基于ANSYS的鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率影響因素分析

閆 鐵，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

基于ANSYS的鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率影響因素分析

閆 鐵*，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

基于ANSYS軟件對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率影響因素進(jìn)行了分析，通過(guò)建立有限元模型，對(duì)鉆柱的縱向振動(dòng)固有頻率進(jìn)行了模態(tài)分析。討論了不同鉆井液流速對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的影響，并當(dāng)鉆井液流速一定時(shí)，模擬不同鉆桿長(zhǎng)度、鉆鋌長(zhǎng)度以及減震器的不同型號(hào)對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率的影響。研究表明：當(dāng)鉆井液流速變化時(shí)，對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率沒(méi)有影響；當(dāng)鉆井液流速一定時(shí)，隨鉆柱長(zhǎng)度增加，鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率增加；隨鉆鋌長(zhǎng)度的增加，鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率有所下降，各階下降幅度有所不同；減震器能夠起到一定的減震的作用，但效果不大。

ANSYS；鉆柱縱向振動(dòng)；固有頻率；模態(tài)分析

1 概述

鉆柱振動(dòng)按形式分為縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)3類。這3種振動(dòng)在鉆井過(guò)程中始終存在，相互作用，相互影響，并以縱向振動(dòng)為主。有資料表明，縱向振動(dòng)產(chǎn)生的縱向沖擊力可高達(dá)數(shù)百至上千千牛，因此，對(duì)鉆柱的疲勞壽命影響最大［1-2］。在鉆井過(guò)程起下鉆時(shí)，由于鉆桿柱的快速上下運(yùn)動(dòng)引起的壓力波動(dòng)以及鉆柱和鉆井液的耦合作用，將引起鉆柱縱向振動(dòng)的加強(qiáng)，破壞井眼系統(tǒng)壓力平衡，導(dǎo)致井漏、井噴、井眼不穩(wěn)定等現(xiàn)象發(fā)生［3-5］。因此，研究鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率，可以有效的減少共振現(xiàn)象的發(fā)生，盡量避免鉆柱的疲勞失效。筆者以有限元Ansys為手段，建立符合實(shí)際的幾何模型來(lái)模擬起下鉆鉆柱與鉆井液固液耦合的工況［6］，從而進(jìn)行鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率影響因素的分析。

2 基于ANSYS的鉆柱縱向振動(dòng)的模態(tài)分析

鉆柱模態(tài)分析主要是確定鉆柱自然振動(dòng)頻率，采用的有限元分析模型是將鉆柱視為一連續(xù)的管梁，減振器位于其間。有限元分析的關(guān)鍵是建立合適的集合模型來(lái)模擬鉆柱的實(shí)際工況，因此文中井架和鋼絲繩的綜合剛度用單元Combin 14來(lái)模擬，游動(dòng)滑車、大鉤、水龍頭和方鉆桿的質(zhì)量和用集中質(zhì)量單元mass 21來(lái)模擬，鉆柱和鉆鋌用彈性圓直管單元PIPE 59來(lái)模擬，減震器的質(zhì)量用集中質(zhì)量單元Mass 21來(lái)模擬，而綜合剛度用單元combin 14來(lái)模擬。各單元的特性可通過(guò)KEYOPT選項(xiàng)的設(shè)定來(lái)確定，由于研究的是鉆柱的縱向振動(dòng)，所以單元Combin 14、Mass 21、PIPE 59的各個(gè)KEYOPT選項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置。單元的參數(shù)包括材料特性和實(shí)常數(shù)。材料特性有彈性模量、泊松比等；實(shí)常數(shù)有單元的幾何尺寸等。本文的主要參數(shù)有：井架和鋼絲繩的綜合剛度、游動(dòng)滑車、大鉤、水龍頭和方鉆桿的質(zhì)量和、鉆桿外徑、鉆桿壁厚、鉆鋌外徑、鉆鋌壁厚、減震器質(zhì)量、鉆桿的彈性模量、鉆桿的泊松比、鉆桿的密度、鉆鋌的彈性模量、鉆鋌的泊松比、鉆鋌的密度、鉆井液密度、阻尼系數(shù)。

