2种新型钻井振动筛.pdf

2 0 1 0年第 3 9 卷 第 8期第 5 3页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI P MENT o o 文 章 编 号 1 00 1 - 3 4 82 2 O1 0 08 00 5 3 - 0 4 2种新 型钻 井振 动筛 徐 倩 ， 邓 嵘 ， 李 艳萍 ， 张明洪 ， 田 鹏 1 ． 西南石油大学 ， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 中国石油塔里木油 田公 司 ， 新疆 库尔 勒 8 4 1 0 0 0 摘要 针 对 目前钻 井振 动 筛在使 用 上 的 一 些局 限性 ， 介 绍 了 2种 新 型 钻 井振 动 筛的 结 构 组成 及 优 点 。“ 基 于刚 体运 动合 成 的 多振 型 新 型振 动 筛” 能 实现 一 筛 多振 型 ， “ 智 能 型 自适 应 可 变 参数 振 动 筛” 能实现振动筛 自动控制和参数合理匹配调整。这 2种新型振动筛在技术上具有先进性 ， 应用前 景广 阔 。 关键 词 钻 井振 动 筛 ； 多振 型 ； 智 能型 ； 可 变参数 中图分 类号 TE9 2 6 文 献标 识码 A Two Ne w Ty p e S h a l e - s h a k e r s XU Qi a n ， DENG Ro n g ， L I Ya n - p i n g ， Z HANG M i n g h o n g ， TI AN P e n g 1 ． S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Ch e n g du 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a； 2 ． Ta r i m Oi l Fi e l d Co mp a n y， CNPC， Ko r l a 8 4 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e f r a m e a n d t he a d v a nt a ge s of t wo n e w t y p e s h a l e s ha ke r a r e i nt r o du c e d “mul t i mo d a l s ha l e s h a ke r ba s e d o n t h e r i g i d bo dy mo t i o n s yn t he s i s ’ ’a nd “i nt e l l i ge nt a da p t i v e v a r y i ng pa r a me t e r s s ha l e s h a ke r ’ ’ ． Th e“mul t i mo da l s ha l e s h a ke r b a s e d o n t he r i gi d b od y m o t i o n s y n t he s i s ’ ’ c a n a c h i e v e m ul t i v i br a t i on m o da l s i n o ne s ha k e r ． A n d t he“ i n t e l l i ge nt a da p t i v e v a r y i ng pa r a m e t e r s s h a l e s h a k e r ”c a n a c h i e v e a u t o ma t i c c o n t r o l o f t h e s h a k e r a n d a d j u s t t h e p a r a me t e r s o f t h e s h a k e r r e a s ona b l y ．