牙轮钻头旋转破岩引起的钻柱纵向振动研究

摘要

由于钻柱的大长径比特性,外加钻头破岩过程中井底凹凸不平,钻柱系统极易产生纵向振动.这类振动会加剧下部钻具失效、影响井身质量、浪费系统能量,最终降低钻井效率并增大钻井成本,甚至可能导致安全事故.在合理假设的基础上,通过建立牙轮钻头旋转破岩时钻柱纵向振动的力学模型,建立并求解其运动微分方程,得到钻柱的纵向振动响应.研究表明在阻尼作用下,钻头在具有初始位移后所引起的振动迅速衰减并趋于消失,钻头的实际纵向运动轨迹类似于正弦曲线.在50~120 r/min范围内(现场常用转速),振幅放大系数随着转速的增大而减小.由于正常钻进时激励频率远高于钻柱系统的固有振动频率,因此初始位移对钻头纵向振动的振幅放大系数影响比较小.