制約勘探開發(fā)效益的鉆柱技術(shù)因素

1、12l （1 1）我國(guó)目前在山前構(gòu)造帶和復(fù)雜地區(qū)深井鉆井速度和處）我國(guó)目前在山前構(gòu)造帶和復(fù)雜地區(qū)深井鉆井速度和處理井下復(fù)雜事故在一定程度上受鉆桿技術(shù)水平的制約，提理井下復(fù)雜事故在一定程度上受鉆桿技術(shù)水平的制約，提高鉆速要靠強(qiáng)化鉆井技術(shù)措施，但強(qiáng)化鉆井措施將導(dǎo)致鉆高鉆速要靠強(qiáng)化鉆井技術(shù)措施，但強(qiáng)化鉆井措施將導(dǎo)致鉆柱事故。本文提出了解決這一問(wèn)題的戰(zhàn)略措施是：柱事故。本文提出了解決這一問(wèn)題的戰(zhàn)略措施是： 規(guī)劃和采用規(guī)劃和采用5 7/8”5 7/8”特殊扣鉆桿，用于鉆特殊扣鉆桿，用于鉆26”26”至至8 1/2”8 1/2”的井眼，這在國(guó)外己是成熟技術(shù)，國(guó)內(nèi)在南海鉆井中己的井眼，這在國(guó)外己是成熟技術(shù)，

2、國(guó)內(nèi)在南海鉆井中己成功使用過(guò)。成功使用過(guò)。 內(nèi)加厚過(guò)渡帶刺穿仍是鉆桿失效的主要形式，解決這一內(nèi)加厚過(guò)渡帶刺穿仍是鉆桿失效的主要形式，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)內(nèi)加厚過(guò)渡帶。但涉及到非問(wèn)題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)內(nèi)加厚過(guò)渡帶。但涉及到非APIAPI標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可問(wèn)題。 3456789表表1 1 xxxxxx( (高轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)速) )與與xxxxxxxxxx( (較高轉(zhuǎn)速較高轉(zhuǎn)速) )刺穿比較刺穿比較( (相鄰井相鄰井) ) 井號(hào)井號(hào)次號(hào)次號(hào)刺孔刺孔尺寸尺寸mmmmmmmm鉆井參數(shù)鉆井參數(shù)鉆具規(guī)格鉆具規(guī)格鉆壓鉆壓( (噸噸) )轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速( (r/min)r/min)泵壓泵壓( (MPaMP

3、a) )xxxxxx1 1606010108 81401401919一級(jí)鉆桿一級(jí)鉆桿( (相同區(qū)塊相同區(qū)塊) )2 235355 56-86-814014019193 360605 56-86-814014020204 450505 56-86-814014020205 530305 56-86-814014019196 625255 58-128-1214014019197 740401515101013013019198 8909010108-108-1013013019.519.59 9303010108-108-101301301919101025255 58-108-10130130

4、202011116 66 68-108-10130130202012125 55 58-108-101301302020 xxxxx 無(wú)刺漏無(wú)刺漏4-64-69090202010表表2 2 aaaaaa與與aaaaaaaaaa鉆桿刺穿比較鉆桿刺穿比較( (相鄰井相鄰井) ) 井號(hào)井號(hào)次號(hào)次號(hào)刺孔尺寸刺孔尺寸mmmmmmmm鉆井參數(shù)鉆井參數(shù)鉆具規(guī)格鉆具規(guī)格鉆壓鉆壓( (噸噸) )轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速( (r/min)r/min)泵壓泵壓( (MPaMPa) )aaa1 170708 84-64-61201201515同樣臺(tái)架鉆桿。同樣臺(tái)架鉆桿。同樣地質(zhì)因素。同樣地質(zhì)因素。轉(zhuǎn)速降到轉(zhuǎn)速降到8080RPMRPM

