7000 m測井絞車滾筒強度及電磁場分析

王來智，南建武，張濤，王定亞，李小兵，周青，李雙鵬

（寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞 721002）

0 引言

石油測井技術在石油勘探與開采中發揮著極為重要的作用，而其中最重要的設備是測井絞車，主要用來完成油（氣）井筒內對實時環境及溫度等參數的測量。絞車滾筒主要用來纏繞電纜，測井儀器與電纜端頭固定，利用絞車滾筒的順時針轉動與逆時針轉動以實現在幾千米深的油（氣）井筒內的上提、下放，從而完成了石油測井的作業過程。

在石油測井的過程中，以7000 m絞車滾筒為例，測井儀器在井下需要完成以最小20 m/h、最大9500 m/h的線速度上提，在整個上升過程中，絞車滾筒筒身受到了正壓力、彎曲及大轉矩等載荷的影響，而滾筒左右輪轂受到了層層電纜纏繞時軸向擠壓力的影響，受力情況比較復雜。賴笑輝等[1]采用有限元方法對絞車滾筒的結構強度進行了分析及計算，得出了滾筒等效應力分布。李華等[2]以提升絞車為例通過ANSYS模塊對滾筒進行了靜力學分析。王潤思等[3]針對鉆機絞車的滾筒受載情況復雜的問題，通過建立滾筒靜力學分析有限元模型，得到了滾筒應力分布及機械可靠性大小理論。

本文針對7000 m測井絞車滾筒在工作中存在易斷裂問題，借助三維有限元分析方法，分析了絞車滾筒在工作時等效應力、應變及位移的變化規律，以及影響滾筒周圍電磁場穩定性的因素，為后續絞車滾筒設計提供更好的理論基礎。

1 模型的建立

1.1 絞車滾筒三維模型

絞車滾筒主要由左輪轂、右輪轂及筒身等3部分構成，按照筒體材料和加工方法分為鑄造滾筒和焊接滾筒兩大類。本文選擇的滾筒類型為焊接滾筒，筒體由具有焊接性的板材卷焊之后加工而成，具有壁薄、導熱性好、單件加工方便、適用材料廣、筒體的直徑與長度范圍大等特點。

絞車滾筒模型通過三維軟件UG來完成，具體如圖1所示。

圖1 絞車滾筒三維模型

絞車滾筒主要技術參數：滾筒輪轂大徑D=1280 mm，滾筒筒身直徑d=465 mm（厚度t=32 mm），開檔L=992.8 mm，電纜直徑d1=12.7 mm，假定測井儀器重力G=2659.5 N。

1.2 絞車滾筒工況計算

7000 m絞車滾筒容繩量實際約為7500 m，假設在正常測井工況下，電纜沒有遇卡，忽略電纜的在液體中的浮力和液體對電纜阻力，計算每一層電纜相對滾筒的參數，如表1所示。

表1 滾筒工況參數

根據實際計算推導得出電纜繞n層時筒身直徑為

井下電纜長度L1=總長度L0-滾筒纏繞長度L2，負荷P1=井下電纜重力Gi+測井儀器重力G，依據文獻[4]知電纜每層對滾筒側板的推力計算公式為

根據實際測試結果，電纜繞n層時對滾筒側板總的推力為

絞車滾筒在實際工作過程中，不僅滾筒筒身受力，而且滾筒輪轂也受力，兩者都發生變形，并且相互交叉影響，從表1可以得出電纜對滾筒側板產生的軸向推力為1 620 061.79 N,各層電纜對滾筒筒身的總負荷為879 034.4 N。

1.2.1 滾筒纏滿電纜時筒身所受的拉力及壓力載荷

滾筒在纏滿電纜并受到軸向拉力的情況下，可以將此滾筒受力狀態簡化如圖2所示。

圖2 滾筒筒身受力圖

由圖2可知，滾筒筒身所受到最大拉應力為

對此種滾筒材料δb=530 MN/m2，取安全系數為2，則許用應力[δ]=δb/2=265 MN/m2。因為δmax<[δ]，所以滾筒筒身受拉安全。

筒身在受到每層電纜的正向壓力時，根據文獻[5]可知筒身正壓力計算公式為

式中：q1為筒身正壓力；P為電纜最大拉力；r為滾筒半徑；s為電纜兩圈之間節距。

滾筒在上升過程中，纏繞電纜圈數不斷增加，使得電纜井筒中所受拉力減少，對筒身表面的正向受力同時也降低，根據試驗結果[6]，按照影響因子得出滾筒實際所承受的徑向壓力為

式中，A為多層纏繞因子。本文當井下電纜長度約7000 m時，原絞車滾筒上最大纏繞電纜層數為4層，故根據文獻[1]取系數A=2。

根據上述公式可以得出絞車滾筒第四層時電纜拉力P4=22.47 MPa。

1.2.2 滾筒纏繞電纜，側板與筒身連接處受力計算

根據此絞車滾筒的實際工作情況，本文7000 m滾筒左右輪轂各含有12處筋板，現以其中1處筋板的具體截面為例作為研究元素。則此處的受力情況可以簡化為T形結構截面。T形截面如圖3所示，T形截面的尺寸為：a=36 mm，H=142 mm，d=22 mm，b=166 mm。

