吳少博，程學(xué)亮，李治淼

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318） ①

·實驗研究·

流體作用下鉆柱運動狀態(tài)試驗研究

吳少博，程學(xué)亮，李治淼

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）①

考慮鉆柱在井口、井底的位移邊界條件和力邊界條件，建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動力學(xué)試驗裝置，進行了不同激振頻率、不同軸向激振力、不同排量條件下的桿柱振動試驗和不同軸向激振力、不同轉(zhuǎn)速、不同排量條件下的桿柱旋轉(zhuǎn)試驗。試驗結(jié)果表明，激振頻率、轉(zhuǎn)速和循環(huán)流體是影響鉆柱運動狀態(tài)的主要因素。在空氣介質(zhì)的情況下，隨著激振頻率的增加，桿柱的橫向位移基本保持不變，軸向激振力、軸向加速度有顯著增加；在循環(huán)流體作用下會減小軸向激振力、軸向加速度的增長趨勢。在空氣介質(zhì)的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸向激振力變化不大，而鉆柱的橫向位移、桿柱軸向加速度均呈現(xiàn)出增加的趨勢；但在循環(huán)流體的作用下，軸向激振力、振幅及鉆柱的加速度振幅都降低，加速度振幅也顯著降低?？梢?，流體循環(huán)可明顯改善桿柱振動。

鉆柱；振動；旋轉(zhuǎn)；試驗

幾十年來，許多從事直井防斜、井眼軌跡控制和研究鉆柱力學(xué)的中外學(xué)者基于不同的研究目標和研究方法，對鉆柱力學(xué)分析的理論分析進行了大量研究，提出了鉆柱在井眼中存在自轉(zhuǎn)、同步公轉(zhuǎn)、既有自轉(zhuǎn)也有公轉(zhuǎn)、反向轉(zhuǎn)動等不同運動狀態(tài)的假設(shè)［1－5］，并提出了許多對工程實踐具有指導(dǎo)意義的論點。為了進一步了解和分析井下旋轉(zhuǎn)鉆柱的實際運動狀態(tài)及其影響因素，大量學(xué)者在試驗室對鉆柱的實際工作狀態(tài)進行模擬。大量隨鉆測量數(shù)據(jù)表明，直井底部鉆具組合存在嚴重的橫向振動［6］，其危害遠大于軸向及扭轉(zhuǎn)振動［7－8］；文獻［9－10］等認為，不可能在地面觀測到井下彎矩，人們還沒有充分理解井下橫向振動的實質(zhì)。石油大學(xué)的管志川［11］以底部鉆柱實際工作環(huán)境為原形，根據(jù)相似原理建立的直井底部鉆具動力學(xué)研究試驗臺，研究了鉆壓、轉(zhuǎn)速對鉆柱運動狀態(tài)的影響，但該試驗沒有考慮流體對鉆柱運動狀態(tài)的影響。為此建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動力學(xué)試驗裝置，對循環(huán)流體對鉆柱的運動狀態(tài)的影響進行了試驗研究。并且根據(jù)探針式位移傳感器易憋針的現(xiàn)象，對測試系統(tǒng)進行了優(yōu)化，將橫向位移轉(zhuǎn)化成縱向位移進行測量，使試驗數(shù)據(jù)更準確，能夠更好地研究鉆柱地運動狀況。

1 模擬試驗裝置

為了研究鉆柱運動的規(guī)律，建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動力學(xué)模擬試驗裝置，如圖1。該試驗裝置分為懸掛系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)、流體循環(huán)系統(tǒng)、井底模擬系統(tǒng)、測量系統(tǒng)6大系統(tǒng)，可實現(xiàn)內(nèi)桿柱的上提、下放、旋轉(zhuǎn)及鉆井液循環(huán)等動作。通過6個測點對鉆柱運動狀態(tài)進行了研究，測點1為0m處井底模擬系統(tǒng)中的壓力傳感器測定細長桿柱底部的軸向力；測點2～5是通過4.3、8.6、12.6、16.3m處的位移傳感器測試4個測點的x、y方向的位移，測點6是20.7m處的模擬井口裝置中的加速度傳感器測定桿柱頂端的加速度。

