鮑忠利,于會媛,侯洪為

(中海油田服務(wù)股份有限公司機電設(shè)備研究所,河北燕郊 065201)

常見測井儀器推靠器結(jié)構(gòu)綜述

鮑忠利,于會媛,侯洪為

(中海油田服務(wù)股份有限公司機電設(shè)備研究所,河北燕郊 065201)

按照功能對常見的測井儀推靠器進行了分類,分析了每一類推靠器的結(jié)構(gòu)和特點。以典型的推靠器為例,對影響推靠力和貼壁效果的因素進行了重點分析,對推靠器的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:測井;推靠器;結(jié)構(gòu)

目前,推靠器在越來越多測井儀器中得到應(yīng)用,并且直接影響測井效果。對于推靠器的設(shè)計要考慮諸多方面的因素,例如,可靠性、耐磨性、耐高溫、耐腐蝕,有時還要考慮密封、連線等。其中推靠器的結(jié)構(gòu)是最先要考慮的。在實際應(yīng)用中,推靠器形式各異。本文對常見的推靠器結(jié)構(gòu)進行了分析,希望能在推靠器的設(shè)計中提供一些參考[1-2]。

1 推靠器分類

通常,推靠器按傳動方式分類,可分為機械式和液壓式 2種,2種傳動方式各有優(yōu)缺點[2]。本文主要針對推靠器的結(jié)構(gòu)進行討論,而結(jié)構(gòu)是由推靠器的功能決定的,所以本文以功能對推靠器進行分類。

推靠器按功能主要分為 3類:

a) 扶正器 使測井儀器在井下位于中心位置。典型的儀器是各類的扶正器[3]。

b) 偏移推靠器 推靠器張開時,頂在一側(cè)井壁上,將儀器的主體偏移井體的中心,甚至將儀器主體推靠在對側(cè)的井壁上。典型的測井儀器是井壁取芯測井儀[6]。

c) 貼壁測量推靠器 測井儀的傳感器在推靠器上,推靠器張開使傳感器貼緊井壁來測量地層參數(shù)。此類儀器較多,如微電阻率掃描成像、地層傾角和扇形水泥膠結(jié)質(zhì)量測井儀等[3-5]。

2 推靠器結(jié)構(gòu)特點和靜力分析

2.1 扶正器

扶正器的推靠器結(jié)構(gòu)多為聯(lián)動方式,這樣結(jié)構(gòu)簡單,同時利于保證井下儀器居中。推靠力和推靠半徑可調(diào)節(jié)則可提高扶正器的適用范圍,另外扶正器還要考慮到耐磨因素。

2.1.1 彈簧滑板式扶正器

a) 結(jié)構(gòu) 圖 1所示為常用的彈簧滑板式的井下扶正器結(jié)構(gòu)原理。扶正器具有 4個弓形彈簧臂,圓周 90°均布,每個彈簧臂中部有一個耐磨墊。4個彈簧臂的兩端均與滑塊鉸接固定,滑塊移動時,4個臂同時壓縮伸長,形成了四臂聯(lián)動。左右滑塊各連接一個拉簧,拉簧的另一端與主體固定。

b) 功能 采用了四臂聯(lián)動的方式保證測井儀在井內(nèi)居中,拉簧可增加彈簧臂的推靠力。預(yù)置限位點可在主體上調(diào)節(jié)位置,以改變扶正器的適應(yīng)井徑。

c) 靜力學(xué)分析 推靠器在工作時處于勻速運動狀態(tài),故可以采用靜力學(xué)分析推靠力。以彈簧臂的受力分析(如圖 2)來研究推靠力的影響因素。

式中,F為彈簧臂受到井壁的壓力,即彈簧臂的推靠力;N為彈簧臂由于自身變形產(chǎn)生的推力;T為拉簧對彈簧臂的拉力,這里假設(shè)兩端的拉力相等; L1、L2分別為彈簧臂 x、y方向變形的位移;k1、k2分別為彈簧臂和拉簧的彈性系數(shù);λ為彈簧臂 x、y方向變形關(guān)聯(lián)系數(shù)。