5、后不再刺穿。后不再刺穿。2 220207 74-64-612012018.518.53 3303010104-64-612012018184 4202010104-64-6120-140120-14018.518.55 5303015156 614014017176 6202010106 614014018187 7151510106 614014018188 820205 56 612012018189 920205 54-64-61401401818aaaaa 無(wú)刺漏無(wú)刺漏4-64-680-9080-90181811APIAPI失效數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)及揭示的問(wèn)題包括：失效數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)及揭示的問(wèn)題包括

6、： 確定確定API 5D API 5D 規(guī)定的內(nèi)錐面長(zhǎng)度與刺穿、斷事故規(guī)定的內(nèi)錐面長(zhǎng)度與刺穿、斷事故率的相關(guān)性。率的相關(guān)性。 證實(shí)鉆桿過(guò)早破壞及發(fā)生的原因。證實(shí)鉆桿過(guò)早破壞及發(fā)生的原因。 12l 失效數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)及揭示的問(wèn)題包括：失效數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)及揭示的問(wèn)題包括： 17851785例失效中的例失效中的84%84%發(fā)生在加厚過(guò)渡帶加厚過(guò)渡帶指加厚發(fā)生在加厚過(guò)渡帶加厚過(guò)渡帶指加厚段、錐面、一段非加厚本體，從接頭起約段、錐面、一段非加厚本體，從接頭起約1.51.5m m內(nèi)。由于內(nèi)。由于只有剖開才能測(cè)加厚過(guò)渡帶，只有剖開才能測(cè)加厚過(guò)渡帶，84%84%的失效說(shuō)明不了與內(nèi)加的失效說(shuō)明不了與內(nèi)加厚尺寸的相關(guān)性。

7、只有厚尺寸的相關(guān)性。只有16%16%剖開檢查。剖面軌道儀檢測(cè)說(shuō)剖開檢查。剖面軌道儀檢測(cè)說(shuō)明不了問(wèn)題。明不了問(wèn)題。 很難測(cè)量加厚過(guò)渡帶起點(diǎn)和終點(diǎn)。很難測(cè)量加厚過(guò)渡帶起點(diǎn)和終點(diǎn)。熱鐓粗過(guò)程造成內(nèi)加厚尺寸剖面隨機(jī)性，應(yīng)力集中也有熱鐓粗過(guò)程造成內(nèi)加厚尺寸剖面隨機(jī)性，應(yīng)力集中也有隨機(jī)性，失效位置隨機(jī)性。內(nèi)加厚熱擠壓精度難保證，隨機(jī)性，失效位置隨機(jī)性。內(nèi)加厚熱擠壓精度難保證，金屬流變性及流動(dòng)與溫度、熱擠時(shí)強(qiáng)度、熱金屬流等有金屬流變性及流動(dòng)與溫度、熱擠時(shí)強(qiáng)度、熱金屬流等有關(guān)。關(guān)。 13圖圖1 1 鉆桿失效位置統(tǒng)計(jì)鉆桿失效位置統(tǒng)計(jì) 14加厚過(guò)渡帶刺穿加厚過(guò)渡帶刺穿3 3 鉆柱失效案例失效規(guī)律鉆柱失效案例失效規(guī)

8、律151617鉆柱失效案例鉆柱失效案例失效率高1819 載荷性質(zhì)與熱軋鋼管機(jī)械性質(zhì)各向異性載荷性質(zhì)與熱軋鋼管機(jī)械性質(zhì)各向異性l 大部分的鉆柱失效屬應(yīng)力疲勞或應(yīng)力腐蝕疲勞。但是目前的大部分的鉆柱失效屬應(yīng)力疲勞或應(yīng)力腐蝕疲勞。但是目前的APIAPI標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)標(biāo)中的鋼材性能指標(biāo)體系和指標(biāo)值并不能全面的表征應(yīng)力疲勞或應(yīng)力腐標(biāo)中的鋼材性能指標(biāo)體系和指標(biāo)值并不能全面的表征應(yīng)力疲勞或應(yīng)力腐蝕疲勞抗力蝕疲勞抗力. .l 一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是，與疲勞失效直接相關(guān)的是縱向和橫向沖擊韌性一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是，與疲勞失效直接相關(guān)的是縱向和橫向沖擊韌性值差異。值差異。APIAPI和國(guó)標(biāo)規(guī)定了縱向取樣的夏比沖擊功值

