振动固井电力振动器激振力和振幅分析.pdf

第 38 卷 第 3 期 2016 年 5 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING electric vibrator; exciting force; amplitude; energy approach; elastic centralizer 基金项目：国家科技重大专项“复杂地质条件下深井钻井液与高温高压固井技术” （编号：2011ZX05021-004） ；中国石油集团公司科学 研究与技术开发项目 “钻井新技术新方法研究” （编号：2014A-4213） 。 第一作者：尹宜勇（1984-） ， 工程师， 博士， 现主要从事固井完井技术研究。通讯地址：（102206） 北京市昌平区沙河镇西沙屯桥西中石油科 技创新基地 A34 区块。电话：010-80162256。E-mail： 振动固井技术能够明显提高固井质量和界面胶 结强度1-2。目前， 国内外在振动固井工具方面的研 究较多， 主要分为机械敲击套管振动工具、 井下水力 脉冲振动工具和候凝期间顶面井口环空脉冲振动工 具3-5。机械敲击套管振动工具需要用车载绞车在 井口下入供电电缆6-7， 该工具的使用改变了常规固 井工艺， 增加了固井成本， 延长了固井作业时间。井 下水力脉冲振动工具无法在水泥浆候凝期间实现振 动固井。候凝期间顶面井口环空脉冲振动工具需要 空气压缩机和空气脉冲发生器提供振动能量8， 不 仅改变了常规固井工艺， 还增加了固井成本。 候凝阶段的振动对界面胶结强度的提高非常重 要。为此， 设计了一种固井电力振动器， 既不改变常 规固井工艺又能在水泥浆候凝期间实现振动固井， 为振动固井提供一种新的技术手段。井下水力脉冲 振动工具和候凝期间顶面井口环空脉冲振动工具的 万方数据 石油钻采工艺2016 年 5 月（第 38 卷） 第 3 期328 振幅是脉冲压力波动幅值， 而固井电力振动器的振 幅是位移值。笔者通过力学分析和能量法， 对该工 具的激振力和振幅进行分析， 建立了激振力和振幅 的数学模型， 结合某井的具体参数， 得出工具的激振 力和振幅曲线， 为工具的现场试验提供理论支撑。 1电力振动器结构模型 Structural model of the electric vibrator 图 1 为设计的固井电力振动器示意图， 此工具 安装在管柱的底端， 内部有水泥浆通道， 通过高温电 池组供电组件提供电能， 通过高温电机振动组件把 电能转化为机械能。 当胶塞下行到胶塞座位置碰压， 剪销断开， 胶塞座下行， 下压电池开关， 使电路导通， 电机振动组件工作， 偏心块沿电机轴旋转， 产生径向 振动。该工具在水泥浆候凝阶段能够实现井下径向 振动。 图 1固井电力振动器示意图 Fig. 1 Sketch map of the electric vibrator 如图 2 所示， 电机振动组件通过输出轴带动偏 心块旋转形成激振源， 对套管串底部产生一个大小 不变方向沿轴向旋转的激振力。66SY/200 型高温直 流伺服电机额定电压 200 V， 额定电流 1 100 mA， 允 许最大电流 5 000 mA， 额定转速 1 200 r/min， 可以得 出该工具的工作激振频率为 20 Hz。 图 2电机振动组件示意图 Fig. 2 Sketch map of the motor vibration parts 高温电机的负载转矩计算公式为 P Tn L = 9550 （1） 式中， PL为电动机的负载功率， kW；T 为负载转矩， N m；n 为偏心块的旋转速度， r/min； 为传动装置 的效率。 电动机的负载功率 PL约为 0.2 kW， 偏心块的旋 转速度 n 为 1 200 r/min， 传动装置的效率 为 0.9。 可得出负载转矩 T 为 1.43 N m。 偏心块由固定偏心块和调心偏心块组成。固定 偏心块通过键与输出轴连接， 调心偏心块和固定偏 心块通过螺栓连为一体。根据所需激振力的大小， 可自行调整调心偏心块与固定偏心块之间的相互位 置， 调整好后用螺栓锁紧固定。固定偏心块设计一 个螺纹孔， 调心偏心块设计一个变径槽， 这样不仅可 以调整激振力的范围， 还可以防止活动偏心块与固 定偏心块之间相对位置的滑移。 偏心块采用45号钢， 结构如图 3 所示。 r R2 螺纹孔 r R2 1 2 1 2 R1 R1 (a)(b) 图 3偏心块结构示意图 Fig. 3 Configuration of the eccentric block 2固井电力振动器激振力的计算 Exciting force calculation 偏心块面积的计算公式为 ARRr=+() 180 1 2 12 2 2 2 （2） 偏心距为 r A RR 0 1 1 3 2 3 8 12 =() sin （3） 激振力的计算公式为 FmrRRB=() 0 2 1 3 2 3 1 2 2 3000 sin （4） 式中， R1为偏心块大圆的半径， mm；R2为偏心块小 圆的半径， mm；1为偏心块大圆弧的半中心角， ； 2为偏心块小圆弧的半中心角， ；r 为偏心块内圆 的半径， mm；B 为偏心块的厚度， mm； 为偏心块 的密度， kg/mm3； 为偏心块的转动角速度， rad/s。 固 定 偏 心 块 R1=50 mm， R2=18.5 mm， 1=75 ， 2=105 ， r=13.5 mm， B=92 mm， =7.8106 kg/mm3， =40， 代入上述公式计算可得， A=3 327.14 mm2， r0=22.97 mm， 激振力 F=866 N。 固定偏心块产生的轴向力 FaA为偏心块的重力， FaA=22.94 N。固定偏心块产生的圆周力 FtA为 FCV SCBrr CBRR R R R R tA d= () 1 2 1 26 1 2 1 22 1 2 1 3 2 3 2 1 2 1 （5） 式中， C 为空气的阻力系数；1为空气的密度， kg/ 万方数据 329尹宜勇等：振动固井电力振动器激振力和振幅分析 mm3；V 为线速度， mm/s。 C 值通常是实验值， 和物体的迎风面积、 物体光 滑程度和整体形状有关。C 一般可取为 1 9 ， 空气的 密度为 1.29109 kg/mm3， 得出固定偏心块产生的 圆周力 FtA=0.04 N。 固定偏心块产生的扭矩 TA为 TCV rSCBrr CBRR R R R R A d= () 1 2 1 28 1 2 1 23 1 2 1 4 2 4 2 1 2 1 （6） 通过计算得出固定偏心块产生的扭矩 TA=1.4 103 N m。调心偏心块和固定偏心块通过螺栓连为 一体， 当调心偏心块中间的通孔与固定偏心块的螺 纹孔连接时， 产生最大激振力， 可知固定偏心块和调 心偏心块产生的最大激振力为 Frmax为 1 732 N， 轴 向力 Fa为 45.88 N， 最大圆周力 Ftmax为 0.08 N， 最 大扭矩 Tmax1 为 2.8103 N m。经过文献调研， 角接触球轴承的摩擦力矩约为 0.1 N m10， 可以得 出 Tmax0.2 N m， 小于电机允许的负载转矩 T（1.43 N m） ， 所以固定偏心块和调心偏心块设计合理。 3电力振动器振幅计算模型 Amplitude calculation model 电力振动器产生的偏心力作用到套管串上， 套 管串底部受到大小不变方向沿轴向旋转的激振力。 在固井设计时， 为了保证套管串在井筒中居中， 会在 套管串上卡放套管扶正器。如图 4 所示， 套管串是 一个简支连续梁。在现场使用弹性扶正器， 把弹性 扶正器简化为弹簧， 其安装位置为 P1、 P2、 P3， ， Pn。 图 4套管串简化模型 Fig. 4 Simplified model of casing string 套管串在井下受到偏心块产生的激振力为 F， 在安装位置 P1、 P2、 P3， ， Pn产生的振幅为 x1、 x2、 x3， ， xn。由能量法11可得 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 0 2 1 2 2 2 3 22 mVK xK xK xK xn= （7） x1x2x3xn=l1l2l3ln （8） 式中， m 为固定偏心块和调心偏心块的质量， kg；V 为固定偏心块和调心偏心块的线速度， m/s；K 为弹 性扶正器的弹性系数， N/m。 套管串受到的激振力如式（4） 所示， 激振力在各 个扶正器处产生的振幅如式（7） 所示。 如表 1 所示， 某井井深 2 992 m， 套管下入深度 为 2 990 m， 套管下端安装了固井电力振动器。封固 段每 25 根套管加 1 只弹性扶正器， 确保套管居中， 弹性系数为 4.432104 N/m12。放置弹性扶正器 位置区域为 2 0002 960 m， 2 个相邻弹性扶正器之 间的距离为 60 m。 表 1井身结构设计数据 Tabel 1 Design date of well profile 开钻 次序 井深 / m 钻头直径 / mm 套管直径 / mm 套管下入 深度 /m 环空水泥浆 封固段 /m 一开341311.2244.5340地面 340 二开 2 992215.9139.72 9902 0002 990 根据式（7）和式（8） ， 取上述数据进行计算， 可 得出扶正器所处位置与该处振幅的关系曲线， 如图 5 所示。固井电力振动器激振力为 1 732 N 时， 在井下 2 960 m 处弹性扶正器位置产生的振幅为 8.7 mm， 在井下 2 000 m 处弹性扶正器位置产生的振幅为 5.9 mm。可得出， 随着井下位置的上移， 固井电力振动 器在扶正器位置产生的振幅逐渐减小。 200022002400260028003000 4 5 6 7 8 9 扶正器位置/m 振幅/mm 扶正器间距30 m 扶正器间距60 m 图 5不同位置扶正器处的振幅 Fig. 5 Amplitude of centralizers at different positions 当弹性扶正器之间的间距为 30 m， 固井电力振 动器激振力为 1 732 N 时， 在井下 2 960 m 处弹性扶 正器位置产生的振幅为 6.2 mm， 在井下 2 000 m 处 弹性扶正器位置产生的振幅为 4.2 mm。随着弹性 扶正器之间间距的减小， 固井电力振动器在扶正器 位置产生的振幅逐渐减小。针对不同的井身结构， 万方数据 石油钻采工艺2016 年 5 月（第 38 卷） 第 3 期330 可通过调整激振力大小或者调整弹性扶正器之间间 距来调整固井电力振动器产生的振幅。 激振力增大， 固井电力振动器产生的振幅也随之增加；弹性扶正 器之间间距增大， 固井电力振动器产生的振幅也随 之增加。 4结论 Conclusions （1） 通过结构设计和力学分析， 得出了由固定偏 心块和调心偏心块产生的激振力公式， 通过计算得 出固井电力振动器的激振力为 1 732 N。 （2） 运用能量法， 对激振力在安装有弹性扶正器 的直井套管产生的振幅进行了分析， 得出了固井电 力振动器在弹性扶正器处产生的振幅计算模型。 （3） 以某井结构设计参数为依据， 对弹性扶正器 处的振幅进行了计算和分析， 为固井电力振动器的 现场试验提供理论支撑。 参考文献： References: 1 ASLAKSON J K, DOHERTY D R, SMALLEY E A. Preventing annular flow after cementing, one pulse at a time: offshore gulf of Mexico cement pulsation field resultsR. SPE 94230-MS, 2005 2 李玉海， 赵立新， 王军荣振动固井技术综述J 石 油钻采工艺， 1994， 16 （6） ：40-42 LI Yuhai, ZHAO