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摘 要：深水钻井钻柱是我国新兴海洋石油工业中用量大、质量要求高的管材，由于作业环境和受力分析复杂，深水钻井钻具系统的强度问题是当代学者研究的热门话题。文章详细阐述上部和底部钻柱横向振动、纵向振动、扭转振动机理，介绍了纵振易引起横振，横振引起扭振原理，同时分析了三种振动、海洋载荷、隔水管、平台相互耦合振动机理，指出了钻柱动力学危害和采取的防范措施，其中隔水管、平台、钻柱内外流体和流体流态等影响因素同样不可忽视。
关键词：深水钻井 钻柱动力学 耦合 有限元 影响因素
中图分类号：TE24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0030-02
由于地球海洋蕴藏着丰富的石油资源，我国逐渐重视深水石油的勘探开发技术，为了确保深水钻井的安全钻进，深水钻井钻柱的强度问题引起了当代研究者的关注。1992年，据现场调查测试，每年至少发生钻柱失效事故500起，直接经济损失4000万元以上[1]。何况深水作业环境复杂，钻柱失效问题带来的经济损失更加不可估量，与钻柱静力学相比，钻柱动力学能准确反映井内钻柱实际工作状态。由于深水钻井钻柱较长，底部钻柱振动较大，上部隔水管、平台的无规则运动也加剧了钻柱的振动，故了解深水钻井钻柱动力学机理，对分析钻柱实际工作状态尤为重要，为优化钻具组合与安全高效钻进提供了依据。
1 深水钻井钻柱振动机理
1.1 深水钻井钻柱纵向振动
深水钻井钻柱的纵向振动是由于钻头旋转所引起的纵向振动和动载，底部钻柱纵向振动使钻压不能均匀地加在钻头上，钻头由于钻压的剧烈跳动而容易脱离井底，这就是所谓的跳转，跳转会产生冲击载荷[2]，迫使钻头轴承和镶齿过早地破。当深水钻井钻柱的纵向振动比较严重时，往往还引起深水钻井井口，乃至海洋平台的强迫振动，严重时甚至引发钻井事故。研究牙轮钻头时，牙轮钻头沿波状井底旋转所引起的纵向跳转与动载，单双尺交替接触井底产生上下振动，通常钻柱纵向动力学问题是学者研究钻柱受力与疲劳失效的主要因素。若在涡轮钻井工程中，钻柱可能会发生纵向共振，当钻压近于水力载荷下，小质量的钻头在波状井底高速旋转跳动，反射波与激振波相互叠加，加上涡轮钻具的软特性，纵向共振会频繁发生。若考虑钻柱内、外的流体会对钻柱引起附加压力，计算存在阻尼和无阻尼钻柱纵向振动频率，可以看出钻井液流体会使钻柱纵向振动频率降低，当然必要时也应该考虑钻井液流态的变化，同时应该注意钻柱是否发生轴向反复跳动[3]。深水钻井上端与海洋接触，在钻井平台中心位置随海流漂移的过程中，钻柱损坏比较明显，钻井平台的升沉、漂移和扭转使钻柱中产生了疲劳载荷，其中钻井平台的升沉运动影响作用最大，当集中应力达到钻柱所允许的极限，钻柱的失效现象可能难以得到控制。总的来说，钻井平台会随着海流的浮沉作用带动钻柱做非线性周期运动，这样钻柱在轴向上的运动就是非线性无规则运动。
1.2 深水钻井钻柱横向振动
深水钻井底部钻柱横向振动的主要原因是钻柱出现质量不平衡现象。井眼偏心、下部钻具组合的初始曲率、钻具磨损、弯接头的使用[4]等都会轻易导致钻柱的质量不平衡，结果将会产生一个离心力，离心力会强迫钻柱与井壁接触碰撞，钻杆接头或钻铤沿井壁作无滑动滚动摩擦，将会产生反转运动，钻柱的反转运动是钻柱动力学问题中最严重的一种，它会造成钻柱运动状态复杂，从而造成它严重的变形和受力，主要钻柱反转运动的危害有：加速钻柱的弯曲疲劳破坏；加速钻柱接头盒套管的磨损；造成钻柱的冲蚀破坏等等[5]。当钻柱处在屈曲条件下，底部钻柱会与井壁相接触，如果与井壁作用力达到一定值时，底部钻柱可能绕轴心做旋转运动，从而带动钻柱做螺旋状旋转运动。通过分析，钻柱横向运动并不规律，离心力和井壁接触摩擦力的变化将会发生钻柱涡动现象。如果井壁接触力摩擦促使钻柱与自转方向相同的涡动，即为向前涡动；接触作用力引起与自转方向相反的涡动，即为向后涡动。
