ZJ15钻机底座的振动测试

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.ZJ15钻机底座的振动测试分析ZJ15钻钻机是目目前大庆庆油田钻钻井的主主力钻机机。提高高钻井效效率，缩缩短工作作周期以以提高效效益已是是广大钻钻井队的的共同目目标。要要实现这这一目标标,提高高钻井速速度是常常用的方方法, 即采用用四挡钻钻进来代代替原来来的三挡挡钻进；另外，对对于小井井眼钻井井来说，采采用四挡挡钻进较较经济合合算。但但是，该该型钻机机采用四四挡钻进进时，钻钻台的振振动比采采用三挡挡时更强强烈，有有时甚至至影响正正常钻进进。强烈烈的振动动会影

2、响响底座的的疲劳寿寿命，降降低钻井井工作的的安全性性，同时时对钻台台面上的的设备也也造成不不利影响响。因此此，寻找找底座振振动强烈烈的原因因，采取取合适的的减振措措施以降降低底座座的振动动强度很很有必要要。笔者者已在文文献11里从从模态分分析的角角度研究究了底座座振动强强烈的原原因，现现以整个个钻井过过程的测测试数据据为依据据，分析析各种振振源因素素对底座座振动的的影响。多种振源及及振动频频率特征征ZJ115钻机机底座上上的电动动机、变变速箱、万万向轴、转转盘及绞绞车等都都是旋转转设备，任任何一个个转动部部分出现现不平衡衡或不对对中时，都都会引起起设备和和底座的的振动。在在变速箱箱里除了了齿轮

3、轴轴外，还还有轴承承和多个个相互啮啮合的齿齿轮对，由由于野外外钻井的的工作条条件和工工作环境境比较恶恶劣，这这些部位位容易产产生故障障而引起起振动；变速箱箱与转盘盘之间用用万向轴轴联接，万万向轴与与钻台面面之间存存在7的夹角角，万向向轴的轴轴线与变变速箱的的输出轴轴和转盘盘的输入入轴存在在相同的的夹角，即即在两个个联接处处存在轴轴线不对对中问题题。根据据文献2知知，转子子不对中中的振动动特征频频率为22倍工作作频率，常常伴频率率为工作作频率和和3倍工工作频率率；由于于万向轴轴两端本本身还存存在2倍倍工作频频率的成成分，故故还存在在4倍工工作频率率和6倍倍工作频频率的伴伴随频率率成分。因因所测方

4、方钻杆有有轻微弯弯曲，若若将方钻钻杆看成成弓形转转子，按按照文献献2，其振振动特征征频率为为工作频频率，常常伴频率率为2倍倍工作频频率；若若将方钻钻杆看成成不平衡衡的转子子，则其其振动特特征频率率为工作作频率。另另外，钻钻杆柱的的纵振和和扭振，以以及刮刀刀钻头的的不平稳稳转动都都可能对对底座的的振动有有一定的的影响。刮刮刀钻头头在工作作过程中中产生的的转动频频率的基基频为钻钻杆柱工工作频率率的3倍倍；钻铤铤纵振基基波的自自然频率率F1和扭振振基波的的自然频频率F22分别为为(1)式中A11钢钢的拉、压压波速，AA1=51135.94mm/s；A2钢钢的剪力力波速，AA2=32246.16mm/

5、s；L钻铤长长度，mm。取LL=1449=1266m，利利用式（11）可求求得钻铤铤的纵振振基频为为10.2Hzz，扭振振基频为为6.444Hzz。现将将多种振振源的工工作频率率、常伴伴频率及及振动方方向列于于表1。表1底座座多种振振源的工工作频率率及常伴伴频率Hzz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12.333324.666612.333324.6666HH,V变速箱输入入轴12.333324.666612.333324.6666HH，V变速箱输出出轴9.53006.774019.06613.4817.722935.4558HH,V猫头轴2.54775.09444.7

6、3884.7388HZ,V万向轴9.530019.0628.5990388.1220477.6550577.188017.7229355.455853.1887700.9116888.64451006.3370HH,HZZ,V转盘输入轴轴9.530019.060038.1220477.655017.7229355.455870.9116888.6445HH,V钻杆2.662285.325584.95449.9077HH,HZZ钻铤扭振及及纵振10.2006.44410.2006.444HH,HZZ,V钻头7.988814.866HH,HZZ注：底底座前台台到后台台方向为为水平纵纵向，以以HZ表

