胡 燦， 王旭峰， 孟祥營(yíng)， 蔣建云， 張 亮

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300；2.中國(guó)石油吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 838200)

塔里木油田鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)測(cè)試與振動(dòng)激勵(lì)源分析*

胡 燦1， 王旭峰1， 孟祥營(yíng)1， 蔣建云1， 張 亮2

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300；2.中國(guó)石油吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 838200)

對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試與激勵(lì)源的分析是平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的基礎(chǔ)。目前，對(duì)塔里木油田超深井鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)源的相關(guān)研究較少，對(duì)沙漠油田的風(fēng)沙振動(dòng)影響的情況不明。以塔里木油田熱瓦普區(qū)熱普5號(hào)井鉆機(jī)平臺(tái)為測(cè)試對(duì)象，對(duì)平臺(tái)X，Y,Z方向進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試與振動(dòng)信號(hào)的采集，并進(jìn)行了振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析。結(jié)果表明：在超深井鉆井時(shí)，空氣壓縮機(jī)等鉆井動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)影響最大，振動(dòng)的位移主要為Z方向的垂直振動(dòng)，振動(dòng)頻率為17.5，82.3 Hz時(shí)振動(dòng)的幅值達(dá)到最大，分別達(dá)到1.203，1.16 mm。同時(shí)，沙塵暴風(fēng)力對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)也有較大的影響，當(dāng)風(fēng)振頻率在11.5 Hz時(shí)，Z方向振動(dòng)幅值達(dá)到0.463 mm。

鉆機(jī)平臺(tái)； 振動(dòng)測(cè)試； 頻譜分析； 塔里木油田； 激勵(lì)源

0 引 言

塔里木油田是中國(guó)第二大內(nèi)陸油田，位于新疆塔里木盆地，處于世界上最大的流動(dòng)沙漠四周，分布于塔河區(qū)域與盆地邊緣地區(qū)，地理位置獨(dú)特，石油開采環(huán)境復(fù)雜多樣。受地質(zhì)環(huán)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(qū)沙雅縣境內(nèi)的熱普5號(hào)油井鉆井深度達(dá)到了8 068 m。在超深井鉆井過(guò)程中，會(huì)對(duì)整個(gè)油井產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)，同時(shí)也給鉆機(jī)平臺(tái)帶來(lái)較大的振動(dòng)響應(yīng)，影響平臺(tái)的正常作業(yè)。在陸地油井鉆井設(shè)備中，鉆機(jī)平臺(tái)是鉆井操作室、現(xiàn)場(chǎng)電氣儀表設(shè)置的平臺(tái)，鉆機(jī)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系著鉆井的安全與完井工作的保證。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)激勵(lì)源研究主要集中在海洋平臺(tái)，對(duì)陸地油井的平臺(tái)研究較少，特別是對(duì)超深井鉆井時(shí)振動(dòng)激勵(lì)源不明[1,2]。同時(shí)，由于塔里木盆地區(qū)域受其獨(dú)特的自然環(huán)境影響，鉆機(jī)平臺(tái)受沙塵暴的影響較為嚴(yán)重，特別是在每年的3～6月期間，強(qiáng)烈的沙塵暴將給鉆井系統(tǒng)帶來(lái)強(qiáng)烈的振動(dòng)損害，嚴(yán)重影響平臺(tái)的作業(yè)與鉆井工人的安全[3]。因此，對(duì)塔里木油田鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)測(cè)試研究有助于更好地了解塔里木地區(qū)的振動(dòng)情況，也有助于更好地分析和了解塔里木地區(qū)的振動(dòng)激勵(lì)源，對(duì)于鉆井工程中的減振處理均具有十分重要的實(shí)際幫助。

針對(duì)塔里木油田鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)現(xiàn)狀，對(duì)塔里木油田熱瓦普區(qū)熱普5號(hào)井ZJ90/6750DB型鉆機(jī)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)量點(diǎn)，采集振動(dòng)傳感器的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)，通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣與數(shù)據(jù)處理，分析塔里木地區(qū)超深井鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)激勵(lì)源對(duì)平臺(tái)的影響情況[4～6]，為平臺(tái)減振的研究提供依據(jù)和參考。

1 鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)測(cè)試

1.1 振動(dòng)測(cè)試設(shè)備

鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)測(cè)試設(shè)備主要包括兩部份：一部份是現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)量點(diǎn)的傳感器與信號(hào)變送裝置；另一部份是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換處理、人機(jī)交換畫面HMI上的顯示及頻譜分析軟件，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量傳感器

現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量傳感器采用磁電式速度傳感器，優(yōu)化了壓電式傳感器在低頻振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)測(cè)量精度不夠的問(wèn)題，在振動(dòng)測(cè)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(chǎn)的SZ—6型磁電式速度傳感器，測(cè)振量程為0～500 mm,該傳感器為絕對(duì)型傳感器，適用于鉆機(jī)平臺(tái)較大的質(zhì)量塊測(cè)量。另外，絕對(duì)型傳感器不需要靜止的基座作為測(cè)量基準(zhǔn)，可以直接安裝于鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)上。傳感器輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)，信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變送器輸入到平臺(tái)控制系統(tǒng)的西門子PLC—300系統(tǒng)的模擬量輸入模塊，PLC系統(tǒng)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與處理，輸出到操作室的顯示儀表與HMI人機(jī)交換機(jī)算機(jī)界面上，可方便地進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的記錄。

圖1 鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of vibration test system of rig platform

2)數(shù)據(jù)采集、處理與顯示

振動(dòng)信號(hào)的采集通過(guò)鉆井系統(tǒng)自帶的西門子PLC—300系統(tǒng)進(jìn)行處理，一部份通過(guò)PLC程序比較振動(dòng)值后輸出到平臺(tái)振動(dòng)報(bào)警顯示；另一部份則輸入到振動(dòng)儀表所配置的LabVIEW振動(dòng)軟件平臺(tái)。LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)軟件是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。LabVIEW軟件是常用的振動(dòng)測(cè)試信號(hào)處理軟件，主要用于振動(dòng)數(shù)據(jù)處理與頻譜分析。

1.2 振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)測(cè)試主要考慮多方面的因素，根據(jù)鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)激勵(lì)情況布置現(xiàn)場(chǎng)傳感器的檢測(cè)點(diǎn)。具體的布置如圖2所示，以鉆機(jī)平臺(tái)層面基準(zhǔn)建立坐標(biāo)軸，檢測(cè)X,Y,Z方向的振動(dòng)位移。因平臺(tái)操作室和儀表室的振動(dòng)主要以Z方向的強(qiáng)迫振動(dòng)為主，則傳感器底座垂直于平臺(tái)Z方向安裝。同時(shí)在四樁腿人字形立柱上安裝傳感器以測(cè)量X,Y方向振動(dòng)。

圖3為鉆機(jī)平臺(tái)測(cè)試試驗(yàn)與振動(dòng)位移圖。

圖2 鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)方向示意圖Fig 2 Diagram of rig platform vibration direction of measuring points

圖3 鉆機(jī)平臺(tái)測(cè)振試驗(yàn)與振動(dòng)位移圖Fig 3 Rig platform vibration test and vibration displacement diagram

2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)油田鉆井時(shí)工況和沙塵暴風(fēng)力情況可分為3種情況測(cè)量：第一種情況為鉆頭在6 000 m深度時(shí)空氣壓縮機(jī)等鉆井動(dòng)力對(duì)平臺(tái)振動(dòng)影響情況；第二種情況為鉆頭停止出泥漿時(shí)泥漿泵等負(fù)載對(duì)平臺(tái)振動(dòng)影響情況；第三種情況為風(fēng)力超過(guò)17 m/s時(shí)的沙塵暴天氣對(duì)平臺(tái)作業(yè)的振動(dòng)影響情況。在每種情況下測(cè)量對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)速度，再通過(guò)軟件平臺(tái)換算出振動(dòng)位移和加速度，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示相關(guān)的測(cè)量值。

測(cè)量時(shí)，在鉆機(jī)平臺(tái)X,Y,Z方向各測(cè)點(diǎn)中取代表性的測(cè)點(diǎn)，得出平臺(tái)在3種情況下的主要振動(dòng)頻率的振動(dòng)位移與振動(dòng)速度，見表1、表2及表3所示。

表1 鉆頭6 500 m時(shí)平臺(tái)各測(cè)點(diǎn)主要成份對(duì)照表Tab 1 Main components wntract of each test point of drilling platform in 6500m

表3 風(fēng)力大于17 m/s時(shí)平臺(tái)各測(cè)點(diǎn)主要成份對(duì)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(dòng)頻率成份是17.5，24.66，39.1，60.5，82.3 Hz，十分接近實(shí)際鉆頭在6 000 m以下深度時(shí)壓縮機(jī)動(dòng)力的基頻與倍頻，實(shí)際測(cè)量值與空氣壓縮機(jī)動(dòng)力的倍頻略有差異，這是由于振動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)能量的損失及其他動(dòng)力裝置如泥漿泵所引起的。表3為沙塵暴天氣引起平臺(tái)振動(dòng)的主要振動(dòng)頻率，沙塵暴天氣情況難以準(zhǔn)確把握，振動(dòng)信號(hào)的隨機(jī)性與變化都很大。

