石油井架固有频率检测技术研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1 年 1 2 月第 3 3 卷第 1 2 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I D e e ． 2 0 1 1 V o 1 ． 3 3 N o ． 1 2 石油 井架 固有频 率检测 技术研 究 吴修德 长江 大学 机械工程学院， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 I冻 勇 江汉石油管理局第四石油机械厂， 湖北荆州4 3 4 0 2 4 徐鸿伟 西部钻探青海钻井公司， 甘肃敦煌7 3 6 2 0 2 [ 摘要] 固有频率是 反映石油井架结构动力学特性的重要物理量 ，石 油井架结构损 伤 的现代检 测与定位 技 术 均需要测试 井架固有频率。构建 了以计算机为核心 的井 架固有频 率检 测 系统，并以 Hx J 1 2 5 A型修 井机 井架为例 重点阐述 了井架 固有 频率的检 测要 点，通过 与传 统测 点布置 下的测试 结果和 计算结果 的对 比分 析表 明，其检测结果精度较高 ，证 明所采用 的石油井架 固有频 率的检 测方 法是可 行 的，具 有 一定 的工 程 实 用价 值 。 [ 关键词]石油井架 ；固有频率 ；检测；测点 [ 中图分类号]T E 9 2 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 1 1 2 0 1 5 4 0 3 固有频率、振型、柔度等是井架结构损伤 的敏感动力参数。在井架的使用过程中，通过实际测试井 架的固有频率 ，可以判断井架结构整体或局部是否发生损伤 ，以及损伤发生的部位及其损伤程度。固有 频率是结构整体刚度与整体质量 的函数 ，是一个整体量 ，如果井架结构某个构件或某一部分发生损伤 ， 将引起井架整体结构的固有频率变化。由于井架结构发生损伤时，质量变化可 以忽略，其固有频率变化 的主要原因是井架结构的局部刚度的损失引起的，并与机构刚度降低的程度及其损伤位置有关 。因此 r 通过对井架结构的固有频率进行测试，就可以判断其是否发生损伤。 固有频率测试原理 井架的固有频率测试的方法是对井架进行振动激励 ，然后测量其响应信号，通过对获得的频率响应 函数的分析得到井架的固有频率值。为了得到频率响应函数 ，需要确定正确的激励方式 。目前常采用的 激励方式是锤击法。锤击法属于宽频带瞬态激振[ 1 ] ，在激振 的同时测取力和响应信号，再对上述信号做 频率 响应 函数分 析 。 设信号 ． 厂 f 和 分别为系统的输入 激励和输 出 响应 信号 ， 则频率响应 函数的基本关 系式_ 2 ] 为 一 1 式中， x 厂 为响应信号 ￡ 的傅里叶变换 ； F _厂 为力信号 - 厂 ￡ 的傅里叶变换 。 根据实际测试的结果 ，按照式 1 变换 ，可得测 点处的频率 响应 函数 曲线 ，在没有干扰影响时 ， 其曲线峰值处对应的频率值即可作为该测点处的固有频率。但石油钻修井作业现场总有干扰存在 ，测试 的响应信号中可能包含很多干扰信号 ，为较精确地得到测点处的固有频率 ，可通过对测量数据进行相干 分析来判断所得的固有频率的可信度。 [ 收稿日期]2 0 1 1 0 9 1 2 [ 作者简介]吴修德 1 9 6 5 一 ，男 ，1 9 8 8年大学毕业，副教授 ，博士 后 ，现主要从事机电传动 与控制方面的教学和研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第 1 2期 吴修德 等 石油井架固有频率检测技术研 究 2 检测装备的构建 井架动态测试系统主要 由 3个部分组成 传感器 、信号处理与放大器件 、信号采集与分析系统 。 1 传 感 器TS 1 1 0 2型 振 动传 感 器。灵 敏 度 4 2 ． 