随钻声波测井环槽隔声体的强度分析
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◀钻井技术与装备▶
随钻声波测井环槽隔声体的强度分析∗
伍㊀能㊀赵宏林㊀刘㊀旭㊀李育房
(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院)
摘要:凹槽隔声体是随钻声波测井中普遍采用的一种隔声体,通过数值模拟方法研究了凹槽隔声体最大等效应力出现的区域,以及扭矩㊁过渡圆弧半径㊁凹槽深度㊁槽间距和槽宽度对隔声体机械强度的影响㊂分析结果表明:扭矩对隔声体的机械强度有较大的影响,在实际计算过程中不能忽略;无论加载扭矩与否,隔声体机械强度最弱的区域出现在内过渡圆弧半径处;隔声体上的最大等效应力与凹槽深度呈线性关系,在满足隔声量与时延量的情况下可以适当减小凹槽深度;
隔声体的最大等效应力出现在内过渡圆弧半径处,随着过渡圆弧半径的增大应力逐渐减小㊂所得结论对环槽隔声体的设计具有一定的参考作用㊂
关键词:隔声体;测井;凹槽深度;随钻超声波;等效应力
中图分类号:TE927㊀文献标识码:A㊀doi:10 16082/j cnki issn 1001-4578 2017 07 006StrengthAnalysisofSoundInsulationBodyinRing
GrooveforAcousticLoggingWhileDrilling
WuNeng㊀ZhaoHonglin㊀LiuXu㊀LiYufang
(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing))Abstract:Thesoundinsulationbodyinringgrooveisakindofsoundinsulationbodythatiscommonlyusedintheacousticloggingwhiledrilling.Thenumericalsimulationmethodhasbeenusedtostudythemaximumequiva⁃lentstressareaofthesoundinsulationbody,andunderstandingtheinfluenceofthetorque,theradiusofthetransi⁃tionarc,thegroovedepth,groovespacingandgroovewidthonthemechanicalstrengthofthesoundinsulationbody.Theresultsshowthatthetorquehasagreatinfluenceonthemechanicalstrengthofthesoundinsulationbodyandcannotbeneglectedinthecalculationprocess.Withorwithoutloadingtorque,theweakestareaofmechanicalstrengthappearsintheinnertransitionarc.Themaximumequivalentstressofthesoundinsulationbodyislinearlyrelatedtothegroovedepth.Thegroovedepthcanbereducedappropriatelyonthepromisethatthesoundinsulationandthetimedelayamountaremet.Themaximumequivalentstressofthesoundinsulationbodyappearsinthein⁃nertransitionarc,andthestressdecreaseswiththeincreaseoftheradiusoftheinnertransitionarc.Thestudyre⁃sultscouldprovidecertainreferencesforthedesignofsoundinsulationbodyinringgroove.Keywords:soundinsulationbody;logging;groovedepth;ultrasonicloggingwhiledrilling;equivalentstress
