机械工程学报

作者：陈益丽, 柳军, 梁爽

单位：1. 西南石油大学机电工程学院 成都 610500;2. 成都大学机械工程学院 成都 610106

关键词：转盘钻井,钻柱振动,耦合振动,钻井液流变性,粘滑振动；

基金：国家自然科学基金(51875489)、四川省科技计划项目(2022YFQ0034)资助项目。

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)可更好地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可更好地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。

来源：2024年第5期

《机械工程学报》期刊编辑部

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