朱全塔 鄒宗明 黃 兵 馬林虎 夏家祥

1. 國民油井格蘭特鉆具有限公司 2.中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探公司3. 中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司 4. 中國石化西南石油工程公司

導(dǎo)致鉆鋌失效的井下振動分析及其解決方案

朱全塔1鄒宗明2黃 兵3馬林虎1夏家祥4

1. 國民油井格蘭特鉆具有限公司 2.中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探公司3. 中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司 4. 中國石化西南石油工程公司

朱全塔等.導(dǎo)致鉆鋌失效的井下振動分析及其解決方案.天然氣工業(yè)，2016,36(12): 80-86.

在某些區(qū)塊或地層尤其是大井眼鉆進時，因井下存在較為嚴重的振動，鉆鋌出現(xiàn)頻繁的疲勞破壞，且多數(shù)刺漏、斷裂處于螺紋根部。分析上述鉆鋌失效的原因后發(fā)現(xiàn)：井下嚴重的振動所引起的循環(huán)往復(fù)彎曲應(yīng)力導(dǎo)致了該種疲勞破壞。為此，對井下振動模式進行理論分析，包括縱向振動、橫向振動和粘滑（扭轉(zhuǎn)）振動及力學(xué)界建立的物理模型，從理論角度剖析了實際井下不同振動形式可能產(chǎn)生共振的危害和理論依據(jù)；然后根據(jù)鉆柱井下橫向振動情況及渦動規(guī)律，分析了根據(jù)既定的邊界條件確保穩(wěn)定的鉆井參數(shù)的最佳區(qū)域，闡釋了在最佳區(qū)域內(nèi)鉆井，既可以保持鉆具的穩(wěn)定或消除渦動和粘滑振動以獲得最大機械鉆速，還可以減少或消除下部鉆具尤其是鉆鋌的交變應(yīng)力疲勞的認識。最后提出了減弱和消除井下振動的解決方案：①根據(jù)特定的鉆具組合、鉆井環(huán)境，運用上述建立的物理和數(shù)學(xué)模型，可以較為方便地計算出應(yīng)該避免的可能引起井下共振的轉(zhuǎn)速及相關(guān)參數(shù)，且共振轉(zhuǎn)速恰恰就是最佳防振轉(zhuǎn)速，利用井下振動分析軟件在鉆具組合設(shè)計和現(xiàn)場施工時可以避開共振頻率；②V形扶正器是一種新穎且高效的減弱和消除井下橫向和粘滑振動的工具。

縱向振動 橫向振動 扭轉(zhuǎn)（粘滑）振動 共振 鉆鋌疲勞失效 振動 分析軟件 V形扶正器

筆者在近年的鉆具技術(shù)交流、現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)失效分析討論時發(fā)現(xiàn)一個共性：在某些區(qū)塊或地層尤其是大井眼鉆進時，鉆鋌出現(xiàn)頻繁的疲勞破壞，且多數(shù)刺漏、斷裂處于螺紋根部，同時從地面和鉆井參數(shù)觀察到或判斷井下存在較為嚴重的振動，由此導(dǎo)致鉆鋌過早疲勞破壞。通過對這種鉆鋌失效的原因分析表明：井下存在嚴重的振動所引起的循環(huán)往復(fù)彎曲應(yīng)力是該疲勞破壞的主要原因，藉此入手，對井下振動模式和危害進行了理論分析歸納，最終對減弱和消除井下橫向振動和粘滑振動提出了具有理念突破式的有效工具解決方案。

表1 石福1井鉆鋌失效斷裂情況統(tǒng)計

1 同類鉆鋌失效情況分析和問題提出

案例1：石福1井[1]位于重慶豐都興義鎮(zhèn)楊柳寺，該井于12月4日開鉆，從16日到30日，在井深155～800 m鉆進過程中共發(fā)生4次大井眼鉆鋌失效。其中?165.1 mm鉆鋌母扣根部刺穿2根，斷裂1根，?203.2 mm鉆鋌斷裂1次。具體情況如表1所示。

圖1 鉆鋌斷裂照片

該井4次失效都發(fā)生在鉆進井深800 m的淺井段，從斷口表觀看均屬疲勞破壞，鉆進都采用了扶正器鉆具組合，扭矩介于6 000～12 000 N·m，波動范圍較大；同時鉆進時蹩跳鉆特別嚴重，鉆壓波動范圍介于50～400 kN。圖1-a為石福1井第2次鉆鋌斷裂照片。