The t wo n e w t y pe s h a l e s ha ke r s wi l l b e u s e d wi d e l y be c a u s e o f t he i r a d v a nt a g e s ． ． Ke y wo r d s s ha l e s ha ke r； mul t i mod a l ； i nt e l l i ge nt ； v a r yi n g p a r a m e t e r 钻井振动筛作为第 1级钻井液 固相控制设备 ， 已经历 了几十年的发展。如果振动筛筛 网使用 目数 能保持在 2 0 0目， 单独使用 振动筛 即可清 除 1 0 0 的7 4 ff m钻 井 砂 砾 ， 甚 至 能 清 除 5 O 的 4 0“ m 颗 粒[ 1 ] 。振 动筛性 能 的好 坏主 要取 决 于筛箱 特征 点 的 轨 迹振 型 、 振 幅 、 抛 掷 指 数 等lL 2 ] 。根 据 现 场 使 用 实 践 ， 振动 筛筛 网 的 目数 、 面 积在很 大 程度 上也 影 响振 动筛 的性 能 。 目前 ， 对 钻 井 振 动 筛 的研 究 方 向主要 集 中在 提 高振 动筛筛 网 目数 、 扩 大筛 网 面积 以及 提 高 激振 力 等方 面 。尽 管 国 内外 钻 井 振 动筛 的种 类 繁多 ， 但 在 实际使用 中都存在一些局限。本文介绍西南石油大 学 固控 组研 制 的 了 2种 新 型 钻 井 振 动筛 ， 它 们在 一 定 程度 上 能弥补 现 有振 动筛 的一 些不 足之 处 。 1 基 于刚体运动合成 的多振 型振动筛 目前 ， 国 内外 所 使 用的 惯 性 单 轴 或多 轴 振 动筛 通常都只能实现单一的或圆振型 、 或直线振型 、 或椭 圆振型 。即使有 个 别 实 现 双 振 型 的筛 型 ， 其 主要 参 数 和激 振力 大小 及 功 率 等 也 都 受 到很 大 局 限 ， 难 以 提 高 ， 无 法满 足 工程 实际 的需 要 。而且 ， 国内外 现有 收 稿 日期 2 0 1 0 0 1 1 2 基金项 目 省部共建“ 石油天然气装备教育部重点实验 室” 资助项 目 2 0 0 6 S TS 0 4 作者简介 徐倩 1 9 7 4 一 ， 女 ， 四川人 ， 讲 师 ， 硕士 ， 1 9 9 7年毕业于西南石油学 院机械系 ， 主要从 事振动与动态 测试 、 无损检 测等方面的科研与教学工作 ， E ma i l x x q q 0 6 0 9 1 6 3 ． c o rn。 石 油 矿场 机 械 2 0 1 0年 8月 单质 体平 动椭 圆振动筛 所依 据 的理 论基 础多是 基于 非等质径积的强迫同步或 自同步理论 ， 因此， 必然受 到一 定 的理论局 限 。 基于刚体运动合成的多振型振动筛能实现一筛 多振型， 即可以提供一种能同时产生圆、 直线、 椭圆、 变椭 圆 、 变 直线等 多振 型 ， 而且 其激 振力 和功率 的大 小也 不受任 何限 制 。 1 ． 1设计 原理 多振 型振动 筛 的设计 原 理是基 于 刚体 运动 合成 的力学原理 ， 即由 1台激振 电机激发筛箱系统做 圆 运动 ， 同时 ， 由该 激振 电机 同时带动 另外 2根偏 心质 量轴或带偏心质量块的传动轴激发筛箱系统做直线 运动 ， 2种运 动 的 合成 结 果 即 激发 筛 箱 系统 产 生 平 动椭 圆运动 。根 据激振 电机 和 2 根 偏心轴 或带偏 心 质量块的传动轴安装位置的不同和开启不同的传动 方式 ， 即可方便地使筛箱系统实现平动椭 圆、 直线、 圆、 变椭圆、 变直线等不同振 型轨迹的振动 ， 以广泛 满足有关行业实际使用中的需要。 1 ． 2实施 方案 基于刚体运动合成的多振型振动筛的实施方案 有多种 ， 下 面介绍 2种实 施方 案 。 