塔里木油田鉆機平臺振動測試與振動激勵源分析*

胡 燦， 王旭峰， 孟祥營， 蔣建云， 張 亮

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300；2.中國石油吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 838200)

塔里木油田鉆機平臺振動測試與振動激勵源分析*

胡 燦1， 王旭峰1， 孟祥營1， 蔣建云1， 張 亮2

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300；2.中國石油吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 838200)

對鉆機平臺進行振動測試與激勵源的分析是平臺結構振動的基礎。目前，對塔里木油田超深井鉆機平臺的振動源的相關研究較少，對沙漠油田的風沙振動影響的情況不明。以塔里木油田熱瓦普區熱普5號井鉆機平臺為測試對象，對平臺X，Y,Z方向進行了振動測試與振動信號的采集，并進行了振動信號的頻譜分析。結果表明：在超深井鉆井時，空氣壓縮機等鉆井動力系統對鉆機平臺的振動影響最大，振動的位移主要為Z方向的垂直振動，振動頻率為17.5，82.3 Hz時振動的幅值達到最大，分別達到1.203，1.16 mm。同時，沙塵暴風力對鉆機平臺的振動也有較大的影響，當風振頻率在11.5 Hz時，Z方向振動幅值達到0.463 mm。

鉆機平臺； 振動測試； 頻譜分析； 塔里木油田； 激勵源

0 引 言

塔里木油田是中國第二大內陸油田，位于新疆塔里木盆地，處于世界上最大的流動沙漠四周，分布于塔河區域與盆地邊緣地區，地理位置獨特，石油開采環境復雜多樣。受地質環境的影響，油田的鉆井深度均在4 000 m以上的超深井，平均鉆井深度接近6 000 m，阿克蘇地區沙雅縣境內的熱普5號油井鉆井深度達到了8 068 m。在超深井鉆井過程中，會對整個油井產生較大的沖擊振動，同時也給鉆機平臺帶來較大的振動響應，影響平臺的正常作業。在陸地油井鉆井設備中，鉆機平臺是鉆井操作室、現場電氣儀表設置的平臺，鉆機平臺的穩定運行，關系著鉆井的安全與完井工作的保證。目前，國內外對鉆機平臺振動激勵源研究主要集中在海洋平臺，對陸地油井的平臺研究較少，特別是對超深井鉆井時振動激勵源不明[1,2]。同時，由于塔里木盆地區域受其獨特的自然環境影響，鉆機平臺受沙塵暴的影響較為嚴重，特別是在每年的3～6月期間，強烈的沙塵暴將給鉆井系統帶來強烈的振動損害，嚴重影響平臺的作業與鉆井工人的安全[3]。因此，對塔里木油田鉆機平臺的振動測試研究有助于更好地了解塔里木地區的振動情況，也有助于更好地分析和了解塔里木地區的振動激勵源，對于鉆井工程中的減振處理均具有十分重要的實際幫助。

針對塔里木油田鉆機平臺振動現狀，對塔里木油田熱瓦普區熱普5號井ZJ90/6750DB型鉆機平臺現場布置測量點，采集振動傳感器的振動位移數據，通過振動數據的采樣與數據處理，分析塔里木地區超深井鉆機平臺的振動激勵源對平臺的影響情況[4～6]，為平臺減振的研究提供依據和參考。

1 鉆機平臺振動測試

1.1 振動測試設備

鉆機平臺的振動測試設備主要包括兩部份：一部份是現場各測量點的傳感器與信號變送裝置；另一部份是對現場傳感器數據的采集、A/D轉換處理、人機交換畫面HMI上的顯示及頻譜分析軟件，具體結構框圖如圖1所示。

1)現場振動測量傳感器

現場振動測量傳感器采用磁電式速度傳感器，優化了壓電式傳感器在低頻振動信號采集時測量精度不夠的問題，在振動測量中具有更好的精度和更高的可靠性。傳感器選用江陰眾和公司生產的SZ—6型磁電式速度傳感器，測振量程為0～500 mm,該傳感器為絕對型傳感器，適用于鉆機平臺較大的質量塊測量。另外，絕對型傳感器不需要靜止的基座作為測量基準，可以直接安裝于鉆機平臺振動測量點上。傳感器輸出信號為4～20 mA電流信號，信號通過現場變送器輸入到平臺控制系統的西門子PLC—300系統的模擬量輸入模塊，PLC系統通過A/D轉換，對數據進行比較與處理，輸出到操作室的顯示儀表與HMI人機交換機算機界面上，可方便地進行振動試驗的記錄。