综上所述，深水钻井钻柱横向振动会使钻柱与井壁接触产生离心力、摩擦力等附加作用力，而离心力的存在会影响钻柱的弯曲变形，钻柱弯曲变形会产生轴向应力的变化，促使钻柱在轴向上发生交替变化，周期性拉伸应力的改变加剧对钻柱强度的影响。而与井壁接触的摩擦力大小和方向直接导致了钻柱会发生向前涡动还是向后涡动，很难预防和停止涡动现象，应该尽量避免底部钻柱与井壁接触，并根据实际工况[6]配有减震工具。
诱发深水钻井上部钻柱横向振动的主要原因就是隔水管的无规则运动，若不考虑钻柱与隔水管之间的接触作用力，柱内外流体对横向振动的影响，可以当做隔水管与钻柱一起做横向振动，可以分析隔水管横向振动的原因。海流和海浪对隔水管是变化复杂的非线性动态作用，若海浪和海流的波动频率接近隔水管的固有频率时，会引起钻柱和隔水管的共振作用而导致钻柱的损坏。海流一般情况下可以分为静态和准静态。隔水管发生破坏的主要原因是海浪对隔水管的激扰频率与隔水管某一节固有频率相同时，发生共振，这是引起上部钻柱疲劳问题的主要原因。若分析钻柱与隔水管之间的流体对钻柱振动的影响，一般情况下，阻尼的存在会降低钻柱的频率，若考虑钻井液流态的变化，同样可以影响钻柱横向振动，对钻柱振动破坏起到加强的作用。
1.3 深水钻井钻柱扭转振动
深水钻井钻柱扭转振动的主要原因是底部钻具周期性的旋转运动，扭转振动的主要表现形式是粘滑形式，当钻速较低或钻压过高时也会出现憋钻形式，钻头、岩层性质、转速和钻井液阻尼等因素影响着扭转振动的剧烈程度，钻柱转速时而很低时而很高，这种交变速度严重造成钻柱本身的疲劳强度破坏。当钻进在水平段时，钻柱易出现非线性扭转振动，出现非线性摩擦扭矩促使钻柱产生钟摆式运动，产生的影响作用是比正常扭矩多30%，当钻柱积蓄的扭矩一旦释放出来，水平段的钻具组合在绩效的环隙下猛然加速，这种周期性的反转引起的剧烈横振会使质量很大的下部钻柱中薄弱的环节很快的产生异常损坏[7]。对于深水平台以及海流作用的影响可以影响上部钻柱的扭转，当平台离开中心位置时，海流的作用若使平台绕其中心位置旋转将会加大钻柱系统的旋转运动，当振动频率与底部钻柱扭转振动频率达到共振时，会造成钻具扭断等重大钻井事故。因此综合这些影响因素，准确分析深水钻井钻柱的扭转运动是十分必要的。 2 深水钻井钻柱耦合振动机理
深水钻井钻柱横振、纵振的耦合振动是很厉害的耦合振动，在深水钻井中，底部钻柱横向振动主要起源于中和点至钻头段的钻柱，钻压的大小影响了地层对底部钻柱轴向力的大小，从而直接影响横向振动频率。在钻铤和钻杆之间的中性点左右，轴向力的大小是不同的，轴向力对振动频率的影响不同，从而直接影响钻柱振动参数和特性，一般情况下，底部钻柱横向振动引起的纵向振动频率为横向振动的l倍或2倍甚至更高[8]。因此需要合理地控制操作参数，加强随钻测量技术，若发现振动参数异常时，应停止钻进，重新开钻。深水钻井钻柱的纵向振动与扭转振动一般情况下是共同发生的，扭转振动使钻头的转速波动，加剧纵向振动，而纵向振动引起的反转运动也会加剧钻头上的扭矩波动，这也影响着钻柱的纵向振动的振动大小[9]。同样，深水钻井钻柱的横向振动迫使钻柱与井壁之间发生接触作用，会出现涡动现象，加剧钻柱的扭转，甚至反转一旦发生则很难停止。如果摩擦力矩大于扭矩时，会抑制钻柱旋转，若摩擦力矩突变小于扭矩钻柱时，钻柱会迅速释放，以几倍转速的速度高速反向旋转，促使钻柱产生交变应力，对钻柱的疲劳破坏作用非常大。三种振动形式相辅相成，很难抑制这三种振动的发生，对于底部钻柱振动应按工况配有减震器等减震工具，控制钻柱工作应力的变化。
