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研究院

為了使水泥漿在候凝階段產生振動，提高固井質量和界面膠結強度，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，帶動高溫電機產生振動，安裝在管柱的底端，不會改變常規固井工藝。通過結構設計和力學分析，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，結合某井的參數，對該工具在安裝有彈性扶正器的直井套管產生的振幅進行了分析，得出了其在彈性扶正器處產生的振幅計算模型，為井下振動固井工具的現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

振動固井技術能夠明顯提高固井質量和界面膠結強度［1-2］。目前，國內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固井工藝，增加了固井成本，延長了固井作業時間。井下水力脈沖振動工具無法在水泥漿候凝期間實現振動固井。候凝期間頂面井口環空脈沖振動工具需要空氣壓縮機和空氣脈沖發生器提供振動能量［8］，不僅改變了常規固井工藝，還增加了固井成本。

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

1　電力振動器結構模型

Structural model of the electric vibrator

圖1為設計的固井電力振動器示意圖，此工具安裝在管柱的底端，內部有水泥漿通道，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，使電路導通，電機振動組件工作，偏心塊沿電機軸旋轉，產生徑向振動。該工具在水泥漿候凝階段能夠實現井下徑向振動。

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形成激振源，對套管串底部產生一個大小不變方向沿軸向旋轉的激振力。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

高溫電機的負載轉矩計算公式為

式中，PL為電動機的負載功率，kW；T為負載轉矩，N·m；n為偏心塊的旋轉速度，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。可得出負載轉矩T為1.43 N·m。

偏心塊由固定偏心塊和調心偏心塊組成。固定偏心塊通過鍵與輸出軸連接，調心偏心塊和固定偏心塊通過螺栓連為一體。根據所需激振力的大小，可自行調整調心偏心塊與固定偏心塊之間的相互位置，調整好后用螺栓鎖緊固定。固定偏心塊設計一個螺紋孔，調心偏心塊設計一個變徑槽，這樣不僅可以調整激振力的范圍，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，結構如圖3所示。

圖3　偏心塊結構示意圖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。C一般可取為1［9］，空氣的密度為1.29×kg/，得出固定偏心塊產生的圓周力=0.04 N。

通過計算得出固定偏心塊產生的扭矩TA=1.4× 10-3N·m。調心偏心塊和固定偏心塊通過螺栓連為一體，當調心偏心塊中間的通孔與固定偏心塊的螺紋孔連接時，產生最大激振力，可知固定偏心塊和調心偏心塊產生的最大激振力為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。經過文獻調研，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矩T（1.43 N·m），所以固定偏心塊和調心偏心塊設計合理。

3　電力振動器振幅計算模型

Amplitude calculation model

電力振動器產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的激振力。在固井設計時，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梁。在現場使用彈性扶正器，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為固定偏心塊和調心偏心塊的質量，kg；V為固定偏心塊和調心偏心塊的線速度，m/s；K為彈性扶正器的彈性系數，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，彈性系數為4.432×104 N/m［12］。放置彈性扶正器位置區域為2 000～2 960 m，2個相鄰彈性扶正器之間的距離為60 m。

表1　井身結構設計數據Tabel 1 Design date of well profile

根據式（7）和式（8），取上述數據進行計算，可得出扶正器所處位置與該處振幅的關系曲線，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生的振幅為8.7 mm，在井下2 000 m處彈性扶正器位置產生的振幅為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生的振幅為6.2 mm，在井下2 000 m處彈性扶正器位置產生的振幅為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生的振幅逐漸減小。針對不同的井身結構，可通過調整激振力大小或者調整彈性扶正器之間間距來調整固井電力振動器產生的振幅。激振力增大，固井電力振動器產生的振幅也隨之增加；彈性扶正器之間間距增大，固井電力振動器產生的振幅也隨之增加。

4　結論

Conclusions

（1）通過結構設計和力學分析，得出了由固定偏心塊和調心偏心塊產生的激振力公式，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生的振幅計算模型。

（3）以某井結構設計參數為依據，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場試驗提供理論支撐。

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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，現主要從事固井完井技術研究。通訊地址：（102206）北京市昌平區沙河鎮西沙屯橋西中石油科技創新基地A34區塊。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學模型，結合某井的具體參數，得出工具的激振力和振幅曲線，為工具的現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“復雜地質條件下深井鉆井液與高溫高壓固井技術”（編號：2011ZX05021-004）；中國石油集團公司科學研究與技術開發項目 “鉆井新技術新方法研究”（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.