声频钻进过程液压振动系统-钻具-井筒耦合振动研究

声频钻进技术是一种高效的沉积地层钻进取样技术，其使用液压马达驱动高频机械系统振动钻进，用来获取连续高质量的岩心样品，该技术可广泛应用于环境钻探、矿产普查勘探等领域。本课题对声频钻进过程中液压振动系统-钻具-井筒系统的耦合振动行为进行研究。首先，利用振动理论和机械动力学原理研究液压系统与钻具系统的耦合作用机理，建立液压振动系统与钻具耦合振动模型；在分析钻具柱、井壁、钻头、井底相互作用力的基础上，建立钻具（钻柱和钻头）-井筒（井壁和井底）耦合振动模型；建立声频钻进监测系统，在现场钻进数据分析的基础上，利用灰箱建模理论，对整个声频振动钻进模型进行辩识和修正，并开展系统振动状态与钻进效率的匹配技术研究，为优化钻井过程，提高钻进取样效率，改造钻进设备，以及寿命预测研究提供理基础和参考依据。

声频钻进技术是一种高效的沉积地层钻进取样技术，其使用液压马达驱动高频机械系统振动钻进，用来获取连续高质量的岩心样品，该技术可广泛应用于环境钻探、矿产普查勘探等领域。本课题对声频钻进过程中液压振动系统—钻具—井筒系统的耦合振动行为进行研究。首先，利用振动理论和机械动力学原理研究液压系统与动力头（钻具）的耦合作用机理，建立了液压振动系统与动力头（钻具）耦合振动模型，模型分析表明，双马达之间存在强烈的耦合，这种耦合与外在偏心负载、内在液压管路差异，启动特性等都有十分重要的关系；在分析钻具柱、井壁、钻头、井底相互作用力的基础上，建立钻具（钻柱和钻头）—井筒（井壁和井底）耦合振动模型，在液压系统-振动体-钻具三者之间达到了共振才具有最大的能量，同时能量的大小与井筒的阻尼紧密相关，振动能量的大小还钻压（预紧力）、隔振部件、钻杆结构等紧密相关；建立起声频钻进监测系统，在现场钻进数据分析的基础上，利用灰箱建模理论，对整个声频振动钻进模型进行辩识和修正，并开展了系统振动状态与钻进效率的匹配技术研究，研究表明：随着钻进深度L的增加，钻杆的固有频率（Hz）也不断增加，但不管其如何增加，在200m以浅的情况下，钻杆的固有频率很低，与振动的频率根本不可能发生共振，在以粘滞阻尼占主导的沉积层中，钻进取样的力主要来自于动力头振动的力，而不是共振产生的钻进力；如沉积层较为致密，则不应忽略底部弹性约束的影响，则钻杆系统的频率会加大，此时，钻具利用共振的原理进行工作；课题研究结果为优化钻井过程，提高钻进取样效率，改造钻进设备，以及寿命预测研究提供理基础和参考依据。