1、第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 基于冲击振动疲劳分析的自动垂钻与多维减振联合提速系统冲击频率优选崔富凯，曹宇光，倪红坚，张恒（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 ；中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 ）摘要：针对破岩钻进过程中自动垂钻与多维减振联合提速系统在上部液动冲击器的持续冲击及地层反力作用下易出现疲劳损伤的问题，为实现冲击频率优选，利用疲劳分析软件 ，对冲击振动条件下自动垂钻与多维减振联合提速系统的疲劳损伤规律开展研究。结果表明：在冲击振动条件下，上扶正器的顶端截面由于直接承受来自冲击器的冲击载荷作用而具有最大的疲劳损伤；冲击频率低于 时，系统最大损伤值随冲
2、击频率的增大先增大后减小，当冲击频率高于 时，频率的变化不会改变系统的疲劳损伤状态。因此，相比于常规低频冲击器，推荐选用 以上的高频冲击器，可以有效缓解井下振动，减少工具的疲劳损伤。研究结果对现场参数选型有一定指导意义。关键词：冲击振动；疲劳寿命；现场试验；参数优选；冲击器中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（.，（），；.，（），）：，：；收稿日期：基金项目：中国石油天然气股份有限公司重大科技项目（）第一作者：崔富凯（），男，硕士研究生，主要研究方向为自动垂钻与多维减振技术通信作者：曹宇光，教授，主要研究方向为石油钻井装备，石油是国家战略储备资源，随着我国
3、东部油气开发进入中后期，地质条件复杂、开采难度大的西部地层及 海 上 油 气 田 逐 渐 成 为 油 气 勘 探 开 发 的 重点。以塔里木地区为代表的西部勘探开发，在常规钻探过程中普遍出现“慢、卡、漏、塌”等问题，严重威胁钻井安全，因此，垂直钻井技术成为该地区标配的钻井提速技术。自动垂钻工具配合冲击器工作时，脉冲发生器将连续恒压高速流体转变为周期性压力直接作用于冲击杆的端面，通过旋流转换机构产生轴向或扭转冲击力，通过冲击杆的运动，将冲击力传递至自动垂钻工具及钻头，实现快速破岩。因此，相比于常规自动垂钻系统，该联合提速系统钻具组合在运行过程中除了承受地层作用外，还承受上部冲击器的持续冲击作用，
4、受力形式更加复杂。上述系列冲击器在提高钻井效率的同时，势必引起联合系统本身的轴向及扭转振动，由于冲击频率的不同，引起的系统振动剧烈程度亦会不同，甚至中 国 科 技 论 文第 卷引起共振，导致钻具失效。持续冲击作用导致系统周期往复振动，钻进时又承受地层反力的周期作用，势必造成疲劳损伤。种载荷持续作用而幅值、频率均不相同，因此本文利用 疲劳分析软件计算自动垂钻与多维减振联合系统整体的损伤及寿命值，并分析冲击减振器不同频率对系统疲劳损伤的作用规律，最后结合现场试验，对比验证本文结论，为自动垂钻与多维减振联合提速系统的冲击器选型提供参考。联合提速系统有限元模型塔里木地区地层倾角大、多砾石，现有自动垂直
5、钻井系统（，）在应用时会出现强振甚至部件脱落，威胁钻井安全。为了适应塔里木巨厚高含砾地层的特点，刘书斌等研发了自动垂钻与多维减振联合提速系统，其配合形式如图所示。即在常规自动垂钻工具的基础上，通过配合多维液动冲击减振器，实现高陡构造、堆积砾石层段防斜提速一体化。由于自动垂钻与多维减振联合提速系统几何结构复杂，因此本文在 中完成建模，导入图自动垂钻与多维减振联合提速系统 完成网格划分，建立有限元模型。首先基于文献，针对前述钻具组合建立螺旋扶正器、自动垂钻工具、液动冲击器、钻铤等各部分构件的物理模型。为便于后续分析，建模时忽略构件内部的复杂结构及倒角、过渡带等外观尺寸变化，将多维液动冲击器、钻铤均
6、简化成恒定截面的空心圆柱，分别建立各部分构件的几何模型，基于各部分构件的实际连接关系，在 中完成装配，主要配合关系为：扶正器、垂钻工具、钻头等构件统一设置同轴配合，构件接触面设置重合配合，自动垂钻工具腔体与推靠结构之间设置绑定约束，最终建立的自动垂钻与多维减振联合提速系统装配体模型如图所示，沿轴方向自上而下分别为液动冲击器、螺旋扶正器、连接钻铤、螺旋扶正器、钻铤、自动垂钻工具。图联合提速系统装配体模型 结合相关设计规范，选定各部分构件的材料参数，见表。完成网格划分，对扶正器翼肋及构件连接处等几何突变部位网格进行加密处理，其余规则结构采用扫掠网格划分，最终的网格划分结果如图所示。表钻具组合材料参
7、数 构件弹性模量 密度（）泊松比抗拉强度 扶正器 钻铤 自动垂钻工具 钻头 地层冲击反力计算钻头冲击破岩时会产生很大的冲击力，冲击力同样反作用于钻头，在整个自动垂钻与多维减振联合系统上造成应力集中。地层冲击力的大小主要与钻头重量、钻头结构、钻具速度及地层物理参数有关，日本道路工团利用 弹性碰撞理论，基于落石冲 击 试 验 数 据，建 立 了 落 石 冲 击 力 的 计 算 表达式：.。（）式中：为落石冲击力，；为落石的质量，；为拉梅常数，建议取值为 ；为落石的下落高度，。等 在该经验公式的基础上综合考虑地层模量的影响，建立了更适用于钻井过程分析的冲击力表达式：.（）。（）式中：为岩石的变形模量
8、，；为落石的等体积半径，；为落石的质量，。第期崔富凯，等：基于冲击振动疲劳分析的自动垂钻与多维减振联合提速系统冲击频率优选图网格划分结果 本文选用式（）进行地层冲击反力计算，聚晶金刚 石 复 合 片（，）钻头材料为硬质合金，密度为 ，弹性模量为 ，泊松比为 。塔里木库 车山前构造 为卵砾石层，弹性模 量 约 为 。分析时计算冲击高度为 时的冲击力，得到地层冲击反力为 。轴向冲击疲劳损伤分析基于疲劳分析软件 ，对冲击振动过程中自动垂钻与多维减振联合提速系统的疲劳损伤问题展开研究，创新性地以冲击载荷的幅值及频率作为输入条件，以地层反力时间历程为次循环进行分析。由于现场通常采用的冲击器冲击频率范围为
9、 ，因此，为计算在冲击载荷和地层反力共同作用下的系统疲劳损伤，首先基于本文所建联合系统有限元模型，利用 静力分析模块 计算系统在钻头破岩和减振器冲击作用下的应力、变形等响应，分别如图、图所示。静力分析时，载荷步数设置为，其中减振器对钻柱系统的冲击力标记为载荷步，施加在联合系统顶端截面上，选型为现场 型冲击器，冲击 频率为 ，冲击力幅值为 ；钻头冲图应力云图 图位移云图 击岩石导致的地层反力标记为载荷步，施加在钻头底部截面上。由图和图可知，在轴向冲击力和地层反力作用下，自动垂钻与多维减振联合提速系统最大 应力值为 ，出现在减振器底端；最大等效变形为 ，出现在系统底端截面。将有限元计算结果导入 （
10、）模块，对其进行基于时间序列的疲劳分析，拖入时间序列载荷发生器 、分别对应载荷步、载荷步，完成冲击力和地层反力的叠加。冲击器冲击频率为 ，将载荷作用形式简化为正弦函数，由 软件的时间序列生成器直接生成。破岩钻进时，钻头冲击岩石的频率约为 次 ，则周期约为，即等效载荷作用频率约为 ，故分析时设置钻头冲击力作用周期为，将其简化为正弦形式。完成参数设置后运行疲劳分析项，分别获取自动垂钻工具、扶正器等各部分构件的疲劳损伤云图，如图所示，分析冲击载荷的作用规律。由图可知：在冲击器高频冲击载荷和底部底层冲击反力耦合作用条件下，上扶正器的顶端截面中 国 科 技 论 文第 卷图损伤云图 由于直接承受来自冲击器
11、的冲击载荷作用而具有最大的疲劳损伤，损伤值为 ，其侧边翼肋持续接触井壁，在轴向周期冲击作用下，下缘也产生较大损伤；下扶正器由于不直接承受冲击载荷的作用，故仅在侧面翼肋两端产生损伤；由于钻头持续冲击岩石，而钻头材料的疲劳极限远大于其他结构，因此自动垂钻工具的最大损伤出现在下端与钻头连接截面上。自动垂钻与多维减振联合提速系统的损伤分布如图所示。比较系统不同部分构件的最大损伤值，排序为上扶正器自动垂钻工具下扶正器钻铤双扶正器连接钻铤。分析可知，在减振器冲击和地层冲击振动条件下，个扶正器将最先达到疲劳极限，出现疲劳破坏，且上扶正器与连接钻铤最大损图自动垂钻与多维减振联合提速系统损伤分布 伤值相差约 倍
