钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

摘要

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点，基于井口钻杆抗拉余量设计要求，设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱，即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性，基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型，并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解，分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性，并与常规钢钻柱进行比较。结果表明：钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力，其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小；基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化，形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

关键词

钛合金钻杆 / 复合钻柱 / 超深井 / 动力学特性 / 钻井参数

基金资助

国家重点研发计划(2021YFB3700804); 国家自然科学基金项目(52374008,52174003); 中国石油科学研究与技术开发项目(2021DJ2703); 陕西省自然科学基金项目(2021JM-607)