由式(1)可以看出扶正器推靠力的大小由彈簧臂的變形量、彈性系數(shù)、變形關(guān)聯(lián)系數(shù)和拉簧的彈性系數(shù)決定。對于一定大小的井壁,彈簧臂的變形量是不變的,而其他參數(shù)僅與零件的自身特性相關(guān)。如果需要改變扶正器的推靠力,只有通過更換彈簧臂或拉簧實現(xiàn)。

d) 特點 結(jié)構(gòu)簡單,功能可靠,推靠半徑可調(diào),耐磨性好,易維護。推靠力不可調(diào)。

2.1.2 強力扶正器

a) 結(jié)構(gòu) 強力扶正器具有 3個推靠臂,圓周120°均布,每個推靠臂由連桿 1、連桿 2和滾輪組成,推靠臂一端鉸接固定在主體上,另一端鉸接固定在滑塊上,如圖 3?；瑝K與彈簧相接觸,彈簧的另一側(cè)是預(yù)置限位點。

圖3 強力扶正器結(jié)構(gòu)原理

b) 功能 三臂聯(lián)動。通過改變預(yù)置限位點的在主體上的位置來調(diào)節(jié)推靠半徑。彈簧可預(yù)先調(diào)節(jié)壓縮量來改變推靠力。滾輪可降低摩擦,滾輪式的扶正器主要用于套管井。

c) 靜力學(xué)分析(如圖 4)

圖4 推靠臂受力分析

式中,F為推靠力;N為彈簧推力;L為彈簧壓縮量; k為彈簧彈性系數(shù);β為連桿 1與主體機身的夾角。

由式(2)可看出推靠力大小由β角、彈簧壓縮量和彈簧彈性系數(shù)決定。

d) 特點 推靠半徑可調(diào),推靠力可調(diào)節(jié),與井壁的摩擦力小。

2.2 偏移推靠器

對于偏移推靠器,要求其以一定的推靠力將儀器頂在井壁上,功能上簡單的要求決定其結(jié)構(gòu)也不必復(fù)雜。設(shè)計要注意保證推靠臂有足夠的強度。

a) 結(jié)構(gòu) 推靠器由推靠臂和連桿 2部分組成,如圖 5。推靠臂一端與機身鉸接,中部與連桿鉸接。連桿另一側(cè)連接液壓或電機裝置。

b) 功能 連桿上下,或者左右移動,帶動推靠臂圓周擺動。推靠臂接觸井壁后,繼續(xù)張開,便推動測井儀向?qū)?cè)井壁偏移,直至貼在對側(cè)井壁上。推靠臂的長度可適當(dāng)加長,這樣可以適應(yīng)更大的井徑。由于沒有彈簧,推靠力的大小直接由電機或液壓泵控制。

圖5 旋轉(zhuǎn)井壁取芯儀推靠器

c) 靜力學(xué)分析(如圖 6)

圖6 推靠臂受力分析

圖6a中

圖6b中

式中,F為推靠力;N為連桿推力;L1、L2為推靠臂結(jié)構(gòu)尺寸;α、β為推靠臂與主體機身的夾角。

d) 特點 推靠器結(jié)構(gòu)簡單,沒有彈簧和極板等零件,推靠力直接通過液壓設(shè)備調(diào)節(jié)。

2.3 貼井壁測量推靠器

貼壁測量對推靠器的要求更高,推靠器的設(shè)計通常決定了儀器的測量效果。對于扶正推靠器和偏移推靠器,前文強調(diào)了對推靠力的分析,因為推靠力是 2種推靠器實現(xiàn)功能的關(guān)鍵因素。對于貼壁測量的推靠器,由于其具備電機和彈簧等可調(diào)節(jié)推靠力的部件,所以推靠力始終可調(diào)。推靠力因素相對不重要。極板貼壁的情況對于貼壁測量有著重要的影響,下文重點分析極板的運動狀態(tài),從而判斷極板的貼壁情況。

