随钻脉冲中子测井仪抗振性能分析与结构优化

陈军, 秦泓江, 徐俊博, 郭广鎏, 李有伟, 阳质量

(1.中国石油塔里木油田分公司, 新疆 库尔勒 841000; 2.中国石油集团测井集团有限公司, 陕西 西安 710077)

0 引 言

与常规测井资料相比,随钻测井资料更为客观真实地反映了地层的实际地质特征[1]。作为随钻测井技术的重要手段,中子测井技术近年来得到飞速发展。该技术的核心仪器是安装在钻铤上的随钻脉冲中子测井仪,其工作原理是中子源向地层发射定量高能中子,通过长源距探测器和短源距探测器分别测得经地层减速后散射回井眼的热中子数目,实现孔隙度测量[2]。然而,在正常钻井作业中,钻柱在向下钻进的过程中伴随着各种振动,这些振动可能导致随钻脉冲中子测井仪电性能的下降,造成测量信息的失真,不能实现中子孔隙度测量功能。研究如何改善随钻脉冲中子测井仪的抗振动性能对于中子测井技术的顺利实现具有重要的意义。

本文对随钻脉冲中子测井仪的抗振性能进行研究并在此基础上提出改进方案,通过软件仿真,利用仿真结果,进行抗振设计,研制成果通过第三方环境测试中心检测,满足设计要求。

1 随钻脉冲中子测井仪原结构动态性能分析

1.1 原结构几何模型简化

建立合理有效的有限元模型是进行结构分析及改进的基础。随钻脉冲测井仪的结构较为复杂,需首先对其几何模型进行合理简化,主要包括:①删除倒角、小孔、螺纹退刀槽等对分析结构影响较小的细节特征;②对一些由许多细小构件组成且对整体模型的力学特性没有大的影响的局部构件进行简化。简化后的随钻测井仪模型见图1。

图1 随钻脉冲中子测井仪原结构剖视图

1.2 原结构有限元模型建立

将SolidWorks中建立的随钻脉冲中子测井仪模型导入ANSYS Workbench中,对不规则零件进行布尔运算以提高网格划分质量,共形成264 403个节点和141 041个单元。零件间的接触面设置为绑定接触和法向不分离接触。

1.3 原结构模态分析

随钻脉冲中子测井仪的动态性能反映其结构在承受动态载荷时的抗振能力,对仪器测量数据的精度具有重要影响。为了能真实反映仪器在振动试验台上的边界条件,对振动台与外钢管接触处设置固定约束,约束施加情况如图2所示。

图2 随钻脉冲中子测井仪边界约束示意图

对随钻脉冲中子测井仪进行模态分析,提取其前六阶模态,对应的固有频率和振型分析结果见表1,相应的振型见图3。

图3 随钻脉冲中子测井仪振型图

由表1和图3可知,仪器总成结构刚度偏小,固有频率落入0～200 Hz内,导致结构产生共振,结构的响应均有放大。故需改进结构,使结构的固有频率在200 Hz以上,以避免结构产生共振,说明哪个阶的振型对仪器的抗振性影响较大。

1.4 原结构随机振动分析

模态分析得到的随钻脉冲中子测井仪结构的各阶振型仅仅是结构各部分的相对振动情况,还需对其进行随机振动分析,以研究仪器在动态载荷下的抗振性能。

表1 随钻脉冲中子测井仪原结构固有频率及振型分析

为了模拟随钻脉冲中子测井仪的振动试验,在仪器的外钢管固定约束处的x、y、z方向上分别施加均方根值为5 g的基础加速度功率谱,频带宽度为5～200 Hz(见图4);提取仪器关键零件3He管表面中点处的绝对加速度响应曲线(见图5);3He管表面中点输入与输出加速度均方根值见表2。

图5 3He管表面中点x、y、z方向绝对加速度响应曲线

加载方向加速度输入均方根值/g加速度响应均方根值/gx5.0012.07y5.009.83z5.004.99

由图5可知,单独加载x方向的基础加速度谱时,x方向响应曲线在141.32、146.76、176.87 Hz处产生共振峰;单独加载y方向的基础加速度谱时,y方向响应曲线在134.99、141.32、146.76 Hz处产生共振峰;单独加载z方向的基础加速度谱时,z方向响应曲线没有产生共振峰;结合图3及表2可得,在带宽为5～200 Hz的基础加速度激励下,结构x、y方向的模态容易被激发,导致结构产生共振,使得加速度响应均方根值放大,影响仪器读数的精度,需对仪器进行改进以提高其抗振性能。

2 随钻脉冲中子测井仪改进结构动态性能分析

2.1 随钻脉冲中子测井仪拓扑形式改进

由随钻脉冲中子测井仪原结构的动态分析结果可知,仪器的刚性不足导致振动试验时结构低阶模态落入共振区产生共振。测井仪的薄弱环节为采集板骨架的刚性不足、橡胶圈与外钢管接触宽度过小及橡胶圈分布不均。为提高结构的抗振性能,改善动态特性,减轻振动对测井仪测量数据精度的影响,对随钻脉冲中子测井仪的拓扑形式进行改进以提高其低阶模态,避开共振区,具体改进方案:①采集板骨架增加支撑结构;②橡胶圈截面形状由圆形改为矩形;③橡胶圈个数由6个增加到9个。随钻脉冲中子测井仪改进结构见图6。