ANSYS建模有2種方法：一種是先利用實(shí)體建模技術(shù)，生成實(shí)體模型，然后對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格的方法生成有限元分析模型；另一種是直接生成有限元模型［7］。本文把鉆柱看作一個(gè)彈性直管，鉆柱振動(dòng)類似于一種彈簧—質(zhì)量—阻尼系統(tǒng)，即將整個(gè)鉆柱的振動(dòng)簡(jiǎn)化為多自由度系統(tǒng)。由于模型較簡(jiǎn)單，采用后一種方法，先創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)直接生成單元。

根據(jù)以上建立的幾何模型，對(duì)其加載，鉆柱上的基本載荷有：本文僅考慮鉆井液的阻尼。確定邊界條件，假設(shè)的井架上端為固定端約束，下端為除了沿軸向方向平移的其余5個(gè)自由度均約束。首先對(duì)其靜力分析，為了對(duì)鉆柱進(jìn)行縱向振動(dòng)固有頻率及振型的模態(tài)分析。使鉆柱在鉆井過(guò)程中，整個(gè)鉆柱只有沿鉆柱縱向方向的平移，采用Block Lanczos法提取前7階模態(tài)。

基于ANSYS軟件其縱向振動(dòng)頻率計(jì)算，對(duì)于不同的鉆井液流速其計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)表1

通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析可得前7階頻率，如表2所示。

表2 鉆井液流速與固有頻率關(guān)系

從表2中可以看出，當(dāng)鉆井液流速變化時(shí)對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率沒(méi)有影響，下面我們分析當(dāng)鉆井液流速固定時(shí)，當(dāng)井深變化時(shí)，鉆鋌長(zhǎng)度等其他因素固定，分析改變鉆桿長(zhǎng)度對(duì)鉆柱固有頻率的影響；當(dāng)鉆柱長(zhǎng)度一定時(shí)，分析改變鉆桿和鉆鋌長(zhǎng)度對(duì)鉆柱固有頻率的影響；當(dāng)鉆具組合固定時(shí)，分析改變減震器的類型對(duì)固有頻率的影響。

2.1 鉆桿長(zhǎng)度對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)頻率影響

以整體鉆柱為計(jì)算研究對(duì)象，研究鉆桿長(zhǎng)度對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率的計(jì)算參數(shù)如下（取5組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析可得前7階頻率，鉆柱長(zhǎng)度對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)特性的影響的關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出，鉆桿長(zhǎng)度的變化對(duì)直井整體鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率的影響變化較大，隨鉆桿長(zhǎng)度增加，鉆桿整體縱向振動(dòng)的固有頻率增加，尤其是鉆桿長(zhǎng)度較短時(shí)，隨鉆桿長(zhǎng)度增加，鉆桿整體縱向振動(dòng)的固有頻率大幅度降低；鉆桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，隨鉆桿長(zhǎng)度增加，鉆桿整體縱向振動(dòng)的固有頻率小幅度降低。

圖1 鉆柱長(zhǎng)度對(duì)固有頻率的影響

實(shí)際鉆井時(shí)，應(yīng)該根據(jù)井深的變化，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，合理選擇轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速，以避開(kāi)鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速，避免或降低鉆柱發(fā)生共振的幾率，增加鉆柱的安全性。

2.2 鉆鋌長(zhǎng)度對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)頻率影響

以整體鉆柱為計(jì)算研究對(duì)象，考慮鉆鋌長(zhǎng)度對(duì)縱向振動(dòng)固有頻率的影響，計(jì)算參數(shù)如下（取5組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，鉆桿長(zhǎng)度均為2000m，鉆鋌長(zhǎng)度分別為100m、120m、140m、160m、180m，其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析可得前7階頻率，鉆鋌長(zhǎng)度對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)特性的影響的關(guān)系如圖2所示。

圖2 鉆鋌長(zhǎng)度對(duì)固有頻率的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)鉆柱長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著鉆鋌長(zhǎng)度的增加，鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率有所下降，各階下降幅度有所不同，但是相對(duì)于鉆桿長(zhǎng)度的變化引起的頻率變化時(shí)較小的，所以在實(shí)際鉆井工程中可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鉆鋌和鉆桿的長(zhǎng)度，以避開(kāi)鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速，避免或降低鉆柱發(fā)生共振的幾率，增加鉆柱的安全性，防止鉆柱斷裂事故。

