基于ANSYS的钻柱纵向振动固有频率影响因素分析

闫 铁，刘珊珊，毕雪亮

（东北石油大学油气钻井技术国家工程实验室，黑龙江大庆163318）

基于ANSYS的钻柱纵向振动固有频率影响因素分析

闫 铁*，刘珊珊，毕雪亮

（东北石油大学油气钻井技术国家工程实验室，黑龙江大庆163318）

基于ANSYS软件对钻柱纵向振动固有频率影响因素进行了分析，通过建立有限元模型，对钻柱的纵向振动固有频率进行了模态分析。讨论了不同钻井液流速对钻柱纵向振动的影响，并当钻井液流速一定时，模拟不同钻杆长度、钻铤长度以及减震器的不同型号对钻柱纵向振动固有频率的影响。研究表明：当钻井液流速变化时，对钻柱纵向振动的固有频率没有影响；当钻井液流速一定时，随钻柱长度增加，钻柱纵向振动的固有频率增加；随钻铤长度的增加，钻柱纵向振动的固有频率有所下降，各阶下降幅度有所不同；减震器能够起到一定的减震的作用，但效果不大。

ANSYS；钻柱纵向振动；固有频率；模态分析

1 概述

钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动3类。这3种振动在钻井过程中始终存在，相互作用，相互影响，并以纵向振动为主。有资料表明，纵向振动产生的纵向冲击力可高达数百至上千千牛，因此，对钻柱的疲劳寿命影响最大［1-2］。在钻井过程起下钻时，由于钻杆柱的快速上下运动引起的压力波动以及钻柱和钻井液的耦合作用，将引起钻柱纵向振动的加强，破坏井眼系统压力平衡，导致井漏、井喷、井眼不稳定等现象发生［3-5］。因此，研究钻柱纵向振动的固有频率，可以有效的减少共振现象的发生，尽量避免钻柱的疲劳失效。笔者以有限元Ansys为手段，建立符合实际的几何模型来模拟起下钻钻柱与钻井液固液耦合的工况［6］，从而进行钻柱纵向振动固有频率影响因素的分析。

2 基于ANSYS的钻柱纵向振动的模态分析

钻柱模态分析主要是确定钻柱自然振动频率，采用的有限元分析模型是将钻柱视为一连续的管梁，减振器位于其间。有限元分析的关键是建立合适的集合模型来模拟钻柱的实际工况，因此文中井架和钢丝绳的综合刚度用单元Combin 14来模拟，游动滑车、大钩、水龙头和方钻杆的质量和用集中质量单元mass 21来模拟，钻柱和钻铤用弹性圆直管单元PIPE 59来模拟，减震器的质量用集中质量单元Mass 21来模拟，而综合刚度用单元combin 14来模拟。各单元的特性可通过KEYOPT选项的设定来确定，由于研究的是钻柱的纵向振动，所以单元Combin 14、Mass 21、PIPE 59的各个KEYOPT选项采用默认设置。单元的参数包括材料特性和实常数。材料特性有弹性模量、泊松比等；实常数有单元的几何尺寸等。本文的主要参数有：井架和钢丝绳的综合刚度、游动滑车、大钩、水龙头和方钻杆的质量和、钻杆外径、钻杆壁厚、钻铤外径、钻铤壁厚、减震器质量、钻杆的弹性模量、钻杆的泊松比、钻杆的密度、钻铤的弹性模量、钻铤的泊松比、钻铤的密度、钻井液密度、阻尼系数。

ANSYS建模有2种方法：一种是先利用实体建模技术，生成实体模型，然后对实体模型划分网格的方法生成有限元分析模型；另一种是直接生成有限元模型［7］。本文把钻柱看作一个弹性直管，钻柱振动类似于一种弹簧—质量—阻尼系统，即将整个钻柱的振动简化为多自由度系统。由于模型较简单，采用后一种方法，先创建节点，然后通过节点直接生成单元。

根据以上建立的几何模型，对其加载，钻柱上的基本载荷有：本文仅考虑钻井液的阻尼。确定边界条件，假设的井架上端为固定端约束，下端为除了沿轴向方向平移的其余5个自由度均约束。首先对其静力分析，为了对钻柱进行纵向振动固有频率及振型的模态分析。使钻柱在钻井过程中，整个钻柱只有沿钻柱纵向方向的平移，采用Block Lanczos法提取前7阶模态。

基于ANSYS软件其纵向振动频率计算，对于不同的钻井液流速其计算参数如表1所示。

表1 参数表1

通过ANSYS软件进行模态分析可得前7阶频率，如表2所示。

表2 钻井液流速与固有频率关系

从表2中可以看出，当钻井液流速变化时对钻柱纵向振动的固有频率没有影响，下面我们分析当钻井液流速固定时，当井深变化时，钻铤长度等其他因素固定，分析改变钻杆长度对钻柱固有频率的影响；当钻柱长度一定时，分析改变钻杆和钻铤长度对钻柱固有频率的影响；当钻具组合固定时，分析改变减震器的类型对固有频率的影响。

2.1 钻杆长度对钻柱纵向振动频率影响

以整体钻柱为计算研究对象，研究钻杆长度对钻柱纵向振动固有频率的计算参数如下（取5组参数模拟）：钻井液流速均为0.1m/s，阻尼系数均为0.0094，其他参数同表1前五组数值。

通过ANSYS软件进行模态分析可得前7阶频率，钻柱长度对钻柱纵向振动特性的影响的关系如图1所示。

从图1中可以看出，钻杆长度的变化对直井整体钻柱纵向振动固有频率的影响变化较大，随钻杆长度增加，钻杆整体纵向振动的固有频率增加，尤其是钻杆长度较短时，随钻杆长度增加，钻杆整体纵向振动的固有频率大幅度降低；钻杆长度较长时，随钻杆长度增加，钻杆整体纵向振动的固有频率小幅度降低。

图1 钻柱长度对固有频率的影响

实际钻井时，应该根据井深的变化，计算出对应的固有频率和临界转速，合理选择转盘转速，以避开钻柱共振的临界转速，避免或降低钻柱发生共振的几率，增加钻柱的安全性。

2.2 钻铤长度对钻柱纵向振动频率影响

以整体钻柱为计算研究对象，考虑钻铤长度对纵向振动固有频率的影响，计算参数如下（取5组参数模拟）：钻井液流速均为0.1m/s，阻尼系数均为0.0094，钻杆长度均为2000m，钻铤长度分别为100m、120m、140m、160m、180m，其他参数同表1前五组数值。

通过ANSYS软件进行模态分析可得前7阶频率，钻铤长度对钻柱纵向振动特性的影响的关系如图2所示。

图2 钻铤长度对固有频率的影响

从图2中可以看出，当钻柱长度一定时，随着钻铤长度的增加，钻柱纵向振动的固有频率有所下降，各阶下降幅度有所不同，但是相对于钻杆长度的变化引起的频率变化时较小的，所以在实际钻井工程中可以适当地调整钻铤和钻杆的长度，以避开钻柱共振的临界转速，避免或降低钻柱发生共振的几率，增加钻柱的安全性，防止钻柱断裂事故。

2.3 减震器型号对钻柱纵向振动频率影响

2.3.1 弹性刚度的影响

以整体钻柱为计算研究对象，考虑同一种减震器不同刚度对纵向振动固有频率的影响，计算参数如下（取五组参数模拟）：钻井液流速均为0.1m/s，阻尼系数均为0.0094，钻杆长度均为2000m，钻铤长度均别为160m，减震器的刚度分别为3×106N·m、4×106N·m、5×106N·m、6× 106N·m、7×106N·m其他参数同表1前五组数值。

通过ANSYS软件进行模态分析可得前7阶频率，减震器刚度钻柱纵向振动特性的影响的关系如图3所示。

图3 减震器刚度对固有频率的影响

从图3中可以看出，当钻柱、钻铤等固定时，钻柱纵向振动的固有频率随着减震器的刚度的增加而逐渐增加，且对低阶频率的影响大于高阶频率的影响。

2.3.2 减震器型号的影响

以整体钻柱为计算研究对象，考虑不同减震器在同一刚度下对纵向振动固有频率的影响，计算参数如下（取五组参数模拟）：钻井液流速均为0.1m/s，阻尼系数均为0.0094，钻杆长度均为2000m，钻铤长度均别为160m，减震器的刚度均为5×106，型号分别为DSJQ-165、DSJQ-178、DSJQ-203、DSJQ-229、DSJQ-245，对应质量分别为375kg、405kg、580kg、730kg、860kg，其他参数同表1前五组数值。

通过ANSYS软件进行模态分析可得前7阶频率，减震器型号对钻柱纵向振动特性的影响的关系如图4所示。

图4 减震器型号对固有频率的影响

从上述表格和图形中可以看出，减震器能够起到一定的减震的作用，而且不同型号的减震器对钻柱纵向振动固有频率的影响不大，因此在钻井过程中，根据工作钻压、减震器的最大扭矩、允许上提力和最大工作行程选择适当的减震器，能避开钻柱共振的临界转速，避免或降低钻柱发生共振的几率，能在跳钻地层中钻进时减轻或消除跳钻，以减少钻头和钻具的损坏，保护井壁，提高机械钻速，缩短钻井周期，降低钻井成本。

3 结论

当钻井液流速变化时，对钻柱纵向振动的固有频率没有影响；当钻井液流速一定时，钻杆长度的变化对直井整体钻柱纵向振动固有频率的影响较大，随钻杆长度增加，钻杆整体纵向振动的固有频率增加；而对于钻铤长度的变化，随着钻铤长度的增加，钻柱纵向振动的固有频率有所下降，各阶下降幅度有所不同；减震器能够起到一定的减震的作用，但效果不大。

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TE21

A

1004-5716(2015)06-0042-04

2015-01-21

2015-01-22

国家自然科学基金重大项目“页岩油气高交往开发基础理论研究”（编号：51490650）；国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（编号：2011ZX05021-006）部分研究成果。

闫铁（1956-），男（汉族），黑龙江肇州人，教授、博导，现从事油气井工艺理论与技术研究工作。