基于ANSYS软件的钻柱横向振动分析

４２　西部探矿工程　２０１０年第８期　

基于ＡＮＳＹＳ软件的钻柱横向振动分析　

龙　尧　，王安义　，伍嘉亨　，胡立明　

（１．华北油田第一采油厂，河北任丘０６２５５２；２．西南石油大学机电工程学院，四川成都６１０５００）　

摘要：采用ＡＮＳＹＳ分析软件对２０００ｍ以内钻柱在垂直孔、不考虑接头影响和忽略钻头几何尺寸　

条件下的整体横向振动进行分析，得到钻铤长度、钻柱长度对固有频率的影响及具有意义的一些认　

识，同时获得钻柱横向振动的１、２、３、４、５阶固有振型。结果表明：钻柱的横向振动低阶固有频率随钻　

铤长度的增加而增加，而高阶固有频率随着钻铤长度的增加很快又降低；固有频率随着钻柱长度的增　

加而减小。为实际钻进工程提供理论依据。　

关键词：钻柱；横向振动；固有频率；有限元分析　

中图分类号：ＴＥ２４文献标识码：Ａ文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２Ｏ１Ｏ）Ｏ８一ＯＯ４２—０３　

１　概述　

随着油气田勘探开发不断深入，深层勘探成为探明　

油气储量、确定油气田开采重点的工作之一，随之而产　

生的深井钻具失效问题日益突出，从力学的角度分析，　

钻柱的强烈振动是钻柱严重受损的原因，尤其是接近井　

底的一段钻柱横向振动异常突出。横向振动引起的问　

题有：连接的螺纹加速疲劳而扭断；钻头旋转引起早期　

钻头失效；井底钻具组合（ＢＨＡ）同井壁碰撞的高振动　

载荷引起随钻测量仪工具失效［１］。采用ＡＮＳＹＳ有限　

元分析软件，建立钻柱的有限元模型，利用ＡＮＳＹＳ软　

件中的模态分析技术，计算出钻柱横向振动的各阶固有　

频率及振型曲线［２］。为实际钻进工程采取减振措施提　

供了有利的数据。　

２　用　ＹＳ对钻柱进行分析的步骤　

钻进工程中，由方钻杆、钻杆、钻铤等基本钻具组　

成，并用接头连接起来的人井管串称为钻柱。为了便于　

后面的有限元建模及仿真分析，钻柱组合采用较为简单　

的形式：　１２７ｍｍ钻杆＋　１６５ｍｍ钻铤。钻柱的材料　

属性为弹性模量Ｅ一２．１×１０ｎＰａ，泊松比为０．３，密度　

为７．８Ｘ　１０。ｋｇ／ｍ３。　

主要讨论勘察钻进中钻柱的横向振动问题，其钻进　

深度一般都在数千米以上。因此，对着眼于钻柱的整体　

分析和研究而言，为了便于建模及后续分析能抓住主要　

矛盾，在有限元建模时作如下几点基本假设：　（１）井眼轴线为一条直线，井眼横截面为圆形；　

（２）在钻柱运动开始前，钻柱的轴线和井眼的轴线　

重合；　

（３）不考虑钻柱上接箍及接头的几何形状影响；　

（４）忽略钻柱底部钻头的几何尺寸。　

２．１创建有限元模型　

由于钻柱的结构比较简单，采用直接建模方式。包　

括定义单元类型、实常数和材料属性，创建节点及单元　

等。选用的单元类型为ＰＩＰＥ５９。ＰＩＰＥ５９单元为单轴　

三维弹性直管单元，可以承受拉、压、扭、弯，而且能够模　

拟管内外流体的力学影响。该单元在每个节点上有平　

移和旋转６个自由度。在单元中考虑了应力剐度和大　

变形的影响。ＰＩＰＥ５９单元非常适宜用来模拟钻柱的实　

际结构及工作状况。由于通过密度方式来体现均布质　

量，比通常采用设置质量方式、模型更符合实际，计算精　

度更高。　

２．２加载求解及后处理　

’求解过程包括选择模态分析类型、设置分析选项、　

加载和求解等。对于钻进中的钻柱而言，受到的载荷主　

要有自重、转盘扭矩、泥浆的压力及浮力、以及井底钻头　

所受的轴向阻力及阻力矩等。对钻柱有限元模型的约　

束及边界条件作如下的假设：（１）除两接头受井筒限制　

外，杆体部分不受井筒的约束；（２）阻尼很小，忽略不计；　

（３）考虑轴向力，忽略转矩。钻柱静态轴向载荷对钻柱　

＊收稿日期：２００９－０５—１９　第一作者简介：龙尧（１９８２一）男，四川阆中人，助理工程师，主要从事井下作业新工艺与新技术的研究和井下钻具机械力学行为方面的研究。