流體循環(huán)系統(tǒng)的作用是模擬鉆井液循環(huán)，鉆井液的循環(huán)可攜帶巖屑、冷卻鉆具、潤滑鉆頭。本試驗臺循環(huán)液體的流程為水箱—離心泵—懸掛系統(tǒng)—內(nèi)桿柱—尾管—內(nèi)外管環(huán)空間隙—水箱，模擬鉆井液的循環(huán)。流體排量的控制方式有二種：一是通過變頻器控制離心泵的電機轉(zhuǎn)速；二是通過液壓回路來控制。

圖1 垂直旋轉(zhuǎn)鉆柱試驗裝置

桿柱的振動位移測試裝置采用探針式位移傳感器，連接方式如圖2。當鉆柱在較長時間的運動后，探針因受力容易彎曲，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的不準確性甚至憋針現(xiàn)象，影響測量結(jié)果。為了解決這一問題，研制了接觸式測試裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3，包括拉桿式位移傳感器、閥桿、密封圈、壓電式力傳感器等。測試裝置的閥頭靠彈簧力始終與內(nèi)桿柱接觸。當內(nèi)桿柱運動時，閥桿隨之運動，閥桿斜頭即推動位移傳感器探頭縱向移動，將橫向位移轉(zhuǎn)換為縱向位移進行測量，從而研究桿柱的橫向振動；閥桿同時壓縮彈簧，由測試裝置尾部的力傳感器測出橫向推力的大小。每組傳感器由x、y方向的2個位移傳感器和2個力傳感器組成，據(jù)此即可得到每個測點在平面上的運動軌跡，從而測量不同鉆壓、轉(zhuǎn)速、流量等條件下的桿柱運動狀態(tài)。

圖2 探針式位移傳感器連接方式

圖3 接觸式測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 桿柱振動試驗研究

2.1 空氣介質(zhì)

為了研究鉆柱在無水（空氣介質(zhì)）條件下的振動情況，進行了不同初始軸向力的不同激振頻率的試驗，試驗規(guī)律基本相同。

初始軸向力為244.65N，頻率為1、2、5、10Hz，試驗數(shù)據(jù)如表1。

由表1可知，鉆頭處激振力分別為－550～－420、－560～－420、－540～－400、－590～－410 N，激振力幅值分別為130、140、140、180N，10Hz頻率的幅值相對于1Hz增加了38.46%，相對于初始軸向力增加了20.44%，可見激振力幅值有顯著增加。由測點2～5的橫向位移可知，隨著頻率的增加，鉆柱的運動軌跡整體上有微小的增大。如表1可知，在8.6m測點軌跡基本在坐標（0.1，－0.9）附近處，這說明頻率對鉆柱的運動軌跡影響不大。測點6的加速度分別為0.02～0.11、0.02～0.12、0.01～0.11、0～0.13m／s2，加速度幅值分別為0.09、0.10、0.10、0.13m／s2，10Hz頻率的加速度幅值相對于1Hz增加了44.44%，可見在空氣介質(zhì)條件下，軸向激振力的頻率改變對桿柱的軸向加速度影響較大。

2.2 流動水介質(zhì)

為了研究循環(huán)流體對鉆柱振動的影響，在不同激振頻率下進行了不同初始軸向力、不同排量條件下的試驗，試驗規(guī)律基本相同。

以初始軸向力為347.59N、排量0.5m3／h、頻率為1、2、5、10Hz激振試驗為例，軸向激振力分別為－460～－410、－470～－410、－445～－375、－440～－360N，激振力的幅值分別為50、60、70、80N，10Hz頻率的幅值相對于1Hz增加了60%，相對于初始軸向力增加了8.63%，試驗數(shù)據(jù)如表2。

