振动固井电力振动器激振力和振幅分析

尹宜勇 刘硕琼 王兆会

中国石油集团钻井工程技术研究院

振动固井电力振动器激振力和振幅分析

尹宜勇 刘硕琼 王兆会

中国石油集团钻井工程技术研究院

为了使水泥浆在候凝阶段产生振动，提高固井质量和界面胶结强度，研制了一种固井电力振动器。该振动器通过高温电池组提供电能，带动高温电机产生振动，安装在管柱的底端，不会改变常规固井工艺。通过结构设计和力学分析，对该工具的激振力进行了计算，其最大激振力为1 732 N。运用能量法，结合某井的参数，对该工具在安装有弹性扶正器的直井套管产生的振幅进行了分析，得出了其在弹性扶正器处产生的振幅计算模型，为井下振动固井工具的现场试验提供了理论指导。

振动固井；电力振动器；激振力；振幅；能量法；弹性扶正器

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

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

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；η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η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。

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

偏心距为

激振力的计算公式为

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1.29×kg/，得出固定偏心块产生的圆周力=0.04 N。

通过计算得出固定偏心块产生的扭矩TA=1.4× 10-3N·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2.8×10-3N·m。经过文献调研，角接触球轴承的摩擦力矩约为0.1 N·m［10］，可以得出Tmax≈0.2 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

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2～5根套管加1只弹性扶正器，确保套管居中，弹性系数为4.432×104 N/m［12］。放置弹性扶正器位置区域为2 000～2 960 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

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。

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，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。

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，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 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］ 聂翠平，李相方，叶登胜，周正，邹详富.可钻型低频自激震荡脉动固井装置的研制与应用［J］.天然气工业，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］ 廖华林，李根生，易灿，牛继磊，丁士东，张克坚.水力脉冲振动注水泥装置的设计与试验［J］.中国石油大学学报：自然科学版，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］ 中国石油化工集团公司，中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院.套管振动装置：201420564508 ［P］.2015-03-11. Drilling Technology Research Institute， Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation. Casing vibrator: 201420564508 ［P］. 2015-03-11.

［7］ 中国石油化工集团公司，中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院.一种振动固井装置及振动固井方法：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］ 中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院.一种脉冲振动产生装置及方法：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］ 严九洲，杨军，张怀作，彭飞，谭万云. 测定空气阻力系数新方法［J］.长春工业大学学报：自然科学版，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］ 陶润，侯之超. 受径向力滚动轴承摩擦力矩的测试和函数拟合［J］.清华大学学报：自然科学版，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］ 屈维德，唐恒龄. 机械振动手册［M］.北京：机械工业出版社，2000：198-204. QU Weide， KANG Hengling. Mechanical vibration manual ［M］. Beijing: China Machine Press， 2000: 198-204.

［12］ 舒中选，陈德东，郑严，李静芬. 常用套管扶正器扶正力及其变形关系的探讨［J］.石油钻探技术，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）

〔编辑 朱 伟〕

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：yinyydr@cnpc.com.cn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。

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.

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）。

引用格式：尹宜勇，刘硕琼，王兆会.固井电力振动器激振力和振幅分析［J］.石油钻采工艺，2016，38（3）：327-330.