圖1 鉆機平臺振動測試系統框圖Fig 1 Block diagram of vibration test system of rig platform

2)數據采集、處理與顯示

振動信號的采集通過鉆井系統自帶的西門子PLC—300系統進行處理，一部份通過PLC程序比較振動值后輸出到平臺振動報警顯示；另一部份則輸入到振動儀表所配置的LabVIEW振動軟件平臺。LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)軟件是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言。LabVIEW軟件是常用的振動測試信號處理軟件，主要用于振動數據處理與頻譜分析。

1.2 振動測試測點布置

鉆機平臺的振動測試主要考慮多方面的因素，根據鉆機平臺的振動激勵情況布置現場傳感器的檢測點。具體的布置如圖2所示，以鉆機平臺層面基準建立坐標軸，檢測X,Y,Z方向的振動位移。因平臺操作室和儀表室的振動主要以Z方向的強迫振動為主，則傳感器底座垂直于平臺Z方向安裝。同時在四樁腿人字形立柱上安裝傳感器以測量X,Y方向振動。

圖3為鉆機平臺測試試驗與振動位移圖。

圖2 鉆機平臺振動測點方向示意圖Fig 2 Diagram of rig platform vibration direction of measuring points

圖3 鉆機平臺測振試驗與振動位移圖Fig 3 Rig platform vibration test and vibration displacement diagram

2 振動測試結果

實際測量時，根據油田鉆井時工況和沙塵暴風力情況可分為3種情況測量：第一種情況為鉆頭在6 000 m深度時空氣壓縮機等鉆井動力對平臺振動影響情況；第二種情況為鉆頭停止出泥漿時泥漿泵等負載對平臺振動影響情況；第三種情況為風力超過17 m/s時的沙塵暴天氣對平臺作業的振動影響情況。在每種情況下測量對平臺的振動速度，再通過軟件平臺換算出振動位移和加速度，在進行數據處理后顯示相關的測量值。

測量時，在鉆機平臺X,Y,Z方向各測點中取代表性的測點，得出平臺在3種情況下的主要振動頻率的振動位移與振動速度，見表1、表2及表3所示。

表1 鉆頭6 500 m時平臺各測點主要成份對照表Tab 1 Main components wntract of each test point of drilling platform in 6500m

表3 風力大于17 m/s時平臺各測點主要成份對照表Tab 3 Main components contract of each test point of drilling platform when wind power is over 17 m/s

從表1和表2中可以看出：主要的振動頻率成份是17.5，24.66，39.1，60.5，82.3 Hz，十分接近實際鉆頭在6 000 m以下深度時壓縮機動力的基頻與倍頻，實際測量值與空氣壓縮機動力的倍頻略有差異，這是由于振動過程中振動能量的損失及其他動力裝置如泥漿泵所引起的。表3為沙塵暴天氣引起平臺振動的主要振動頻率，沙塵暴天氣情況難以準確把握，振動信號的隨機性與變化都很大。

3 振動激勵源分析

在采集鉆機平臺3種工況情形下的測量數據后，通過LabVIEW軟件平臺對振動信號進行了處理與頻譜分析[7，8]，得到如圖4所示的3種工況下的振動特點。圖4(a)所示為鉆井深入6 000 m以下時Z方向某一測點2 s時間內的垂直振動幅值圖。圖4(b)所示為鉆頭在6 500 m時平臺的振動頻譜圖，圖中17.5,82.3 Hz時振動的幅值最大，尤其是低頻段接近于空氣壓縮機動力基頻時的振動幅值最為強烈。圖4(c)所示為鉆頭停鉆時泥漿泵對平臺振動頻譜圖，圖中振動幅度在各頻率段較為平均，振動的幅值較低，表明在出泥漿時平臺振動的激勵源較多，有過多的泵類負載產生了多種振動影響，減振時應充分考慮泵類負載與平臺的隔離，同時，也應該避開平臺的自振頻率，以免引起共振現象。圖4(d)所示為風力大于17 m/s時的沙塵暴天氣時鉆機平臺的振動頻譜圖。從圖中可看到，風力振動具有較多的隨機性，振動的方向也變化多樣，并且在塔里木盆地區域，風力的變化具有明顯的季節性。而大型沙塵暴對鉆機平臺振動主要集中在小于30 Hz的低頻段，其中12 Hz左右的振動幅值最為明顯。

