Torsional vibration characteristics analysis of pipe string in small diameter deep hole
-
摘要: 在小口径深孔取心钻探领域中，除了传统的提钻取心方法外，绳索取心工艺、螺杆马达孔底动力工具等钻进方法也被广泛地应用，不同的钻具组合与钻杆柱一起组成了长细比很大的柔性杆件，在钻进过程中产生复杂的振动，极大地影响了钻探工程的安全性。目前，以钻井工程为代表的管柱振动理论已经发展出了很多成熟的分析方法，但是针对小口径深孔钻探的垂直孔身结构、金刚石钻头磨削岩层、特别是选择不同钻具组合和钻进方法时，相关的管柱扭转振动特性研究依然不足。有限元分析方法适用于求解边界条件复杂的问题，用于钻探管柱的振动特性分析有很好的效果。基于ANSYS软件，选取适用于小口径深孔钻探的多种典型钻具组合，建立相应的有限元分析模型，求解孔深、钻压等因素与管柱扭转振动特性之间的关系，并给出了不同孔深条件下可能引起管柱共振的临界转速求解方法。该研究可在钻具组合选择、转速选择和管柱安全性评价等方面为小口径深孔取心钻探工程提供一定参考。Abstract: In the field of small diameter deep hole coring drilling， in addition to the traditional lifting and coring methods， drilling methods such as wireline coring technology and screw motor bottom hole power tools are also widely used. Different bottom hole assembly （BHA） and drill strings together form flexible rods with a large slenderness ratio， which generate complex vibrations during the drilling process， profoundly affecting the safety of drilling engineering. At present， many mature analysis methods have been developed for the theory of pipe string vibration represented by drilling engineering， but research on the torsional vibration characteristics of pipe strings is still insufficient for the vertical hole structure of small diameter deep hole drilling， diamond bit grinding of rock layers， and especially when selecting different BHA and drilling methods. The finite element analysis method is suitable for solving problems with complex boundary conditions， and has good results in analyzing the vibration characteristics of drilling strings. Based on ANSYS software， a variety of typical BHA suitable for small diameter deep hole drilling are selected， and corresponding finite element analysis models are established to solve the relationship between factors such as hole depth， weight on bit， and the torsional vibration characteristics of the pipe string. A solution method for the critical rotational speed that may cause the joint vibration of the pipe string under different hole depths is given. This study can provide some reference for small diameter deep hole coring drilling engineering in terms of BHA selection， rotational speed selection， and string safety evaluation.
-
-
[1] 鄢泰宁.岩土钻掘工艺学［M］.长沙：中南大学出版社，2014.YAN Taining. Geotechnical Drilling Technology［M］. Changsha： Central South University Press， 2014.
[2] [2] 赵国珍，龚伟安.钻井力学基础［M］.北京：石油工业出版社，1988.ZHAO Guozhen， GONG Weian. Fundamentals of Drilling Mechanics［M］. Beijing： Petroleum Industry Press， 1988.
[3] [3] 胡郁乐，张惠.深部地质岩心钻探关键技术［M］.武汉：中国地质大学出版社，2018.HU Yule， ZHANG Hui. Key Techniques of Deep Geological Core Drilling［M］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2018.
[4] [4] 胡郁乐，张惠.钻探信息测试技术与工程案例［M］.武汉：中国地质大学出版社，2021.HU Yule， ZHANG Hui. Drilling Information Testing Technology and Engineering Cases［M］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2021.
[5] [5] 马明，蒋国盛，孙志峰.水利水电钻探手册［M］.武汉：中国地质大学出版社，2021.MA Ming， JIANG Guosheng， SUN Zhifeng. Hydropower Drilling Manual［M］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2021.
[6] [6] 孙云志，卢春华，肖冬顺，等.水利水电工程大顶角超深斜孔钻探技术与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2018.SUN Yunzhi， LU Chunhua， XIAO Dongshun， et al. Drilling Technology and Practice of Ultra-deep Oblique Holes with Large Top Angle in Hydraulic and Hydropower Projects［M］. Beijing： China Water & Power Press， 2018.
[7] [7] 舒晓勇.2000m水井钻机的钻杆仿真研究［D］.武汉：中国地质大学，2003.SHU Xiaoyong. Simulation research on drill pipe for 2000 meter water well rig［D］. Wuhan： China University of Geosciences， 2003.
[8] [8] 胡中伟.钻柱振动模态分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.HU Zhongwei. Model analysis of drill stem vibration［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2007.