3 振動(dòng)激勵(lì)源分析

在采集鉆機(jī)平臺(tái)3種工況情形下的測(cè)量數(shù)據(jù)后，通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(dòng)特點(diǎn)。圖4(a)所示為鉆井深入6 000 m以下時(shí)Z方向某一測(cè)點(diǎn)2 s時(shí)間內(nèi)的垂直振動(dòng)幅值圖。圖4(b)所示為鉆頭在6 500 m時(shí)平臺(tái)的振動(dòng)頻譜圖，圖中17.5,82.3 Hz時(shí)振動(dòng)的幅值最大，尤其是低頻段接近于空氣壓縮機(jī)動(dòng)力基頻時(shí)的振動(dòng)幅值最為強(qiáng)烈。圖4(c)所示為鉆頭停鉆時(shí)泥漿泵對(duì)平臺(tái)振動(dòng)頻譜圖，圖中振動(dòng)幅度在各頻率段較為平均，振動(dòng)的幅值較低，表明在出泥漿時(shí)平臺(tái)振動(dòng)的激勵(lì)源較多，有過(guò)多的泵類負(fù)載產(chǎn)生了多種振動(dòng)影響，減振時(shí)應(yīng)充分考慮泵類負(fù)載與平臺(tái)的隔離，同時(shí)，也應(yīng)該避開平臺(tái)的自振頻率，以免引起共振現(xiàn)象。圖4(d)所示為風(fēng)力大于17 m/s時(shí)的沙塵暴天氣時(shí)鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)頻譜圖。從圖中可看到，風(fēng)力振動(dòng)具有較多的隨機(jī)性，振動(dòng)的方向也變化多樣，并且在塔里木盆地區(qū)域，風(fēng)力的變化具有明顯的季節(jié)性。而大型沙塵暴對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)振動(dòng)主要集中在小于30 Hz的低頻段，其中12 Hz左右的振動(dòng)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)主要是由鉆井時(shí)的柴油機(jī)動(dòng)力和泵類負(fù)載所引起的，動(dòng)力類負(fù)載對(duì)振動(dòng)的影響主要是Z方向的垂直振動(dòng)。同時(shí)，沙塵暴風(fēng)力對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)也有較大的影響，其振動(dòng)的方向是多變的。

圖4 三種工況下平臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖Fig 4 Vibration signal spectrum of platform in three kinds of condition

4 結(jié) 論

由振動(dòng)的測(cè)量可知，超深井鉆井時(shí)，影響鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)激勵(lì)源為鉆井時(shí)的空氣壓縮機(jī)動(dòng)力、泥漿泵等負(fù)載及外面的沙塵暴風(fēng)力影響。通過(guò)振動(dòng)頻譜分析可知其主要激勵(lì)源以及各激勵(lì)源對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)影響情況。

1)在超深井鉆井時(shí)，空氣壓縮機(jī)等鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)影響最大，振動(dòng)的位移主要為Z方向的垂直振動(dòng)，振動(dòng)頻率為17.5 ，82.3 Hz時(shí)振動(dòng)的幅值達(dá)到最大，振動(dòng)位移分別達(dá)到1.203，1.16 mm。

2)在停鉆出泥漿時(shí)，空氣壓縮機(jī)動(dòng)力功率有所降低，低頻段Z方向振動(dòng)位移降至0.403 mm,同時(shí)其他動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)影響較小，振動(dòng)的位移也主要為Z方向的垂直振動(dòng)。

3)沙塵暴風(fēng)力對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)也有較大的影響，振動(dòng)頻率主要集中在30 Hz的低頻段，當(dāng)風(fēng)振頻率在11.5 Hz時(shí)，Z方向振動(dòng)幅值達(dá)到0.463 mm，同時(shí)風(fēng)力振動(dòng)的方向變化較大，對(duì)X,Y方向的振動(dòng)均有一定影響。

另外，鉆機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)呈一定的周期性，周期性即為鉆井時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的基頻與倍頻的影響。在進(jìn)行鉆機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)減振時(shí)，應(yīng)該從振動(dòng)激勵(lì)源的控制入手，合理布置鉆井動(dòng)力系統(tǒng)的位置;同時(shí)，也應(yīng)該對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)的自振頻率計(jì)算，避免引起共振現(xiàn)象。

[1] 孫明光，彭軍生.國(guó)內(nèi)外石油鉆井裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(6)：86-91.

[2] 黃悅?cè)A，任克忍.我國(guó)海洋石油鉆井平臺(tái)現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展分析[J].石油機(jī)械，2007，35(9)：157-160.

[3] 張克斌，河合英二，北 原.沙漠油田鉆井平臺(tái)防風(fēng)治沙試驗(yàn)?zāi)M[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，19(1)：93-96.

[4] 趙 東.組合抗振海洋平臺(tái)振動(dòng)控制研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.

[5] 馮汝建，趙 東，熊永功,等.海洋平臺(tái)振動(dòng)測(cè)試與分析[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，18(2)：114-116.

[6] 陸建輝.隨機(jī)波浪載荷激勵(lì)下海洋平臺(tái)振動(dòng)控制技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2004.

[7] 曹沖鋒.基于EMD機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[8] 何巖鋒，吳曉東，韓國(guó)慶,等.示功圖頻譜分析新方法[J].石油學(xué)報(bào)，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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1162017)；塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目(TDZKSS1009)

TH 865; TE 923

A

1000—9787(2014)08—0056—03

胡 燦(1983-)，男，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠脚_(tái)振動(dòng)檢測(cè)、故障診斷與振動(dòng)控制。