0㊀引㊀言
海洋平台由于特殊的条件基本上都采用随钻声波测井方式㊂在随钻声波测井中,四极子声源波主要用于地层横波的测量,这种声源波最大的优点是不会在钻铤中激发钻铤模式波,因此测量地层横波时就不需要安装多余的隔声装置㊂在测量地层纵波时,频率10kHz左右的单极子声源会在钻铤中激发出一种钻铤模式波,这种钻铤模式波的频率较大,波速较快,会对地层的测量产生巨大影响,因此必须想办法来削弱甚至消除钻铤波㊂国外某公司
62 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械
CHINAPETROLEUMMACHINERY
㊀㊀
2017年㊀第45卷㊀第7期
∗基金项目:国家科技重大专项 复杂储层测井新方法与探测器研究 (20011ZX05020-009)㊂
设计并申请了用于随钻过程中的声波阻尼器专利[1]㊂杨勇等[2]利用有限元差分法对钻铤上3种周期性刻槽构成的随钻声波测井隔声体的隔声量进行了数值计算㊂苏远大等[3]利用隔声体衰减的补偿测量办法得到随钻声波测井隔声体在15 18kHz的频率范围内存在一个最佳隔声阻带㊂闫向宏等
[4]
利用软件对周期性的非轴对称凹槽结构随钻
声波测井隔声体上最大等效应力进行了相关计算㊂刘彬等
[5]
自行设计了一种利用周期性非轴对称孔
槽来消除钻铤模式波的工具㊂这些研究并没有涉及比较重要的强度分析,也没有用理论计算说明扭矩和过渡圆弧半径的大小对隔声体强度的影响㊂为此,笔者采用ANSYS软件对轴对称凹槽隔声体进行了相关的强度分析,验证了扭矩力㊁过渡圆弧半径及凹槽深度对隔声体强度的影响[6]
,所得结论
可为环槽隔声体的设计提供参考㊂
1㊀凹槽隔声体结构
图1为凹槽隔声体结构示意图
㊂
图1㊀凹槽隔声体结构示意图
Fig 1㊀Structuralschematicdiagramofthesound
㊀㊀㊀
insulationbodyinringgroove
㊀㊀随钻隔声体大致分为周期性轴对称环槽结构㊁周期性非对称环槽结构及周期性非对称孔形结构㊂笔者主要讨论周期性轴对称环槽结构㊂周期性轴对称环槽结构的环槽主要分为2种:半圆槽和凹槽㊂通过数值模拟探讨了凹槽隔声体最大等效应力出现的区域,以及扭矩㊁过渡圆弧半径㊁凹槽深度㊁槽间距和槽宽度对隔声体机械强度的影响㊂分析时所采用的软件为ANSYS,数值计算采用的是外径178mm㊁内径50mm的N1310无磁钻铤钢㊂该种钢材的密度为7500kg/m3,弹性模量为210GPa,泊松比为0 3㊂计算时扭力矩取40kN㊃m,轴向载荷
100kN
[7]
,选择模拟地层深度为1300m㊂一般地
层都存在超压,因此选取压力系数为1 1,于是
1300m深度的地层压力为15MPa,在1300m深
度钻井泵的输出压力为8MPa,考虑到压力损失,所以内压为7MPa[8-10]㊂
2㊀数值计算
在计算中,内㊁外过渡圆弧半径分别为R1和
R2,凹槽深度为h,凹槽宽度为w,槽间距为L㊂
2 1㊀扭矩对隔声体强度的影响
图2为加载扭矩与不加载扭矩时最大等效应力
随凹槽深度变化的曲线㊂由图可知,加载扭矩和不加载扭矩2种情况下,凹槽隔声体上最大等效应力σmax随着凹槽深度h的增加逐渐增大,且加载扭矩时最大等效应力远大于不加载扭矩时最大等效应力,所以不可忽略扭矩对隔声体机械强度的影响㊂模拟结果还表明:加载扭矩与不加载扭矩时隔声体最大等效应力出现的区域均是内圆弧过渡半径处
㊂
图2㊀最大等效应力随凹槽深度变化曲线Fig 2㊀Theeffectofthegroovedepthon㊀㊀㊀
themaximumequivalentstress
2 2㊀凹槽深度对隔声体强度的影响
在数值模拟计算中,取内㊁外圆弧过渡半径R1=R2=3mm,槽宽度分别取40和125mm,设置
2种槽宽间隔分布,得到凹槽深度h与最大等效应力σmax的关系曲线,结果如图2和图3所示㊂
图3㊀槽宽40mm㊁槽间距80mm
㊀㊀㊀时最大等效应力变化曲线
