振動(dòng)固井電力振動(dòng)器激振力和振幅分析

尹宜勇 劉碩瓊 王兆會

中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院

振動(dòng)固井電力振動(dòng)器激振力和振幅分析

尹宜勇 劉碩瓊 王兆會

中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院

為了使水泥漿在候凝階段產(chǎn)生振動(dòng)，提高固井質(zhì)量和界面膠結(jié)強(qiáng)度，研制了一種固井電力振動(dòng)器。該振動(dòng)器通過高溫電池組提供電能，帶動(dòng)高溫電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，安裝在管柱的底端，不會改變常規(guī)固井工藝。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析，對該工具的激振力進(jìn)行了計(jì)算，其最大激振力為1 732 N。運(yùn)用能量法，結(jié)合某井的參數(shù)，對該工具在安裝有彈性扶正器的直井套管產(chǎn)生的振幅進(jìn)行了分析，得出了其在彈性扶正器處產(chǎn)生的振幅計(jì)算模型，為井下振動(dòng)固井工具的現(xiàn)場試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。

振動(dòng)固井；電力振動(dòng)器；激振力；振幅；能量法；彈性扶正器

振動(dòng)固井技術(shù)能夠明顯提高固井質(zhì)量和界面膠結(jié)強(qiáng)度［1-2］。目前，國內(nèi)外在振動(dòng)固井工具方面的研究較多，主要分為機(jī)械敲擊套管振動(dòng)工具、井下水力脈沖振動(dòng)工具和候凝期間頂面井口環(huán)空脈沖振動(dòng)工具［3-5］。機(jī)械敲擊套管振動(dòng)工具需要用車載絞車在井口下入供電電纜［6-7］，該工具的使用改變了常規(guī)固井工藝，增加了固井成本，延長了固井作業(yè)時(shí)間。井下水力脈沖振動(dòng)工具無法在水泥漿候凝期間實(shí)現(xiàn)振動(dòng)固井。候凝期間頂面井口環(huán)空脈沖振動(dòng)工具需要空氣壓縮機(jī)和空氣脈沖發(fā)生器提供振動(dòng)能量［8］，不僅改變了常規(guī)固井工藝，還增加了固井成本。

候凝階段的振動(dòng)對界面膠結(jié)強(qiáng)度的提高非常重要。為此，設(shè)計(jì)了一種固井電力振動(dòng)器，既不改變常規(guī)固井工藝又能在水泥漿候凝期間實(shí)現(xiàn)振動(dòng)固井，為振動(dòng)固井提供一種新的技術(shù)手段。井下水力脈沖振動(dòng)工具和候凝期間頂面井口環(huán)空脈沖振動(dòng)工具的

1　電力振動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型

Structural model of the electric vibrator

圖1為設(shè)計(jì)的固井電力振動(dòng)器示意圖，此工具安裝在管柱的底端，內(nèi)部有水泥漿通道，通過高溫電池組供電組件提供電能，通過高溫電機(jī)振動(dòng)組件把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。當(dāng)膠塞下行到膠塞座位置碰壓，剪銷斷開，膠塞座下行，下壓電池開關(guān)，使電路導(dǎo)通，電機(jī)振動(dòng)組件工作，偏心塊沿電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生徑向振動(dòng)。該工具在水泥漿候凝階段能夠?qū)崿F(xiàn)井下徑向振動(dòng)。

圖1　固井電力振動(dòng)器示意圖Fig. 1 Sketch map of the electric vibrator

如圖2所示，電機(jī)振動(dòng)組件通過輸出軸帶動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)形成激振源，對套管串底部產(chǎn)生一個(gè)大小不變方向沿軸向旋轉(zhuǎn)的激振力。66SY/200型高溫直流伺服電機(jī)額定電壓200 V，額定電流1 100 mA，允許最大電流5 000 mA，額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min，可以得出該工具的工作激振頻率為20 Hz。

圖2　電機(jī)振動(dòng)組件示意圖Fig. 2 Sketch map of the motor vibration parts

高溫電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

式中，PL為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率，kW；T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；n為偏心塊的旋轉(zhuǎn)速度，r/min；η為傳動(dòng)裝置的效率。