陆地钻井的振动一般都集合在钻柱底部，深水钻井则不同，上部钻柱的振动需要考虑隔水管、钻井平台、海洋载荷等其他因素。因此掌握了这些外在因素的规律，也就掌握了钻柱振动的规律，影响上部钻柱振动的因素很多，主要有以下几个因素：钻柱本身的直径、长度、刚度等结构影响作用；引起隔水管、钻柱耦合振动的主要原因：主要因素有海浪、海流等，主要表现在海流的流速、波浪的波高、周期等；上部钻柱会随着隔水管的漂移和平台的浮动而振动，平台提供的张力的大小直接影响到深水钻柱系统的刚度，对上部钻柱的振动特性是一个重要因素，对钻柱固有频率的影响很大，这也直接影响了其振动特性。同时平台的上下浮沉直接影响着纵向、横向振动，平台的扭转同样也影响着上部钻柱的扭转运动。钻井液流体对钻柱耦合振动也起了一定的作用，气相流速、孔隙率、液相流速成为钻柱系统振动的一个重要因素。钻井流体对钻柱的振动存在着耦合的影响，流体会对钻柱的运动产生阻尼，过阻尼和临界阻尼状态会抑止钻柱的振动状态，尤其在深水大位移水平井中，还会出现蹩钻及粘滑，严重时甚至无法钻井。当平台升沉运动频率、隔水管运移和钻柱系统的固有频率接近时，钻柱的动态响应强烈，很可能就会发生共振现象，会严重影响整个深水钻井动力学稳定性，产生严重后果。
3 结语
（1）深水钻井在钻进过程中易出现纵向振动，纵向振动又易引起横向振动，横向振动也易引发扭转振动，三者往往同时存在，同时不可忽略与井壁接触力和阻尼的影响，底部钻具组合应配备减震器等减震工具。
（2）深水钻井上部钻柱振动受隔水管运移、钻井平台浮沉以及海洋载荷等影响，应建立钻柱-隔水管-钻井平台-海洋载荷耦合动力学模型，研究规律，计算结果与现场结果对比分析，避免在钻进过程中发生共振带来钻柱失效和失稳问题。
（3）通过实力分析，降低钻柱振动的主要方法是根据钻柱动态应力特性，优化钻柱结构和工作参数，使钻柱尽可能在低动态应力水平下工作，同时控制钻井平台的动力学特性，分析海流、海风等环境载荷周期性动态影响，为降低钻具疲劳失效和优化管具设计提供依据。
参考文献
[1]张焱，陈平，施太和.深井中钻柱动力学机理研究[J].石油机械.1998，26（7）：17-20.
[2]Aarestad T V，Kyllingstad A.Measurement and theoretical models on rig suspension and the effect on drillstring vibrations[J].1993，8（3）：201-206.
[3]屈展，刘德铸.钻柱振动问题及其理论研究进展[J].石油机械，1996，24（2）：54-57.
[4]高德利，张辉.无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析[J].科技导报，2012（4）：37-42.
[5]畅元江，陈国明，许亮斌.深水钻井隔水管系统设计影响因素分析[J].石油勘探与开发，2009，36（4）：523-528.
[6]Brett J F.The genesis of bit-induced torsional drillstring vibrations[R].SPE/IADC 21943，1992.
[7]狄勤丰，王文昌，胡以宝.钻柱动力学及应用进展[J].天然气工业，2006，26（4）：57-59.