图6 随钻脉冲中子测井仪拓扑形式改进示意图

2.2 随钻脉冲中子测井仪改进结构模态分析

对改进后的随钻脉冲中子测井仪进行模态分析,提取其前六阶模态,改进结构与原结构固有频率对比见表3。

表3 随钻脉冲中子测井仪原结构与改进结构固有频率对比

由表3中数据可知,随钻脉冲中子测井仪结构改进后,前六阶固有频率均得到较大幅度的提高,基频在200 Hz以上,且有较大的余量。

2.3 改进结构随机振动分析

在随钻脉冲中子测井仪的外钢管固定约束处的x、y、z方向上分别施加均方根值为5 g的基础加速度功率谱,频带宽度为5～200 Hz(见图4);提取仪器关键零件3He管表面中点处的绝对加速度响应曲线(见图7);3He管表面中点输入与输出加速度均方根值见表4。

图7 3He管表面中点x、y、z方向绝对加速度响应曲线

加载方向加速度输入均方根值/g加速度响应均方根值/g(原结构)加速度响应均方根值/g(改进结构)x5.0012.075.17y5.009.835.49z5.004.994.99

由图7可知,结构的基频在200 Hz以上,在0～200 Hz内结构的x、y、z向加速度响应曲线没有共振峰;由表4可知,改进结构的加速度响应较原结构有明显的下降,改进方案能有效提高结构的抗振性能。

3 随钻脉冲中子测井仪参数优化

随钻脉冲中子测井仪在加工制造中的误差可能导致改进结构固有频率的降低,需在满足结构工作性能的前提下对结构进行优化。

3.1 随钻脉冲中子测井仪优化设计模型

随钻脉冲中子测井仪的结构优化以提高结构的第一阶固有频率为目标,在测井仪器基本尺寸不变的前提下,以改进结构动态特性分析的结果为依据,从橡胶圈支撑结构的位置、橡胶圈的厚度和宽度3个方面进行优化,选取的优化设计变量如图8所示,其中d为增加的支撑结构距盖板的距离,d1为矩形橡胶圈内径,w为矩形橡胶圈宽度。优化数学模型见式(1),具体取值见表5。

(1)

图8 随钻脉冲中子测井仪器优化设计变量示意图

设计变量下限/mm初始值/mm上限/mmd607585d13232.235w345

3.2 优化设计变量对随钻脉冲中子测井仪基频的影响

分别提取d、d1、w单独变化时,设计变量对基频的影响曲线(见图9);分别提取d、d1,d、w和d1、w同时变化时,设计变量对基频的影响曲面(见图10)。

由图9(a)可知,当d1和w取初始值时,第一阶固有频率随d的增加而增大;由图10(a)和(b)可知,当d1和w取值改变时,第一阶固有频率随d的变化规律发生改变,例如,当d1和w分别取其上限时,第一阶固有频率随d的增加而减小。由图9(b)和(c)可知,当仅改变d1和w时,第一阶固有频率分别随d1和w的增加而增大;由图10可知,当d和w取值改变时,第一阶固有频率随d1的增加而增大,当d和d1取值改变时,第一阶固有频率随w的增加而增大。

图9 设计变量对基频的影响曲线

图10 设计变量对基频的影响曲面

3.3 随钻脉冲中子测井仪优化结果

优化结果见表6。由表6可知,通过对测井仪进行优化,仪器的基频相对于改进方案增加了43.90%,为仪器顺利通过试验提供了进一步的保证。

表6 仪器结构改进与优化结果

3.4 测试结果及分析

经过设计的仪器在第三方检测中心做振动测试,振动图谱见图11、图12。仪器通过振动检测,达到设计要求。

图11 15 g-z方向随机振动试验图谱

图12 随机振动试验图谱

4 结 论

(1) 通过增加结构的刚度而提高结构的低阶固有频率,从而避开共振区,提高结构的抗振性能。

(2) 随钻脉冲中子测井仪结构参数优化结果表明,采集板骨架增加的支撑结构距盖板的距离、橡胶圈的厚度及宽度对结构的动态性能均有不同程度的影响:第一阶固有频率随着橡胶圈的厚度及宽度的增加而单调递增;第一阶固有频率随着采集板骨架增加的支撑结构距盖板的距离改变有不同的变化规律。

(3) 改进方案消除了随钻脉冲中子测井仪存在的共振问题,优化方案进一步提高了仪器的固有频率,为仪器产业化应用提供了结构保障。

参考文献:

[1] 邹德江, 范宜仁, 邓少贵. 随钻测井技术最新进展 [J]. 石油仪器, 2005, 19(5): 1-4.

[2] 张锋. 我国脉冲中子测井技术发展综述 [J]. 原子能科学技术, 2009, 43(增刊): 116-123.

[3] Prensky Stephen. Recent Advances in Well Logging and Formation Evaluation [J]. World Oil, 2008, 229(3): 89-94.

[4] New LWD Nuclear Technology Improves Data Acquisition and Density Neutron Log Quality[EB/OL]. http: ∥www. bakerhughes. com/evalulation/lwd/nuclear/technicalpublications/new-lwd. htm.

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[6] 高贺鹏. 随钻压力测量装置关键部件的振动分析与研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011.

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