ZJ15钻机底座的振动测试分析

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1、ZJ15钻机底座的振动测试分析ZJ15钻机是目前大庆油田钻井的主力钻机。提高钻井效率，缩短工作周期以提高效益已是广大钻井队的共同目标。要实现这一目标,提高钻井速度是常用的方法, 即采用四挡钻进来代替原来的三挡钻进；另外，对于小井眼钻井来说，采用四挡钻进较经济合算。但是，该型钻机采用四挡钻进时，钻台的振动比采用三挡时更强烈，有时甚至影响正常钻进。强烈的振动会影响底座的疲劳寿命，降低钻井工作的安全性，同时对钻台面上的设备也造成不利影响。因此，寻找底座振动强烈的原因，采取合适的减振措施以降低底座的振动强度很有必要。笔者已在文献1里从模态分析的角度研究了底座振动强烈的原因，现以整个钻井过程的测试数据为

2、依据，分析各种振源因素对底座振动的影响。多种振源及振动频率特征ZJ15钻机底座上的电动机、变速箱、万向轴、转盘及绞车等都是旋转设备，任何一个转动部分出现不平衡或不对中时，都会引起设备和底座的振动。在变速箱里除了齿轮轴外，还有轴承和多个相互啮合的齿轮对，由于野外钻井的工作条件和工作环境比较恶劣，这些部位容易产生故障而引起振动；变速箱与转盘之间用万向轴联接，万向轴与钻台面之间存在7°的夹角，万向轴的轴线与变速箱的输出轴和转盘的输入轴存在相同的夹角，即在两个联接处存在轴线不对中问题。根据文献2知，转子不对中的振动特征频率为2倍工作频率，常伴频率为工作频率和3倍工作频率；由于万向轴两端本身还

3、存在2倍工作频率的成分，故还存在4倍工作频率和6倍工作频率的伴随频率成分。因所测方钻杆有轻微弯曲，若将方钻杆看成弓形转子，按照文献2，其振动特征频率为工作频率，常伴频率为2倍工作频率；若将方钻杆看成不平衡的转子，则其振动特征频率为工作频率。另外，钻杆柱的纵振和扭振，以及刮刀钻头的不平稳转动都可能对底座的振动有一定的影响。刮刀钻头在工作过程中产生的转动频率的基频为钻杆柱工作频率的3倍；钻铤纵振基波的自然频率F1和扭振基波的自然频率F2分别为(1)式中A1钢的拉、压波速，A1=5135.94m/s；A2钢的剪力波速，A2=3246.16m/s；L钻铤长度，m。取L=14×9=126m，利

4、用式（1）可求得钻铤的纵振基频为10.2Hz，扭振基频为6.44Hz。现将多种振源的工作频率、常伴频率及振动方向列于表1。表1底座多种振源的工作频率及常伴频率Hz部件三挡四挡振动方向工作频率常伴频率工作频率常伴频率电动机12.33324.66612.33324.666HH,V变速箱输入轴12.33324.66612.33324.666HH，V变速箱输出轴9.5306.74019.0613.4817.72935.458HH,V猫头轴2.5475.0944.7384.738HZ,V万向轴9.53019.0628.59038.12047.65057.18017.72935.45853.18770.9

5、1688.645106.370HH,HZ,V转盘输入轴9.53019.06038.12047.65017.72935.45870.91688.645HH,V钻杆2.66285.32584.9549.907HH,HZ钻铤扭振及纵振10.206.4410.206.44HH,HZ,V钻头7.98814.86HH,HZ注：底座前台到后台方向为水平纵向，以HZ表示；与之水平垂直的为水平横向，以HH表示；V表示垂直方向。由于变速箱与转盘里的齿轮长期工作在恶劣的环境中，很容易造成齿轮的磨损等故障，当齿轮工作时会引起振动，与各转动件相联接的轴承也可能存在故障从而引起振动。当齿轮和轴承存在故障时，它们的振动特征

6、频率都比较高，而对该底座进行测试时所用的是8912型拾振器，其频率范围在100Hz以内，所以笔者未对齿轮和轴承的振动情况作出分析。 数据采集及分析点的选取为了解底座上多个关键部位的振动情况，以及各部位在各种钻井工况、井深范围及地质条件下的振动情况，在底座上布置了较多的测点（垂直方向布置了36个测点；水平方向8个测点，其中前台和后台各有2个横向测点、2个纵向测点），并在整个钻井过程中选了4个测试段：井深180200m，地质疏松；井深580620m，地质软；井深820840m，地质中硬；井深10501070m，地质硬。在每个测试段内，分别采用三挡、四挡钻进，并进行数据采集。所有数据的采样频率为20

7、00Hz，低通滤波器的高限频率为200Hz，采样长度为15×1024=15360点。因钻井工作人员直接感受到的是钻台的振动，所以在进行垂直方向分析时，在底座前、后台各取一点，前台测点位于绞车和转盘之间、万向轴左上方靠近绞车处，后台测点位于变速箱左侧上船靠近变速箱的边上；水平横向和水平纵向测点，前、后台各取一个，前台两个水平测点在转盘梁上，后台两个水平测点在变速箱两侧的上船上靠近变速箱的边上，纵向测点在左，横向测点在右。采样数据的分析1.采样数据的幅域分析所选各测点在各种工况、井深范围及地质条件下的幅域分析结果见图1、图2、图3及表2。图1底座前后台垂直方向最大振幅比较图2底座前后台水