表1 空氣介質(zhì)條件下桿柱振動試驗數(shù)據(jù)

表2 水流動條件下桿柱振動試驗數(shù)據(jù)

由表2可見，在水流動條件下，隨著激振頻率的增加，軸向激振力的增加幅度比空氣介質(zhì)條件下要小50%以上；由測點2～5的橫向位移可知，隨著頻率的增加，鉆柱的運動軌跡基本上保持不變。例如在12.6m測點軌跡基本在坐標（3.2，0.85）處，這說明頻率對鉆柱的運動軌跡影響不大。測點6的加速度分別為0～0.18、－0.01～0.18、0～0.18、0～0.18m／s2，加速度幅值分別為0.18、0.19、0.18、0. 18m／s2，可見在水流動條件下，隨著激振頻率的增加，桿柱的加速度基本上沒有變化。

2.3 桿柱旋轉(zhuǎn)無水工況

為了研究鉆柱在無水旋轉(zhuǎn)情況下的運動狀態(tài)，進行了不同初始軸向力的不同轉(zhuǎn)速的試驗，以初始軸向力為311.50N、轉(zhuǎn)速分別為45、97、152、213r／min為例說明不同轉(zhuǎn)速對鉆柱的運動狀態(tài)的影響，試驗數(shù)據(jù)如表3。

表3 無水（空氣介質(zhì)）條件下的桿柱旋轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)

由表3可見，不同轉(zhuǎn)速條件下，軸向激振力分別為－320～－200、－375～－245、－390～－250、－410～－220N，激振力的幅值分別為120、130、140、190，10Hz頻率的幅值相對于1Hz增加了36.8%，可見213r／min轉(zhuǎn)速下的激振力較大，幅值差約為190N，最大激振力為410N，軸向激振力隨轉(zhuǎn)速的增加略有增加；隨著轉(zhuǎn)速的增加，桿柱橫向位移的幅值略有增大。同一激振力條件下，轉(zhuǎn)速的改變對橫向位移也有影響。測點6的加速度分別為－0.3～0.3、－0.7～0.7、－2.0～2.0、－3.0～3.0m／s2，其幅值分別為0.6、1.4、4.0、6.0m／s2，213r／min下的加速度幅值為45r／min下的10倍，可見隨著轉(zhuǎn)速的增加，鉆柱的軸向加速度隨之顯著增加。

2.4 桿柱旋轉(zhuǎn)水流動工況

為了研究循環(huán)流體對旋轉(zhuǎn)鉆柱在不同轉(zhuǎn)速試驗下的影響，分別做了不同初始軸向力、不同排量條件下的不同轉(zhuǎn)速的試驗。以軸向力為299.47N、排量為1m3／h，轉(zhuǎn)速分別為45、97、152、213r／min的不同轉(zhuǎn)速的試驗為例說明循環(huán)流體對鉆柱運動狀態(tài)的影響，試驗數(shù)據(jù)如表4。由表4可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，激振力分別為－280～－140、－290～－140、－310～－160、－320～－180N，幅值分別為140、150、150、140N，可見在水流動條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，激振力有略微增大，但幅值沒有明顯變化；4個測點的橫向位移幅值分別為1.6、2.8、2.5、5.2 mm，由測點2～5的橫向位移可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，桿柱橫向位移的幅值略有增大，可見鉆柱的運動區(qū)域呈現(xiàn)出擴大的趨勢；測點6的加速度分別為－0.4～0.4、－0.7～0.8、－0.5～0.5、－0.6～0.8 m／s2，其幅值分別為0.8、1.5、1.0、1.4m／s2，隨著轉(zhuǎn)速的增加，鉆柱的加速度呈現(xiàn)出先增大后略減小的非線性變化趨勢。

表4 水流動條件下的桿柱旋轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1） 分析了底部鉆具組合實際工作環(huán)境與工作狀態(tài)，建立了直井內(nèi)鉆柱與鉆井液耦合動力學(xué)試驗裝置，可以實現(xiàn)底部鉆具組合在循環(huán)流體作用下的試驗，并對鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆壓波動值等參數(shù)的測量。