電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率PL約為0.2 kW，偏心塊的旋轉(zhuǎn)速度n為1 200 r/min，傳動(dòng)裝置的效率η為0.9?？傻贸鲐?fù)載轉(zhuǎn)矩T為1.43 N·m。

偏心塊由固定偏心塊和調(diào)心偏心塊組成。固定偏心塊通過鍵與輸出軸連接，調(diào)心偏心塊和固定偏心塊通過螺栓連為一體。根據(jù)所需激振力的大小，可自行調(diào)整調(diào)心偏心塊與固定偏心塊之間的相互位置，調(diào)整好后用螺栓鎖緊固定。固定偏心塊設(shè)計(jì)一個(gè)螺紋孔，調(diào)心偏心塊設(shè)計(jì)一個(gè)變徑槽，這樣不僅可以調(diào)整激振力的范圍，還可以防止活動(dòng)偏心塊與固定偏心塊之間相對位置的滑移。偏心塊采用45號鋼，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　偏心塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Configuration of the eccentric block

2　固井電力振動(dòng)器激振力的計(jì)算

Exciting force calculation

偏心塊面積的計(jì)算公式為

偏心距為

激振力的計(jì)算公式為

C值通常是實(shí)驗(yàn)值，和物體的迎風(fēng)面積、物體光滑程度和整體形狀有關(guān)。C一般可取為1［9］，空氣的密度為1.29×kg/，得出固定偏心塊產(chǎn)生的圓周力=0.04 N。

通過計(jì)算得出固定偏心塊產(chǎn)生的扭矩TA=1.4× 10-3N·m。調(diào)心偏心塊和固定偏心塊通過螺栓連為一體，當(dāng)調(diào)心偏心塊中間的通孔與固定偏心塊的螺紋孔連接時(shí)，產(chǎn)生最大激振力，可知固定偏心塊和調(diào)心偏心塊產(chǎn)生的最大激振力為Frmax為1 732 N，軸向力Fa為45.88 N，最大圓周力Ftmax為0.08 N，最大扭矩Tmax1為2.8×10-3N·m。經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，角接觸球軸承的摩擦力矩約為0.1 N·m［10］，可以得出Tmax≈0.2 N·m，小于電機(jī)允許的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T（1.43 N·m），所以固定偏心塊和調(diào)心偏心塊設(shè)計(jì)合理。

3　電力振動(dòng)器振幅計(jì)算模型

Amplitude calculation model

電力振動(dòng)器產(chǎn)生的偏心力作用到套管串上，套管串底部受到大小不變方向沿軸向旋轉(zhuǎn)的激振力。在固井設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證套管串在井筒中居中，會在套管串上卡放套管扶正器。如圖4所示，套管串是一個(gè)簡支連續(xù)梁。在現(xiàn)場使用彈性扶正器，把彈性扶正器簡化為彈簧，其安裝位置為P1、P2、P3，…，Pn。

圖4　套管串簡化模型Fig. 4 Simplified model of casing string

式中，m為固定偏心塊和調(diào)心偏心塊的質(zhì)量，kg；V為固定偏心塊和調(diào)心偏心塊的線速度，m/s；K為彈性扶正器的彈性系數(shù)，N/m。

套管串受到的激振力如式（4）所示，激振力在各個(gè)扶正器處產(chǎn)生的振幅如式（7）所示。

如表1所示，某井井深2 992 m，套管下入深度為2 990 m，套管下端安裝了固井電力振動(dòng)器。封固段每2～5根套管加1只彈性扶正器，確保套管居中，彈性系數(shù)為4.432×104 N/m［12］。放置彈性扶正器位置區(qū)域?yàn)? 000～2 960 m，2個(gè)相鄰彈性扶正器之間的距離為60 m。

表1　井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Tabel 1 Design date of well profile

根據(jù)式（7）和式（8），取上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得出扶正器所處位置與該處振幅的關(guān)系曲線，如圖5所示。固井電力振動(dòng)器激振力為1 732 N時(shí)，在井下2 960 m處彈性扶正器位置產(chǎn)生的振幅為8.7 mm，在井下2 000 m處彈性扶正器位置產(chǎn)生的振幅為5.9 mm?？傻贸?，隨著井下位置的上移，固井電力振動(dòng)器在扶正器位置產(chǎn)生的振幅逐漸減小。