a 方 案 一 筛 箱 由隔振 弹簧 安 装在 底 座 上 ， 、 如 图 1 。激 振 器 由激 振 电机 、 同步 带 和 2根 偏 心 轴 或带偏心块的传动轴组成， 它们安装在筛箱上 的适 当位置。激振电机通过同步传动带带动 2根偏心轴 或带偏心块的传动轴。激振电机激发筛箱产生的圆 运动与 2根反向旋转的偏心轴激发筛箱产生的直线 振动合成为椭圆运动。如果去掉同步带令 2根偏心 轴不随电机的转动而运动 ， 则筛箱就只作圆振动。 1 ～隔振弹簧 ； 2 ～筛箱 ； 3 一带偏心块的传动轴 偏心轴 ； 4 一 同步传动带 ； 5 一激振电机 ； 6 一底座 图 1 基于刚体运动合成的多振型振动筛实施方案一 b 方案二此种方案 的激振器 由普通电机 、 万向轴、 3 根偏心轴或带偏心块的传动轴组成， 如图 2 。激振器采用 3根偏心轴或带偏心块 的传动轴安 装 在筛 箱 中部 上 层 筛 网与 下 层 筛 网之 间 的适 当位 置 ， 安装在上的普通 电机通过万 向轴带动偏心轴或 带偏心块的传动轴旋转激发筛箱作椭圆运动 。如果 电机与偏心轴或带偏心块 的传动轴相联 ， 令偏 心轴 或带 偏 心 块 的传 动 轴 不 转 动 ， 则 筛 箱 就 只 作 直 线 运 动 。 1 、 2 一偏心轴 带偏 心块 的传动轴 ； 3 一 同步传动带 ； 4 一偏心轴 带偏心块的传动轴 ； 5 一筛箱 ； 6 一上层筛网 ； 7 一 下层筛 网； 8 一弹簧 ； 9 一底座 ； 1 O 一普通 电机 ； 1 1 一万 向轴 图 2 基于刚体运 动合成 的多振型振动筛实施 方案 二 1 ． 3优点 ’ a 基于刚体运动合成的多振型振动筛采用的 是刚体力学 中的运动叠加原理 ， 方便实现不 同振型 的组合 。 b 可采 用 1 台激振 电机 带动 另外 2根偏心 轴 安装在筛箱顶部或筛箱中部、 下部 ， 使筛箱产生确定 的振 型 。 c 可 以采用 由安装 在 整筛底 座上 的 1台普 通 电机通过 1根万向传动轴带动安装在筛箱顶部或筛 箱 中部、 下部的 3 根偏心轴或 3根带偏心块 的传动 轴， 使筛箱产生确定的振型。 d 由于采用 同步带传动实现强迫 同步， 避免 了采用 自同步时必须面对 的两轴或多轴的自同步条 件和同步状态稳定性条件的严格要求 。 e 采用 同步带传动 ， 避免了齿轮传动韵受力 复杂和噪声污染的问题。 f 通过采用不 同的安装方式 ， 即可方便地实 第 3 9卷第 8期 徐倩 ， 等 2种新 型钻井振动筛 现直线 与椭 圆 ， 或 圆 与椭 圆 ， 或 直线 与变 直 线 ， 或 圆 与变椭 圆等不同的振型组合 。 g 基 于刚体 运动 合 成 的多振 型振 动筛 也 可方 便 地安 装双 层或 多层 ， 串联或 并联 筛 网 。 2 智能型 自适应可变参数振 动筛 现有振动筛基本上是靠操作者手工控制和进行 参 数调 整 ， 这 种 方式 不 仅 效 率 低 下 ， 而 且 很 不 准 确 。 特 别是 在石 油天 然 气钻 井 工 程 中 ， 钻 井 液 固控 设 备 的现代 发展方 向是用振 动 筛和 离心 机 2级 固控设 备 来 取代 现 有 的多 级 固控 设 备 ， 这就 对 振 动筛 提 出 了 越 来 越 高 的要 求 ， 特 别 是 在 自动 控 制 和 参 数 合 理 匹配 调 整 方 面 ， 目前 在 用 的 振 动 筛 大 多 不 具 备 这 样 的功 能 。智 能 型 自适 应 可 变 参 数 振 动 筛 能 实 现 自动 控 制 和 参 数 合 理 匹 配 调 整 ， 通 过 采 用 现 代 计 算 机 软 件 和传 感 器 系 统 及 控 件 化 虚 拟 式 信 号 分 析 处 理技 术 ] ， 将 振 动 筛 的 运 转 工 作 情 况 调 整 在 最 佳 点状 态 。 2 ． 