9、，對(duì)橫問(wèn)沖擊功值未和國(guó)標(biāo)規(guī)定了縱向取樣的夏比沖擊功值，對(duì)橫問(wèn)沖擊功值未作規(guī)定。作規(guī)定。l 如果鉆桿只承受確定的軸向拉壓或拉壓交變載荷，那么只規(guī)定縱向沖擊如果鉆桿只承受確定的軸向拉壓或拉壓交變載荷，那么只規(guī)定縱向沖擊功是合理的，即縱向沖擊功反映了力與裂紋平面相垂直時(shí)，材料抵抗裂功是合理的，即縱向沖擊功反映了力與裂紋平面相垂直時(shí)，材料抵抗裂紋延伸的能力。紋延伸的能力。l 但是鉆桿或下部組合受力的性質(zhì)和裂紋取向之間的組合關(guān)系復(fù)雜，僅用但是鉆桿或下部組合受力的性質(zhì)和裂紋取向之間的組合關(guān)系復(fù)雜，僅用縱向沖擊功不能全面表征材料的應(yīng)力疲勞抗力?，F(xiàn)在的問(wèn)題是不宜追求縱向沖擊功不能全面表征材料的應(yīng)力疲勞抗力。現(xiàn)

10、在的問(wèn)題是不宜追求過(guò)高的縱向沖擊功值，但是要減小橫向沖擊功與縱向沖擊功的差，即降過(guò)高的縱向沖擊功值，但是要減小橫向沖擊功與縱向沖擊功的差，即降低材料性質(zhì)各向異性。低材料性質(zhì)各向異性。 20加厚過(guò)渡帶刺穿的鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和材加厚過(guò)渡帶刺穿的鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和材料動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)料動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué) 在研究鉆桿刺穿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分重要的現(xiàn)在研究鉆桿刺穿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分重要的現(xiàn)象，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致鉆桿刺穿主要發(fā)象，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致鉆桿刺穿主要發(fā) 生在生在9 5/8” 技術(shù)套技術(shù)套管內(nèi)。管內(nèi)。 實(shí)際上在南方海相硬地層中，高轉(zhuǎn)速引起鉆桿刺實(shí)際上在南方海相硬地層中，高轉(zhuǎn)速引起鉆桿刺穿等損環(huán)問(wèn)題也比較嚴(yán)重。穿等損環(huán)

11、問(wèn)題也比較嚴(yán)重。 這一問(wèn)題與鉆桿在套管內(nèi)或硬地層井眼內(nèi)剛性井這一問(wèn)題與鉆桿在套管內(nèi)或硬地層井眼內(nèi)剛性井壁的碰撞運(yùn)動(dòng)有關(guān)，同時(shí)碰撞狀態(tài)下材料的失效涉壁的碰撞運(yùn)動(dòng)有關(guān)，同時(shí)碰撞狀態(tài)下材料的失效涉及材料動(dòng)態(tài)斷裂特性和動(dòng)態(tài)止裂理論。引用現(xiàn)代斷及材料動(dòng)態(tài)斷裂特性和動(dòng)態(tài)止裂理論。引用現(xiàn)代斷裂力學(xué)的研究成果可以得到以下認(rèn)識(shí)：裂力學(xué)的研究成果可以得到以下認(rèn)識(shí)： 21加厚過(guò)渡帶刺穿的鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和加厚過(guò)渡帶刺穿的鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和材料動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)材料動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)l 對(duì)材料研究較多，其成果已列入鉆柱材料設(shè)計(jì)對(duì)材料研究較多，其成果已列入鉆柱材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的是用夏比沖擊功表示材料的止裂韌性。準(zhǔn)則的是用夏比沖擊功

