制約勘探開發(fā)效益的鉆柱技術(shù)因素

1、1 2 l （1 1）我國目前在山前構(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題的戰(zhàn)略措施是：柱事故。本文提出了解決這一問題的戰(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，這在國外己是成熟技術(shù)，國內(nèi)在南海鉆井中己的井眼，這在國外己

2、是成熟技術(shù)，國內(nèi)在南海鉆井中己 成功使用過。成功使用過。 內(nèi)加厚過渡帶刺穿仍是鉆桿失效的主要形式，解決這一內(nèi)加厚過渡帶刺穿仍是鉆桿失效的主要形式，解決這一 問題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)內(nèi)加厚過渡帶。但涉及到非問題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)內(nèi)加厚過渡帶。但涉及到非APIAPI 標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可問題。標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可問題。 3 4 5 6 7 8 9 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 (

3、(r/min)r/min) 泵壓泵壓 ( (MPaMPa) ) xxxxxx 1 1606010108 81401401919 一級(jí)鉆桿一級(jí)鉆桿 ( (相同區(qū)塊相同區(qū)塊) ) 2 235355 56-86-81401401919 3 360605 56-86-81401402020 4 450505 56-86-81401402020 5 530305 56-86-81401401919 6 625255 58-128-121401401919 7 74040151510101301301919 8 8909010108-108-1013013019.519.5 9 9303010108-10

4、8-101301301919 101025255 58-108-101301302020 11116 66 68-108-101301302020 12125 55 58-108-101301302020 xxxxx 無刺漏無刺漏4-64-690902020 10 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) ) aaa 1 170708 84-64-6

5、1201201515 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后不再刺穿。后不再刺穿。 2 220207 74-64-612012018.518.5 3 3303010104-64-61201201818 4 4202010104-64-6120-140120-14018.518.5 5 5303015156 61401401717 6 6202010106 61401401818 7 7151510106 61401401818 8 820205 56 61201201818 9 920205 54-64-61401401818 aaa

6、aa 無刺漏無刺漏4-64-680-9080-901818 11 APIAPI失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)及揭示的問題包括：失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)及揭示的問題包括： 確定確定API 5D API 5D 規(guī)定的內(nèi)錐面長度與刺穿、斷事故規(guī)定的內(nèi)錐面長度與刺穿、斷事故 率的相關(guān)性。率的相關(guān)性。 證實(shí)鉆桿過早破壞及發(fā)生的原因。證實(shí)鉆桿過早破壞及發(fā)生的原因。 12 l 失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)及揭示的問題包括：失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)及揭示的問題包括： 17851785例失效中的例失效中的84%84%發(fā)生在加厚過渡帶加厚過渡帶指加厚發(fā)生在加厚過渡帶加厚過渡帶指加厚 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

7、.5m m內(nèi)。由于內(nèi)。由于 只有剖開才能測加厚過渡帶，只有剖開才能測加厚過渡帶，84%84%的失效說明不了與內(nèi)加的失效說明不了與內(nèi)加 厚尺寸的相關(guān)性。只有厚尺寸的相關(guān)性。只有16%16%剖開檢查。剖面軌道儀檢測說剖開檢查。剖面軌道儀檢測說 明不了問題。明不了問題。 很難測量加厚過渡帶起點(diǎn)和終點(diǎn)。很難測量加厚過渡帶起點(diǎn)和終點(diǎn)。 熱鐓粗過程造成內(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

8、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 加厚過渡帶刺穿加厚過渡帶刺穿 3 3 鉆柱失效案例失效規(guī)律鉆柱失效案例失效規(guī)律 15 16 17 鉆柱失效案例鉆柱失效案例 失效 率高 18 19 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)或國標(biāo)準(zhǔn)或國 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. .

9、l 一個(gè)值得關(guān)注的問題是，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和國標(biāo)規(guī)定了縱向取樣的夏比沖擊功值，對(duì)橫問沖擊功值未和國標(biāo)規(guī)定了縱向取樣的夏比沖擊功值，對(duì)橫問沖擊功值未 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)

10、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。現(xiàn)在的問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?，F(xiàn)在的問題是不宜追求 過高的縱向沖擊功值，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 加厚過渡帶刺穿的鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和材加厚過渡帶刺穿的鉆柱運(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)在研究鉆桿刺穿過程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分重要的現(xiàn) 象，高轉(zhuǎn)

11、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)問題也比較嚴(yán)重。穿等損環(huán)問題也比較嚴(yán)重。 這一問題與鉆桿在套管內(nèi)或硬地層井眼內(nèi)剛性井這一問題與鉆桿在套管內(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 加厚過渡帶刺穿的鉆柱運(yùn)

12、動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和加厚過渡帶刺穿的鉆柱運(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

13、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)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

