深水无隔水管钻井钻柱纵-横-扭耦合非线性振动特性研究

Due to the joint effects of bit-formation interaction and drillstring-well wall contact in formation section, platform motion and marine environment load in sea section, the vibration mode of the drillstring in riserless drilling technology is very complicated and easily bring out the whirl, stick slip, jump drill and bit bouncing of the drillstring, causing the buckling, fracture and fatigue failure phenomenon. Both the existing onshore drillstring mechanics and the offshore drilling pipe string mechanics theories can not explain this phenomenon in an all-round way. In order to solve this problem, an axial-lateral-torsion coupling vibration considering bit-formation interaction and drillstring-well wall contact in formation section, platform motion and marine environment load in sea section will be estabilsed, based on existing pipe string mechanics. The numerical solution and the approximate analytical solution of the model will be studied. Incorporating the axial-lateral-torsion coupling vibration experiment of the whole well. The nonlinear vibration response characteristics, stability condition and Vortex-induced vibration behavior of of the drill string in the axial-lateral-torsion coupling vibration mode will be investigated. The expected results will enrich the theory of pipe string mechanics and provide theoretical support for the structural design of drillstring and the optimization of drilling operation parameters in deepwater riserless drillstring operation. Therefore, this study is of great academic and practical significance.

深水无隔水管钻柱振动受地层段钻头-岩石互作用、钻柱-井壁接触摩擦，海水段平台运动、海洋环境载荷等因素的联合影响，振动机理异常复杂，易诱发失稳、涡激振动、涡动、粘滑、跳钻、蹩钻等有害运动，造成钻柱屈曲、断裂、疲劳等失效现象，现有陆地钻柱动力学和海洋管柱力学理论都还不能对其全面解释。针对这一问题，本项目提出在现有管柱力学研究的基础上，建立综合考虑地层段钻头-岩石互作用、钻柱-井壁接触摩擦和海水段平台运动、海洋环境联合影响的深水无隔水管钻柱全井纵-横-扭耦合非线性振动模型，研究模型的数值解和近似解析解，结合钻柱全井纵-横-扭耦合振动实验，全面揭示深水无隔水管钻柱在平台运动、海洋环境载荷联合作用下的纵-横-扭耦合非线性振动响应特性、稳定性条件及涡激振动特性。研究成果将丰富深水钻井管柱力学理论，为深水无隔水管钻柱的结构设计、钻井作业参数的优选提供理论支撑，具有重要的学术意义和实际价值。

随着水深的增加，常规海洋隔水管钻井技术面临泥浆密度窗口窄、隔水管重量大带来的井控困难、作业效率低下的难题。无隔水管钻井技术则很好的克服了以上难题，可极大提高钻井效率，具有显著优势。但无隔水管钻井钻柱工作力学环境复杂，对其钻柱动力学特性的认识远未明确，成为制约该项装备技术发展的基础科学难题，亟待解决。针对这一现状，在国家自然科学基金的资助下，本项目系统的开展了深水无隔水管钻井钻柱纵-横-扭耦合非线性动力学特定研究，包括模态、非线性响应及稳定性机理研究，取得的主要成果如下：建立了一套深水无隔水管钻井钻柱全井纵-横-扭耦合非线性振动模型，创建了一套深水无隔水管钻井钻柱流固耦合试验技术，全面探明了海洋载荷、平台运动、升沉补偿器参数等因素耦合作用下的深水 RDS 纵-横-扭耦合非线性振动特性、稳定性机理，形成了较为系统的深水无隔水管钻井钻柱动力学分析方法及理论认识，研究成果丰富了钻柱动力学研究理论，可为深水无隔水管钻井钻柱的设计、操作及钻井参数的优选提供有效分析工具和理论科学依据。项目的各项目标按照原计划全面完成，在高水平学术论文发表、发明专利授权、人才培养等方面超额完成。项目形成的理论成果和方法，经进一步延申，已初步应用在南海高温高压区块完井管柱流致振动引起的疲劳磨损分析以及高温高压泥岩钻井钻柱的振动分析、提速工具的评价中，取得了较好的效果。在国内外海洋结构工程、机械工程或工程力学方面的权威杂志上发表学术论文30篇（均注明了本项目的资助号），其中 SCI 论文21篇，高被引1篇，中科院JCR一、二区论文16篇，EI论文6篇。获授权美国专利2件，中国发明专利4件。出版专著 2部，培养博士研究生3名、硕士研究生5名。