8、平横向最大位移比较图3底座前后台水平纵向最大位移比较分析图1、图2、图3和表2，可以看出，采用四挡钻进时，整个底座的振动比采用三挡时强烈得多。三挡钻进时，底座垂直方向最大振幅随井深变化不大，且底座前、后台垂直方向最大振幅相差不大，但前台水平方向的最大振幅大于后台；四挡钻进时，前台的垂直方向振动比后台强烈，而且前台的最大振幅随井深的增加而减小，前台横向最大振幅大于后台，而前、后台的纵向最大振幅相差不大。还可以看到，井深不到840m以前，底座在垂直方向的振动强度随着井深的增加而增大；水平方向的最大振幅随着井深增加、地质硬度增大而增大；当钻井液加重后，底座在三个方向的最大振幅由上升转为下降，在三个方

9、向的振动强度也转向下降。从表2还可以看出，采用四挡钻进时，底座振动的有效值（振动强度）比采用三挡时大得多。若把底座上的各旋转设备和底座（包括井架）看作一个旋转振动系统，则其属于ISO 2372与ISO 3945国际标准中的类设备；当采用四挡钻进时，底座各测点处振动的有效值（振动强度）均处于不允许或不可的范围。可见，对ZJ15钻井底座而言，不宜采用四挡钻进。表2各测点振动有效值的比较方向挡位及倍数井深180200m;地质疏松井深580620m;地质软井深820840m;地质中硬井深10501070m;地质硬前台垂直方向三挡四挡倍数6.621mm/s42.55mm/s6.4311.77 mm/s7

10、2.01mm/s6.1211.83mm/s67.27mm/s5.696.427mm/s52.28mm/s8.13后台垂直方向三挡四挡倍数5.605 mm/s16.03 mm/s2.867.001 mm/s19.86 mm/s2.839.243 mm/s34.28 mm/s3.713.968 mm/s37.38 mm/s9.42前台水平横向三挡四挡倍数15.08 mm/s26.19 mm/s1.745.277 mm/s88.17 mm/s16.7113.71 mm/s54.42 mm/s3.9711.39 mm/s31.29 mm/s2.75后台水平横向三挡四挡倍数22.19 mm/s54.56

11、 mm/s2.465.901 mm/s26.46 mm/s4.4823.37 mm/s52.15 mm/s2.234.297 mm/s11.98 mm/s2.79前台水平纵向三挡四挡倍数7.582 mm/s29.35 mm/s3.874.028 mm/s57.13 mm/s14.1812.9 mm/s39.7 mm/s3.087.654 mm/s33.36 mm/s4.40后台水平纵向三挡四挡倍数10.34 mm/s33.38 mm/s3.236.835 mm/s34.87 mm/s5.1012.64 mm/s43.43 mm/s3.444.832 mm/s23.54 mm/s4.87注：1.

12、表中的有效值是对加速度有效值积分或对位移有效值微分所得；2.钻井液加重井深：860m。2.采样数据的频域分析图4为井深820840m，分别采用三挡、四挡钻进时底座后台同一垂直方向测点的时域波形及其频域分析结果。从分析结果可以看出，不论是采用三挡钻进还是四挡钻进，变速箱输出轴、万向轴、转盘输入轴的工作频率及其倍频是垂直方向振动的主要频率。 图4同一测点三挡、四挡钻进时的频域分析结果比较图5是同一水平横向测点在同一井深范围内和2种钻井工况下的频域分析结果。可以看出，水平横向振动的主要振源是方钻杆、万向轴及其两端联接的转动轴。图5同一测点两种工况下水平横向振动的频域分析图6是同一水平纵向测点在同一井

13、深范围内和2种钻井工况下的频域分析结果。由分析结果可得出与水平横向相同的结论。结合表1中各个振源的特征频率及伴随频率，可以得出这样的结论：与水平方向成一定角度的万向轴是引起三个方向振动的主要原因；弯曲的方钻杆是该底座水平方向振动的最主要振源；垂直方向强烈振动的（四挡钻进时）原因是万向轴及其两端联接轴的工作频率和倍频接近底座的固有频率1。图6同一测点两种工况下水平纵向振动的频域分析前面的频域分析结果中并不包含钻铤的纵振及扭振频率及其倍频成分，可见钻铤的这两种振动对该底座的振动并没有什么影响。在图46中，数据处理的窗函数：汉字窗;重叠系数：98.4375%；图中符号NAM表示实验名,Test表示实验号,No.表示测点号，SF表示采样频率,dF表示频率分辨率,RMS表示振幅有效值; AVR.Times表示频域分析的平均次数。结论(1)采用四挡钻进时，底座在三个方向的振动强度比三挡钻进时的振动强度大得多，并且与井深、地质条件以及钻井液的密度有关。(2)弯曲的方钻杆是该底座水平方向的主要振源，应避免使用有弯曲缺陷的方钻杆。(3)万向轴与钻台面成一定夹角，造成联接处轴线不对中，引起底座三个方向的振动；采用四挡钻进时，其工作频率及倍频接近该底座的固有频率，从而引起底座的强烈振动。因此，要想减轻该底座的强烈振动，不仅应使设备的工作频率及倍频避开底座的固有频率，同时还应对万向轴的安装做一些调整。