[发明专利]一种超深井钻柱粘滑振动抑制方法

说明书

本发明公开了一种超深井钻柱粘滑振动抑制方法，包括：将超深井钻柱等效为转盘、钻杆、BHA和钻头组成的四自由度扭转振动物理模型；采用基于哈密顿原理的拉格朗日方程描述所述四自由度扭转振动物理模型，建立超深井钻柱扭转振动动力学模型；求解所述超深井钻柱扭转振动动力学模型，获得所述超深井钻柱扭转振动特性；根据所述超深井钻柱扭转振动特性，调整所述超深井钻柱的结构或钻进参数，抑制所述超深井钻柱的粘滑振动。本发明建立超深井钻柱扭转振动动力学模型，求解模型获得了超深井钻柱扭转振动特性，根据钻柱扭转振动特性调整超深井钻柱的结构或钻进参数，可以抑制超深井钻柱的粘滑振动，保证超深井钻井作业的安全和高效。

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别是涉及一种超深井钻柱粘滑振动抑制方法。

背景技术

随着油气资源日益枯竭，油气勘探开发逐渐向深部地层发展，深井/超深井逐渐成为主体井型。深度在6000-9000米的井定义为超深井，井深在4500-6000米的井定义为深井。超深井钻柱的钻杆更长，扭转刚度更低，所以超深井钻柱更容易发生粘滑振动且振动程度更剧烈、危害更大，这就导致深层/超深层的机械钻速相较于浅层显著降低。此外钻柱发生粘滑振动时，钻柱上存在剧烈的周期性交变应力，导致井下钻具过早疲劳失效。因此为了有效避免粘滑振动，提升深层/超深层的机械钻速，保证超深井钻井作业的安全和高效，有必要抑制深井钻柱粘滑振动。

现有技术中主要通过实际测量和理论分析来研究钻柱的粘滑振动并抑制粘滑振动。实际测量法是通过测量钻柱运动较准确地获得钻柱的振动状态，并借助信号处理技术研究钻柱粘滑振动的诱发机理及影响因素。实际测量对测量传感器要求极高，所以用测量方法研究钻柱粘滑振动的成本极高。理论分析法主要采用基于摩擦效应的单、多自由度扭转摆模型和集中参数模型模拟粘滑振动，并对相关参数进行影响分析。目前分析超深井粘滑振动特性，大多采用由转盘、钻柱和钻头组成的两自由度扭转振动模型，而事实上超深井钻柱的钻杆与钻铤长度比很大、扭转刚度也有很大的差异，简单地将钻柱看成一个整体，不能准确获得超深井粘滑振动特性，因此不能根据超深井粘滑振动特性，调整超深井钻柱的结构或钻进参数，抑制所述超深井钻柱的粘滑振动。

发明内容

本发明的目的在于针对：采用两自由度扭转振动模型不能准确获得超深井粘滑振动特性的问题，提供一种超深井钻柱粘滑振动抑制方法，通过建立超深井钻柱四自由度扭转振动动力学模型，求解模型得到准确的超深井钻柱扭转振动特性，根据钻柱扭转振动特性调整超深井钻柱的结构或钻进参数，抑制超深井钻柱的粘滑振动。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超深井钻柱粘滑振动抑制方法，包括以下步骤：

S1：将超深井钻柱等效为转盘、钻杆、BHA(Bottom Hole Assembly，底部钻具组合)，和钻头组成的四自由度扭转振动物理模型；

S2：采用基于哈密顿原理的拉格朗日方程描述所述四自由度扭转振动物理模型，建立超深井钻柱扭转振动动力学模型；

S3：求解所述超深井钻柱扭转振动动力学模型，获得所述超深井钻柱扭转振动特性，所述超深井钻柱扭转振动特性包括钻柱的角位移随时间的变化关系；

S4：根据所述超深井钻柱扭转振动特性，调整所述超深井钻柱的结构或钻进参数，抑制所述超深井钻柱的粘滑振动。

本发明将超深井钻柱等效为转盘、钻杆、BHA和钻头组成的四自由度扭转振动物理模型，采用基于哈密顿原理的拉格朗日方程描述所述四自由度扭转振动物理模型，建立超深井钻柱扭转振动动力学模型，求解模型获得了超深井钻柱扭转振动特性，所述超深井钻柱扭转振动特性包括钻柱的角位移随时间的变化关系，其能够反映粘滑振动的剧烈程度。根据钻柱扭转振动特性调整超深井钻柱的结构或钻进参数，根据粘滑振动的变化可以确定应该如何调整超深井钻柱的结构或钻进参数，从而可以抑制超深井钻柱的粘滑振动。

可选的，所述超深井钻柱扭转振动动力学模型为：