12、表示材料的止裂韌性。當(dāng)夏比沖擊功大于當(dāng)夏比沖擊功大于54焦?fàn)枙r(shí)，就可實(shí)現(xiàn)焦?fàn)枙r(shí)，就可實(shí)現(xiàn)“wash out before break”(即即“刺而不斷刺而不斷”) 準(zhǔn)則。準(zhǔn)則。l 這一理論己為大量實(shí)踐證明，并被廣泛接受。這一理論己為大量實(shí)踐證明，并被廣泛接受。從表從表1看出加厚帶刺穿橫向?qū)挾冗_(dá)看出加厚帶刺穿橫向?qū)挾冗_(dá)90mm也設(shè)也設(shè)有斷裂。因此有斷裂。因此54焦?fàn)柕呐袚?jù)可防止斷裂，但不焦?fàn)柕呐袚?jù)可防止斷裂，但不能防止刺穿。能防止刺穿。22材料動(dòng)態(tài)斷裂理論材料動(dòng)態(tài)斷裂理論 帶有裂紋的鉆桿在碰撞工況下，慣性作用及帶有裂紋的鉆桿在碰撞工況下，慣性作用及應(yīng)力波對(duì)裂紋的快速傳播起主導(dǎo)作用。在碰撞應(yīng)力波對(duì)

13、裂紋的快速傳播起主導(dǎo)作用。在碰撞作用下，材料的塑性、靜態(tài)斷裂韌性降低，即作用下，材料的塑性、靜態(tài)斷裂韌性降低，即抗斷裂阻力降低，或裂紋易起始擴(kuò)展?？箶嗔炎枇档?，或裂紋易起始擴(kuò)展。 因此按前述靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)斷裂和止裂研究結(jié)因此按前述靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)斷裂和止裂研究結(jié)論不能防止鉆桿在高速旋轉(zhuǎn)下與剛性井壁碰撞論不能防止鉆桿在高速旋轉(zhuǎn)下與剛性井壁碰撞造成的高應(yīng)力集中處刺穿或斷裂。造成的高應(yīng)力集中處刺穿或斷裂。 事實(shí)上很多刺穿鉆桿的鋼材檢測(cè)夏比沖擊功事實(shí)上很多刺穿鉆桿的鋼材檢測(cè)夏比沖擊功己高達(dá)己高達(dá)90焦?fàn)栆陨稀＝範(fàn)栆陨稀?3綜合措施解決動(dòng)態(tài)斷問(wèn)題綜合措施解決動(dòng)態(tài)斷問(wèn)題l 在鉆桿接頭上裝非旋轉(zhuǎn)保護(hù)器、彈性結(jié)構(gòu)

14、保在鉆桿接頭上裝非旋轉(zhuǎn)保護(hù)器、彈性結(jié)構(gòu)保護(hù)套既有利保護(hù)套管，又可降低碰撞和保護(hù)護(hù)套既有利保護(hù)套管，又可降低碰撞和保護(hù)鉆桿，但成本增加。鉆桿，但成本增加。l 改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，最好不要有內(nèi)加厚過(guò)渡帶，改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，最好不要有內(nèi)加厚過(guò)渡帶，或把應(yīng)力集中點(diǎn)從內(nèi)加厚消失點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其它或把應(yīng)力集中點(diǎn)從內(nèi)加厚消失點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其它位置。但這又涉及到非位置。但這又涉及到非API標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問(wèn)題。塔指、西南石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這塔指、西南石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這一問(wèn)題。一問(wèn)題。24(1) 在鉆桿接頭上裝非旋轉(zhuǎn)保護(hù)器、彈性結(jié)構(gòu)保護(hù)套既有利保護(hù)套管，又可在鉆桿接頭上裝非旋轉(zhuǎn)保護(hù)器、彈性結(jié)構(gòu)保護(hù)套既有利