12、，因此，必须对上扶正器结构进行重点监测和防护。为实现冲击减振器的最优选型，分析不同冲击频率下系统的疲劳损伤。基于轴向冲击疲劳损伤分析内容，对不同频率冲击减振器作用下自动垂钻与多维减振联合提速系统的疲劳损伤及寿命进行分析。分别取冲击频率为、，计算系统的最大损伤值，冲击频率损伤关系曲线如图所示。图冲击频率损伤关系曲线 结果表明：当冲击频率为 时，系统最大损伤值随冲 击 频 率的增大先 增大后减小，即在 范围内存在峰值损伤；当冲击频率高于 时，系统最大损伤值降低速率明显减缓；而在 以上的高频范围，系统最大损伤值基本保持恒定，即当冲击频率较高时，冲击载荷对系统产生类似恒力的作用，其频率的变化不会改变系
13、统的疲劳损伤状态。基于上述分析结果，推荐选型为 以上高频冲击器配合自动垂钻工具的钻具组合，能够更好地缓解工具的振动，减小系统的疲劳损伤。现场试验数据分析为验证本文的分析结果，比较不同类型冲击器的减振效果，选取塔里木地区 井进行试验，试验井段采用 高频冲击器的联合提速系统，部分井深 范 围 内 则 采 用 常 规 减 振 器（频 率 范 围 低 于 ）作为对照。试验井段由 钻进至 ，共计趟钻，总进尺 。旋冲钻进施工过程如图所示。试验井段 井深范围为库车组，井段井斜 ，现场实测数据为 井深范围，故为保证分析结果的可信度，取 相同井斜程度和地层参数井段数据进行对比分析，分别获取实测大钩负荷与钻时数据
14、，对其进行傅里叶变换，对比不同井段的波动情况。由于不同井深处钻头钻速不同，则钻进每米用时不同，导致实测整米数据在时间轴上间隔不均匀。为便于实现大钩负荷的傅里叶变换，利用 第期崔富凯，等：基于冲击振动疲劳分析的自动垂钻与多维减振联合提速系统冲击频率优选图旋冲钻进施工过程 插值函数 对傅里叶变换结果数据进行插值处理，以保证时间连续且分布均匀。选择线性插值函数处理且插值间隔为，得到实测大钩负荷时间关系曲线和插值处理后的大钩负荷时间关系曲线，如图 所示。可以看出，插值后未改变各段趋势，因此，插值合理，可以进行后续处理。图 大钩负荷时间关系曲线 实际钻进过程中，随着钻柱的下放，大钩负荷线性增加，因此图
15、中曲线除了井底振动引起的波动特征外还具有增长趋势。为便于通过傅里叶变换对比不同井段大钩负荷的波动情况，利用 去除趋势函数 消除数据线性增长趋势的影响，只保留波动特征，并消除纵坐标的影响，保证数据在 上下波动。消除增长趋势后的大钩负荷时间曲线如图 所示。然后进行傅里叶变换（式（），即将大钩负荷数据看作正弦曲线的叠加，寻找对数据波动特征贡献最大的正弦曲线，因此，傅里叶变换后曲线的峰值点即反映了曲线的波动量，对比该点数值的大小即可比较整体数据波动的剧烈程度，从而反映 井 底 振 动 的 剧 烈 程 度，结 果 如 图 （）所示。（）（）（）式中：为大钩负荷，；、为不同频率正弦形式大钩负荷的幅值；为时
16、间，；、为正弦曲线频率，；、为不同频率正弦曲线的相位。图 消除增长趋势后的大钩负荷时间关系曲线 由图 可知，第趟钻傅里叶变换后大钩负荷的最大等效波动幅值为 。按照同样的方法，分别获取第趟钻及组对照井段大钩负荷傅里叶变换后的等效振幅，如图（）图（）所示。提取上述趟钻井过程大钩负荷的傅里叶变换结果，见表。分别对比处试验井段与处对照井段经过傅里叶变换后的实测大钩负荷数据的振幅值，分趟钻说明其数据波动情况，从而对比不同钻进井段井下钻具的振动剧烈程度，对优化选型后联合提速系统的应用效果进行评价。相比对照井段，第趟钻钻进过程大钩负荷振幅降低约 ；相比对照井段，第趟钻钻进过程大钩负荷振幅降低约 。相比对照井段，第趟钻钻进过程大钩负荷振幅降低约 ；相比对照井段，第趟钻钻进过程大钩负荷振幅降低约 。分析 井试验数据可知，相比于常规冲击器，高频冲击器的引入使得减振效果明显，充分验证了本文分析的可靠性，可为后续钻进勘探提供指导。结论）自动垂钻与多维减振联合提速系统在破岩钻进过程中，由于轴向冲击导致的疲劳危险点出现在上扶正器结构上，故此处易发生失效，需重点防护。）对于旋冲钻进过程的自动垂钻与多维减振联合提速系