[8]G.Heisig.Lateral Drillstring Vibrations in Extended-Reach Wells.Society of Petroleum Engineers[R].IADC/SPE 59235，2000.
[9]韩春杰，闫铁，毕雪亮.深井钻柱振动规律的分析及应用[J].天然气工业，2005，25（9）：76-79.
关键词：深水钻井 钻柱动力学 耦合 有限元 影响因素
中图分类号：TE24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0030-02
由于地球海洋蕴藏着丰富的石油资源，我国逐渐重视深水石油的勘探开发技术，为了确保深水钻井的安全钻进，深水钻井钻柱的强度问题引起了当代研究者的关注。1992年，据现场调查测试，每年至少发生钻柱失效事故500起，直接经济损失4000万元以上[1]。何况深水作业环境复杂，钻柱失效问题带来的经济损失更加不可估量，与钻柱静力学相比，钻柱动力学能准确反映井内钻柱实际工作状态。由于深水钻井钻柱较长，底部钻柱振动较大，上部隔水管、平台的无规则运动也加剧了钻柱的振动，故了解深水钻井钻柱动力学机理，对分析钻柱实际工作状态尤为重要，为优化钻具组合与安全高效钻进提供了依据。
1 深水钻井钻柱振动机理
1.1 深水钻井钻柱纵向振动
深水钻井钻柱的纵向振动是由于钻头旋转所引起的纵向振动和动载，底部钻柱纵向振动使钻压不能均匀地加在钻头上，钻头由于钻压的剧烈跳动而容易脱离井底，这就是所谓的跳转，跳转会产生冲击载荷[2]，迫使钻头轴承和镶齿过早地破。当深水钻井钻柱的纵向振动比较严重时，往往还引起深水钻井井口，乃至海洋平台的强迫振动，严重时甚至引发钻井事故。研究牙轮钻头时，牙轮钻头沿波状井底旋转所引起的纵向跳转与动载，单双尺交替接触井底产生上下振动，通常钻柱纵向动力学问题是学者研究钻柱受力与疲劳失效的主要因素。若在涡轮钻井工程中，钻柱可能会发生纵向共振，当钻压近于水力载荷下，小质量的钻头在波状井底高速旋转跳动，反射波与激振波相互叠加，加上涡轮钻具的软特性，纵向共振会频繁发生。若考虑钻柱内、外的流体会对钻柱引起附加压力，计算存在阻尼和无阻尼钻柱纵向振动频率，可以看出钻井液流体会使钻柱纵向振动频率降低，当然必要时也应该考虑钻井液流态的变化，同时应该注意钻柱是否发生轴向反复跳动[3]。深水钻井上端与海洋接触，在钻井平台中心位置随海流漂移的过程中，钻柱损坏比较明显，钻井平台的升沉、漂移和扭转使钻柱中产生了疲劳载荷，其中钻井平台的升沉运动影响作用最大，当集中应力达到钻柱所允许的极限，钻柱的失效现象可能难以得到控制。总的来说，钻井平台会随着海流的浮沉作用带动钻柱做非线性周期运动，这样钻柱在轴向上的运动就是非线性无规则运动。
1.2 深水钻井钻柱横向振动
深水钻井底部钻柱横向振动的主要原因是钻柱出现质量不平衡现象。井眼偏心、下部钻具组合的初始曲率、钻具磨损、弯接头的使用[4]等都会轻易导致钻柱的质量不平衡，结果将会产生一个离心力，离心力会强迫钻柱与井壁接触碰撞，钻杆接头或钻铤沿井壁作无滑动滚动摩擦，将会产生反转运动，钻柱的反转运动是钻柱动力学问题中最严重的一种，它会造成钻柱运动状态复杂，从而造成它严重的变形和受力，主要钻柱反转运动的危害有：加速钻柱的弯曲疲劳破坏；加速钻柱接头盒套管的磨损；造成钻柱的冲蚀破坏等等[5]。当钻柱处在屈曲条件下，底部钻柱会与井壁相接触，如果与井壁作用力达到一定值时，底部钻柱可能绕轴心做旋转运动，从而带动钻柱做螺旋状旋转运动。通过分析，钻柱横向运动并不规律，离心力和井壁接触摩擦力的变化将会发生钻柱涡动现象。如果井壁接触力摩擦促使钻柱与自转方向相同的涡动，即为向前涡动；接触作用力引起与自转方向相反的涡动，即为向后涡动。