[9] [9] 张明明.岩心钻探中钻杆扭转振动特性分析及其应用［D］.成都：成都理工大学，2014.ZHANG Mingming. Analysis of torsional vibration characteristics of drill pipe in core drilling and related applications［D］. Chengdu： Chengdu University of Technology， 2014.
[10] [10] 井丹丹.水平井钻柱振动规律的研究［D］.大庆：东北石油大学，2016.JING Dandan. The research of rule on drill string vibration of horizontal well［D］. Daqing： Northeast Petroleum University， 2016.
[11] [11] 赵大军，吴金发.隧道工程勘察水平孔钻进钻具的运动与受力分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（11）：12-18， 24.ZHAO Dajun， WU Jinfa. Analysis of movement and force of horizontal drilling tools fortunnel engineering investigation［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling， 2020，47（11）：12-18，24.
[12] [12] 张巨川，段隆臣，王洪波，等.基于ANSYS的煤田地质勘探钻杆振动模态分析［J］.煤炭科学与技术，2009，37（8）：64-66.
ZHANG Juchuang， DUAN Longcheng， WANG Hongbo， et al. Analysis on drilling rod vibration mode of coalfield geological exploration based on ANSYS［J］. Coal Science and Technology， 2009，37（8）：64-66.
[13] [13] 苏凯，孙友宏，贾瑞.基于有限元法的钻杆柱纵向振动分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（12）：52-56.
SU Kai， SUN Youhong， JIA Rui. Study on longitudinal vibration of drilling pipe based on finite element method ［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2015，42（12）：52-56.
[14] [14] 江进国，舒晓勇，韦念龙，等.基于ANSYS软件的钻杆扭转振动分析［J］.探矿工程，2003（S1）：176-178.
JIANG Jinguo， SHU Xiaoyong， WEI Nianlong， et al. Drilling pipe torsional vibration analyses with ANSYS software［J］. Exploration Engineering， 2003（S1）：176-178.
[15] [15] 王明杰.超深井钻柱动力学特性分析及动态安全性评价［D］.上海：上海大学，2016.WANG Mingjie. Drilling dynamic characteristics analysis and dynamic safety evaluation for ultra-deep well［D］. Shanghai： Shanghai University， 2016.
[16] [16] Feng T， Vadali M， Ma Z， et al. A finite element method with full bit-force modeling to analyze drillstring vibration［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 2017， 139（9）：
091016 .[17] [17] 杨尧焜，蒋宏伟，袁志平.大位移井井下钻柱耦合动力学分析研究［J］.钻采工艺，2018，41（5）：1-4.
YANG Yaokun， JIANG Hongwei， YUAN Zhiping. Analysis on downhole tubular coupling dynamics in extended reach drilling［J］. Drilling &Production Technology， 2018，41（5）：1-4.
[18] [18] Moraes L P P， Savi M A. Drill-string vibration analysis considering an axial-torsional-lateral nonsmooth model［J］. Journal of Sound and Vibration， 2019，438：220-237.
[19] [19] 张震.旋挖钻机钻杆失效研究［D］.西安：长安大学，2011.ZHANG Zhen. Failure of the drill pipe rotary drilling rig［D］. Xi’an： Chang’an University， 2011.
[20] [20] 翁炜，黄玉文，胡继良，等.旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2005，32（10）：42-43，53.
WENG Wei， HUANG Yuwen， HU Jiliang， et al. Analysis on rotary drill rod failure and producing technology［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2005，32（10）：42-43，53.
[21] [21] 梁健，郭宝科，王志刚，等.绳索取心复合钻柱的动力学行为研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（7）：34-40.
LIANG Jian， GUO Baoke， WANG Zhigang， et al. Dynamics behavior of compound drill string for wire-line coring［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2017，44（7）：34-40.
[22] [22] 王定贤，曹钧，刘俊鹏，等.钻杆转动过程的ADAMS动力学仿真［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（S1）：87-90.
WANG Dingxian， CAO Jun， LIU Junpeng， et al. ADAMS dynamics simulation of drill stem in rotating course ［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2009，36（S1）：87-90.
[23] [23] 曹彦伟，李谦.一种同轴双向回转模式的钻具结构设计及振动模拟［J］.钻探工程，2021，48（11）：83-92.
CAO Yanwei， LI Qian. Structural design and vibration simulation of a coaxial contra-rotary drilling tool［J］. Drilling Engineering， 2021，48（11）：83-92.
[24] [24] 苏阳阳.螺杆桩机钻杆动力学分析与动态设计研究［D］.武汉：武汉理工大学，2014.SU Yangyang. Dynamics analysis and dynamic design research［D］. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2014.
-
计量
- 文章访问数: 444
- PDF下载数: 222
- 施引文献: 0
下载: