钻井液流变性对转盘钻井钻柱耦合振动抑制的参数影响研究

作者：陈益丽; 柳军^*; 梁爽

来源：机械工程学报, 2023, 1-13.

• 转盘钻井
• 钻柱振动
• 耦合振动
• 钻井液流变性
• 粘滑振动

当钻头钻进时，环空内的钻井液因混合大量岩屑会表现出较强的非牛顿流变性，对钻柱振动行为产生较大影响。采用Hamilton变分原理建立了转盘钻井钻柱纵-横-扭耦合(Axial-lateral-torsional coupling, ALTC)非线性动力学模型，模型充分考虑了钻柱结构阻尼、钻井液非牛顿流变阻尼、钻头-岩石互作用及钻柱-井壁接触等因素的影响。提出一种瑞利阻尼矩阵计算方法，采用纵、横、扭、纵-横、横-扭、纵-扭阻尼矩阵联合求得纵-横-扭耦合阻尼矩阵，实现了在钻柱ALTC振动阻尼中考虑钻井液的影响。采用有限元法结合Newmark-β法实现了系统非线性振动模型的离散及求解，并借助现场实测数据验证了模型的有效性。利用模型探究了钻井液流变参数对钻柱ALTC振动响应的影响机理，结果表明：较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τHy=7, k=5)，及较小的幂律指数(n=0.2)可更好抑制钻柱系统纵向振动，降低跳钻风险；较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τHy=7, k=5)，幂律指数n=0.8可更好抑制钻柱系统横向振动，保持井眼直径；较大的稠度系数和幂律指数(k=5, n≥0.8)可更好抑制钻柱系统粘滑振动，提高机械钻速。研究结果可为优化钻柱及钻井液参数，降低钻柱有害振动，提高钻井效率提供理论支撑。

• 单位
  成都大学; 石油大学机电工程学院