新型隨鉆測井儀減振器設(shè)計

呂一平

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

隨鉆測井(logging while drilling，LWD)是基于隨鉆測量 (measurement while drilling，MWD)發(fā)展起來的一項(xiàng)新興的綜合測井應(yīng)用技術(shù)，可以在鉆井的同時獲得電阻率、密度、中子、聲波時差、井徑、自然伽馬等電纜測井所能提供的測井資料[1]。LWD能夠獨(dú)立進(jìn)行地層評價，及時、真實(shí)地反映原狀地層信息，能夠?yàn)閮?yōu)化鉆井和地質(zhì)導(dǎo)向提供增值服務(wù)，并且能夠提高鉆井時效[2]。利用水平井技術(shù)開發(fā)低產(chǎn)層、超薄油層時，為了確保井眼能準(zhǔn)確命中儲層并穿行于儲層中有利于油氣開采的最佳位置，需要利用隨鉆測量儀器進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)。然而LWD輔助鉆井生產(chǎn)中的井下鉆具振動問題是鉆井方面的難題。目前大多數(shù)隨鉆測井儀使用的減振器為金屬與橡膠的結(jié)合體，其中橡膠為彈性減振材料[3]。無線隨鉆測斜儀工作環(huán)境惡劣，減振器承受交變應(yīng)力作用，由減振器疲勞損壞導(dǎo)致的測斜儀損壞事件時有發(fā)生，進(jìn)而增加了提鉆、延誤鉆井工期等費(fèi)用。無線隨鉆測斜儀正常保養(yǎng)周期為600 h，使用壽命t為9 625 h,則保養(yǎng)次數(shù)n=t/600=16.04次。在無線隨鉆測斜儀正常保養(yǎng)時，要求在將減振器擦拭干凈后，采用放大鏡對外觀進(jìn)行觀測，如果發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂紋就要及時更換減振器。長期、大量保養(yǎng)記錄顯示，當(dāng)對儀器進(jìn)行第14次保養(yǎng)后，沒有更換減振器的儀器有1支出現(xiàn)減振器損壞的現(xiàn)象[4]。由此可知，目前傳統(tǒng)的橡膠圈減振器已不能滿足隨鉆儀器的發(fā)展需求。在實(shí)際工況中，井下復(fù)雜的振動常造成井下鉆鋌偏磨、鉆鋌疲勞破壞、耐磨套磨損并脫落、電子電路及元件損壞、各種伽馬記數(shù)管失效、電阻率短節(jié)發(fā)射極/接收極天線松動/斷裂脫落等現(xiàn)象發(fā)生，輕則損壞井下儀器、縮短儀器疲勞壽命，重則導(dǎo)致嚴(yán)重的井下事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。因此，有必要分析井下鉆具振動的原因，設(shè)計新型減振器，以達(dá)到減小振動和沖擊及保護(hù)儀器內(nèi)元器件的目的。

本文基于鉆柱橫向振動特性及傳統(tǒng)隨鉆測井儀減振器的設(shè)計思想，設(shè)計了一種新型彈簧阻尼減振器，并針對其性能進(jìn)行了有限元仿真。

1 鉆柱的振動特性研究

鉆柱主要有4種振動形式：縱向振動、橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動以及渦動振動。本文主要針對鉆柱橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行研究。

實(shí)際工況中，地面動力端通過鉆桿帶動井下鉆具鉆進(jìn)，影響鉆柱橫向振動的因素有很多，影響陸地鉆井與海洋深水鉆井的因素也是不同的。例如海洋鉆井中的上段管具，鉆桿與隔水管的碰撞接觸以及管具系統(tǒng)在風(fēng)、浪、海流作用下的復(fù)雜運(yùn)動都會影響鉆柱的振動[7]。在陸地鉆井中沒有海洋環(huán)境的影響，主要考慮的因素是鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏心，以及與井壁碰撞產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)等[8]。不管是海洋鉆井還是陸地鉆井，鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及與井壁、隔水管碰撞的摩擦力都會使得鉆柱偏離軸心做螺旋狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，周期性的拉伸也會加劇鉆柱的損壞同時嚴(yán)重影響隨鉆測量儀器的工作性能。鉆柱產(chǎn)生橫向振動的原因有很多，主要是離心力會對鉆具本體產(chǎn)生相應(yīng)的鉆柱軸線失穩(wěn)和彎曲變形，以及鉆具與井壁摩擦產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)運(yùn)動。研究鉆柱常用到縱橫彎曲法[9]，其將鉆柱簡化為彎曲的梁，如圖1所示。

圖1 彎曲梁示意圖

最大屈曲載荷δmax：

(1)

式中：γ為單位體積質(zhì)量，N/m3；A為截面面積，m2；C為固定端到井壁的距離，m；ωp為公轉(zhuǎn)角頻率，rad/s；L1為彎曲梁長度，m；E為彈性模量，Pa；I為橫截面慣性矩，m4；g為重力加速度。

固有頻率ω：

(2)

式中：n為周期，n∈Z*；L為單根鉆桿的長度，m；ρ為材料的密度，kg/m3。

(3)

式中：ωl為鉆柱公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)時的角頻率，rad/s。

從式(3)可以看出，當(dāng)固有角頻率ωlp=ωp+ωr時，應(yīng)力達(dá)到極限，當(dāng)鉆柱振動頻率與角頻率相同時，ωl為鉆柱橫向振動頻率。

鉆柱最大彎矩Mmax p：

(4)

最大彎曲應(yīng)力σmax p：

(5)

式中：I/c為鉆桿的斷面模數(shù)，m3，其中c為斷面抵抗矩系數(shù)。

鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動主要產(chǎn)生在近鉆頭處，也就是安裝隨鉆測井儀器的鉆鋌部分[10]。當(dāng)鉆柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，鉆壓的周期性變化會引起黏滑振動，鉆井液以及井下復(fù)雜的地質(zhì)巖性都會引起鉆具產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。在鉆井工作中，因?yàn)榫聫?fù)雜的地質(zhì)情況鉆具不能保持勻速鉆進(jìn)，所以不規(guī)則的轉(zhuǎn)速會造成鉆具的疲勞磨損，并導(dǎo)致鉆具出現(xiàn)非線性的扭轉(zhuǎn)振動。為了研究鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動，對其模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，如圖2所示。

圖2 鉆桿扭轉(zhuǎn)示意圖

假設(shè)當(dāng)鉆柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，在坐標(biāo)空間內(nèi)，橫截面的轉(zhuǎn)角為θ，且橫截面在扭轉(zhuǎn)時在x軸向沒有位移，只隨時間t發(fā)生變化，即橫截面上點(diǎn)的位移僅隨時間t發(fā)生變化，扭轉(zhuǎn)角θ可作為截面的廣義坐標(biāo)。因?yàn)榕まD(zhuǎn)振動主要發(fā)生于近鉆頭位置，所以在坐標(biāo)軸x方向選取長度為dx的微分段，得出鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的數(shù)學(xué)模型：

(6)

式中：k為泥漿阻力系數(shù)比；R為動力端轉(zhuǎn)速，r/s；Ts(l,t)為各個瞬間作用在鉆頭鉆鋌處的扭矩，N·m；Tb為井下鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)過程中巖石對鉆頭產(chǎn)生的反扭矩，N·m。

2 減振器設(shè)計

國內(nèi)使用的隨鉆測井儀器大部分都采用傳統(tǒng)的橡膠圈減振結(jié)構(gòu)，如圖3所示，但隨著測井技術(shù)的不斷發(fā)展，由多年以來的生產(chǎn)實(shí)踐可知，這種簡單的結(jié)構(gòu)存在很多問題且已經(jīng)不能滿足隨鉆測井儀器的設(shè)計要求。

1—O型橡膠圈；2—彈簧；3—儀器；4—剛性連接頭；5—翼型扶正器

本文設(shè)計的新型減振器，屬于有阻尼的動力減振裝置。通過前面的描述可知，井下鉆具在鉆進(jìn)過程中受到復(fù)雜的振動影響，會引起隨鉆測井儀器的失效甚至損壞，對于整個鉆井工作來說，減小鉆具受振動的影響是非常有必要的。但是鉆具振動是不可避免的，只能通過對減振裝置的設(shè)計將鉆具的振動調(diào)整到不影響鉆井工作正常進(jìn)行的狀態(tài)。

設(shè)計新型隨鉆測井儀減振器是從以下3個方面來對鉆具進(jìn)行有效的減振：1)改變隨鉆測井儀短節(jié)的固有頻率，使所設(shè)計的測量短節(jié)的固有頻率能夠避開共振區(qū)域；2)通過彈簧以及阻尼塊吸收主振動系統(tǒng)的振動能量；3)對減振裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，來減少振動的傳遞。

新型減振器如圖4所示，當(dāng)鉆具在井下進(jìn)行鉆進(jìn)時，鉆桿由于受屈曲載荷和離心載荷等因素的影響產(chǎn)生橫向振動，傳遞給減振套筒3，減振套筒在外端殼體1內(nèi)的振動偏移都將傳遞給彈簧阻尼器12，彈簧阻尼連接柱塞通過往復(fù)運(yùn)動來達(dá)到減振、吸振的作用。柱塞13與減振套筒3之間有間隙，壓縮或拉伸彈簧時會產(chǎn)生相對運(yùn)動，其功能相當(dāng)于多個阻振器的并聯(lián)，通過柱塞與減振套筒之間的固體摩擦力消耗振動能量。柱塞的上部端面與外端殼體接觸產(chǎn)生摩擦力，可以消耗扭轉(zhuǎn)振動能量。減振套筒3與外端殼體1的相對位移達(dá)到接近彈簧阻尼器12彈性限度時，安裝在外端殼體上的固定環(huán)2會和減振套筒3接觸，防止彈簧阻尼器12超出彈性限度而損壞。

1—外端殼體；2—固定環(huán)；3—減振套筒；4—墊片；5—軸承端蓋；6—凹槽；7—連接孔；8—軸承；9—墊片2；10—螺釘；11—軸；12—彈簧阻尼器；13—柱塞

上述減振器屬于有阻尼動力減振器，除了動力作用外還利用阻尼消耗振動能量。有阻尼動力減振器與主系統(tǒng)的相對振幅A1/δst的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(7)

與此相應(yīng)的A1/δst隨λ的變化曲線如圖5所示。由圖可知，不同阻尼比ζ的所有曲線都經(jīng)過P、Q兩點(diǎn)，因此這兩點(diǎn)的位置與阻尼比無關(guān)。為了保證所設(shè)計的減振器在整個頻率范圍內(nèi)都有較好的減振效果，應(yīng)使P、Q兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)相等，從而成為幅頻響應(yīng)曲線的最高點(diǎn)，如圖5所示。選擇的最佳阻尼比和最佳頻率比如式(8)和式(9)所示。

圖5 隨A1/δst的變化曲線

最佳阻尼比ζ0p：

(8)

最佳頻率比a0p：

(9)

3 仿真驗(yàn)證

本文采用SolidWorks對減振器建立模型，應(yīng)用ANSYS Workbench、ADAMS對減振器模型進(jìn)行仿真分析。

模型所用材料及參數(shù)見表1。

表1 材料及參數(shù)

新型隨鉆測井儀減振器模型的網(wǎng)格劃分采用ANSYS Workbench 自帶的網(wǎng)格劃分方法。整個模型單元數(shù)為 104 936，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 247 887。

通過模態(tài)分析得到的前6階固有頻率見表2。

表2 減振裝置前6階固有頻率

對減振裝置y方向進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到減振裝置變形云圖、應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

圖6 減振裝置諧響應(yīng)分析

由圖6可以看出，減振器所安裝的位置是變形和應(yīng)力集中區(qū)域，由于兩端有扶正器作用，因此測量短節(jié)受到的橫向偏移不會太大。

本文的有限元仿真只針對測量短節(jié)部分，為了更準(zhǔn)確地驗(yàn)證減振器減振效果，應(yīng)該用ADAMS對整體模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)將SolidWorks模型轉(zhuǎn)化為ADMAS可讀取的*._xt格式導(dǎo)入ADAMS。由于在將SolidWorks模型導(dǎo)入ADAMS過程中模型約束會自動解除，因此需在 ADAMS 中對各個部件重新添加約束，包括運(yùn)動副、耦合副、特殊約束、基本約束等。運(yùn)動約束的添加是通過限制自由度的方式為模型添加一個或者多個約束方程實(shí)現(xiàn)的，其中方程的數(shù)量與限制的自由度數(shù)相同。ADAMS 中建立的整體鉆柱模型如圖7所示。通過查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》，設(shè)置彈簧阻尼材料為 60Si2CrA、減振套筒為 45鋼、鉆鋌為AISI4145H，由于ADAMS軟件的默認(rèn)材料庫中并沒有模型部件所需材料，需根據(jù)上述材料的密度、楊氏模量、泊松比等參數(shù)對材料進(jìn)行設(shè)置、添加，3種材料的參數(shù)見表1。

圖7 鉆柱模型圖

本文利用ADAMS提供的函數(shù)對鉆柱運(yùn)動過程進(jìn)行模擬。設(shè)定基本單位為m·kg·N·s，重力加速度g設(shè)置為y方向-9.806 65 m/s2，仿真時間為10 s，步長為0.1，采取交互式方式運(yùn)行。

仿真得到整體鉆柱中測量短節(jié)質(zhì)心在y軸上的位移曲線，如圖8所示，測量短節(jié)質(zhì)心位移基本穩(wěn)定在0.01 m的范圍內(nèi)，可見安裝了隨鉆測井儀減振裝置后測量短節(jié)質(zhì)心的位移很小且較為穩(wěn)定。

圖8 測量短節(jié)質(zhì)心在y軸上的位移

基于ADAMS多體動力學(xué)分析軟件，對測量短節(jié)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行模擬分析，得到測量短節(jié)在運(yùn)動中振動烈度級最大值為0.002 m/s，可以看出新型隨鉆測井儀減振器的減振效果明顯。

通過表3振動烈度級對照表，可得質(zhì)心振動烈度級為0.002 m/s，對應(yīng)振動烈度級1.80～2.80 mm/s，減振器性能達(dá)到第三類設(shè)備A級標(biāo)準(zhǔn)，說明所設(shè)計減振器能夠滿足隨鉆測井儀器穩(wěn)定工作的需求，并且減振效果要優(yōu)于橡膠圈減振器[3]。

表3 振動烈度級對照表

4 結(jié)束語

隨鉆測井儀的使用，有效解決了大斜井和水平井等特殊工藝井開采工作中的諸多困難。本文設(shè)計了一種新型隨鉆測井儀減振器，并對減振器進(jìn)行了仿真模擬分析。結(jié)果表明，新型減振器性能穩(wěn)定，減振吸振效果明顯。對比橡膠圈減振器，新型減振器振動烈度級更優(yōu)，減振效果更好，且避免了橡膠圈在不同工況中易損壞的缺點(diǎn)，有效提高了隨鉆測井儀的穩(wěn)定性。雖然由于結(jié)構(gòu)和材料改變，導(dǎo)致成本提升，其實(shí)用價值還有待考量，但對于需要高穩(wěn)定性以及對環(huán)境要求較高的精密測量儀器具有研究價值。