井下冲击扭矩的产生机制及其对钻柱的动态分析

《Geoenergy Science and Engineering》：Generation Mechanism and Dynamic Analysis of Downhole Impact Torque on Drill String

钻杆螺纹连接二次扭矩生成机制及数值模拟研究。摘要：超深井钻杆螺纹连接常因井下冲击扭矩（达94.6 kN·m）超过初始扭矩引发二次扭矩现象，造成连接失效。基于Hamilton原理构建钻杆动力学有限元模型，结合Newmark方法和SOR迭代技术，通过案例分析验证模型准确性（误差5.1%）。揭示了钻杆自转与whirl运动耦合作用下冲击扭矩的生成机理，特别是滑移阶段 whirl运动强化导致的扭矩突变。

　　在超深井钻井过程中，钻柱连接处的二次紧扣现象频繁出现，这表明井下存在超过初始紧扣扭矩的冲击扭矩。这种过大的扭矩不仅增加了钻柱连接的故障风险，还对钻井作业的安全性构成威胁。为了解释这一现象的产生机制，研究人员建立了一个基于钻柱动态模拟的有限元模型，旨在深入分析钻柱在不同工况下的动态响应。该模型结合了Newmark方法和Successive Over-Relaxation节点迭代技术，通过解析钻柱的运动状态，揭示了冲击扭矩的形成过程。

近年来，随着中国对深部及超深油气资源勘探开发的不断推进，超深井（深度在6000至9000米之间）和超深井（深度超过9000米）的数量逐年增加。截至2023年，中国已成功钻探了多口超深井，其中包括Tashen-5井（深度9017米）、Pengshen-6井（深度9026米）以及Guole-3C井（实测深度9396米，垂直深度超过9000米）。其中，SDTK-1井更是达到了10910米的完成深度，成为亚洲第一口超过10000米的超深井。这些井的钻探不仅标志着技术的进步，也凸显了在极端条件下确保钻井安全的重要性。

随着井深的增加，钻柱的柔韧性显著增强，其在钻井过程中的非线性动态行为也变得更加复杂。这种动态特性对钻柱的安全性提出了严峻挑战，尤其是在超深井和超深井的钻探中，动态安全问题已成为确保作业顺利进行的关键因素。钻柱在钻井过程中受到多种力的作用，包括拉伸、压缩、弯曲和扭矩等。这些外力会在钻柱的轴向、横向和扭转方向上引发振动，而这些振动之间又可能相互耦合，导致更为严重的动态现象，如旋转振动（whirl）和粘滑振动（stick-slip）等。

从狭义上讲，振动指的是机械系统围绕其平衡位置的往复运动。然而，在钻柱的语境中，振动不仅仅局限于不规则或周期性的运动，还包括由于冲击引发的瞬时或脉冲性运动，这种现象通常被称为冲击（shock）。因此，从广义上来看，钻柱的动态行为包括振动和冲击两种类型。井下测量数据显示，冲击相关的加速度可能显著超过振动的强度，峰值冲击加速度甚至可以达到220g，这对井下工具的结构完整性构成了极大的威胁。

冲击扭矩的产生与钻柱连接处的动态特性密切相关。在正常钻井条件下，连接处的扭矩通常低于初始紧扣扭矩，此时连接的外螺纹和内螺纹能够保持相对静止状态。然而，当实际作用在连接处的扭矩超过初始紧扣扭矩时，外螺纹与内螺纹之间就会发生相对运动，从而增加连接失效的可能性。例如，在GT-1井的钻探过程中，连接处的突破扭矩达到了约90.0 kN·m，远高于初始紧扣扭矩。这一扭矩导致了203.2毫米浮阀接头与交叉接头之间肩部的相对角位移为13.0毫米。该连接使用了NC611×NC560螺纹类型，井眼直径为431.8毫米。

在上述井眼中，多次钻头运行过程中对连接螺纹的角位移测量提供了二次紧扣现象的有力证据。例如，在第三次钻头运行时，钻杆连接处的最大角位移范围为15.0至19.0毫米。根据API标准，203.2毫米钻杆连接的推荐紧扣扭矩约为65.0 kN·m，但在实际操作中，该扭矩被提高至71.0 kN·m，以增强连接的安全性。基于测量的角位移值和连接螺纹的三维机械特性，计算得出的冲击扭矩范围为91.2至93.6 kN·m，与实际测量的突破扭矩之间的偏差在0.25%至7.89%之间。这些结果不仅验证了冲击扭矩计算方法的准确性，也进一步证明了井下冲击扭矩的存在及其对连接安全的影响。

类似的情况也出现在SDTK-1井，这口井作为中国第一口超过10000米的超深井，其钻探过程中发现了一些严重的连接问题。例如，在第四次钻头运行时，钻杆连接处的内螺纹出现了微裂纹。在该井眼直径为241.3毫米的钻探段中，共使用了21根直径为177.8毫米的钻杆，其中17根连接处的内螺纹出现了微裂纹。如果不及时识别和处理这些微裂纹，它们将在反复的载荷作用下扩展，最终导致连接疲劳断裂。这类故障对作业安全构成严重威胁，尤其是在超深井的钻探过程中，可能会带来灾难性的后果。

目前，关于井下冲击扭矩的生成机制仍缺乏深入研究。尽管已有部分工具和设备被开发用于应对冲击载荷，如旋转冲击器、扭力冲击器、复合冲击器和恒扭矩工具等，但这些设备主要依赖于主动产生冲击，以提高钻头的破岩效率并抑制粘滑振动。相比之下，被动冲击扭矩则是由钻柱动态行为的变化而无意中产生的，这种扭矩在实际钻井过程中不可避免地存在。因此，理解被动冲击扭矩的生成机制，对于开发有效的预测、抑制或控制策略至关重要。

本研究首先分析了井下冲击扭矩与复杂钻柱振动之间的内在关系，随后建立了井下冲击扭矩的计算模型。通过建立钻柱动态模型，研究人员模拟并分析了钻柱在特定井眼条件下的动态行为。特别关注了在旋转振动和粘滑振动等复杂振动现象下，钻柱连接处所承受的冲击扭矩。最终，研究揭示了井下冲击扭矩生成的动态机制，为提高超深井钻探的安全性和效率提供了理论依据。通过这些研究，可以更好地理解和应对钻柱连接处的二次紧扣现象，从而降低潜在的安全风险，提升钻井作业的整体可靠性。