深部硬地层钻头粘滑振动特性及减振方法研究

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钻头的粘滑振动是深部硬地层钻进的技术难题,随着我国油气勘探开发逐步向深部地层与深海发展,钻进过程中的粘滑振动已成为制约高效钻进的技术瓶颈。由于深部地层钻头的粘滑振动远离地面且存在高温高压从而导致测量困难等问题,理论研究与实验测量均存在较大的难度,这也使得粘滑振动的研究进展缓慢。本文从现有粘滑振动研究现状出发,了解粘滑振动对钻进过程的影响,研究钻头的粘滑振动特性及发生振动时钻头的运动规律,分析现有关于粘滑振动的抑制方法并研究高频扭转冲击抑制粘滑振动。本文的研究内容主要包括:(1)结合现有关于粘滑振动的研究及现场钻井中有关粘滑振动的案例,揭示深部硬地层粘滑振动对钻进过程的影响。(2)进行钻头与岩石的非线性接触分析以及岩石损伤分析,探索钻头与岩石的相互作用机制;通过研究钻头的破岩过程得到粘滑振动的产生机理;通过进行钻头破岩仿真分析和粘滑振动的作用规律研究,得到粘滑振动的作用机理。(3)将钻进系统简化为单自由度模型,分析无阻尼单自由度系统自由振动、有阻尼单自由度系统自由振动和有阻尼单自由度系统受迫振动;分析将系统简化为二自由度系统的模型和无限自由度系统模型,得到粘滑振动钻头的运动特性。(4)分析现有关于粘滑振动的抑制方法,具体包括:随钻测量改变钻井参数、井下振动与冲击监测评估、井口主动阻尼控制系统、井口比例积分控制系统、粘滑振动与涡动解耦、旋转导向与螺杆钻具结合、优化钻头参数。(5)设计扭转冲击钻井工具并进行运动可行性的仿真研究与试验研究,分析高频扭转冲击作用下钻头的破岩特性与钻头振动特性。通过本文的研究,可对钻头粘滑振动时钻头与岩石的相互作用、粘滑振动的产生与作用机理及其动力学特性、高频扭转冲击的提速机理作进一步了解,可为今后开展相关的工作研究提供理论依据与科学指导。
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