胡 燦， 王旭峰， 孟祥營， 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.中國石油吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 838200)

塔里木油田鉆機(jī)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(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)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(jī)平臺進(jìn)行振動測試與激勵源的分析是平臺結(jié)構(gòu)振動的基礎(chǔ)。目前，對塔里木油田超深井鉆機(jī)平臺的振動源的相關(guān)研究較少，對沙漠油田的風(fēng)沙振動影響的情況不明。以塔里木油田熱瓦普區(qū)熱普5號井鉆機(jī)平臺為測試對象，對平臺X，Y,Z方向進(jìn)行了振動測試與振動信號的采集，并進(jìn)行了振動信號的頻譜分析。結(jié)果表明：在超深井鉆井時，空氣壓縮機(jī)等鉆井動力系統(tǒng)對鉆機(jī)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(dá)到最大，分別達(dá)到1.203，1.16 mm。同時，沙塵暴風(fēng)力對鉆機(jī)平臺的振動也有較大的影響，當(dāng)風(fēng)振頻率在11.5 Hz時，Z方向振動幅值達(dá)到0.463 mm。

鉆機(jī)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(nèi)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(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號油井鉆井深度達(dá)到了8 068 m。在超深井鉆井過程中，會對整個油井產(chǎn)生較大的沖擊振動，同時也給鉆機(jī)平臺帶來較大的振動響應(yīng)，影響平臺的正常作業(yè)。在陸地油井鉆井設(shè)備中，鉆機(jī)平臺是鉆井操作室、現(xiàn)場電氣儀表設(shè)置的平臺，鉆機(jī)平臺的穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系著鉆井的安全與完井工作的保證。目前，國內(nèi)外對鉆機(jī)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(qū)域受其獨(dú)特的自然環(huán)境影響，鉆機(jī)平臺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)帶來強(qiáng)烈的振動損害，嚴(yán)重影響平臺的作業(yè)與鉆井工人的安全[3]。因此，對塔里木油田鉆機(jī)平臺的振動測試研究有助于更好地了解塔里木地區(qū)的振動情況，也有助于更好地分析和了解塔里木地區(qū)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(jī)平臺振動現(xiàn)狀，對塔里木油田熱瓦普區(qū)熱普5號井ZJ90/6750DB型鉆機(jī)平臺現(xiàn)場布置測量點，采集振動傳感器的振動位移數(shù)據(jù)，通過振動數(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(jù)和參考。

1 鉆機(jī)平臺振動測試

1.1 振動測試設(shè)備

鉆機(jī)平臺的振動測試設(shè)備主要包括兩部份：一部份是現(xiàn)場各測量點的傳感器與信號變送裝置；另一部份是對現(xiàn)場傳感器數(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)場振動測量傳感器

現(xiàn)場振動測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(chǎn)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(jī)平臺較大的質(zhì)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(zhǔn)，可以直接安裝于鉆機(jī)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(xiàn)場變送器輸入到平臺控制系統(tǒng)的西門子PLC—300系統(tǒng)的模擬量輸入模塊，PLC系統(tǒng)通過A/D轉(zhuǎn)換，對數(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)行振動試驗的記錄。

圖1 鉆機(jī)平臺振動測試系統(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

振動信號的采集通過鉆井系統(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(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)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(shù)據(jù)處理與頻譜分析。

1.2 振動測試測點布置

鉆機(jī)平臺的振動測試主要考慮多方面的因素，根據(jù)鉆機(jī)平臺的振動激勵情況布置現(xiàn)場傳感器的檢測點。具體的布置如圖2所示，以鉆機(jī)平臺層面基準(zhǔn)建立坐標(biāo)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(qiáng)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(jī)平臺測試試驗與振動位移圖。

圖2 鉆機(jī)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(jī)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(jié)果

實際測量時，根據(jù)油田鉆井時工況和沙塵暴風(fēng)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(jī)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(fù)載對平臺振動影響情況；第三種情況為風(fēng)力超過17 m/s時的沙塵暴天氣對平臺作業(yè)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示相關(guān)的測量值。

測量時，在鉆機(jī)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(fēng)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(jī)動力的基頻與倍頻，實際測量值與空氣壓縮機(jī)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(zhǔn)確把握，振動信號的隨機(jī)性與變化都很大。

3 振動激勵源分析

在采集鉆機(jī)平臺3種工況情形下的測量數(shù)據(jù)后，通過LabVIEW軟件平臺對振動信號進(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(nèi)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(jī)動力基頻時的振動幅值最為強(qiáng)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(fù)載產(chǎn)生了多種振動影響，減振時應(yīng)充分考慮泵類負(fù)載與平臺的隔離，同時，也應(yīng)該避開平臺的自振頻率，以免引起共振現(xiàn)象。圖4(d)所示為風(fēng)力大于17 m/s時的沙塵暴天氣時鉆機(jī)平臺的振動頻譜圖。從圖中可看到，風(fēng)力振動具有較多的隨機(jī)性，振動的方向也變化多樣，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。而大型沙塵暴對鉆機(jī)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(jī)動力和泵類負(fù)載所引起的，動力類負(fù)載對振動的影響主要是Z方向的垂直振動。同時，沙塵暴風(fēng)力對鉆機(jī)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(jié) 論

由振動的測量可知，超深井鉆井時，影響鉆機(jī)平臺的振動激勵源為鉆井時的空氣壓縮機(jī)動力、泥漿泵等負(fù)載及外面的沙塵暴風(fēng)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(jī)等鉆機(jī)動力系統(tǒng)對鉆機(jī)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(dá)到最大，振動位移分別達(dá)到1.203，1.16 mm。

2)在停鉆出泥漿時，空氣壓縮機(jī)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(tǒng)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(fēng)力對鉆機(jī)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(dāng)風(fēng)振頻率在11.5 Hz時，Z方向振動幅值達(dá)到0.463 mm，同時風(fēng)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(jī)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(tǒng)的基頻與倍頻的影響。在進(jìn)行鉆機(jī)平臺結(jié)構(gòu)減振時，應(yīng)該從振動激勵源的控制入手，合理布置鉆井動力系統(tǒng)的位置;同時，也應(yīng)該對鉆機(jī)平臺的自振頻率計算，避免引起共振現(xiàn)象。

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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(xué)基金資助項目(1162017)；塔里木大學(xué)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。