Fig 3㊀Thechangeofthemaximumequivalentstress
㊀㊀㊀underthegroovewidthof40mm㊀㊀㊀
andthegroovespacingof80mm
72 2017年㊀第45卷㊀第7期伍㊀能等:随钻声波测井环槽隔声体的强度分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀
图4㊀槽宽125mm㊁槽间距125mm㊀㊀㊀时最大等效应力变化曲线
Fig 4㊀Thechangeofthemaximumequivalentstress
㊀㊀㊀underthegroovewidthof125mm㊀㊀㊀
andthegroovespacingof125mm㊀㊀由图3和图4可以看出,无论是槽间距与槽宽度相等或不等,隔声体的最大等效应力都随着槽深度的增加呈线性增大;从图还可以看出,随着槽深
度的增加,最大等效应力值增加的幅度没有明显的减小,因此从隔声体的机械强度考虑,凹槽深度取值越小越好㊂但是随着凹槽深度的减小,相应的隔声量与时延量会变小㊂综合考虑,凹槽深度不能过小,也不能过大㊂
2 3㊀内圆弧过渡半径对隔声体强度的影响图5为凹槽隔声体最大等效应力分布图㊂由图
可知,隔声体的最大等效应力只会出现在内过渡圆弧位置,外圆弧过渡部分基本上不存在太大的等效应力㊂因此在实际的隔声体设计过程中,需要重点考虑内圆弧半径区域,该区域的尺寸变化最大,因会出现最大的等效应力㊂下面重点讨论内过渡圆弧的取值对最大等效应力的影响
㊂
图5㊀凹槽隔声体最大等效应力分布图Fig 5㊀Themaximumequivalentstressdistribution㊀㊀㊀
ofthesoundinsulationbodyinringgroove
㊀㊀图6为槽宽w=125mm㊁槽间距L=80mm㊁
R2=3mm时最大等效应力σmax随R1变化曲线㊂图7为槽宽w=40mm㊁槽间距L=80mm㊁R2=3mm
时最大等效应力σmax随R1变化曲线㊂由图6和图7可知,隔声体的最大等效应力随着内过渡圆弧半径
的增大而逐渐减小,但是减小的幅度越来越小㊂这是因为应力集中最容易出现在尺寸变化最大的地方,而内圆弧过渡区就是隔声体上尺寸变化最大的区域,因此该区域最容易出现应力集中㊂随着内圆弧过渡半径的增大,该区域的尺寸突变情况得以好转㊂随着内圆弧过渡半径R1的增加,内圆弧越来越平滑,但是变化率越来越小㊂从此模型的模拟结果来分析,内过渡圆弧半径的最优值为5 0 5 5
mm㊂杨勇等[2]的研究结果表明:隔声体使某一中心频率附近钻铤波有最大衰减效果的刻槽结构是,
槽宽与槽间距相等且近似等于该频率波长的⅟ ㊂苏远大等[3]对环槽隔声体的研究结果表明:当钻铤波的频率为16kHz时,衰减最大
㊂
图6㊀最大等效应力随内过渡圆弧半径变化曲线Fig 6㊀Theeffectoftheradiusoftheinnertransition
㊀㊀㊀
arconthemaximumequivalentstress
图7㊀最大等效应力随内过渡圆弧半
㊀㊀㊀径变化的曲线(h=18mm)
Fig 7㊀Theeffectoftheradiusoftheinnertransitionarc
㊀㊀㊀onthemaximumequivalentstress(h=18mm)
㊀㊀隔声体材料为无磁钻铤钢,波速为5860
m/s[6]㊂由此可以计算出频率为16kHz的钻铤波的
波长为0 366m㊂槽间距L与槽宽w约取90mm,内㊁外圆弧过渡半径分别取R1=5mm㊁R2=3mm,以凹槽深度h为变化值,得到如图8所示的应力曲线㊂从图8可知,随着槽深度h的增加,隔声体的最大等效应力也相应增加㊂因此在满足隔声量与时延量的情况下,可以通过适当减小凹槽深度来减小隔声体上最大等效应力㊂
82 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2017年㊀第45卷㊀第7期
图8㊀槽宽90mm㊁槽间距90mm㊁内圆弧
㊀㊀㊀过渡半径5mm时最大等效应力曲线