1结构组 成 智能型 自适应可变参数振动筛 由筛箱、 筛 网、 激 振器 、 隔振弹簧、 底座 、 泥浆反激装置 、 传感器组、 中 问转 换放 大器 、 控件 化 虚拟 式信 号分 析仪 组 成 ， 如 图 3 。 2 ． 2 工作原 理 智 能 型 自适 应 可 变参 数 振 动筛 的工 作 原 理为 在从 井 口返 回振动筛 之 间 的泥浆 循环 管路 上 安装有 泥浆 流量计 、 泥 浆粘 度计 、 泥 浆温 度计 、 岩 屑粒 度计 、 岩屑 称量计 等 传感 器 组 及 相 应 的 中间转 换 放 大 器 ， 再 将 转换放 大 的各有 关 机械参 量 信号 经数 据传 输线 与控件 化虚 拟式 信号 分 析仪相 连 接 。在振 动筛 的 出 口处 和泥浆 截流 箱 位 于 筛 箱 下 面 ， 也 安装 有 泥 浆 流量计 、 泥 浆粘 度计 、 泥 浆温 度计 、 岩 屑粒度 计 、 岩 屑 称量计等传感器组及相应的中间转换放大器 ， 再将 转换放大的各有关机械参量信号经数据传输线与控 件化 虚 拟式信 号 分析仪 相 连接 。在 振动 筛筛 箱上 安 装有 传感 器组 ， 包 含加 速 度 传 感 器 、 速 度 传 感 器 、 光 电传 感器 、 转 速计 及相 应 的 中间转换 放 大器 ， 再将 转 换放大的各有关机械参量信号经数据传输线与控件 化虚拟式信号分析仪相连接 。控件化虚拟式信号分 析仪传输出电压信号 ， 经机 电转换后的信号进入执 行机 构 中并 控 制执 行 机 构 各 有关 机 件 ， 执 行机 构 经 数据线直接与振动筛 的相应运作机构相连 ， 例如， 频 率调整运作机构 、 振幅调整运作机构、 筛箱倾斜角调 整运作机构等。控件化虚拟式信号分析仪与 自动控 制执行机构、 自动调整各有关 部件动作机构及振动 筛 串联 连接 。 控件化虚拟式信号分析仪对所有各有关信号进 行综 合分 析处 理后 ， 实 时做 出决 定 ， 并 发 出指令 指挥 执行机构 自动调整各有关部件运作 ， 使振动筛处 于 最佳 工作 状态 。如果 振 动 筛 工 作 状 态 出现 异 常 ， 则 控件化虚拟式信号分析仪对所有各有关信号进行实 时综合 分 析处理 后 ， 会立 即发 出声 光 报警 ， 并发 出指 令指挥执行机构 自动采取相应措施 调整工作状态 ； 或者直 至停 机 ， 以避 免发 生 事故 。 同时， 控件化虚拟式信号分析仪具有 自学习、 自 适应功能 ， 可以针对振动筛在线工作情况下根据实 际运转工况不断 自动地修改有关参数的安全、 危险 、 报警等。 a俯视图 h 主视 1 泥浆循环 管路 ； 2 ～ 传感器组 ； 3 一 中间转换放大器 ； 4 一控件化虚拟式信 号分析仪 ； 5 一激振器 ； 6 一 泥浆 反激装置 ； 7 泥浆 出口； 8 自动控 制执行机构 ； 9 -- 自动调整各有关 部件 运作机构 ； 1 o 一底座 ； 1 1 筛网 ； 1 2 一筛 箱 ； 1 3 弹簧 图 3 智能型 自适应可变参 数振 动筛原理 石 油 矿场 机 械 2 ． 3 特点 a 采 用现代计 算机 软件 和传感 器 系统 及控 件 化虚拟式信号分析处理技术， 结合进入振动筛之前 和流 经振动 筛 以后 的泥 浆和泥 浆 中的岩 屑进行 实时 监测计 量 ， 并 紧密结 合筛 箱 的运 转工 作情 况 ， 通过 安 装在筛 箱上各 传感 器 的 监 测 ， 通 过 执 行 机构 及 时 自 动控制振动筛 的激振部件， 将振动筛 的运转工作情 况调 整在最佳 状态 。 b 振 动筛上 所 配 计算 机 信 号 分 析处 理 系 统 ， 即控件化虚拟式信号分析仪还 同时具有声光报警 、 设 备状 态监测 、 自学 习 、 自适 应 功 能 等 ， 实现 了高 度 自动化 。所处理的有关数据曲线等对钻井工作者和 地 质工 作者进 一步 了解整个 钻井 情况也 是非 常有 用 的参 考 资料 。 