7、表示；与与之水平平垂直的的为水平平横向，以以HH表表示；VV表示垂垂直方向向。由于变变速箱与与转盘里里的齿轮轮长期工工作在恶恶劣的环环境中，很很容易造造成齿轮轮的磨损损等故障障，当齿齿轮工作作时会引引起振动动，与各各转动件件相联接接的轴承承也可能能存在故故障从而而引起振振动。当当齿轮和和轴承存存在故障障时，它它们的振振动特征征频率都都比较高高，而对对该底座座进行测测试时所所用的是是89112型型拾振器器，其频频率范围围在1000Hzz以内，所所以笔者者未对齿齿轮和轴轴承的振振动情况况作出分分析。 数据采集及及分析点点的选取取为了解解底座上上多个关关键部位位的振动动情况，以以及各部部位在各各种钻

8、井井工况、井井深范围围及地质质条件下下的振动动情况，在在底座上上布置了了较多的的测点（垂垂直方向向布置了了36个个测点；水平方方向8个个测点，其其中前台台和后台台各有22个横向向测点、22个纵向向测点），并并在整个个钻井过过程中选选了4个个测试段段：井深深18002000m，地地质疏松松；井深深58006220m，地地质软；井深88208400m，地地质中硬硬；井深深10550110700m，地地质硬。在在每个测测试段内内，分别别采用三三挡、四四挡钻进进，并进进行数据据采集。所所有数据据的采样样频率为为20000Hzz，低通通滤波器器的高限限频率为为2000Hz，采采样长度度为15510024

9、=153360点点。因钻钻井工作作人员直直接感受受到的是是钻台的的振动，所所以在进进行垂直直方向分分析时，在在底座前前、后台台各取一一点，前前台测点点位于绞绞车和转转盘之间间、万向向轴左上上方靠近近绞车处处，后台台测点位位于变速速箱左侧侧上船靠靠近变速速箱的边边上；水水平横向向和水平平纵向测测点，前前、后台台各取一一个，前前台两个个水平测测点在转转盘梁上上，后台台两个水水平测点点在变速速箱两侧侧的上船船上靠近近变速箱箱的边上上，纵向向测点在在左，横横向测点点在右。采样数据的的分析1.采采样数据据的幅域域分析所选选各测点点在各种种工况、井井深范围围及地质质条件下下的幅域域分析结结果见图图1、图图

10、2、图图3及表表2。图1底座座前后台台垂直方方向最大大振幅比比较图2底座座前后台台水平横横向最大大位移比比较图3底座座前后台台水平纵纵向最大大位移比比较分析图图1、图图2、图图3和表表2，可可以看出出，采用用四挡钻钻进时，整整个底座座的振动动比采用用三挡时时强烈得得多。三三挡钻进进时，底底座垂直直方向最最大振幅幅随井深深变化不不大，且且底座前前、后台台垂直方方向最大大振幅相相差不大大，但前前台水平平方向的的最大振振幅大于于后台；四挡钻钻进时，前前台的垂垂直方向向振动比比后台强强烈，而而且前台台的最大大振幅随随井深的的增加而而减小，前前台横向向最大振振幅大于于后台，而而前、后后台的纵纵向最大大振

11、幅相相差不大大。还可可以看到到，井深深不到8840mm以前，底底座在垂垂直方向向的振动动强度随随着井深深的增加加而增大大；水平平方向的的最大振振幅随着着井深增增加、地地质硬度度增大而而增大；当钻井井液加重重后，底底座在三三个方向向的最大大振幅由由上升转转为下降降，在三三个方向向的振动动强度也也转向下下降。从从表2还还可以看看出，采采用四挡挡钻进时时，底座座振动的的有效值值（振动动强度）比比采用三三挡时大大得多。若若把底座座上的各各旋转设设备和底底座（包包括井架架）看作作一个旋旋转振动动系统，则则其属于于ISOO 23372与与ISOO 39945国国际标准准中的类设备备；当采采用四挡挡钻进时时