综上所述，深水钻井钻柱横向振动会使钻柱与井壁接触产生离心力、摩擦力等附加作用力，而离心力的存在会影响钻柱的弯曲变形，钻柱弯曲变形会产生轴向应力的变化，促使钻柱在轴向上发生交替变化，周期性拉伸应力的改变加剧对钻柱强度的影响。而与井壁接触的摩擦力大小和方向直接导致了钻柱会发生向前涡动还是向后涡动，很难预防和停止涡动现象，应该尽量避免底部钻柱与井壁接触，并根据实际工况[6]配有减震工具。
诱发深水钻井上部钻柱横向振动的主要原因就是隔水管的无规则运动，若不考虑钻柱与隔水管之间的接触作用力，柱内外流体对横向振动的影响，可以当做隔水管与钻柱一起做横向振动，可以分析隔水管横向振动的原因。海流和海浪对隔水管是变化复杂的非线性动态作用，若海浪和海流的波动频率接近隔水管的固有频率时，会引起钻柱和隔水管的共振作用而导致钻柱的损坏。海流一般情况下可以分为静态和准静态。隔水管发生破坏的主要原因是海浪对隔水管的激扰频率与隔水管某一节固有频率相同时，发生共振，这是引起上部钻柱疲劳问题的主要原因。若分析钻柱与隔水管之间的流体对钻柱振动的影响，一般情况下，阻尼的存在会降低钻柱的频率，若考虑钻井液流态的变化，同样可以影响钻柱横向振动，对钻柱振动破坏起到加强的作用。
1.3 深水钻井钻柱扭转振动
深水钻井钻柱扭转振动的主要原因是底部钻具周期性的旋转运动，扭转振动的主要表现形式是粘滑形式，当钻速较低或钻压过高时也会出现憋钻形式，钻头、岩层性质、转速和钻井液阻尼等因素影响着扭转振动的剧烈程度，钻柱转速时而很低时而很高，这种交变速度严重造成钻柱本身的疲劳强度破坏。当钻进在水平段时，钻柱易出现非线性扭转振动，出现非线性摩擦扭矩促使钻柱产生钟摆式运动，产生的影响作用是比正常扭矩多30%，当钻柱积蓄的扭矩一旦释放出来，水平段的钻具组合在绩效的环隙下猛然加速，这种周期性的反转引起的剧烈横振会使质量很大的下部钻柱中薄弱的环节很快的产生异常损坏[7]。对于深水平台以及海流作用的影响可以影响上部钻柱的扭转，当平台离开中心位置时，海流的作用若使平台绕其中心位置旋转将会加大钻柱系统的旋转运动，当振动频率与底部钻柱扭转振动频率达到共振时，会造成钻具扭断等重大钻井事故。因此综合这些影响因素，准确分析深水钻井钻柱的扭转运动是十分必要的。 2 深水钻井钻柱耦合振动机理
深水钻井钻柱横振、纵振的耦合振动是很厉害的耦合振动，在深水钻井中，底部钻柱横向振动主要起源于中和点至钻头段的钻柱，钻压的大小影响了地层对底部钻柱轴向力的大小，从而直接影响横向振动频率。在钻铤和钻杆之间的中性点左右，轴向力的大小是不同的，轴向力对振动频率的影响不同，从而直接影响钻柱振动参数和特性，一般情况下，底部钻柱横向振动引起的纵向振动频率为横向振动的l倍或2倍甚至更高[8]。因此需要合理地控制操作参数，加强随钻测量技术，若发现振动参数异常时，应停止钻进，重新开钻。深水钻井钻柱的纵向振动与扭转振动一般情况下是共同发生的，扭转振动使钻头的转速波动，加剧纵向振动，而纵向振动引起的反转运动也会加剧钻头上的扭矩波动，这也影响着钻柱的纵向振动的振动大小[9]。同样，深水钻井钻柱的横向振动迫使钻柱与井壁之间发生接触作用，会出现涡动现象，加剧钻柱的扭转，甚至反转一旦发生则很难停止。如果摩擦力矩大于扭矩时，会抑制钻柱旋转，若摩擦力矩突变小于扭矩钻柱时，钻柱会迅速释放，以几倍转速的速度高速反向旋转，促使钻柱产生交变应力，对钻柱的疲劳破坏作用非常大。三种振动形式相辅相成，很难抑制这三种振动的发生，对于底部钻柱振动应按工况配有减震器等减震工具，控制钻柱工作应力的变化。