案例2：磨溪29井[2]，2013年9月19日8:36鉆進至井深885.42 m時發(fā)現(xiàn)懸重由545 kN降至486 kN，泵壓由11.6 MPa降至7.7 MPa，雙泵沖由105次/min升至108次/min，上提鉆具未回轉(zhuǎn)，現(xiàn)場判斷為井下鉆具斷裂。至13:50起鉆完發(fā)現(xiàn)井下鉆具自第一根直徑203.2 mm鉆鋌距母扣端0.13 m處以下鉆具斷裂，如圖1-b所示。

根據(jù)格蘭特鉆具公司對大量的鉆具疲勞實驗結(jié)果[3]的分析表明，循環(huán)往復(fù)彎曲是一種常見的鉆柱疲勞形式，其具有累積性和不可逆性，這就決定了疲勞和使用時間有著很直接的關(guān)系，但使用時間不是衡量鉆具疲勞的唯一因素，鉆具所受應(yīng)力大小也是非常關(guān)鍵的因素[4]。井下振動所引起的循環(huán)往復(fù)彎曲是引起這種疲勞破壞的主要原因，且與振動幅度和頻率有直接的關(guān)系。

根據(jù)鉆鋌螺紋連接疲勞相關(guān)失效機理及研究[5]表明：鉆鋌疲勞失效的主要部位集中在螺紋連接處的1～5螺紋牙，失效原因主要是因為螺紋根部的應(yīng)力集中而造成的疲勞。鑒于上述失效分析和理論探討，如何認識和消除井下振動成為解決這種疲勞失效的重要解決途徑。

2 井下振動分析及其解決方案

2.1井下振動類型

井下總是存在不同程度的振動，多年來這方面的研究也取得了不少進展[6]，一般說來，井下鉆具振動有三種：縱向振動也即跳鉆，橫向振動和粘滑（扭轉(zhuǎn)）振動。其表現(xiàn)形式有單一出現(xiàn)，但往往又是兩種或多種同時存在的。

2.1.1 縱向振動

俗稱跳鉆，一般由于鉆頭在井底存在不均鉆壓或井底不平產(chǎn)生壓力波動產(chǎn)生振動激勵源，加之鉆具本身存在周期性振幅，若產(chǎn)生共振復(fù)合，就形成了有時很嚴重的鉆具上下彈跳，這在大井眼淺井段尤為明顯，軟硬地層交互則更為嚴重。圖2所示的是石福1井扭矩和鉆壓原始記錄儀卡片，從中可以看出：扭矩大幅變化，其變化范圍介于8 200～13 270 N·m，從現(xiàn)場原始記錄儀卡片（2015年12月17日正常鉆進）來看：自17日上午10:00到18日凌晨3:00，鉆壓波動在50～400 kN，顯示跳鉆厲害，嚴重時無法鉆進。

圖2 石福1井扭矩和鉆壓原始記錄儀卡片

2.1.2 橫向振動

一般是指下部鉆具組合不規(guī)則的或周期性的橫向振動，其原因是由鉆具組合本身、鉆頭類型以及地層等綜合因素引起的；渦動是橫向振動的一種突出表現(xiàn)形式，分為正向渦動和反向渦動，反向渦動是一種對鉆具和機械鉆速都是危害較大的運動形式[7]。如磨溪29井的鉆井參數(shù)曲線顯示（圖3）：鉆壓的跳動介于60～120 kN，而扭矩的波動介于18 000～24 000 N·m，由此均可以看出井下存在嚴重的橫向和粘滑振動，從刺漏、斷裂照片均可以確認為典型的因交變應(yīng)力疲勞累積而導(dǎo)致的鉆鋌螺紋根部早期失效。因此在存在嚴重的井下振動的鉆井施工中，出現(xiàn)鉆鋌先期或頻繁失效在一定程度上成為現(xiàn)場的共識[8]。

圖3 磨溪29井鉆鋌斷裂井段的鉆井參數(shù)曲線

2.1.3 粘滑（扭轉(zhuǎn)）振動

由于鉆頭（無論牙輪還是PDC）在井底總是存在吃入地層—能量積聚—能量釋放—破巖的周期性，鉆柱的旋轉(zhuǎn)能量突然釋放，鉆頭轉(zhuǎn)速很快，鉆柱解繞，扭矩就降低，然后鉆頭轉(zhuǎn)動速度再次變慢，周而復(fù)始；同時，鉆柱本身在井筒內(nèi)與井壁及其他介質(zhì)的摩擦也在一定程度上激勵放大了這種振動[9]。