圖5　不同位置扶正器處的振幅Fig. 5 Amplitude of centralizers at different positions

當(dāng)彈性扶正器之間的間距為30 m，固井電力振動(dòng)器激振力為1 732 N時(shí)，在井下2 960 m處彈性扶正器位置產(chǎn)生的振幅為6.2 mm，在井下2 000 m處彈性扶正器位置產(chǎn)生的振幅為4.2 mm。隨著彈性扶正器之間間距的減小，固井電力振動(dòng)器在扶正器位置產(chǎn)生的振幅逐漸減小。針對不同的井身結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整激振力大小或者調(diào)整彈性扶正器之間間距來調(diào)整固井電力振動(dòng)器產(chǎn)生的振幅。激振力增大，固井電力振動(dòng)器產(chǎn)生的振幅也隨之增加；彈性扶正器之間間距增大，固井電力振動(dòng)器產(chǎn)生的振幅也隨之增加。

4　結(jié)論

Conclusions

（1）通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析，得出了由固定偏心塊和調(diào)心偏心塊產(chǎn)生的激振力公式，通過計(jì)算得出固井電力振動(dòng)器的激振力為1 732 N。

（2）運(yùn)用能量法，對激振力在安裝有彈性扶正器的直井套管產(chǎn)生的振幅進(jìn)行了分析，得出了固井電力振動(dòng)器在彈性扶正器處產(chǎn)生的振幅計(jì)算模型。

（3）以某井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，對彈性扶正器處的振幅進(jìn)行了計(jì)算和分析，為固井電力振動(dòng)器的現(xiàn)場試驗(yàn)提供理論支撐。

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（修改稿收到日期 2016-04-17）

〔編輯 朱 偉〕

Exciting force and amplitude of electric vibrator used in vibration cementing

YIN Yiyong， LIU Shuoqiong， WANG Zhaohui
CNPC Drilling Research Institute， Beijing 102206， China

In order to make the cement slurry generate vibration in the phase of waiting on cement， and thus improve the cementing quality and interface cementing strength， an electric vibrator was developed. This vibrator is provided with power by a high-temperature battery to allow the high-temperature motor to generate vibration. It is fitted at the end of the string. Thus， the conventional cementing technique would not be changed. The exciting force of the vibrator was calculated as 1 732 N based on configuration design and mechanical analysis. With the energy approach and the parameters of a well， the amplitude of the vibrator generated in the vertical well casing where elastic centralizer was installed was analyzed and calculated， thereby providing theoretical guidance for the field test of vibration cementing tools.

vibration cementing； electric vibrator； exciting force； amplitude； energy approach； elastic centralizer

尹宜勇（1984-），工程師，博士，現(xiàn)主要從事固井完井技術(shù)研究。通訊地址：（102206）北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙屯橋西中石油科技創(chuàng)新基地A34區(qū)塊。電話：010-80162256。E-mail：yinyydr@cnpc.com.cn振幅是脈沖壓力波動(dòng)幅值，而固井電力振動(dòng)器的振幅是位移值。筆者通過力學(xué)分析和能量法，對該工具的激振力和振幅進(jìn)行分析，建立了激振力和振幅的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合某井的具體參數(shù)，得出工具的激振力和振幅曲線，為工具的現(xiàn)場試驗(yàn)提供理論支撐。

TE256

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0327- 04

10.13639/j.odpt.2016.03.010

YIN Yiyong， LIU Shuoqiong， WANG Zhaohui. Exciting force and amplitude of electric vibrator used in vibration cementing［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 327-330.

國家科技重大專項(xiàng)“復(fù)雜地質(zhì)條件下深井鉆井液與高溫高壓固井技術(shù)”（編號：2011ZX05021-004）；中國石油集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目 “鉆井新技術(shù)新方法研究”（編號：2014A-4213）。

引用格式：尹宜勇，劉碩瓊，王兆會.固井電力振動(dòng)器激振力和振幅分析［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：327-330.