從表1、表2、表3、圖4中可以看出：3種工況情形下測點的振動主要是由鉆井時的柴油機動力和泵類負載所引起的，動力類負載對振動的影響主要是Z方向的垂直振動。同時，沙塵暴風力對鉆機平臺的振動也有較大的影響，其振動的方向是多變的。

圖4 三種工況下平臺的振動信號頻譜圖Fig 4 Vibration signal spectrum of platform in three kinds of condition

4 結 論

由振動的測量可知，超深井鉆井時，影響鉆機平臺的振動激勵源為鉆井時的空氣壓縮機動力、泥漿泵等負載及外面的沙塵暴風力影響。通過振動頻譜分析可知其主要激勵源以及各激勵源對平臺的振動影響情況。

1)在超深井鉆井時，空氣壓縮機等鉆機動力系統對鉆機平臺的振動影響最大，振動的位移主要為Z方向的垂直振動，振動頻率為17.5 ，82.3 Hz時振動的幅值達到最大，振動位移分別達到1.203，1.16 mm。

2)在停鉆出泥漿時，空氣壓縮機動力功率有所降低，低頻段Z方向振動位移降至0.403 mm,同時其他動力系統對平臺的振動影響較小，振動的位移也主要為Z方向的垂直振動。

3)沙塵暴風力對鉆機平臺的振動也有較大的影響，振動頻率主要集中在30 Hz的低頻段，當風振頻率在11.5 Hz時，Z方向振動幅值達到0.463 mm，同時風力振動的方向變化較大，對X,Y方向的振動均有一定影響。

另外，鉆機平臺的振動信號呈一定的周期性，周期性即為鉆井時動力系統的基頻與倍頻的影響。在進行鉆機平臺結構減振時，應該從振動激勵源的控制入手，合理布置鉆井動力系統的位置;同時，也應該對鉆機平臺的自振頻率計算，避免引起共振現象。

[1] 孫明光，彭軍生.國內外石油鉆井裝備的發展現狀[J].石油鉆探技術，2008，36(6)：86-91.

[2] 黃悅華，任克忍.我國海洋石油鉆井平臺現狀與技術發展分析[J].石油機械，2007，35(9)：157-160.

[3] 張克斌，河合英二，北 原.沙漠油田鉆井平臺防風治沙試驗模擬[J].北京林業大學學報，1997，19(1)：93-96.

[4] 趙 東.組合抗振海洋平臺振動控制研究[D].濟南：山東大學，2006.

[5] 馮汝建，趙 東，熊永功,等.海洋平臺振動測試與分析[J].濟南大學學報，2004，18(2)：114-116.

[6] 陸建輝.隨機波浪載荷激勵下海洋平臺振動控制技術研究[D].青島：中國海洋大學，2004.

[7] 曹沖鋒.基于EMD機械振動分析與診斷方法研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[8] 何巖鋒，吳曉東，韓國慶,等.示功圖頻譜分析新方法[J].石油學報，2008，19(4)：619-624.

Vibration test and vibration excitation source analysis on drilling platform in Tarim oilfield*

HU Can1, WANG Xu-feng1, MENG Xiang-ying1, JIANG Jian-yun1, ZHANG Liang2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Tarim University,Alar 843300,China;2.Tu-ha drilling Company of Chinese Oil Companies,Shanshan 838200,China)

Test of vibration and analysis on excitation source in drilling platform are the foundation of platform structure vibration.However,the vibration source in the Tarim oilfield ultra deep well drilling platform of related research is less,the influence of wind vibration of desert oilfield is unknown.Number five well rig in Heatgeneral area of Tarim oilfield is used as test object,vibration testing and vibration signal are collected inX,Y,Zdirections of platform,frequency analysis on vibration signal is realized.The results show that air compressor and other drilling power system has a powerful vibration influence on the drilling platform,displacement is mainly vertical vibration inZdirection,and when the vibration frequency is 17.5 Hz and 82.3 Hz,the amplitude will reach the maximum value to 1.203 mm and 1.16 mm.At the same time,storm wind have an great effect on the vibration of drilling platform,when the wind vibration frequency is 11.5 Hz,the vibration amplitude inZdirection reach to 0.463 mm.

drilling platform; vibration test; ferquency analysis; Tarim oilfield; excitation source

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0056—03

2014—01—06

國家自然科學基金資助項目(1162017)；塔里木大學校長基金資助項目(TDZKSS1009)

TH 865; TE 923

A

1000—9787(2014)08—0056—03

胡 燦(1983-)，男，湖南益陽人，碩士研究生，主要研究方向為平臺振動檢測、故障診斷與振動控制。