15、保護(hù)套管，又可降低碰撞和保護(hù)鉆桿，但成本增加。降低碰撞和保護(hù)鉆桿，但成本增加。(2) 改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，最好不要有內(nèi)加厚過(guò)渡帶，或把應(yīng)力集中點(diǎn)從內(nèi)加厚消改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，最好不要有內(nèi)加厚過(guò)渡帶，或把應(yīng)力集中點(diǎn)從內(nèi)加厚消失點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其它位置。但這又涉及到非失點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其它位置。但這又涉及到非API標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問(wèn)題。塔指、西南標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問(wèn)題。塔指、西南石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這一問(wèn)題。石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這一問(wèn)題。(3) 提高鋼材純凈度、提高鋼材純凈度、降低鋼材有害元素含量降低鋼材有害元素含量2526l APIAPI標(biāo)準(zhǔn)是用戶與廠家相互妥協(xié)的產(chǎn)物，它是一個(gè)最低標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是用戶與廠家相互妥協(xié)的產(chǎn)物

16、，它是一個(gè)最低標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)標(biāo)基本是參照基本是參照APIAPI標(biāo)準(zhǔn)制定的。但是隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，幾乎所有國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)制定的。但是隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，幾乎所有國(guó)外鋼管公司都制定和采用了比鋼管公司都制定和采用了比APIAPI標(biāo)準(zhǔn)更高的技術(shù)條件。盡管他們公布的標(biāo)準(zhǔn)更高的技術(shù)條件。盡管他們公布的和訂貨技術(shù)條件仍然以和訂貨技術(shù)條件仍然以APIAPI標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，但他們內(nèi)控的指標(biāo)體系比標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，但他們內(nèi)控的指標(biāo)體系比APIAPI標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要高得多。大量鉆柱失效分析表明，按準(zhǔn)要高得多。大量鉆柱失效分析表明，按APIAPI或國(guó)標(biāo)規(guī)定的指標(biāo)體系或或國(guó)標(biāo)規(guī)定的指標(biāo)體系或指標(biāo)值，鋼材性能是合格的，即責(zé)任不在廠家。鉆柱失效造

17、成的經(jīng)濟(jì)損指標(biāo)值，鋼材性能是合格的，即責(zé)任不在廠家。鉆柱失效造成的經(jīng)濟(jì)損失基本只能由油田單位承擔(dān)。因此油田單位與工廠合作，制定自己的行失基本只能由油田單位承擔(dān)。因此油田單位與工廠合作，制定自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工廠制定更高的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能提高質(zhì)量和水平。業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工廠制定更高的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能提高質(zhì)量和水平。 27扶正器，配合接頭、震擊器扶正器，配合接頭、震擊器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低結(jié)構(gòu)和材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低 扶正器，配合接頭、震擊器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低，扶正器，配合接頭、震擊器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低，造成井下斷落事故。造成井下斷落事故。 下部鉆柱仍是低標(biāo)準(zhǔn)的選用和管理。下部鉆柱仍是低標(biāo)準(zhǔn)的選用和管理。28最小沖擊功標(biāo)準(zhǔn)

18、太低 現(xiàn)行國(guó)標(biāo)中最小沖擊功為 20，平均54焦耳，最小47焦耳的標(biāo)準(zhǔn)太低。沒(méi)有規(guī)定橫向最小沖擊功。建議部分控制指標(biāo) 屈服強(qiáng)度125140Ksi 。必需控制區(qū)間， 上限太大，而沖擊韌性又不相應(yīng) 提高，對(duì)疲勞應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕會(huì) 更敏感。 夏比沖擊功縱向大于70焦耳，橫向大于 55 焦耳 晶粒度大于9級(jí)29配合接頭長(zhǎng)度 配合接頭長(zhǎng)度對(duì)螺紋應(yīng)力值有一定影響，短配合配合接頭長(zhǎng)度對(duì)螺紋應(yīng)力值有一定影響，短配合接頭螺紋應(yīng)力值高于長(zhǎng)配合接頭。接頭螺紋應(yīng)力值高于長(zhǎng)配合接頭。 國(guó)標(biāo)國(guó)標(biāo)SY5200-93規(guī)定可用兩類長(zhǎng)度的接頭，即短規(guī)定可用兩類長(zhǎng)度的接頭，即短型和長(zhǎng)型。此規(guī)定對(duì)深井、大井眼欠妥。宜只采用長(zhǎng)型和長(zhǎng)型。此

