陳軍, 秦泓江, 徐俊博, 郭廣鎏, 李有偉, 陽質(zhì)量

(1.中國石油塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000; 2.中國石油集團測井集團有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

與常規(guī)測井資料相比,隨鉆測井資料更為客觀真實地反映了地層的實際地質(zhì)特征[1]。作為隨鉆測井技術(shù)的重要手段,中子測井技術(shù)近年來得到飛速發(fā)展。該技術(shù)的核心儀器是安裝在鉆鋌上的隨鉆脈沖中子測井儀,其工作原理是中子源向地層發(fā)射定量高能中子,通過長源距探測器和短源距探測器分別測得經(jīng)地層減速后散射回井眼的熱中子數(shù)目,實現(xiàn)孔隙度測量[2]。然而,在正常鉆井作業(yè)中,鉆柱在向下鉆進的過程中伴隨著各種振動,這些振動可能導(dǎo)致隨鉆脈沖中子測井儀電性能的下降,造成測量信息的失真,不能實現(xiàn)中子孔隙度測量功能。研究如何改善隨鉆脈沖中子測井儀的抗振動性能對于中子測井技術(shù)的順利實現(xiàn)具有重要的意義。

本文對隨鉆脈沖中子測井儀的抗振性能進行研究并在此基礎(chǔ)上提出改進方案,通過軟件仿真,利用仿真結(jié)果,進行抗振設(shè)計,研制成果通過第三方環(huán)境測試中心檢測,滿足設(shè)計要求。

1 隨鉆脈沖中子測井儀原結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析

1.1 原結(jié)構(gòu)幾何模型簡化

建立合理有效的有限元模型是進行結(jié)構(gòu)分析及改進的基礎(chǔ)。隨鉆脈沖測井儀的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,需首先對其幾何模型進行合理簡化,主要包括:①刪除倒角、小孔、螺紋退刀槽等對分析結(jié)構(gòu)影響較小的細節(jié)特征;②對一些由許多細小構(gòu)件組成且對整體模型的力學(xué)特性沒有大的影響的局部構(gòu)件進行簡化。簡化后的隨鉆測井儀模型見圖1。

圖1 隨鉆脈沖中子測井儀原結(jié)構(gòu)剖視圖

1.2 原結(jié)構(gòu)有限元模型建立

將SolidWorks中建立的隨鉆脈沖中子測井儀模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中,對不規(guī)則零件進行布爾運算以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量,共形成264 403個節(jié)點和141 041個單元。零件間的接觸面設(shè)置為綁定接觸和法向不分離接觸。

1.3 原結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

隨鉆脈沖中子測井儀的動態(tài)性能反映其結(jié)構(gòu)在承受動態(tài)載荷時的抗振能力,對儀器測量數(shù)據(jù)的精度具有重要影響。為了能真實反映儀器在振動試驗臺上的邊界條件,對振動臺與外鋼管接觸處設(shè)置固定約束,約束施加情況如圖2所示。

圖2 隨鉆脈沖中子測井儀邊界約束示意圖

對隨鉆脈沖中子測井儀進行模態(tài)分析,提取其前六階模態(tài),對應(yīng)的固有頻率和振型分析結(jié)果見表1,相應(yīng)的振型見圖3。

圖3 隨鉆脈沖中子測井儀振型圖

由表1和圖3可知,儀器總成結(jié)構(gòu)剛度偏小,固有頻率落入0～200 Hz內(nèi),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)均有放大。故需改進結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)的固有頻率在200 Hz以上,以避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振,說明哪個階的振型對儀器的抗振性影響較大。

1.4 原結(jié)構(gòu)隨機振動分析

模態(tài)分析得到的隨鉆脈沖中子測井儀結(jié)構(gòu)的各階振型僅僅是結(jié)構(gòu)各部分的相對振動情況,還需對其進行隨機振動分析,以研究儀器在動態(tài)載荷下的抗振性能。