陆地钻井的振动一般都集合在钻柱底部，深水钻井则不同，上部钻柱的振动需要考虑隔水管、钻井平台、海洋载荷等其他因素。因此掌握了这些外在因素的规律，也就掌握了钻柱振动的规律，影响上部钻柱振动的因素很多，主要有以下几个因素：钻柱本身的直径、长度、刚度等结构影响作用；引起隔水管、钻柱耦合振动的主要原因：主要因素有海浪、海流等，主要表现在海流的流速、波浪的波高、周期等；上部钻柱会随着隔水管的漂移和平台的浮动而振动，平台提供的张力的大小直接影响到深水钻柱系统的刚度，对上部钻柱的振动特性是一个重要因素，对钻柱固有频率的影响很大，这也直接影响了其振动特性。同时平台的上下浮沉直接影响着纵向、横向振动，平台的扭转同样也影响着上部钻柱的扭转运动。钻井液流体对钻柱耦合振动也起了一定的作用，气相流速、孔隙率、液相流速成为钻柱系统振动的一个重要因素。钻井流体对钻柱的振动存在着耦合的影响，流体会对钻柱的运动产生阻尼，过阻尼和临界阻尼状态会抑止钻柱的振动状态，尤其在深水大位移水平井中，还会出现蹩钻及粘滑，严重时甚至无法钻井。当平台升沉运动频率、隔水管运移和钻柱系统的固有频率接近时，钻柱的动态响应强烈，很可能就会发生共振现象，会严重影响整个深水钻井动力学稳定性，产生严重后果。
3 结语
（1）深水钻井在钻进过程中易出现纵向振动，纵向振动又易引起横向振动，横向振动也易引发扭转振动，三者往往同时存在，同时不可忽略与井壁接触力和阻尼的影响，底部钻具组合应配备减震器等减震工具。
（2）深水钻井上部钻柱振动受隔水管运移、钻井平台浮沉以及海洋载荷等影响，应建立钻柱-隔水管-钻井平台-海洋载荷耦合动力学模型，研究规律，计算结果与现场结果对比分析，避免在钻进过程中发生共振带来钻柱失效和失稳问题。
（3）通过实力分析，降低钻柱振动的主要方法是根据钻柱动态应力特性，优化钻柱结构和工作参数，使钻柱尽可能在低动态应力水平下工作，同时控制钻井平台的动力学特性，分析海流、海风等环境载荷周期性动态影响，为降低钻具疲劳失效和优化管具设计提供依据。
参考文献
[1]张焱，陈平，施太和.深井中钻柱动力学机理研究[J].石油机械.1998，26（7）：17-20.
[2]Aarestad T V，Kyllingstad A.Measurement and theoretical models on rig suspension and the effect on drillstring vibrations[J].1993，8（3）：201-206.
[3]屈展，刘德铸.钻柱振动问题及其理论研究进展[J].石油机械，1996，24（2）：54-57.
[4]高德利，张辉.无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析[J].科技导报，2012（4）：37-42.
[5]畅元江，陈国明，许亮斌.深水钻井隔水管系统设计影响因素分析[J].石油勘探与开发，2009，36（4）：523-528.
[6]Brett J F.The genesis of bit-induced torsional drillstring vibrations[R].SPE/IADC 21943，1992.
[7]狄勤丰，王文昌，胡以宝.钻柱动力学及应用进展[J].天然气工业，2006，26（4）：57-59.
[8]G.Heisig.Lateral Drillstring Vibrations in Extended-Reach Wells.Society of Petroleum Engineers[R].IADC/SPE 59235，2000.
[9]韩春杰，闫铁，毕雪亮.深井钻柱振动规律的分析及应用[J].天然气工业，2005，25（9）：76-79.