固液耦合工况下钻柱的扭振频率分析

2013-07-08肖文生刘忠砚王鸿雁王现峰付雷殷有财

石油矿场机械 2013年6期

肖文生，刘忠砚，王鸿雁，王现峰，付雷，殷有财

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）①

钻柱是钻井工程中十分重要的部件，在钻井过程中，钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，同时伴随有各种振动和冲击，给钻井施工带来不利影响［1－3］。钻柱在恶劣的环境中产生的动力学效应，不仅导致钻具失效和钻井事故的发生，而且还严重影响井眼轨迹的控制［4－6］，提高了钻井成本。

钻柱的扭转振动是指钻柱绕其中心线的旋转运动，该振动产生的原因是钻头间歇破碎岩石时所产生的变化速度［7］。钻柱固液耦合工况下的振动固有频率及振动模态分析是研究钻柱动力学特性的基础，是顶驱钻井法钻柱动力学的基础研究［8］。国外固液耦合理论已经比较成熟。国内，李子丰等［9］针对钻柱的扭转问题分别建立了转矩激励法和转角激励法的钻柱扭振动力学模型；江进国等［10］利用ANSYS有限元软件对钻杆进行了扭振分析，得到了钻杆壁厚、钻柱长度等因素对钻杆固有频率的影响，但未考虑钻柱的实际固液耦合工作环境。笔者建立了固液耦合工况下的钻柱动力学方程［11］，并且利用ANSYS有限元软件模拟了钻柱扭转振动的实际固液耦合工作环境，分析了钻井液、钻铤长度等因素对钻柱扭转振动的影响，分析结果对提高钻井效率、降低钻井成本有着重要的实际工程意义。