19、規(guī)定對(duì)深井、大井眼欠妥。宜只采用長(zhǎng)型。即：型。即： A型兩端同徑：型兩端同徑：0.915m，B型兩端異徑：型兩端異徑：1.22m B型配合接頭大小端長(zhǎng)度分配型配合接頭大小端長(zhǎng)度分配 國(guó)標(biāo)國(guó)標(biāo)SY5200-93中規(guī)定大小端各二分之一長(zhǎng)度。欠妥，應(yīng)改為大端中規(guī)定大小端各二分之一長(zhǎng)度。欠妥，應(yīng)改為大端1/3總長(zhǎng)，小端總長(zhǎng)，小端2/3長(zhǎng)度總長(zhǎng)。增長(zhǎng)小端長(zhǎng)度有利于降長(zhǎng)度總長(zhǎng)。增長(zhǎng)小端長(zhǎng)度有利于降低小端應(yīng)力集中和減少失效。低小端應(yīng)力集中和減少失效。30扶正器長(zhǎng)度扶正器長(zhǎng)度 鉆柱型鉆柱型 l 國(guó)標(biāo)短型國(guó)標(biāo)短型 1.31.5m。l 宜加長(zhǎng)為宜加長(zhǎng)為2.22.5m。l 兩端車扣處特殊材質(zhì)要求。兩端車扣處特殊材質(zhì)

20、要求。l 結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)31 鉆柱靜力學(xué)分析鉆柱靜力學(xué)分析32鐘擺鉆具有限元計(jì)算結(jié)果鐘擺鉆具有限元計(jì)算結(jié)果鐘擺鉆具彎矩和彎曲應(yīng)力圖33穩(wěn)斜鉆具有限元計(jì)算結(jié)果穩(wěn)斜鉆具有限元計(jì)算結(jié)果穩(wěn)斜鉆具彎矩和彎曲應(yīng)力圖34增斜鉆具有限元計(jì)算結(jié)果增斜鉆具有限元計(jì)算結(jié)果增斜鉆具彎矩和彎曲應(yīng)力圖35鉆柱動(dòng)力學(xué)鉆柱動(dòng)力學(xué)（1）鉆柱動(dòng)力學(xué)分類及其控制技術(shù)（2）下部鉆柱有限元分析（3）非線性動(dòng)力學(xué)分析（4）減振和振動(dòng)解耦的動(dòng)力學(xué)研究36鉆柱振動(dòng)分類鉆柱振動(dòng)分類l自由振動(dòng)：彈性系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，若外界激勵(lì)不再作用于系統(tǒng)所發(fā)生的振動(dòng)l強(qiáng)迫振動(dòng)：被外界激勵(lì)控制的振動(dòng)l自激振動(dòng)：系統(tǒng)本身與外界相互作用，自動(dòng)激發(fā)的振動(dòng)l參數(shù)振

21、動(dòng)：隨機(jī)或周期地改變系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，由參數(shù)激勵(lì)引起的振動(dòng)37下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)分析下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)分析l下部鉆具組合的運(yùn)動(dòng)方程系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣系統(tǒng)的阻尼矩陣系統(tǒng)的剛度矩陣(t)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位移列陣 系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)廣義速度 系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)廣義加速度系統(tǒng)的等效節(jié)點(diǎn)載荷 )(t)K)(C)(MtRtt)(t)(t38下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果滿眼鉆具組合運(yùn)動(dòng)軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：60rpm，扶正器間隙：6mm）39下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果增斜鉆具組合運(yùn)動(dòng)軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：90rpm，扶正器間隙：6mm）40下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果穩(wěn)斜鉆