圍繞井下鉆柱振動和動力學(xué)的理論研究取得了不少進展，基本走過了通過表象推斷、假想推測的階段，已建立了較完備的相關(guān)物理模型，其最基礎(chǔ)、最主要的模型應(yīng)屬F.Kreisle所提出的：假設(shè)鉆柱為兩端鉸支承的彈性直梁所建立的偏微分方程[10]：

式中z表示沿鉆柱軸向的坐標；u表示鉆柱離開坐標原點某一距離上的橫截面的縱向位移；t表示時間；a2=E/ρd；其中ρd表示鉆柱鋼材密度；E表示鉆柱的彈性模量。

初期的振動研究主要集中在井下振動方式和模型的建立等方面，自20世紀80年代中后期，國內(nèi)外對鉆具運動狀態(tài)的研究重點由軸向振動、扭轉(zhuǎn)振動及屈曲等轉(zhuǎn)向了鉆具橫向振動以及橫向振動與其他運動形式的耦合，并在預(yù)測井下共振方面取得了不少進展。80年代末開始對渦動進行研究，大量隨鉆測量數(shù)據(jù)表明，下部鉆具存在嚴重的橫向振動，其危害遠大于軸向及粘滑（扭轉(zhuǎn)）振動[11]。

2.2井下振動解決方案

2.2.1 鉆柱振動分析軟件

針對鉆柱井下橫向振動情況及渦動規(guī)律，研究認為[12]：對于一個給定的條件下，觸發(fā)渦動和扭轉(zhuǎn)振動的臨界鉆壓、轉(zhuǎn)速（RPM）是可以預(yù)測的，如圖4所示，根據(jù)既定的邊界條件，其中給出了穩(wěn)定的鉆井參數(shù)的邊界，在坐標系內(nèi)的封閉區(qū)域被稱為最佳區(qū)域。渦動的表現(xiàn)形態(tài)有兩種：反向渦動(逆自轉(zhuǎn)方向)狀態(tài)和正向渦動(順自轉(zhuǎn)方向)，反向渦動源于鉆與井壁之間的碰摩作用，當(dāng)下部鉆柱與井壁之間發(fā)生全周碰摩時，其反向渦動狀態(tài)相當(dāng)于鉆柱沿井壁反向無滑動滾動，更加劇了井下橫向振動，有時頻率甚至超過了鉆柱轉(zhuǎn)速，這種高頻振動及其產(chǎn)生的反向彎曲交變應(yīng)力，對鉆井作業(yè)十分不利，尤其容易造成短期鉆具疲勞破壞、鉆頭尤其是保徑齒的提前損壞等。

圖4 井下振動最佳區(qū)域示意圖

故此，確保在最佳區(qū)域內(nèi)的鉆井參數(shù)可以保證鉆具的穩(wěn)定性；反之，保持鉆具的穩(wěn)定或消除渦動和粘滑振動在可以獲得最大機械鉆速的同時，還可以減少和消除下部鉆具尤其是鉆鋌的交變應(yīng)力疲勞，這也對鉆具組合在設(shè)計時就應(yīng)該檢查核算是否存在共振提出了軟件要求。

在鉆柱振動和動力學(xué)物理模型以及最基本的振動偏微分方程（1）的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的邊界條件，可以進一步建立鉆柱縱向和橫向振動的偏微分方程，為模擬實際井下振動計算鉆柱縱向、橫向和粘滑（扭轉(zhuǎn)）等共振頻率提供了理論依據(jù)。

根據(jù)特定的鉆具組合、鉆井環(huán)境（包含鉆井液、鉆頭等），運用上述建立的物理和數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)在可以較為方便地計算出應(yīng)該避免的可能引起井下共振的轉(zhuǎn)速及相關(guān)參數(shù)，而事實表明：共振轉(zhuǎn)速恰恰就是最佳防振轉(zhuǎn)速，不少工程軟件公司（如T.H. Hill、Schlumberger和Paradigm等）都有較為成熟的井下振動分析軟件[13]，為鉆具組合在設(shè)計之初就主動考慮避免了可能導(dǎo)致井下振動的組件、規(guī)格和因素，還可以進一步為現(xiàn)場施工時如何避開共振頻率和參數(shù)提供了很好的指導(dǎo)。