4 p c ／ g ；横 向灵 敏 度 5 ；频 率 范 围1 ～ 5 0 0 0 Hz ；工作环境温度 一4 O ～1 5 0 。 C。 2 信号处理与放大器件 在井架固有频率检测 中，被测量的信号经过传感器变换 以后 ，已转化为 电压等信号 ，将其送至放大器进行放大 。该研究采用扬州泰司电子有限公 司研制的 T S 5 8 6 3型电荷放大 器 。 3 信号采集与分析 系统信号采集与分析系统的主要功能是把经过信号处理及放大的反映被测井 架对激振的响应特性的电压量采集下来 ，进行分析并将结果处理成各种数据表格或绘制成各种 图形 。该 研究选用武汉优泰软件有限公司生产的 u T e k S s 信号采集器及分析系统，并借助 u T e k S s 大容量数据 自 动采集和信号处理系统对井架动态信号进行分析和处理。 3 H X J 1 2 5 A型修井机井架固有频率测试 3 ． 1 测 点 的布置 对某油 田 HX J t 2 5 A型修井机井架进行井架 固 有频率测试时的测点布置如 图 1所示 ，其 中 1 ～8 号测点位于井架左前大腿部 ，为井架 固有频率测试 时测点的传统布置方案，即在井架左前大腿沿井架 高度的方向一共布置 8组传感器，每一组有 2个传 感器 沿 X 方向振动的传感器 和沿 y方向振动 的 传感器 ，传感器以磁铁 吸座方式固定 。每次布置 传感器时 ，要使对应的 8 个传感器的方 向相同。为 了得到更为全面的频率信息 ，更好地反映井架的振 动特性 ，在与左前大腿对称的右前大腿的相应位置 也布置了 8组传感器 。 3 ． 2 激励 载荷 要对井架 进行动态测试 就必须使井架产 生振 动 ，井架这种大型结构体产生振动的时候需要较高 能量来激发 ，这对激励的要求较高 。因此 ，选择动 态测 试 的开始 时刻 是非 常重要 的 。 目前 ，较 常用 的 方法有环境激励、载荷激励以及锤击激励等。 环境激励法是直接利用海风 、海洋波浪脉动使 井架 产生 振 动 ，进 而对 井架 实施 动态测 试 ，这种 方 法必 须在 有 风 的情 况下 才能 进行 ；载荷 激励 法是 利 用井架在加载瞬间产生的振动效应来对井架实施动 态测试 ，即先给井架施加一个 固定的载荷 ，将大钩 以一定的速度下放 ，然后紧急制动，使井架产生振 动效应进而对井架实施动态测试 ；锤击激励法是直 接用榔头敲击被激励的对象以获得振动信号。 9 图 1 井架固有频率测试时的测点布置 表 1 传统测点布 置测试 的井架在 x方 向的 固有频率 测点号 固有频率／ Hz 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1 年 1 2月 环境激励法或载荷激励法较适合井架这种大型结构体 的现场 固有频率测试 ，该检测方案采用的是载荷激励法。 3 ． 3检测 结果 运用所构建的检测装备测试 了 HX J 1 2 5 A型修井机井 架的固有频率 ，为了进行对比分析 ，采用 2 种测点布置方 式分别进行了测试 ，表 1和表 2分别为井架在 2种测点布 置方式下的 X方向的实测 固有频率值 。 为准确得到井架的固有频率 ，在建立井架几何模型的 基础上 ，建立 了该井架的有限元模型，通过对该模型进行 模 态 分 析 得 到 了 该 井 架 在 X 方 向 的 固 有 频 率 为 表 2新测 点布 置测试 的井架在 x方向的固有频 率 测点号 固有频率／ Hz 1 3 ． 3 0 8 1 3 ． 3 08 1 3 ． 3 0 8 l 3 ． 3 08 1 3 ． 3 08 l 3 ． 3 0 8 1 3 ． 3 08 1 3 ． 3 0 8 1 3 ． 3 8 8 Hz 。因为该井架为新井架，所以该井架的有 限元模型在做动态分析后得到的固有频率与该井架 的实际固有频率 比较接近 可以认为该数值是井架固有频率的真值 。 