12、，底座座各测点点处振动动的有效效值（振振动强度度）均处处于不允允许或不不可的范范围。可可见，对对ZJ115钻井井底座而而言，不不宜采用用四挡钻钻进。表2各测测点振动动有效值值的比较较方向挡位及倍数数井深18002000m;地质疏疏松井深58006220m;地质软软井深82008440m;地质中中硬井深10550110700m;地地质硬前台垂直方方向三挡四挡倍倍数6.6211mm/s422.555mm/s6.44311.777 mmm/s772.001mmm/s66.12211.833mm/s677.277mm/s5.696.4277mm/s522.288mm/s8.13后台垂直方方向三挡四挡倍

13、倍数5.6055 mmm/s116.003 mmm/ss2.8867.0011 mmm/s119.886 mmm/ss2.8839.2433 mmm/s334.228 mmm/ss3.7713.9688 mmm/s337.338 mmm/ss9.442前台水平横横向三挡四挡倍倍数15.088 mmm/s226.119 mmm/ss1.7745.2777 mmm/s888.117 mmm/ss16.7113.711 mmm/s554.442 mmm/ss3.99711.399 mmm/s331.229 mmm/ss2.775后台水平横横向三挡四挡倍倍数22.199 mmm/s554.556 mm

14、m/ss2.4465.9011 mmm/s226.446 mmm/ss4.44823.377 mmm/s552.115 mmm/ss2.2234.2977 mmm/s111.998 mmm/ss2.779前台水平纵纵向三挡四挡倍倍数7.5822 mmm/s229.335 mmm/ss3.8874.0288 mmm/s557.113 mmm/ss14.1812.9 mm/s399.7 mm/s3.087.6544 mmm/s333.336 mmm/ss4.440后台水平纵纵向三挡四挡倍倍数10.344 mmm/s333.338 mmm/ss3.2236.8355 mmm/s334.887 mmm

15、/ss5.11012.644 mmm/s443.443 mmm/ss3.4444.8322 mmm/s223.554 mmm/ss4.887注：11.表中中的有效效值是对对加速度度有效值值积分或或对位移移有效值值微分所所得；22.钻井井液加重重井深：8600m。2.采样数数据的频频域分析析图图4为井井深82208840mm，分别别采用三三挡、四四挡钻进进时底座座后台同同一垂直直方向测测点的时时域波形形及其频频域分析析结果。从从分析结结果可以以看出，不不论是采采用三挡挡钻进还还是四挡挡钻进，变变速箱输输出轴、万万向轴、转转盘输入入轴的工工作频率率及其倍倍频是垂垂直方向向振动的的主要频频率。 图4

16、同一一测点三三挡、四四挡钻进进时的频频域分析析结果比比较图5是是同一水水平横向向测点在在同一井井深范围围内和22种钻井井工况下下的频域域分析结结果。可可以看出出，水平平横向振振动的主主要振源源是方钻钻杆、万万向轴及及其两端端联接的的转动轴轴。图5同一一测点两两种工况况下水平平横向振振动的频频域分析析图6是是同一水水平纵向向测点在在同一井井深范围围内和22种钻井井工况下下的频域域分析结结果。由由分析结结果可得得出与水水平横向向相同的的结论。结结合表11中各个个振源的的特征频频率及伴伴随频率率，可以以得出这这样的结结论：与与水平方方向成一一定角度度的万向向轴是引引起三个个方向振振动的主主要原因因；

17、弯曲曲的方钻钻杆是该该底座水水平方向向振动的的最主要要振源；垂直方方向强烈烈振动的的（四挡挡钻进时时）原因因是万向向轴及其其两端联联接轴的的工作频频率和倍倍频接近近底座的的固有频频率11。图6同一一测点两两种工况况下水平平纵向振振动的频频域分析析前面的的频域分分析结果果中并不不包含钻钻铤的纵纵振及扭扭振频率率及其倍倍频成分分，可见见钻铤的的这两种种振动对对该底座座的振动动并没有有什么影影响。在图图466中，数数据处理理的窗函函数：汉汉字窗;重叠系系数：998.443755%；图图中符号号NAMM表示实实验名,Tesst表示示实验号号,Noo.表示示测点号号，SFF表示采采样频率率,dFF表示频频率分辨辨率,RRMS表表示振幅幅有效值值; AAVR.Timmes表表示频域域分析的的平均次次数。结论论(1)采用四四挡钻进进时，底底座在三三个方向向的振动动强度比比三挡钻