2.2.2 工具解決方案——V形扶正器

基于對鉆柱井下振動分析和研究的不斷深入，相關(guān)學(xué)者和專家也在不斷嘗試找到減弱或消除井下振動的解決辦法。縱向減震器利用彈簧吸振原理在很大程度上解決了井下縱向振動（跳鉆問題），但針對破壞更嚴重的井下橫向振動和粘滑（扭轉(zhuǎn)）振動卻始終沒有很好的解決方案[6]。近年來有學(xué)者提出了V形扶正器[14]，簡單實用，很好地解決了井下橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動尤其是反向渦動。這是一個新穎的理念且是對傳統(tǒng)扶正器的一個大膽突破，但還沒有廣為人知和被現(xiàn)場推廣使用。

2.2.2.1 V形扶正器結(jié)構(gòu)及工作原理

V形扶正器結(jié)構(gòu)簡單，如圖5所示，較之傳統(tǒng)扶正器減少了1個扶正翼，V形的兩翼做了角度調(diào)整，確保扶正塊外圓中心和本體中心重合。

圖5 V形扶正器示意圖

V形扶正器的主要功能是依靠其兩翼主動激勵了一個有益的正向同步渦動，大大干擾和消除了以反向渦動為主的井下橫向振動，同時提供了一個扭轉(zhuǎn)振動的緩沖器，其工作原理圖6所示。V形扶正器隨鉆柱自轉(zhuǎn)時，在初始受力點和第二受力點的反作用力作用下，產(chǎn)生了一個正向同步渦動的運動趨勢，當(dāng)這個運動繼續(xù)加強時，第二扶正翼接觸到了井壁，在反作用力的作用下又試圖把V形扶正器推回其原始位置，見圖6-b，這樣就形成了一個有規(guī)律的正向同步渦動，由于這種渦動是主動和同步的，可以抵消很大一部分反向有害渦動；另一方面，這個主動的同步正向渦動，還對井下存在的粘滑振動起到一個輔助剎車作用：在鉆柱低速或憋停狀態(tài)時，這個穩(wěn)定同步渦動起到提速作用，在鉆柱高速轉(zhuǎn)動時，它恰恰起到降速剎車作用，大幅吸收了粘滑振動的能量。

2.2.2.2 V形扶正器的特點

現(xiàn)場井下實測結(jié)果表明：①V形扶正器可以主動激勵產(chǎn)生正向同步渦動；②正向同步渦動可使井下鉆柱抵抗高頻振動和削弱隨機沖擊；③V形扶正器產(chǎn)生的正向同步渦動頻率僅為同心扶正器的1/6，可以吸收井下橫向振動的能量；④V形扶正器產(chǎn)生的正向同步渦動由于其低速穩(wěn)定，對井下的粘滑振動是一個有效的輔助剎車；⑤V形扶正器的產(chǎn)生正向同步渦動的關(guān)鍵：安放位置在鉆柱中和點以上且達到一定的轉(zhuǎn)速。

2.2.2.3 V形扶正器的應(yīng)用案例

該V形扶正器在澳大利亞的1口大井眼（?311.2 mm）中減少井下振動的使用情況，井況和地層完全相同，如圖7所示。紅線之上部分為第15趟不帶V形扶正器的鉆具組合的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的實測曲線：第3、4列為扭矩和地面轉(zhuǎn)速，可以看到該曲線值大幅度的波動，說明井下存在嚴重的粘滑振動；第5、6列為井下x、y軸的側(cè)向加速度和x-y坐標系加速度，其值的大幅跳躍說明井下存在嚴重的橫向振動和渦動。紅線以下部分為第16趟配有V形扶正器的鉆具組合，對比曲線可以看出：帶有V形扶正器的鉆具組合幾乎削弱了全部的井下振動，第2列的曲線表明機械鉆速也大大增加。

圖8為墨西哥灣同一地區(qū)相鄰的5口井利用V形扶正器的鉆具組合的對井下振動消的振效果，前3口井為相同的未帶V形扶正器的鉆具組合，實測曲線為專門測井下側(cè)向加速度的黑匣子數(shù)據(jù)分析結(jié)果：黃色和紅色部分分別代表井下該井段x、y軸的側(cè)向加速度和，表明在存在嚴重的橫向振動或渦動，后兩口井為帶有V形扶正器的相同鉆具組合，對比實測曲線可以看出該井段消除了絕大部分的井下振動。

