超深井钢–钛合金复合钻柱涡动与振动特性研究

《Applied Sciences》：Research on the Whirling and Vibration Characteristics of Steel–Titanium Alloy Composite Drill Strings for Ultra-Deep Wells

　　

针对超深井钻柱因高长细比和复杂载荷条件引发的涡动与振动失效问题，本研究建立了钢–钛合金复合钻柱的非线性动力学有限元模型。模型采用欧拉–伯努利梁单元（Euler–Bernoulli beam element）离散，并结合Newmark时间积分（Newmark time integration）与基于节点的迭代空间求解。研究中考虑了钻压（weight on bit, WOB）、扭矩、井壁摩擦、冲击/接触力以及等效钻井液阻尼。利用该模型评估了钛合金段尺寸、长度、壁厚和安装位置对涡动（whirling）、横向振动（lateral vibration）和扭转振动（torsional vibration）的影响。结果表明：增大钻柱直径可缩小涡动范围并降低横向振动强度；当直径超过149.23 mm时，井壁冲击频率显著降低。尽管钛合金段的局部横向振动强度比钢段高约60%，但上部钢段的横向振动降低约18%。将钛合金段安装在钻柱中部而非靠近钻头，可使整体横向振动强度降低约30%，扭转振动强度降低约40%。基于对比敏感性分析，针对所模拟的超深井条件，推荐钛合金段长度为1000–2000 m，直径不小于139.7 mm，壁厚不小于12.7 mm。这些发现为更安全、更稳定的复合钻柱设计提供了定量指导。

《超深井钢–钛合金复合钻柱涡动与振动特性研究》解读

随着超深井和特深井钻井深度持续增加，钻柱承受拉伸、压缩、弯曲、扭转与振动等复杂复合载荷，失效风险显著上升。钛合金具有低密度、高比强度、优良耐腐蚀性和疲劳性能，是降低钻柱自重、减小摩擦并延长钻井可达深度的重要材料。然而，将钛合金钻杆与常规钢钻杆组合成复合钻柱后，弹性模量、密度等材料性能差异会改变全钻柱系统的刚度分布和质量配置，可能产生独特的动力学行为。以往研究多集中于均质全钢钻柱的操作参数优化，对钛合金段尺寸、长度、壁厚和安装位置如何影响复合钻柱整体涡动与振动响应仍缺乏系统定量认识。为此，研究人员针对15,000 m超深井条件下的钢–钛合金复合钻柱，建立了非线性动力学有限元模型，重点开展结构参数敏感性分析，为复合钻柱设计提供定量依据。

研究人员以理想铅垂井眼为对象，采用欧拉–伯努利梁（Euler–Bernoulli beam）离散钻柱，用Newmark时间积分结合逐节点空间迭代求解非线性动力方程。模型中考虑钻压（weight on bit, WOB）、扭矩、井壁摩擦、冲击/接触力以及等效钻井液阻尼。通过对比不同钛合金段直径、长度、壁厚和安装位置，评估各方案对涡动轨迹、井壁接触频率、横向振动和扭转振动的影响。研究的主要结论包括：增大钻柱直径可降低涡动范围和横向振动强度；钛合金段长度增加可衰减上部横向振动但会增加扭转振动；壁厚增加可提高刚度和动态稳定性；将钛合金段安装在中部比安装在近钻头处具有更好的振动抑制效果。这些结论为超深井复合钻柱的安全稳定设计提供了定量指导。

研究所用的关键技术方法主要包括：①基于欧拉–伯努利梁理论的空间离散，分别赋予钢与钛合金材料参数；②Newmark隐式时间积分进行时域离散；③逐节点空间迭代方法求解位移场，以三个节点和两个梁单元为基本计算模块，沿钻柱递归推进；④基于间隙的接触判据和Hertz接触（Hertz contact）模型计算井壁接触力、切向摩擦力与摩擦阻力矩；⑤采用Rayleigh阻尼（Rayleigh damping）表示钻井液等效阻尼。边界条件为井口铰支、转盘扭矩驱动，钻头端施加动态钻压和摩擦扭矩。本研究为数值模拟，不涉及样本队列来源。

研究结果如下：

钛合金段尺寸的影响。增大钛合金段直径可提高系统刚度，增强抗侧向变形能力，并增大钻井液黏性阻尼，从而缩小涡动范围并降低横向振动强度。当直径超过149.23 mm时，钻柱与井壁碰撞频率显著降低，有利于减小振动和磨损。与钢段相比，钛合金段弯曲刚度较低，局部横向振动强度比钢段高约60%，但上部钢段的横向振动强度降低约18%，形成“下部钛合金段吸振、上部钢段减振”的分布特征。

钛合金段长度的影响。在底部加入钛合金段后，低刚度区段促进振动能量耗散和分散，使上部区段横向振动强度比全钢钻柱降低约30%。随着钛合金段长度增加，更多振动能量在底部被吸收，整体横向振动强度逐渐下降。但钛合金段长度增加会降低钻柱整体扭转刚度，使扭转振动强度逐渐增大，因此长度选取需兼顾侧向振动衰减与扭转变形控制。

钛合金段壁厚的影响。增大壁厚可提高钛合金段刚度和变形抗力，使钻头与井壁的相互作用由间歇碰撞转变为连续滚动摩擦。当壁厚超过12.7 mm时，钻柱可达到动态自稳定状态，避免与井壁接触，显著提高使用寿命和安全性。横向振动和扭转振动强度均随壁厚增加而降低，但下部钛合金段壁厚变化对上部钢段横向振动强度影响有限。

钛合金段安装位置的影响。将钛合金段安装在钻柱中部而非靠近钻头，可改善下部钻柱质量分布，使钻头运动由不规则冲击变为较规则的滚动接触，降低疲劳失效风险。中部安装使低刚度钛合金段成为主要能量耗散区，并通过钢–钛界面反射和散射振动波，抑制振动向上部传递。相比近钻头安装，中部安装可使整体横向振动强度降低约30%，扭转振动强度降低约40%。

讨论部分指出，该研究结果与已有钛/钢复合钻柱和钻柱非线性动力学研究趋势一致。模型采用成熟的梁单元、Hertz接触、Rayleigh阻尼和Newmark积分方法，但尚缺乏针对15,000 m复合钻柱构型的直接现场或试验验证，因此结果主要用于对比设计和参数筛选。参数推荐基于比较敏感性分析而非数学优化，评价标准包括减小涡动范围、降低井壁碰撞频率、降低上部横向振动、避免过度扭转振动以及保证足够壁厚。

研究结论可概括为：增大钻柱直径可缩小涡动范围并降低井壁碰撞频率；在所模拟方案中，直径超过149.23 mm时井壁碰撞显著减少。增大直径还可降低横向振动强度；钛合金段局部横向振动强度比钢段高约60%，而钛合金段以上钻柱横向振动降低约18%，应选择足够直径和刚度以平衡局部变形与上部振动衰减。将钛合金段安装于钻柱中部，较近钻头安装可使整体横向振动强度降低约30%、扭转振动强度降低约40%，适用于与模拟条件相近的工况。在模拟参数集内，比较敏感性分析推荐钛合金段长度为1000–2000 m、直径不小于139.7 mm、壁厚不小于12.7 mm。这些数值应视为所测试超深井垂直井条件下的设计建议，而非通用最优值。