通过数据对比可以发现 ，在对井架测点布置作了改进后测得 的固有频率比较接近真实值 ，相对于传 统测点布置其测量精度有了一定提高 ，其原 因在于在两前腿上错层布置传感器更有利于反映井架的薄弱 环节及其刚性。对于测点 9 ，它主要反映 X、 y、 Z这 3个方向综合条件下的井架 的固有频率 ，运用固有 频率向量方法可求 出井架沿 Z方 向的固有频率。由于石油井架是一个巨大 的结构体 ，其沿 Z轴方 向的 振 动 对工程 的影 响可 以忽 略 。 4 结 语 石油井架固有频率测试对分析井架损伤及其损伤定位具有重要意义。构建了用于石油井架固有频率 测试 的装备，提出了井架 固有频率 的测试条件和新 的测点 布置方法。并在此基 础上成功地对某 油 田 HX J 1 2 5 A型修井机井架的固有频率进行 了测试，结果表 明新的测点布置法能更精确地反 映井架的固有 频率 ，在井架损伤检测与定位方面具有重要的工程实用意义。 [ 参考文献] [ 1 ]黄长艺 ，严 普强 ．现代 E程测试技术基础 [ M]．第 2版 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 0 [ 2 ]董景新 ，赵长德 ．控制工程基础I- M]．北京 清华大学 出版社 ，2 0 0 8 ． [ 编辑] 而开科 上接 第 1 3 5页 4 沾 3块 内源微 生物 驱物 理模拟 试验 结果 表 明 ，沾 3块 实 施 内源 微生 物 驱 具有 良好 的激 活 效果 和 提高 采收率 的能力 ，该结论 为 下一步 现场 试验 打下 了坚实 的理 论基 础 。 [ 参考文献] [ 1 ]Na z i n a T N ．P h y s i o l 0 g i c a l a 1 a n d p h y l o g e n e t i c d i v e r s i t y o f a e r o b i c s a p r o t r o p h e i c b a e t e r i a f r o m t h e D a q i n g o i l f i e l d[ J ]．Mi c r o b i o l o g y ， 2 0 00， 4 51 1 7 6 ～ 1 8 O ． f 2 3 Va d i e A A， S t e p h e n s J O，B r o wn I R．Ut i l i z a t i o n o f i n d i g e n o u s mi c r o f l o r a i n p e r me a b i l i t y p r o f i l e mo d i f i c a t i o n o f o i l b e a r i n g f o r ma t i o n r J 】．S P E／ D OE 3 5 4 4 8 ，1 9 9 5 ， 7 4 8 9 8 ～9 0 1 ． E 3 ]石梅 ，王志瑶 ，陈宗运 ，等 ．大庆油藏本源微生物生态分布规律的研究 E J ]．大庆石油地质开发 ，2 0 0 4 ，1 2 5 1 O o ～ 1 0 3 ． [ 4 ]陈爱华 ，方新湘 ，吕秀荣 ，等 ．克拉 玛依油 田内源微生物驱油机理探索 f J ]．油气地质与采收率 ， 2 0 0 8 ， 5 7 5 ～7 7 ． [ 5 ]冯庆 贤，向廷生 ，Na z i n aTN，等 ．高温油藏内源微生物及其提高采收率潜力研 究 [ J ]．微生物学通报 ，2 0 0 8 ，3 5 4 4 9 6 ～5 0 1 ． E 6 ]包木太 ，王兵 ，袁长忠 ，等 ．胜利油田沾 3区块 内源微生物室内模拟激活试验研究 _ j ]．化工学报 ，2 0 0 8 ，5 9 9 2 3 3 4 2 3 3 8 ． E T ]栾传振 ，段传慧，袁长忠 ，等 ．沾 3块内源微生物驱油物模研究 [ J ]．钻采工艺，2 0 0 6 ，2 9 2 9 1 ～9 3 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m