2.3 減震器型號(hào)對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)頻率影響

2.3.1 彈性剛度的影響

以整體鉆柱為計(jì)算研究對(duì)象，考慮同一種減震器不同剛度對(duì)縱向振動(dòng)固有頻率的影響，計(jì)算參數(shù)如下（取五組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，鉆桿長(zhǎng)度均為2000m，鉆鋌長(zhǎng)度均別為160m，減震器的剛度分別為3×106N·m、4×106N·m、5×106N·m、6× 106N·m、7×106N·m其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析可得前7階頻率，減震器剛度鉆柱縱向振動(dòng)特性的影響的關(guān)系如圖3所示。

圖3 減震器剛度對(duì)固有頻率的影響

從圖3中可以看出，當(dāng)鉆柱、鉆鋌等固定時(shí)，鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率隨著減震器的剛度的增加而逐漸增加，且對(duì)低階頻率的影響大于高階頻率的影響。

2.3.2 減震器型號(hào)的影響

以整體鉆柱為計(jì)算研究對(duì)象，考慮不同減震器在同一剛度下對(duì)縱向振動(dòng)固有頻率的影響，計(jì)算參數(shù)如下（取五組參數(shù)模擬）：鉆井液流速均為0.1m/s，阻尼系數(shù)均為0.0094，鉆桿長(zhǎng)度均為2000m，鉆鋌長(zhǎng)度均別為160m，減震器的剛度均為5×106，型號(hào)分別為DSJQ-165、DSJQ-178、DSJQ-203、DSJQ-229、DSJQ-245，對(duì)應(yīng)質(zhì)量分別為375kg、405kg、580kg、730kg、860kg，其他參數(shù)同表1前五組數(shù)值。

通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析可得前7階頻率，減震器型號(hào)對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)特性的影響的關(guān)系如圖4所示。

圖4 減震器型號(hào)對(duì)固有頻率的影響

從上述表格和圖形中可以看出，減震器能夠起到一定的減震的作用，而且不同型號(hào)的減震器對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率的影響不大，因此在鉆井過(guò)程中，根據(jù)工作鉆壓、減震器的最大扭矩、允許上提力和最大工作行程選擇適當(dāng)?shù)臏p震器，能避開(kāi)鉆柱共振的臨界轉(zhuǎn)速，避免或降低鉆柱發(fā)生共振的幾率，能在跳鉆地層中鉆進(jìn)時(shí)減輕或消除跳鉆，以減少鉆頭和鉆具的損壞，保護(hù)井壁，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

3 結(jié)論

當(dāng)鉆井液流速變化時(shí)，對(duì)鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率沒(méi)有影響；當(dāng)鉆井液流速一定時(shí)，鉆桿長(zhǎng)度的變化對(duì)直井整體鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率的影響較大，隨鉆桿長(zhǎng)度增加，鉆桿整體縱向振動(dòng)的固有頻率增加；而對(duì)于鉆鋌長(zhǎng)度的變化，隨著鉆鋌長(zhǎng)度的增加，鉆柱縱向振動(dòng)的固有頻率有所下降，各階下降幅度有所不同；減震器能夠起到一定的減震的作用，但效果不大。

[1]張強(qiáng),鄭偉.基于ANSYS的鉆柱振動(dòng)規(guī)律分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011（6）:1-3.

[2]崔曉華，周學(xué)芹，李玉海.井下鉆柱縱向振動(dòng)特性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38（11）:12-15.

[3]屈展，劉德鑄.鉆柱振動(dòng)問(wèn)題及其理論研究進(jìn)展[J].石油機(jī)械,1996,24(2):54-57.

[4]魏水平，況雨春，夏宇文.基于ANSYS的鉆柱縱向振動(dòng)有限元分析及應(yīng)用[J].河南石油，2006,20(1):66-68.

[5]韓春杰，閻鐵，畢雪亮.深井鉆柱振動(dòng)規(guī)律的分析及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2005,25（9）:76-79.

[6]張勝民.基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003：30-52.

[7]肖文生,王現(xiàn)鋒,裴艷麗,王鴻雁.基于ANSYS的鉆柱縱向振動(dòng)固有頻率分析[J].鉆采工藝,2011（5）:93-95.

TE21

A

1004-5716(2015)06-0042-04

2015-01-21

2015-01-22

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“頁(yè)巖油氣高交往開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)理論研究”（編號(hào)：51490650）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”（編號(hào)：2011ZX05021-006）部分研究成果。

閆鐵（1956-），男（漢族），黑龍江肇州人，教授、博導(dǎo)，現(xiàn)從事油氣井工藝?yán)碚撆c技術(shù)研究工作。