Fig 8㊀Themaximumequivalentstresscurveunderthegroove㊀㊀㊀widthof90mm,thegroovespacingof90mm
㊀㊀㊀andtheinnertransitionarcradiusof5mm2 4㊀槽间距对隔声体机械强度的影响
槽数量由隔声体上槽间距L与槽宽w决定,并直接影响隔声体的隔声量与时延量㊂在选择槽宽度w=20mm㊁槽深度h=10mm㊁内圆弧过渡半径R1=3mm的条件下,槽间距L从60mm连续增加到100mm时最大等效应力变化曲线如图9所示㊂从图可知,随着槽间距L的增加,隔声体最大等效应力逐渐减小,但是减小的幅度极小㊂因此,在计算隔声体的机械强度时,当槽间距在某一范围内
时,可以忽略槽间距对隔声体机械强度的影响
㊂
图9㊀槽间距变化时最大等效应力变化曲线
Fig 9㊀Theeffectofthegroovespacingon
㊀㊀㊀themaximumequivalentstress
3㊀结论与认识
(1)扭矩对隔声体的机械强度有较大的影响,在实际的计算过程中不能忽略扭矩的作用,而且无论扭矩加载与否,隔声体机械强度最弱的区域都出现在内过渡圆弧半径处㊂
(2)外圆弧过渡半径对隔声体的机械强度几乎没有影响,在实际的设计过程中不需要过多地考虑外圆弧过渡半径㊂
(3)凹槽深度对隔声体的机械强度有较大影响㊂隔声体上的最大等效应力与凹槽深度呈线性关系,在满足隔声量与时延量的情况下,可以通过适当减小凹槽深度来减小隔声体上最大等效应力㊂
(4)隔声体的最大等效应力出现在内过渡圆弧半径处,随着过渡圆弧半径的增大应力逐渐减小,当圆弧半径增加至某一区域时有比较小的应力值,超过该区域以后应力值会出现增大的现象㊂笔者的分析结果对于环槽隔声体的设计具有一定的参考作用,在实际的隔声体设计当中,还需要考虑井下复杂的地质环境的影响,重点考虑隔声体的隔声效果㊂凹槽深度和内过渡圆弧半径等设计参数不仅需要满足隔声体的机械强度要求,更重要的是需要满足对钻铤波隔声效果的要求㊂
参㊀考㊀文㊀献
[1]㊀苏远大,毕新帅,闫向宏,等.基于ANSYS的随钻声波测井隔声体强度分析[J].科学技术与工程,
2011,11(15):3404-3406.
[2]㊀杨勇,车小花,张菲,等.用三维时域有限差分法研究随钻声波测井仪器隔声体的设计[J].科学技
术与工程,2009,9(3):565-567.[3]㊀苏远大,庄春喜,邓林,等.随钻声波测井隔声体性能评价实验研究[J].测井技术,2011,35(5):
402-405.
[4]㊀闫向宏,苏远大,孙建孟,等.周期性轴对称凹槽结构隔声特性数值模拟[J].计算物理,2010,27
(6):869-876.
[5]㊀刘彬,王芳,陈德华,等.周期性非轴对称孔槽结构隔声性能数值模拟研究[J].应用声学,2012,
31(5):333-338.
[6]㊀浦广益.ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010.[7]㊀闫向宏.随钻测井声波传输特性数值模拟研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2010.[8]㊀吕拴录,张宏,许峰,等.石油钻铤断裂原因分析[J].机械工程材料,2010,34(6):80-82.[9]㊀王贺,赵宏林,车小花,等.声波测井仪外壳声传播特性研究[J].石油机械,2016,44(2):11-16.[10]㊀刘彬.随钻声波测井仪器隔声体优化设计[D].北京:中国石油大学(北京),2012.
㊀㊀第一作者简介:伍㊀能,生于1992年,2015年毕业于西安石油大学机械设计专业,现为在读硕士研究生,研究方向为机械设计及理论和海洋油气装备㊂地址:(102249)北京市昌平区㊂E⁃mail:865393804@qq com㊂㊀
收稿日期:2017-01-05
(本文编辑㊀王刚庆)
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2017年㊀第45卷㊀第7期伍㊀能等:随钻声波测井环槽隔声体的强度分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀。