振動固井電力振動器激振力和振幅分析

尹宜勇 劉碩瓊 王兆會

中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院

振動固井電力振動器激振力和振幅分析

尹宜勇 劉碩瓊 王兆會

中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院

為了使水泥漿在候凝階段產(chǎn)生振動，提高固井質(zhì)量和界面膠結(jié)強度，研制了一種固井電力振動器。該振動器通過高溫電池組提供電能，帶動高溫電機產(chǎn)生振動，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)計和力學分析，對該工具的激振力進行了計算，其最大激振力為1 732 N。運用能量法，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)生的振幅進行了分析，得出了其在彈性扶正器處產(chǎn)生的振幅計算模型，為井下振動固井工具的現(xiàn)場試驗提供了理論指導。

振動固井；電力振動器；激振力；振幅；能量法；彈性扶正器

振動固井技術(shù)能夠明顯提高固井質(zhì)量和界面膠結(jié)強度［1-2］。目前，國內(nèi)外在振動固井工具方面的研究較多，主要分為機械敲擊套管振動工具、井下水力脈沖振動工具和候凝期間頂面井口環(huán)空脈沖振動工具［3-5］。機械敲擊套管振動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)時間。井下水力脈沖振動工具無法在水泥漿候凝期間實現(xiàn)振動固井。候凝期間頂面井口環(huán)空脈沖振動工具需要空氣壓縮機和空氣脈沖發(fā)生器提供振動能量［8］，不僅改變了常規(guī)固井工藝，還增加了固井成本。

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

1　電力振動器結(jié)構(gòu)模型

Structural model of the electric vibrator

圖1為設(shè)計的固井電力振動器示意圖，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，通過高溫電機振動組件把電能轉(zhuǎn)化為機械能。當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)，使電路導通，電機振動組件工作，偏心塊沿電機軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生徑向振動。該工具在水泥漿候凝階段能夠?qū)崿F(xiàn)井下徑向振動。

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

如圖2所示，電機振動組件通過輸出軸帶動偏心塊旋轉(zhuǎn)形成激振源，對套管串底部產(chǎn)生一個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　電機振動組件示意圖Fig. 2 Sketch map of the motor vibration parts

高溫電機的負載轉(zhuǎn)矩計算公式為

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

電動機的負載功率PL約為0.2 kW，偏心塊的旋轉(zhuǎn)速度n為1 200 r/min，傳動裝置的效率η為0.9。可得出負載轉(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)計一個螺紋孔，調(diào)心偏心塊設(shè)計一個變徑槽，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　固井電力振動器激振力的計算

Exciting force calculation

偏心塊面積的計算公式為

偏心距為

激振力的計算公式為

C值通常是實驗值，和物體的迎風面積、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，當調(diào)心偏心塊中間的通孔與固定偏心塊的螺紋孔連接時，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，小于電機允許的負載轉(zhuǎn)矩T（1.43 N·m），所以固定偏心塊和調(diào)心偏心塊設(shè)計合理。

3　電力振動器振幅計算模型

Amplitude calculation model

電力振動器產(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)計時，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)域為2 000～2 960 m，2個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)進行計算，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。固井電力振動器激振力為1 732 N時，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。可得出，隨著井下位置的上移，固井電力振動器在扶正器位置產(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

當彈性扶正器之間的間距為30 m，固井電力振動器激振力為1 732 N時，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)整固井電力振動器產(chǎn)生的振幅。激振力增大，固井電力振動器產(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)計和力學分析，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，通過計算得出固井電力振動器的激振力為1 732 N。

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

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

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 results［R］. SPE 94230-MS， 2005.

［2］ 李玉海，趙立新，王軍榮.振動固井技術(shù)綜述［J］.石油鉆采工藝，1994，16（6）：40-42. LI Yuhai， ZHAO Lixin， WANG Junrong. Overview of vibration cementing technology［J］. Oil Drilling & Production Technology， 1994， 16（6）: 40-42.

［3］ NEWMAN K， WOJTANOWICZ A， GAHAN B C. Cement pulsation improves gas well cementing［J］. World Oil， 2001， 222（7）: 89-94.

［4］ 聶翠平，李相方，葉登勝，周正，鄒詳富.可鉆型低頻自激震蕩脈動固井裝置的研制與應用［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（9）：74-76. NIE Cuiping， LI Xiangfang， YE Dengsheng， ZHOU Zheng， ZOU Xiangfu. Development and application of a drillable， low-frequency and self-excited vibration pulsing cementing unit［J］. Natural Gas Industry， 2012， 32（9）: 74-76.

［5］ 廖華林，李根生，易燦，牛繼磊，丁士東，張克堅.水力脈沖振動注水泥裝置的設(shè)計與試驗［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2008，32（1）：47-50. LIAO Hualin， LI Gensheng， YI Can， NIU Jilei， DING Shidong， ZHANG Kejian. Design and experiment on hydraulic pulse vibration generator for cementing［J］. Journal of China University of Petroleum， 2008， 32（1）: 47-50.

［6］ 中國石油化工集團公司，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院.套管振動裝置：201420564508 ［P］.2015-03-11. Drilling Technology Research Institute， Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation. Casing vibrator: 201420564508 ［P］. 2015-03-11.

［7］ 中國石油化工集團公司，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院.一種振動固井裝置及振動固井方法：201310743718［P］.2015-07-01. Drilling Technology Research Institute， Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation. A vibration cementing device and vibration cementing procedure: 201310743718 ［P］. 2015-07-01.

［8］ 中國石油化工股份有限公司，中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院.一種脈沖振動產(chǎn)生裝置及方法：200610081406 ［P］. 2007-11-21. Drilling Technology Research Institute， Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation. A vibration cementing device and vibration cementing procedure: 201310743718 ［P］. 2015-07-01.

［9］ 嚴九洲，楊軍，張懷作，彭飛，譚萬云. 測定空氣阻力系數(shù)新方法［J］.長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2012，33（2）：200-204. YAN Jiuzhou， YANG Jun， ZHANG Huaizuo， PENG Fei， TAN Wanyun. A new method to determine the air resistance coefficient［J］. Journal of Changchun University of Technology: Natural Science Edition， 2012，33（2）: 200-204.

［10］ 陶潤，侯之超. 受徑向力滾動軸承摩擦力矩的測試和函數(shù)擬合［J］.清華大學學報：自然科學版，2014，54 （6）：744-749. TAO Run， HOU Zhichao. Measurement and curve fitting of the friction torque of rolling bearings subjected to radial loads［J］. Journal of Tsinghua University: Science and Technology， 2014， 54（6）: 744-749.

［11］ 屈維德，唐恒齡. 機械振動手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：198-204. QU Weide， KANG Hengling. Mechanical vibration manual ［M］. Beijing: China Machine Press， 2000: 198-204.

［12］ 舒中選，陳德東，鄭嚴，李靜芬. 常用套管扶正器扶正力及其變形關(guān)系的探討［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31 （5）：82-84. SHU Zhongxuan， CHEN Dedong， ZHENG Yan， LI Jingfen. Investigation of Relationship between Stability Force and Deformation for Common Casing Stabilizors ［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2003， 31（5）: 82-84.

（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幅值，而固井電力振動器的振幅是位移值。筆者通過力學分析和能量法，對該工具的激振力和振幅進行分析，建立了激振力和振幅的數(shù)學模型，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“復雜地質(zhì)條件下深井鉆井液與高溫高壓固井技術(shù)”（編號：2011ZX05021-004）；中國石油集團公司科學研究與技術(shù)開發(fā)項目 “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.固井電力振動器激振力和振幅分析［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：327-330.