3 结论 1 基于刚体运动合成的多振型振动筛的激振 原理采用的是刚体力学中的运动叠加原理 ， 通过采 用 不 同的安装 方式 ， 即可方便 地 实现直 线与椭 圆 、 或 圆与椭 圆 、 或 直线与变 直线 、 或 圆与变椭 圆等 不 同的 马建 民等 张文君 等 张长智等 任连 城等 刘永 刚等 吕拴 录等 姜民政等 魏 辽等 魏 晓 东等 李 斌等 振 型组合 ， 并具 有诸 多优点 。 2 智能 型 自适 应可变 参数振 动筛 采用现 代计 算机软件和传感器 系统及控件化虚拟式信号分析处 理技术， 能将振动筛 的运转工作情况调整在最佳状 态 ， 同时具 有声光 报警 、 设 备状 态监 测 、 自学 习 、 自适 应功 能等 。 3 这 2种新 型振 动筛具 有广 阔 的应 用前景 。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘洪斌． 钻井液 离心机 工作理论 研究 E D] ． 成 都 西南 油 大 学 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 朱维兵 ， 张 明洪． 钻 I蚌液振动筛的应用于发展水 平[ J ] ． 钻采工 艺， 1 9 9 9 ， 2 2 2 4 5 4 7 ． E s J 秦树 人． 智 能控 件 化 虚 拟仪 器 系 统 原理 与 实 现 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 冉 建 ， 周 忠诚 。 侯 勇俊． 双 曲柄 连 杆 振 动筛 研 究 [ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 8 ， 3 7 2 4 0 4 2 ． [ 5 ] 朱华， 朱晓梅 ， 张 明洪． 虚拟式 钻井液振 动筛动 态参 数检 测 仪 研 制 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械， 2 0 0 8 ， 3 7 1 1 5 2 5 5 ． 一卜 一 “- - ” 一“ 4． -“ 卜一 卜 一“ - -“卜一一 - 一”4, - 一”- - 卜 “ “ ． - ” 一一“ - 卜一- 4 -一 - 一 卜 ” 卜 下期 目次预告 可 自适应 膨胀 防砂 筛管 结构设计 及 防砂 机 理 研 究 巨大节点 数有 限元运 算 的波前 法综述及 改 进 深 水 开 发 中的 几 种 新 型 混 合 生产 立 管 系 统 油 田长 冲程抽 汲作 业钢丝 绳 密封技 术 综 合 分析 复 杂深 井钻具 失效研 究 钻杆 弯曲断裂 原 因分析及预 防措施 抽 油机 机 械 蓄 能 器及 其 对 电机 能耗 的 影 响 基 于 应 力测 试数 据 的 K 形 井 架模 型修 正仿真研 究 煤 层 气欠平衡 钻 井专 用旋转控 制 头方案 设 计 全过程 欠平衡 钻 井井 下套管 阀结构 改进 及 优 化 赵 志平等 解 庆 等 吴 强等 刘保余 等 郑金 中等 徐宏权 马永 刚等 万 秀琦 等 张 军等 王 百等 王 大明等 王 永宏等 陈 东升等 段 宝 玉等 金 属材 料疲 劳设计及 裂 纹扩展规 律研 究 与 应 用 油套 管生产 线设计 作业 井架结构 非线性 力 学行 为分析 4 5号钢 带孔板件磁 记 忆检测 试验研 究 玻 璃钢 油 管在 海上 分层 注水 井 中的适 应 性 研 究 新 型地 面过 滤器装 置 的研 制与应 用 石油钻 机 用防喷 器装卸 系统研 制及应 用 旋转 防喷 系统冷却／ 润滑 装置 的研 制 旋转 式泄 油器的研 制 水平井生产测试管柱防垢工艺 钻机垂 直起 升 系统的研 制 旋转 式提 升护丝 的研制 底 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