現(xiàn)場實用結(jié)果表明：V形扶正器基于其主動激勵產(chǎn)生的低頻正向同步渦動，有效地抵消了井下產(chǎn)生的有害反向渦動，同時又大幅吸收了井下存在的有害粘滑振動，是一種非常有效的減弱和吸收井下橫向和粘滑振動的工具。加之其結(jié)構(gòu)簡單，無零部件，較之縱向減振器無失效井下落物的風(fēng)險，可以說是一種很好的井下振動解決方案[1]。

圖6 V形扶正器工作原理示意圖

3 結(jié)論

1）井下存在嚴重的縱向振動即跳鉆、橫向和粘滑（扭轉(zhuǎn)）振動，導(dǎo)致了鉆鋌螺紋根部早期失效，井下振動所引起的循環(huán)往復(fù)彎曲是引起這種疲勞破壞的主要原因，且與振動幅度和頻率有直接的關(guān)系。

圖7 V形扶正器減振效果對比曲線圖

圖8 V形扶正器減振效果對比曲線圖

2）井下縱向振動、橫向及粘滑（扭轉(zhuǎn)）振動等運動形成的共振和渦動，對鉆井作業(yè)十分不利，容易造成短期鉆具疲勞破壞、鉆頭以及保徑齒的提前損壞等。

3）根據(jù)鉆柱井下橫向振動情況及渦動規(guī)律，確保在最佳區(qū)域內(nèi)的鉆井參數(shù)可以保證鉆具的穩(wěn)定性。

4）運用建立的物理和數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)在可以較為方便地計算出應(yīng)該避免的可能引起井下共振的轉(zhuǎn)速及相關(guān)參數(shù)，在鉆具組合設(shè)計和現(xiàn)場施工時可以避開共振頻率。

5）V形扶正器依靠其主動激勵產(chǎn)生的低頻正向同步渦動，有效地抵消了井下產(chǎn)生的有害反向渦動，同時又大幅吸收了井下存在的有害粘滑振動，是一種非常有效的減弱和吸收井下橫向和粘滑振動的工具。加之其結(jié)構(gòu)簡單且為一體式，較之縱向減振器無失效井下落物的風(fēng)險，是一種很好的井下振動解決方案。

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（修改回稿日期 2016-10-31 編 輯凌 忠）

Downhole vibration causing a drill collar failure and solutions

Zhu Quanta1, Zou Zongming2, Huang Bing3, Ma Linhu1, Xia Jiaxiang4
(1.Beijing Office of NOV Grant Prideco, Beijing 100007, China;2.Chuanxi Division of CNPC Chuanqing Drilling Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610500, China;3.Chuandong Division of CNPC Chuanqing Drilling Co., Ltd., Chongqing 432001, China;4.Sinopec Southwest Drilling Company, Deyang, Sichuan 614000, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.80-86, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

In large borehole drilling of some blocks or formations, due to serious downhole vibration, fatigue failure of a drill collar occurs frequently and most washouts and fractures are in thread root. An analysis of the above failure shows that the drill collar fatigue failure is caused by the cyclic bending stress due to serious downhole vibration. Therefore, downhole vibration modes were theoretically analyzed in terms of axial vibration, lateral vibration, stick-slip, and the physical model established by the mechanical vibration field. Then the resonance damage caused by the actual different downhole vibrations and its theoretical basis were analyzed; and according to the downhole drillstring lateral vibration and whirling law, the best area to ensure drilling parameter stability based on the given boundary conditions was figured out, and the theory was clarified that in the best area of drilling, the maximum ROP will be achieved by maintaining the drillstring stable or eliminating the vibration/stick-slip, meanwhile the stress fatigue of BHA will be reduced or eliminated especially for drill collar. Finally, solutions were provided as follows: (1) According to the special BHA, drilling conditions, together with physical and mathematical models listed above, downhole resonance speed and related parameters to be avoided can be easily figured out. It was also clarified that resonance speed is exactly the vibration speed that need to be avoided; and that the resonance frequency can be avoided with software for vibration analysis in BHA design and application at well sites; (2) V-Stab is a new and efficient tool which can reduce or eliminate downhole lateral vibration and stick-slip.

Axial vibration; Lateral vibration; Stick-slip; Resonance; Drill collar; Fatigue failure; Software for vibration analysis; V-Stab

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.011

朱全塔，1970年生，高級工程師，碩士；現(xiàn)在國民油井格蘭特鉆具有限公司從事鉆具技術(shù)管理與服務(wù)工作。地址：（100007）北京市東直門南大街來福士中心辦公樓。電話：（010）57070862。ORCID: 0000-0001-7326-9703。E-mail: quanta.zhu@nov.com