圖3 T形截面

根據分析可知，其最大彎矩、最大剪力均產生在輪轂與滾筒連接處。根據理論可知：梁的某橫截面上的剪力，在數值上等于該截面一側梁上所有外力的代數和；梁的某橫截面上的彎力矩等于所有受力對此截面中心形成的力矩和。代入表1中數值，則滾筒一個單元：

最大剪應力和拉應力計算公式為：

式中:δx=δmax=56.64 MN/m2；δy=0，τx=τmax=37.9 MN/m2。代 入 數 值 得：2α0=36.768°或216.768°，α0=18.384°或108.384°。

按照x方向為準，逆時針轉動角度18.384°，就是δmax的平面，再轉動角度108.384°就是δmin的另外一平面，由材料理論力學公式得出：

圖4 A截面處的單元體

按照主應力，在現在情況下得出：δ1=75.63 MN/m2，δ2=0，δ3=-18.99 MN/m2。

按第三強度理論得出δeq3=δ1-δ3=94.62 MN/m2。根據材料的許用應力[δ]=δb/2=265 MN/m2，δeq3<[δ]，由計算結果得出滾筒側板受擠壓安全。

2 絞車滾筒強度分析

2.1 計算參數

滾筒材料為20Mn23AlV鋼板，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。利用ANSYS Workbench 建立有限元分析模型，如圖5所示。

圖5 絞車滾筒有限元模型

2.2 ANSYS Workbench載荷加載

1）滾筒纏滿4層時電纜對筒壁的徑向壓力P4=22.47 MPa，將此正壓力加載滾筒表面上；2）井筒中電纜端頭所受的拉力對筒壁形成一種轉矩力，將此轉矩力加載電纜出繩圈的筒身上；3）纏繞電纜對滾筒側板的推力，該力沿圓周方向分布在側板上。

2.3 ANSYS Workbench邊界條件處理

1）將滾筒左端輪轂施加固定約束；2）對滾筒右端輪轂施加Cylindrical support約束徑向自由度（軸向自由）。

2.4 ANSYS Workbench計算結果分析

圖6和圖7分別為絞車滾筒的等效應力分布云圖及等效應變分布云圖。從圖中可以得出滾筒輪轂與筒壁連接部位等效應力、應變高于其它部位，其最大應力值226.88 MPa、應變最大值0.001出現在筒身與輪轂的連接處和筒身內部加強筋處。

圖6 絞車滾筒等效應力云圖

圖7 絞車滾筒等效應變云圖

從圖8可以看出，滾筒輪轂側板上自中心向外，位移量逐漸增加，以軸向方向為準而且逐漸向外側偏離。即絞車滾筒在實際工作過程中，滾筒輪轂向外發生變形，這時整個滾筒的最大變形量為0.291 42 mm。

圖8 絞車滾筒等效軸向位移云圖

3 絞車滾筒電磁場分析

測井絞車在正常工作過程中，儀器通過滾筒表面纏繞電纜進行上提和下放操作，表面一圈圈的電纜工作通電就會形成絞車滾筒電磁場。

3.1 計算參數

儀器正常工作時提供電壓U=220 V，φ12.7 mm電纜經過試驗得出每1000 m電阻大約為R=31 Ω，總電阻Rzong=232.5 Ω，因此流經電纜的電流I=U/R=0.95 A。

3.2 結果分析

圖9為絞車滾筒在電纜通電時所產生的電磁場分布圖，當工作過程中出現一帶磁體材料靠近絞車滾筒時，從圖中可以直觀地看出小磁體周圍的電磁場分布發生突變，是由于小磁體引起了切割磁感線的作用，電磁通量改變了原絞車滾筒電磁場的穩定性。由長期的實驗數據得知，當磁感應強度大于1 Gs，距離滾筒軸徑向范圍1.2 m內就會影響絞車滾筒磁場的穩定性，干擾了滾筒上纏繞電纜信號的穩定性。

圖9 絞車滾筒電磁場分布圖

3.3 測井絞車滾筒材料推薦

滾筒作為測井絞車的核心零部件，其強度和抗磁化能力是其最重要的性能，因此需要選擇一些具有較強抗磁化能力并具有較高強度的奧氏體鋼材料來加工制作。推薦的常用材料如表2所示。

表2 滾筒材料推薦表

4 結論

1）本文通過經典傳統力學與有限元兩種方法對絞車滾筒強度進行分析計算，絞車滾筒的強度滿足設計要求。得出滾筒最大應力、應變出現在輪轂與筒身的連接處，作為對絞車滾筒設計最重要的理論依據。2）絞車滾筒輪轂側板上自中心向外位移變形量依次增大，即滾筒在實際工作過程中側板向外發生變形，變形最大值為0.291 42 mm，這時整個滾筒側板的變形量為0.582 84 mm，與滾筒實際工作中所測變形數值量非常接近。3）文中通過經典傳統力學與有限元兩種方法對絞車滾筒強度進行分析計算，采用有限元方法具有更好的適用性。4）測井絞車滾筒上纏繞著測井計算機與井下傳感器的連接電纜，絞車滾筒軸徑向范圍1.2 m內不能有大于1 Gs的磁場干擾；測井絞車滾筒材料選擇應具有一定的抗磁化能力，建議常規采用奧氏體鋼材料。