14、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夏比沖擊功事實(shí)上很多刺穿鉆桿的鋼材檢測夏比沖擊功 己高達(dá)己高達(dá)90焦?fàn)栆陨?。焦?fàn)栆陨稀?23 綜合措施解決動(dòng)態(tài)斷問題綜合措施解決動(dòng)態(tài)斷問題 l 在鉆桿接頭上裝非旋轉(zhuǎn)保護(hù)器、彈性結(jié)構(gòu)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)加厚過渡帶，改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，最好不要有內(nèi)加厚過渡帶， 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

15、到非位置。但這又涉及到非API標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問題。標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問題。 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 一問題。一問題。 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)可問題。塔指、西南

16、標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問題。塔指、西南 石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這一問題。石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這一問題。 (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 25 26 l 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)。目前國標(biāo)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)

17、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或國標(biāo)規(guī)定的指標(biāo)體系或或國標(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

18、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)太低 現(xiàn)行國標(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 5

19、5 焦耳 晶粒度大于9級(jí) 29 配合接頭長度 配合接頭長度對(duì)螺紋應(yīng)力值有一定影響，短配合配合接頭長度對(duì)螺紋應(yīng)力值有一定影響，短配合 接頭螺紋應(yīng)力值高于長配合接頭。接頭螺紋應(yīng)力值高于長配合接頭。 國標(biāo)國標(biāo)SY5200-93規(guī)定可用兩類長度的接頭，即短規(guī)定可用兩類長度的接頭，即短 型和長型。此規(guī)定對(duì)深井、大井眼欠妥。宜只采用長型和長型。此規(guī)定對(duì)深井、大井眼欠妥。宜只采用長 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度分配型配合接頭大小端長度分配 國標(biāo)國標(biāo)SY5200-93 中規(guī)定大小端各二分之一長度。欠妥，應(yīng)改為大端中規(guī)定大

20、小端各二分之一長度。欠妥，應(yīng)改為大端 1/3總長，小端總長，小端2/3長度總長。增長小端長度有利于降長度總長。增長小端長度有利于降 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 扶正器長度扶正器長度 鉆柱型鉆柱型 l 國標(biāo)短型國標(biāo)短型 1.31.5m。 l 宜加長為宜加長為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)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)

21、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

22、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 )(t 38 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 （

23、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)(MtRtt 43 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 度 ( m)外 徑 ( mm )內(nèi) 徑 ( mm ) 扶 正 棱 外 徑 ( m m ) 累 計(jì) 長 度 （ m） 1鉆 頭0 . 44 4 2 . 50 . 4 27 3 0 7 3 00 . 40 . 8 3鉆 鋌1 82 2 8 . 67 6 . 21 8 . 8 41 #

24、 扶 正 器2 . 12 2 8 . 67 1 . 44 4 22 0 . 9 5鉆 鋌92 2 8 . 67 6 . 22 9 . 9 62 # 扶 正 器2 . 12 2 8 . 67 1 . 44 4 23 2 77 3 1 6 3 00 . 43 2 . 4 8鉆 鋌1 3 42 0 3 . 27 1 . 41 6 6 . 4 9震 擊 器1 02 0 3 . 21 7 6 . 4 1 0鉆 鋌1 82 0 3 . 27 1 . 41 9 2 . 4 1 16 3 1 4 1 00 . 41 9 2 . 8 1 2鉆 桿6 8 21 2 71 0 8 . 98 7 6 . 8 l17

25、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/cm3 l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)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

26、強(qiáng)烈的動(dòng) 力響應(yīng)，說明在實(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

27、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，井眼間隙大，過大的不平衡 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)化鉆井措施， 提高機(jī)械鉆速

28、。 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 P l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；

29、6二級(jí)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，可通過使水力加壓器工作在不同下井后，可通過使水力加壓器工作在不同 的行程段來改變鉆壓。的行程段來改變鉆壓。 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 Pi Pa 水力加壓器串聯(lián)在馬達(dá)下面 水力加壓器 液 體 鉆 鋌 馬

30、 達(dá) 鉆 頭 P i P a 水 力 加 壓 器 串 聯(lián) 在 馬 達(dá) 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 1/8 4 3/45 7/86 1/2 6 1/28 1/2 78 1/2 912 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 矩儀測得的轉(zhuǎn)盤扭矩?cái)?shù)據(jù)證實(shí)；矩儀測得的轉(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, ,成效尤其顯著，可大大提成效尤其顯著，可大大提 高機(jī)械鉆速和取心的成功率高機(jī)械鉆速和取心的成功率 l水力加壓器和鉆頭之間可以有一定長度的鉆鋌。該鉆具組水力加壓器和鉆頭之間可以有一定長度的鉆鋌。該鉆具組 合可減輕鉆具振動(dòng)，同時(shí)