超深井PDC钻头钻柱粘滑振荡的全尺寸井下测量与非线性有限元建模研究

《Scientific Reports》：An experimental and numerical study on drillstring stick-slip oscillations in ultra-deep wells

　　

摘要

严重的钻柱粘滑振荡会大幅降低超深井的钻井效率并加速钻头磨损。本研究首次在采用 333.4 毫米 PDC 钻头钻探超深垂直井的过程中获得了全尺寸井下测量数据。测量的三轴加速度显示出严重的低频粘滑振荡，周期约为 10.0 秒，包括约 3.0 秒的粘滞阶段和 7.0 秒的滑移阶段；在地面转速为 120 转/分钟时，估计的最大井下角速度约为 350 转/分钟。随后，开发了一种非线性有限元模型，该模型考虑了耦合轴向和扭转运动、轴扭几何非线性、钻井液阻尼以及非正则化速度弱化钻岩相互作用定律。使用纽马克时间积分法对所得的非线性运动方程进行数值求解。关键钻岩相互作用参数通过与现场测量数据进行校准，通过重现最大井下角速度以及特征粘滑周期和阶段持续时间来实现。校准后的模型重现了测量的约 350 转/分钟的最大角速度和 10.0 秒的粘滑周期。参数分析进一步表明，增加钻压（WOB）会加剧粘滑振荡，在 120 转/分钟时，随着钻压从 60 增加到 160 kN，粘滑严重程度指数从约 0.52 增加到 1.46；而在 120 kN 钻压下，随着转速从 60 增加到 160 转/分钟，增加地面转速会将严重程度指数从约 1.75 降低到 0.78。研究结果为理解粘滑行为以及评估超深井中的钻井参数影响提供了基于物理的框架。