22、具組合運(yùn)動(dòng)軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：60rpm，扶正器間隙：6mm）41下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果下部鉆具運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果降斜鉆具組合運(yùn)動(dòng)軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：60rpm，扶正器間隙：6mm）42非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)分析非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)分析l非線形動(dòng)力學(xué)方程該方程與線形動(dòng)力學(xué)鉆柱方程一樣，只是剛度矩陣、阻尼矩陣和外力包括非線形項(xiàng)，求解方法也有所不同。 )(t)K)(C)(MtRtt43井鉆具組合和井眼尺寸井鉆具組合和井眼尺寸組 件名 稱長(zhǎng) 度 ( m)外 徑 ( mm )內(nèi) 徑 ( mm )扶 正 棱 外 徑( m m )累 計(jì) 長(zhǎng) 度 （ m）1鉆 頭0 . 44 4 2 . 50 .

23、 427 3 0 7 3 00 . 40 . 83鉆 鋌1 82 2 8 . 67 6 . 21 8 . 841 # 扶 正 器2 . 12 2 8 . 67 1 . 44 4 22 0 . 95鉆 鋌92 2 8 . 67 6 . 22 9 . 962 # 扶 正 器2 . 12 2 8 . 67 1 . 44 4 23 277 3 1 6 3 00 . 43 2 . 48鉆 鋌1 3 42 0 3 . 27 1 . 41 6 6 . 49震 擊 器1 02 0 3 . 21 7 6 . 41 0鉆 鋌1 82 0 3 . 27 1 . 41 9 2 . 41 16 3 1 4 1 00 .

24、 41 9 2 . 81 2鉆 桿6 8 21 2 71 0 8 . 98 7 6 . 8l17 1/2(442.5mm)井眼，雙扶正器鐘擺鉆具l鉆壓：8-12噸，轉(zhuǎn)速：50-60 rpm，鉆頭：17 1/2J22三牙輪鉆頭，泥漿密度1.15g/cm3l直井鉆進(jìn)至井深876.08米時(shí)，1#扶正器(距鉆頭18.8m)公扣斷。44井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對(duì)位移關(guān)系圖 轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對(duì)彎曲應(yīng)力關(guān)系圖45井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對(duì)彎矩關(guān)系圖 轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對(duì)復(fù)合應(yīng)力關(guān)系圖46井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)

25、算結(jié)果井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果l轉(zhuǎn)速為50、100和158rpm時(shí)出現(xiàn)較強(qiáng)烈的動(dòng)力響應(yīng)，說(shuō)明在實(shí)際操作中應(yīng)避開這些臨界轉(zhuǎn)速。該井的實(shí)際轉(zhuǎn)速比較接近50rpm，因此造成鉆具共振，導(dǎo)致1#扶正器公扣斷。47井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時(shí)的相對(duì)位移 臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時(shí)的相對(duì)彎曲應(yīng)力48井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果 臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時(shí)的相對(duì)橫向彎矩 臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時(shí)的相對(duì)復(fù)合應(yīng)力49井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果井非線形鉆柱動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果l在鉆頭與1#扶正器之間的鉆鋌聯(lián)接處，1#扶正器公扣處和2#扶正器公扣部位以及2#扶正

26、器后等4個(gè)位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，是容易失效的位置。這與第一章的實(shí)際統(tǒng)計(jì)規(guī)律相符。l大井眼鐘擺鉆具鉆鋌跨距長(zhǎng)，井眼間隙大，過(guò)大的不平衡力導(dǎo)致強(qiáng)烈的橫向彎曲振動(dòng)，在橫向位移較小的地方對(duì)應(yīng)著較大的彎曲應(yīng)力和彎距，因而橫向彎曲振動(dòng)橫向彎曲振動(dòng)是鐘擺鉆具失效的主要原因。l在整個(gè)鉆柱中，下部鉆具組合的動(dòng)力響應(yīng)明顯比鉆鋌至井口部分的鉆柱強(qiáng)烈，因此下部鉆具組合更易發(fā)生失效。50減振和振動(dòng)解耦的研究意義減振和振動(dòng)解耦的研究意義l為了減輕鉆柱縱振、橫振、扭振、沖擊對(duì)下部鉆具組合的損壞，須設(shè)計(jì)減振工具減振工具，并改進(jìn)下部鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；l針對(duì)振動(dòng)耦合，研究振動(dòng)解耦技術(shù)振動(dòng)解耦技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的下部鉆具組合，逐漸實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化鉆