2） 在桿柱振動試驗中，無水時，隨著頻率的增加，軸向激振力、軸加速度有顯著增加，桿柱的橫向位移基本保持不變。在有循環(huán)流體的作用下，隨著頻率的增加，軸向激振力增加，鉆柱的運動軌跡、加速度基本上沒有變化。與無流體工況相比，軸向激振力明顯減小，可見流體環(huán)境能夠改善桿柱振動。

3） 在桿柱旋轉(zhuǎn)試驗中，無水時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸向激振力略有增加，而鉆柱的橫向位移、桿柱軸向加速度均呈現(xiàn)出增加的趨勢；在有循環(huán)流體的作用下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，桿柱底部激振力、頂端軸向加速度略有增加，桿柱橫向位移增大，鉆柱的運動區(qū)域呈現(xiàn)出擴大的趨勢；與無水工況相比，有水條件下會使軸向激振力、振幅及鉆柱的加速度振幅降低，加速度振幅也顯著降低，可見轉(zhuǎn)速愈高，扭轉(zhuǎn)振動愈強烈，流體循環(huán)可明顯改善桿柱運動狀態(tài)。

［1］ 章楊烈，肖載陽，端木綱.旋轉(zhuǎn)鉆柱運動原理的研究［J］.石油礦場機械，1988，17（2）：1－6.

［2］ 高寶奎，高德利，謝金穩(wěn).鉆柱渦動及其應(yīng)用［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1997，21（1）：25－27.

［3］ 署恒木，呂英民，蔡強康.下部鉆具組合的動態(tài)分析［J］.石油學(xué)報，1992，13（1）：108－117.

［4］ Millheim K K，apostal C.How BHA dynamics affect on bit trajectory［J］.World Oil，1981，92（6）：183－205.

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［6］ 肖文生，于桂杰.起下鉆鉆柱縱振理論分析［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：24－26.

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［9］ 于桂杰，殷有財，肖文生.頂驅(qū)鉆井柔性鉆柱動力學(xué)特性分析［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：1－5.

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［11］ 管志川，靳彥欣，王以法.直井底部鉆柱運動狀態(tài)的試驗研究［J］.石油學(xué)報，2003，24（5）：102－106.

Experimental Research on Motion Behavior of Drill String under Fluid Action

WU Shao－bo，CHENG Xue－liang，LI Zhi－miao
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

Considering the displacement and force boundary conditions of drill string at the position of the top and the bottom of well dynamics experimental device of drill fluid coupling in straight hole was built to do two kinds of test：the column vibrating experiment under the conditions of different vibrating frequency，different axial excitation force and different flux and the column rotating test under the conditions of different axial excitation force，different rotating speed and different flux.The experimental results showed that，vibration frequency，rotary speed and flux were the main factors affecting the motion state of drill string.Under the air medium conditions，with the vibration frequency increased，the radial displacement of the column was unchanged，but vibration force and axial acceleration increased significantly.Under the action of circulation fluid，the growth trend of the axial vibration force and acceleration would be reduced.Under the air medium conditions，with the rotating speed increased，vibration force had no change obviously；the drill string transverse displacement and the pole axial acceleration were increasing，but the axial vibration force，amplitude and the acceleration of the drill string amplitude were reduced under the ac－tion of fluid in circulation，acceleration amplitude reduced significantly，too.So，fluid circulation can improve the pole vibration，obviously.

drill string；vibration；rotary；experiment

1001－3482（2012）01－0037－06

TE921.2

A

2011－07－19

黑龍江省青年科學(xué)基金資助項目（QC2010068）；國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃項目研究成果（091022011）

吳少博（1989－），男，黑龍江大慶人，參與了自然科學(xué)基金項目“旋轉(zhuǎn)鉆柱與鉆井液耦合動力學(xué)分析方法研究”，E－mail：wushaobo79＠126.com。