　２０１０年第８期　西部探矿工程　４３　

固有频率影响很大，不能忽略ｌ＿４］。首先对钻柱进行静力　

分析，然后对其进行横向振动固有频率及振型的模态分　

析。ＡＮＳＹＳ的模态分析技术中提供了子空间法等７　

种模态提取方法。利用子空间法可以求得钻柱横向振　

动的各阶固有频率及振型。高于１Ｏ阶的钻柱振型遇到　

的概率很小，所以只计算到１０阶振型。　

３钻柱横向振动固有频率分析　３．１钻铤长度对固有频率的影响　

钻铤是钻柱的重要组成部分，主要用于给钻头施加　

钻压及控制井斜，具有刚度大、质量大的特性，因此在钻　

进过程中不同长度的钻铤对钻柱的各阶固有频率势必　

会造成很大的影响。以内径为１０８．６ｍｍ的ｊ２『１２７ｍｍ　

钻杆为例，取钻压１４０ｋＮ，考察钻铤的长度对各阶固有　

频率的影响。计算结果如表１所示。　

表１　２０００ｍ钻柱（ｊ２ｆ１２７ｍｍ钻杆１９２Ｏｍ＋ｊ２『１６５ｒａｍ钻铤８Ｏｍ）横向振动的各阶固有频率　

由表１计算的结果可以看出，钻柱的横向振动低阶　

固有频率随钻铤长度的增加有所升高，而高阶固有频率　

随着钻铤长度的增加很快又下降。这种变化规律对于　

通过优化钻具组合来调整钻柱的固有频率，从而对避免　

横向共振有着十分重要的指导意义。　３．２钻柱长度对固有频率的影响　

随着钻井深度的不断增加，钻柱的长度也要不断增　

加。下面以内径为１０８．６ｍｍ的　１２７ｍｍ钻杆为例，取　

钻压１４０ｋＮ，钻铤的长度取８０ｍ，考察钻杆长度（孔深）　

的变化对各阶固有频率的影响。计算结果如表２所示。　

表２不同长度钻柱横向振动的各阶固有频率　

为了便于显示钻柱长度的变化对各阶固有频率的　

影响规律，将表２中的数据用曲线图的形式表达，如图　

１所示。　

由表２所示的计算结果，以及图１所示的变化曲　

线，可以明显地看出，钻柱横向振动的各阶固有频率随　着钻柱长度的增加而明显减小。这说明在浅孔钻进中，　

钻柱横向振动的各阶固有频率的间隔较大，因此各阶临　

界转速值也相差较大，一定范围的转速变化不易引起共　

振。相反，在深孔钻进中，钻杆柱横向振动的各阶固有　

频率的间隔较小，各阶临界转速值也相对集中一些，所　４４　西部探矿工程　２０１０年第８期　

以一定范围的转速变化就比较容易引起共振。这与实　

际深孔钻进中转速的变化更易引起共振的现象十分吻　

合。且与钻柱纵向振动相比，横向振动固有频率要明显　

变小，也就是说振幅明显变大。　

工　ｕ　横　

妞　固　

钻柱长度（ｍ）　Ｏ　

图１钻柱横向振动各阶固有频率随钻柱长度变化曲线　

３．３钻杆横向振动固有振型分析　

为了考察钻柱横向振动１、２、３、４、５阶固有振型的　

横向位移随钻柱长度的变化规律，将各阶固有振型的结　

果数据从ＡＮＳＹＳ中提取出来，绘制成图２所示曲线。　

舀　ｇ　一　

叵　

２００　４００　６００　８００　１０００　１２００　１４００　１６００　１８００　钻柱长度ｆｍ）　

图２　２０００ｍ钻柱横向振动前５阶的固有振型曲线　

图２清晰的反映了钻柱横向振动前５阶固有振型　

的横向位移的分布及最大值、最小值。这对于横向振动　

分析，了解横振的具体振动过程，以及采取合理的减振　措施、方法等方面均有一定的指导意义。　

４结论　

（１）用ＡＮＳＹＳ可以对钻柱进行较精确的分析和　

计算；　

（２）随着钻柱中钻铤长度的增加，钻柱的横向振动　

低阶固有频率开始会有所升高，但很快高阶固有频率就　

有所下降；　

（３）钻柱横向振动的各阶固有频率随着钻柱长度　

的增加而显著减小；　

（４）由给出的振型图清晰可见，横向振动时钻柱出　

现“蛇行”的运动方式，这些所得的结论为采取合理的减　

振措施、方法等方面有一定的指导意义。　

参考文献：　［１］赵国珍，龚伟安．钻柱力学基础［Ｍ］．北京：石油工业出版　

社，１９８８：１０７－１１０．　［２］尚晓江．ＡＮＳＹＳ结构有限元高级分析方法与范例应用　

［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６：１２２—１３３．　

［３］韩春杰．钻柱横向振动规律及应用［Ｊ］．大庆石油学院学　

报，２００４，２８（１）：１４—１７．　［４］李国庆，王洪军，刘修善，孙文才．钻柱振动模态分析方法　

及其应用［Ｊ］．石油钻探技术，２００７，３５（６）：５４—５６．　

Ｌａｔｅｒ－Ｍ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆＤｒｍｍｇＳｔｒｉｎｇ　ｔｌＩ　ＡＵ￣ＳＹＳ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　

ＬＯＮＧ　Ｙａｏ　，ＷＡＮＧ　Ａ　ｙｉ。，ＷＵ　Ｊｉａ－ｈｅｎｇａ，ＨＵ　Ｌｉ－ｍｉｎｇ　（１．ＮＯ．１　Ｏｉｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｆａｃｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｏｉｌ　Ｆｉｅｌｄ。　

Ｒｅｎｑｉｕ　Ｈｅｂｅｉ　０６２５５２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　

ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｈｅｎｇｄｕＳｉ—　

ｃｈｕａｎ　６１０５００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ａｌｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　

ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ，ｕｎｄｅｒ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：　ｔ｝ｌｉＩｌ　２０００ｍ　ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ，ｉｇｎｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｏｏｌ　ｊｏｉｎｔ，ｓｉｚｅ　ｏｆ　

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ｓｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｒｉｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　

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ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ；ｌａｔｅｒａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｎａｔｕｒａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｆｉ－　

ｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　６　４　２　

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