表1 隨鉆脈沖中子測井儀原結(jié)構(gòu)固有頻率及振型分析

為了模擬隨鉆脈沖中子測井儀的振動試驗,在儀器的外鋼管固定約束處的x、y、z方向上分別施加均方根值為5 g的基礎(chǔ)加速度功率譜,頻帶寬度為5～200 Hz(見圖4);提取儀器關(guān)鍵零件3He管表面中點處的絕對加速度響應(yīng)曲線(見圖5);3He管表面中點輸入與輸出加速度均方根值見表2。

圖5 3He管表面中點x、y、z方向絕對加速度響應(yīng)曲線

加載方向加速度輸入均方根值/g加速度響應(yīng)均方根值/gx5.0012.07y5.009.83z5.004.99

由圖5可知,單獨加載x方向的基礎(chǔ)加速度譜時,x方向響應(yīng)曲線在141.32、146.76、176.87 Hz處產(chǎn)生共振峰;單獨加載y方向的基礎(chǔ)加速度譜時,y方向響應(yīng)曲線在134.99、141.32、146.76 Hz處產(chǎn)生共振峰;單獨加載z方向的基礎(chǔ)加速度譜時,z方向響應(yīng)曲線沒有產(chǎn)生共振峰;結(jié)合圖3及表2可得,在帶寬為5～200 Hz的基礎(chǔ)加速度激勵下,結(jié)構(gòu)x、y方向的模態(tài)容易被激發(fā),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振,使得加速度響應(yīng)均方根值放大,影響儀器讀數(shù)的精度,需對儀器進行改進以提高其抗振性能。

2 隨鉆脈沖中子測井儀改進結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析

2.1 隨鉆脈沖中子測井儀拓撲形式改進

由隨鉆脈沖中子測井儀原結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析結(jié)果可知,儀器的剛性不足導(dǎo)致振動試驗時結(jié)構(gòu)低階模態(tài)落入共振區(qū)產(chǎn)生共振。測井儀的薄弱環(huán)節(jié)為采集板骨架的剛性不足、橡膠圈與外鋼管接觸寬度過小及橡膠圈分布不均。為提高結(jié)構(gòu)的抗振性能,改善動態(tài)特性,減輕振動對測井儀測量數(shù)據(jù)精度的影響,對隨鉆脈沖中子測井儀的拓撲形式進行改進以提高其低階模態(tài),避開共振區(qū),具體改進方案:①采集板骨架增加支撐結(jié)構(gòu);②橡膠圈截面形狀由圓形改為矩形;③橡膠圈個數(shù)由6個增加到9個。隨鉆脈沖中子測井儀改進結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 隨鉆脈沖中子測井儀拓撲形式改進示意圖

2.2 隨鉆脈沖中子測井儀改進結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

對改進后的隨鉆脈沖中子測井儀進行模態(tài)分析,提取其前六階模態(tài),改進結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)固有頻率對比見表3。

表3 隨鉆脈沖中子測井儀原結(jié)構(gòu)與改進結(jié)構(gòu)固有頻率對比

由表3中數(shù)據(jù)可知,隨鉆脈沖中子測井儀結(jié)構(gòu)改進后,前六階固有頻率均得到較大幅度的提高,基頻在200 Hz以上,且有較大的余量。

2.3 改進結(jié)構(gòu)隨機振動分析

在隨鉆脈沖中子測井儀的外鋼管固定約束處的x、y、z方向上分別施加均方根值為5 g的基礎(chǔ)加速度功率譜,頻帶寬度為5～200 Hz(見圖4);提取儀器關(guān)鍵零件3He管表面中點處的絕對加速度響應(yīng)曲線(見圖7);3He管表面中點輸入與輸出加速度均方根值見表4。

圖7 3He管表面中點x、y、z方向絕對加速度響應(yīng)曲線

加載方向加速度輸入均方根值/g加速度響應(yīng)均方根值/g(原結(jié)構(gòu))加速度響應(yīng)均方根值/g(改進結(jié)構(gòu))x5.0012.075.17y5.009.835.49z5.004.994.99

