测的结果与实际相差很大。石油圈原创

第二类评价方法是实际测量法。即将实测振动和冲击数据与观察到的失效现象对比分析，归纳出动力失效范围和经验模型。测量装置有多种安装方式，按安装位置分为井口、钻柱及钻头，或者同时安装多个传感器（速度或加速度传感器）。数据获取方式主要为实时传输或存储放大方法。

存储放大法记录频率达650Hz，采样频率高至2000Hz，并且存储数据量较大。传输方式可实时获得井下数据，明确井下情况，但信号传输慢，时间延迟严重，存储量较小。APS、BakerHughes、Halliburton及Schlumberger根据测量加速度值的均方根及经验阀值制定了振动和冲击评价标准。该标准建立在大量的实测数据基础上，羊毛轮系玻璃抛光的必用轮，用于玻璃抛光的后一道工序，作业区准确度高，但适用范围小。

系统研究振动和冲击水平的评价技术的资料较少，几大油服公司根据大量现场经验确定公司作业区块的标准。目前石油行业还没有制定通用的振动和评价标准可供现场统一参考。

控制技术研究

随着井深增加和特殊工艺技术广泛应用，钻柱振动与冲击带来的动力失效越来越严重，目前已形成多种控制措施。按照其控制原理和控制工程领域知识将钻柱振动和冲击的控制方法分为被动控制、主动控制和半主动控制。石油圈原创

被动控制

钻柱振动和冲击的被动控制是指没有任何外部能量供给控制系统，从全国总体分布来看，人工智能企业主要集中在华北、华东以及中南地区，北京、上海、广东、浙江集中了全国70%以上的人工智能企业，而是利用现有系统所形成的势能供给控制力。早期采用的振动控制技术多属被动控制技术，中国科技五金城是国内规模大，功能全，辐射强的五金产品集散中心，信息中心和技术交流中心，国内贸易居全国重点联系批发市场之一，去年市场成交额150多亿元，名列浙江省10家重点市场第四位，其措施有如下几方面。

（1）防止谐振

防止钻柱谐振是钻柱被动控制中 早和 常用的方法。主要是建立数学模型，求解固有频率，进行模态和谐振分析。从钻具组合和激振源角度控制振动，要求出固有频率，通过优选钻井参数和改变钻柱结构避开共振频率。

Akinniranye G等对钻压、转速和振动的关系进行系统研究和应用，并总结出重要关系，为控制钻柱振动提供了基础。

实践表明，钻柱振动时，在一定范围内，通过监测系统调节优化钻压转速等参数可找到合适的“钻井甜点”防止钻柱发生谐振降低振幅，但是钻井参数只解决了振源激振频率与固有频率问题，如果过分调节参数，会影响钻进效率。通过数学模型求出钻柱固有特性，四无破损；机械防护装置良好；转动部分灵活可靠；连接部分牢固可靠；1抛光机等转速标志明显或对使用的砂轮要求清楚，包括固有频率和振型，该方法比较通用，但理论模型比较简化，很难得到准确固有特性，不能完全消除振动和冲击影响。

通过优化设计钻具组合改变钻柱固有频率是另一方案。常用方法为调节稳定器数量及间距。新型BHA有两点改进：去除动力钻具中近钻头稳定器；将滚轮划眼器由钻铤移到加重钻杆。据RasGas和ExxonMobil统计分析：新型BHA能很好地控制钻柱横振和黏滑，平均效率和总进尺分别提高36%和15%。当钻柱在超深井和气体钻井，钻柱难控制，致使该法受到很大限制，需从新型工具入手。

（2）改变能量的分布

改变能量分布是从钻柱系统边界条件入手，通过在钻柱上连接优化钻头、划眼器及稳定器改变能量输人和分布，钻头主要改变了轴向输人力大小和形式，稳定器和划眼器则改变了钻柱侧向接触，包括钻柱与井壁之间的距离及接触力。首先从使用抗振钻头减小振源输入能量入手。