随钻仪器防震及隔振方法研究

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摘要：介绍了随钻仪器防震设计的常用方法，并根据实际需求，提出一种新的抗震隔振方法――液压减振器。为随钻仪器中精密部件的抗震设计提供一种新的方法和思路。

关键词：钻井 随钻仪器 防震 液压减震器

LWD instrument shock and vibration isolation method research

Huang Lin

（101149 China Oilfield Services Limited Beijing ）

Abstract： Introduces the anti-shock design which LWD instrument commonly used， and according to the actual demand， put forward a new method of seismic isolation - hydraulic shock absorber. Provides a new method and train of thought for LWD instrument precision components in the seismic design.

Keywords： Drilling LWD instrument shockproof Hydraulic shock absorber

一、前言

钻井是石油生产各个环节中投入最大、难度最大的。在钻井过程中，保证钻柱安全工作对减少钻井事故、提高经济效益有着巨大的作用。钻柱振动作为导致钻柱失效的原因之一，其危害是不可忽视的。

钻柱的振动形式有：纵向振动、横向振动和扭转振动。其中，纵向振动和横向振动对钻柱的危害最为严重。也是研究的重点。[1]

近几年，随钻测量MWD、随钻测井LWD开始广泛应用。对于这些随钻仪器，同样也面对钻柱振动这个问题。为了保证随钻仪器的可靠使用，所有的随钻仪器在下井之前必须经过振动、冲击实验。

以下几幅图是振动实验的基本内容。包括振动和冲击2大实验内容，每个实验内容包括横向和纵向两个方向。

国内外的几大油田服务公司均制定了自己的振动、冲击试验标准。只有达到试验标准的仪器才允许下井作业。

随钻仪器是井下精密的探测设备，其结构的复杂程度要远远高于普通的钻柱。随钻仪器的防震设计不仅要考虑到零部件的紧固和防松，对于一些重点的零件还要加强保护。

首先，随钻仪器中装有大量的电子器件，对电子器件的防震保护不可忽视；其次，随钻仪器还经常有一些极为精密的关键部件，如一些光学、声学传感器，这些相对脆弱的部件出现微小的变化，则测出的数据将有巨大偏差；最后。随钻仪器中还有一个对振动较为敏感的“危险品”，就是井下高温锂电池，锂电池如果在振动和冲击下外壳破损或短路，则极易引起爆炸。

因此，随钻仪器的防震隔振较一般的钻杆、钻铤有更高的要求。减震隔振的设计也有较大的难度。

二、随钻仪器的防震方法

根据防震的对象和目的，防震的方法有所不同：

1.对于金属零件或非精密零件，其防震目的主要是防松、防脱落，防震方法主要是卡环结构。如图5，卡环将零件限位，即使螺纹有所松动也不会造成零件脱落。

图5卡环防震示意图

另外，随钻仪器上还大量使用了一种防松螺纹。其通过对三角螺纹进行优化设计，使得所有道螺纹均可受到紧固力，而普通三角螺纹，其80%的紧固力在最外侧的2道螺纹上。这样使得螺钉紧固效果大大增强。

还有一种方法就是使用螺纹紧固胶水。根据使用要求可选择不同强度的胶水。

2.对于一些对防震有较高要求的零部件其防震目的是减少冲击、隔离振动。则防震设计上较多应用了弹性零部件，如弹簧、橡胶垫、橡胶减震环等等。这与常规设备的减震方法基本相同。

随钻仪器中最具有特色的减震方法是对电路板的防震保护――注胶防震法。.

图6电路板注胶防震

如图6，电路完全被具有弹性的胶体包裹，仅留接口与外部连接。胶体如同一层厚厚的弹性铠甲，不仅将外界的振动隔离开，而且对电路板上的元器件进行可靠固定。对电路板进行了充分的保护。在实际的应用中，每个注胶的电路板也要进行振动实验，以保证电路板的可靠使用。

三、井下液压减震器

以上介绍了随钻仪器中常用的减震方法。其中最令设计者关注的是对随钻仪器中关键零部件的隔振保护。注胶方法效果很好，但适用范围有限；在通常的隔振理论中减震系统固有频率要小于振源频率1.5倍以上才有较好的隔振效果[2]，由于井下振动情况十分复杂，既包括三种振动方式，而且随着钻进的增加，钻柱的固有频率会不断变化[3]。振源的频率将在一个相当大大频率范围内。简单的弹簧橡胶零件的隔振方法，由于其弹性及阻尼系数均已固定，很难在宽频内隔离振动。其隔振效果难以令人满意。

另外，要有较好的冲击隔离效果，必须要有足够的位移量。而且减震部件需要有较大的阻尼来吸收冲击的能量，并使冲击产生的自由振动迅速衰减[3]。橡胶垫有一定的阻尼但位移量小，弹簧有足够的位移量但阻尼不够，两者的隔冲效果均不理想。

随钻仪器需要一种可在宽频范围内隔振，具有较大阻尼，对冲击又有良好隔离效果的减震器。

图7汽车液压减震器

如图7，液压减震器是一种可调节阻尼，且具有较大位移量的减震器，在汽车领域已经广泛应用。所谓他山之石，可以攻玉，液压减震器完全可以应用在随钻仪器中。

图8井下液压减震器

如图8所示，这是典型的液压减震器结构。其中弹簧两端与活塞和端盖固定，起复位作用，保证活塞处于活塞缸中部；活塞移动时油缸内液压油流经阻尼调节阀时产生阻力，通过阻尼调节阀便可对减震器的阻尼进行调节。在井下可将手动阻尼调节阀改为可远程控制的节流阀。这样可随钻柱固有频率变化而调节减震系统的固有频率，以达到最佳的隔振效果。

钻柱的纵向振动的固有频率一般为十几赫兹，并随着钻柱加长其固有频率逐渐减小[4]。但由于实际的振动情况复杂，通常的振动试验取2～100Hz的随机振动作为实验的激励源[5]。

图9液压减震器原理模型

如图9，m为减震目标零件和减震器的质量和；k为弹簧的弹性模量；取减震系统的固有频率τ为振动实验最小频率的1/2，则τ=1Hz，根据公式（1）可计算出k值。

由于阻尼的计算对实际阻尼调节阀的指导意义不大。所以阻尼的大小无需计算，而是通过试验方法获得阻尼调节阀的最佳位置。

四、结论

随钻仪器的复杂结构和高精度测量对仪器本身的减震隔振提出了更高的要求。本文参照在汽车行业广泛应用的液压减震器，提出了随钻井下液压减震器的设计方案。为随钻仪器减振隔振设计提出一种新的思路。

参考文献

[1]刘磊，刘剑辉，钻柱纵向、横向振动分析研究进展，高新技术产业发展，2011（3）：1 .

[2]马志宏，李金国，军用装备抗振动、抗冲击设计方法，装备环境工程，2006（10）：72.

[3] 李子丰，张永贵，侯绪田，刘卫东，徐国强. 钻柱纵向和扭转振动分析，工程力学，2004，（12）：1.

[4]刘伟，周英操，王先国. 井下振动控制技术研究，石油钻探技术，2010，（1）：46.

[5] 中海油服企业标准。《随钻井下仪器振动冲击测试规范》

国家重大专项课题“模块式地层动态测试系统（编号：2011ZX05020-003）”部分研究成果。

作者简介：黄琳（1969―），男，测井高级工程师，主要研究方向：测井仪器研制与应用。