隨鉆脈沖中子測(cè)井儀抗振性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳軍, 秦泓江, 徐俊博, 郭廣鎏, 李有偉, 陽(yáng)質(zhì)量

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000; 2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

與常規(guī)測(cè)井資料相比,隨鉆測(cè)井資料更為客觀真實(shí)地反映了地層的實(shí)際地質(zhì)特征[1]。作為隨鉆測(cè)井技術(shù)的重要手段,中子測(cè)井技術(shù)近年來(lái)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(cè)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(guò)長(zhǎng)源距探測(cè)器和短源距探測(cè)器分別測(cè)得經(jīng)地層減速后散射回井眼的熱中子數(shù)目,實(shí)現(xiàn)孔隙度測(cè)量[2]。然而,在正常鉆井作業(yè)中,鉆柱在向下鉆進(jìn)的過(guò)程中伴隨著各種振動(dòng),這些振動(dòng)可能導(dǎo)致隨鉆脈沖中子測(cè)井儀電性能的下降,造成測(cè)量信息的失真,不能實(shí)現(xiàn)中子孔隙度測(cè)量功能。研究如何改善隨鉆脈沖中子測(cè)井儀的抗振動(dòng)性能對(duì)于中子測(cè)井技術(shù)的順利實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

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

1 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀原結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析

1.1 原結(jié)構(gòu)幾何模型簡(jiǎn)化

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

圖1 隨鉆脈沖中子測(cè)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(cè)井儀模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中,對(duì)不規(guī)則零件進(jìn)行布爾運(yùn)算以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量,共形成264 403個(gè)節(jié)點(diǎn)和141 041個(gè)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(cè)井儀的動(dòng)態(tài)性能反映其結(jié)構(gòu)在承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)的抗振能力,對(duì)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的精度具有重要影響。為了能真實(shí)反映儀器在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上的邊界條件,對(duì)振動(dòng)臺(tái)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(cè)井儀邊界約束示意圖

對(duì)隨鉆脈沖中子測(cè)井儀進(jìn)行模態(tài)分析,提取其前六階模態(tài),對(duì)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(cè)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(jìn)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(shuō)明哪個(gè)階的振型對(duì)儀器的抗振性影響較大。

1.4 原結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)分析

模態(tài)分析得到的隨鉆脈沖中子測(cè)井儀結(jié)構(gòu)的各階振型僅僅是結(jié)構(gòu)各部分的相對(duì)振動(dòng)情況,還需對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析,以研究?jī)x器在動(dòng)態(tài)載荷下的抗振性能。

表1 隨鉆脈沖中子測(cè)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(cè)井儀的振動(dòng)試驗(yàn),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(diǎn)處的絕對(duì)加速度響應(yīng)曲線(見圖5);3He管表面中點(diǎn)輸入與輸出加速度均方根值見表2。

圖5 3He管表面中點(diǎn)x、y、z方向絕對(duì)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(dú)加載x方向的基礎(chǔ)加速度譜時(shí),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(dú)加載y方向的基礎(chǔ)加速度譜時(shí),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(dú)加載z方向的基礎(chǔ)加速度譜時(shí),z方向響應(yīng)曲線沒(méi)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(lì)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(duì)儀器進(jìn)行改進(jìn)以提高其抗振性能。

2 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀改進(jìn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析

2.1 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀拓?fù)湫问礁倪M(jìn)

由隨鉆脈沖中子測(cè)井儀原結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果可知,儀器的剛性不足導(dǎo)致振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)低階模態(tài)落入共振區(qū)產(chǎn)生共振。測(cè)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(guò)小及橡膠圈分布不均。為提高結(jié)構(gòu)的抗振性能,改善動(dòng)態(tài)特性,減輕振動(dòng)對(duì)測(cè)井儀測(cè)量數(shù)據(jù)精度的影響,對(duì)隨鉆脈沖中子測(cè)井儀的拓?fù)湫问竭M(jìn)行改進(jìn)以提高其低階模態(tài),避開共振區(qū),具體改進(jìn)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(gè)數(shù)由6個(gè)增加到9個(gè)。隨鉆脈沖中子測(cè)井儀改進(jìn)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀拓?fù)湫问礁倪M(jìn)示意圖

2.2 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀改進(jìn)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

對(duì)改進(jìn)后的隨鉆脈沖中子測(cè)井儀進(jìn)行模態(tài)分析,提取其前六階模態(tài),改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)固有頻率對(duì)比見表3。

表3 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)固有頻率對(duì)比

由表3中數(shù)據(jù)可知,隨鉆脈沖中子測(cè)井儀結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jìn)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)分析

在隨鉆脈沖中子測(cè)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(diǎn)處的絕對(duì)加速度響應(yīng)曲線(見圖7);3He管表面中點(diǎn)輸入與輸出加速度均方根值見表4。

圖7 3He管表面中點(diǎn)x、y、z方向絕對(duì)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(jìn)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(méi)有共振峰;由表4可知,改進(jìn)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(jìn)方案能有效提高結(jié)構(gòu)的抗振性能。

3 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀參數(shù)優(yōu)化

隨鉆脈沖中子測(cè)井儀在加工制造中的誤差可能導(dǎo)致改進(jìn)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

隨鉆脈沖中子測(cè)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(biāo),在測(cè)井儀器基本尺寸不變的前提下,以改進(jìn)結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化,選取的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(cè)井儀器優(yōu)化設(shè)計(jì)變量示意圖

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

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量對(duì)隨鉆脈沖中子測(cè)井儀基頻的影響

分別提取d、d1、w單獨(dú)變化時(shí),設(shè)計(jì)變量對(duì)基頻的影響曲線(見圖9);分別提取d、d1,d、w和d1、w同時(shí)變化時(shí),設(shè)計(jì)變量對(duì)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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),第一階固有頻率隨w的增加而增大。

圖9 設(shè)計(jì)變量對(duì)基頻的影響曲線

圖10 設(shè)計(jì)變量對(duì)基頻的影響曲面

3.3 隨鉆脈沖中子測(cè)井儀優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果見表6。由表6可知,通過(guò)對(duì)測(cè)井儀進(jìn)行優(yōu)化,儀器的基頻相對(duì)于改進(jìn)方案增加了43.90%,為儀器順利通過(guò)試驗(yàn)提供了進(jìn)一步的保證。

表6 儀器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化結(jié)果

3.4 測(cè)試結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的儀器在第三方檢測(cè)中心做振動(dòng)測(cè)試,振動(dòng)圖譜見圖11、圖12。儀器通過(guò)振動(dòng)檢測(cè),達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖11 15 g-z方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜

圖12 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)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(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(jìn)方案消除了隨鉆脈沖中子測(cè)井儀存在的共振問(wèn)題,優(yōu)化方案進(jìn)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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