27、井措施，提高機(jī)械鉆速。51水力加壓器原理水力加壓器原理 l水力加壓器原理是靠鉆頭噴嘴壓降或井底水力加壓器原理是靠鉆頭噴嘴壓降或井底動(dòng)力鉆具與噴嘴的壓降之和作用在活塞上動(dòng)力鉆具與噴嘴的壓降之和作用在活塞上產(chǎn)生鉆壓。設(shè)活塞面積為產(chǎn)生鉆壓。設(shè)活塞面積為S S，壓降為壓降為P P，則產(chǎn)生的鉆壓為則產(chǎn)生的鉆壓為 WOB=SWOB=S P Pl根據(jù)鉆井需要，已經(jīng)研制出系列的單行程根據(jù)鉆井需要，已經(jīng)研制出系列的單行程和雙行程水力加壓器和雙行程水力加壓器52單行程水力加壓器單行程水力加壓器l所有活塞的行程都一樣，流量和噴嘴參數(shù)設(shè)定后，其鉆壓不能更改。1上接頭；2上噴嘴；3變流元件；4一級(jí)活塞；5副缸體；6二級(jí)

28、活塞；7主缸體；8六方鉆桿。單行程水力加壓器結(jié)構(gòu)示意圖53雙行程水力加壓器雙行程水力加壓器u結(jié)構(gòu)、原理與單行程水力加壓器相同，只是活塞的行程不同；u當(dāng)所有的活塞都向鉆頭施加水力壓力，這段行程即為大鉆壓行程段；u當(dāng)只有部分活塞向鉆頭施加水力壓力，這段行程即為小鉆壓行程段u下井后，可通過(guò)使水力加壓器工作在不同下井后，可通過(guò)使水力加壓器工作在不同的行程段來(lái)改變鉆壓。的行程段來(lái)改變鉆壓。雙行程水力加壓器示意圖54水力加壓器與井下動(dòng)力鉆具串聯(lián)使用水力加壓器與井下動(dòng)力鉆具串聯(lián)使用 液體鉆鋌馬達(dá)鉆頭PiPa水力加壓器串聯(lián)在馬達(dá)下面水力加壓器液體鉆 鋌馬 達(dá)鉆 頭PiPa水 力 加 壓 器 串 聯(lián) 在 馬 達(dá)

29、 上 面水 力 加 壓 器55水力加壓器尺寸系列水力加壓器尺寸系列水力加壓器公稱尺寸（英寸）適用井徑（英寸）3 1/24 1/84 3/45 7/86 1/26 1/28 1/278 1/2912 1/4所有尺寸的水力加壓器都在油田得到了使用所有尺寸的水力加壓器都在油田得到了使用56水力加壓器試驗(yàn)結(jié)果水力加壓器試驗(yàn)結(jié)果l水力加壓器具有顯著減振和保護(hù)鉆柱作用，得到方補(bǔ)心扭水力加壓器具有顯著減振和保護(hù)鉆柱作用，得到方補(bǔ)心扭矩儀測(cè)得的轉(zhuǎn)盤扭矩?cái)?shù)據(jù)證實(shí)；矩儀測(cè)得的轉(zhuǎn)盤扭矩?cái)?shù)據(jù)證實(shí)；l鉆頭磨損減輕、斷齒減少，鉆頭進(jìn)尺和壽命提高；鉆頭磨損減輕、斷齒減少，鉆頭進(jìn)尺和壽命提高；l水力加壓器在水力加壓器在深井小井眼鉆井中深井小井眼鉆井中, ,成效