由圖7可知,結(jié)構(gòu)的基頻在200 Hz以上,在0～200 Hz內(nèi)結(jié)構(gòu)的x、y、z向加速度響應(yīng)曲線沒有共振峰;由表4可知,改進結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)較原結(jié)構(gòu)有明顯的下降,改進方案能有效提高結(jié)構(gòu)的抗振性能。

3 隨鉆脈沖中子測井儀參數(shù)優(yōu)化

隨鉆脈沖中子測井儀在加工制造中的誤差可能導(dǎo)致改進結(jié)構(gòu)固有頻率的降低,需在滿足結(jié)構(gòu)工作性能的前提下對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

3.1 隨鉆脈沖中子測井儀優(yōu)化設(shè)計模型

隨鉆脈沖中子測井儀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率為目標,在測井儀器基本尺寸不變的前提下,以改進結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析的結(jié)果為依據(jù),從橡膠圈支撐結(jié)構(gòu)的位置、橡膠圈的厚度和寬度3個方面進行優(yōu)化,選取的優(yōu)化設(shè)計變量如圖8所示,其中d為增加的支撐結(jié)構(gòu)距蓋板的距離,d1為矩形橡膠圈內(nèi)徑,w為矩形橡膠圈寬度。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型見式(1),具體取值見表5。

(1)

圖8 隨鉆脈沖中子測井儀器優(yōu)化設(shè)計變量示意圖

設(shè)計變量下限/mm初始值/mm上限/mmd607585d13232.235w345

3.2 優(yōu)化設(shè)計變量對隨鉆脈沖中子測井儀基頻的影響

分別提取d、d1、w單獨變化時,設(shè)計變量對基頻的影響曲線(見圖9);分別提取d、d1,d、w和d1、w同時變化時,設(shè)計變量對基頻的影響曲面(見圖10)。

由圖9(a)可知,當(dāng)d1和w取初始值時,第一階固有頻率隨d的增加而增大;由圖10(a)和(b)可知,當(dāng)d1和w取值改變時,第一階固有頻率隨d的變化規(guī)律發(fā)生改變,例如,當(dāng)d1和w分別取其上限時,第一階固有頻率隨d的增加而減小。由圖9(b)和(c)可知,當(dāng)僅改變d1和w時,第一階固有頻率分別隨d1和w的增加而增大;由圖10可知,當(dāng)d和w取值改變時,第一階固有頻率隨d1的增加而增大,當(dāng)d和d1取值改變時,第一階固有頻率隨w的增加而增大。

圖9 設(shè)計變量對基頻的影響曲線

圖10 設(shè)計變量對基頻的影響曲面

3.3 隨鉆脈沖中子測井儀優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果見表6。由表6可知,通過對測井儀進行優(yōu)化,儀器的基頻相對于改進方案增加了43.90%,為儀器順利通過試驗提供了進一步的保證。

表6 儀器結(jié)構(gòu)改進與優(yōu)化結(jié)果

3.4 測試結(jié)果及分析

經(jīng)過設(shè)計的儀器在第三方檢測中心做振動測試,振動圖譜見圖11、圖12。儀器通過振動檢測,達到設(shè)計要求。

圖11 15 g-z方向隨機振動試驗圖譜

圖12 隨機振動試驗圖譜

4 結(jié) 論

(1) 通過增加結(jié)構(gòu)的剛度而提高結(jié)構(gòu)的低階固有頻率,從而避開共振區(qū),提高結(jié)構(gòu)的抗振性能。

(2) 隨鉆脈沖中子測井儀結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明,采集板骨架增加的支撐結(jié)構(gòu)距蓋板的距離、橡膠圈的厚度及寬度對結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能均有不同程度的影響:第一階固有頻率隨著橡膠圈的厚度及寬度的增加而單調(diào)遞增;第一階固有頻率隨著采集板骨架增加的支撐結(jié)構(gòu)距蓋板的距離改變有不同的變化規(guī)律。

(3) 改進方案消除了隨鉆脈沖中子測井儀存在的共振問題,優(yōu)化方案進一步提高了儀器的固有頻率,為儀器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了結(jié)構(gòu)保障。

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