貼壁測量一般要求推靠器盡量把極板貼緊井壁,如果有多個極板,則極板與井壁的貼緊度盡量保持一致。常見的貼壁測量推靠器有擺式和傘式 2種結(jié)構(gòu),擺式結(jié)構(gòu)在一個徑向位置上有 1個或 2個推靠器,推靠器張開閉合如同鐘擺,故稱擺式結(jié)構(gòu);常見的儀器有微球聚焦測井儀、薄層電阻率測井儀等。傘式結(jié)構(gòu)在一個徑向位置上有多個推靠器,如 4個、6個、有時可達到 8個,推靠器張開時如同雨傘打開一樣,故稱傘式結(jié)構(gòu);還有其他結(jié)構(gòu)形式,例如扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀 (SBT),其推靠器結(jié)構(gòu)與前兩者均不同。

2.3.1 擺式

擺式結(jié)構(gòu)的推靠器是貼壁測量儀器常見的結(jié)構(gòu),下面以薄層電阻率測井儀為例介紹擺式結(jié)構(gòu)的推靠器的特點。

a) 結(jié)構(gòu) 如圖7是薄層電阻率測井儀的2個推靠器結(jié)構(gòu)示意圖,2個推靠器的結(jié)構(gòu)完全相同,只是桿件形狀和相對位置有所變化。推靠器的主要部件有:

圖7 典型的擺式推靠器結(jié)構(gòu)

①推靠臂 1,一端與機身鉸接,另一端與極板鉸接。整體成圓周擺動。

②極板,其上安裝了測量裝置,極板具有滑塊限位結(jié)構(gòu)。

③推靠臂 2,一端與極板上的滑塊限位結(jié)構(gòu)鉸接,另一端與機身鉸接,推靠臂 2中部與連桿鉸接。推靠臂 2整體也是圓周擺動。

④連桿,兩端分別與推靠臂 2和滑塊鉸接。

⑤滑塊,一側(cè)與連桿鉸接,另一側(cè)接觸彈簧。運動方式是直線平移。

⑥彈簧,兩側(cè)分別是滑塊和傳動桿,平面副連接?？蓧嚎s和直線平移。

⑦傳動桿,一側(cè)與彈簧平面副連接,另一側(cè)則與絲杠等傳動部件連接。

b) 功能 如圖 7所示,張開推靠器時,傳動桿向左移動,帶動彈簧和滑塊一同向左,再由連桿推動推靠臂 2進行圓周擺動,最后帶動推靠臂張開。

c) 極板運動狀態(tài)分析 通常為了保障極板始終保持水平的姿態(tài),推靠臂 1、極板和推靠臂 2要形成一個鉸接的平行四連桿機構(gòu)。但是本例沒有采用平行四連桿機構(gòu),而是由推靠臂 1、極板、推靠臂 2和機身形成了一近似的雙搖桿機構(gòu),由于滑塊上滑塊限位結(jié)構(gòu)使得機構(gòu)具有 2個自由度。

為了便于分析,這里忽略了摩擦力對運動的影響。如圖 8所示,兩個虛線位置將推靠臂張開過程分為 3個階段:

圖8 推靠臂張開過程模擬

圖9 極板貼靠井壁

第 1階段,在力矩M的作用下,推靠臂 2圓周擺動,滑塊在限位結(jié)構(gòu)中移動,同時推動極板以點A做圓周擺動,推靠臂 1靜止。

第 2階段,當(dāng)極板擺動到與推靠臂 1的夾角達到結(jié)構(gòu)最大限位角θ時,如圖虛線位置 1,極板和推靠臂 1保持夾角θ可看作一個連桿,此時推靠臂的運動規(guī)律同導(dǎo)桿機構(gòu)。

第 3階段,當(dāng)滑塊繼續(xù)在限位結(jié)構(gòu)中移動到極限點時,如圖虛線位置 2,極板和推靠臂 1不再保持夾角θ,滑塊限位結(jié)構(gòu)等同與鉸鏈連接,此時推靠臂的運動規(guī)律則等同于雙搖桿機構(gòu)。

實際工作中,極板通常在第 2或第 3個階段接觸井壁。由于推靠臂具有 2個自由度,使其具有一定的自適應(yīng)性,如圖9。遇到較平的井壁可自動的使整個極板貼靠在井壁上,遇到突出點也可作一定程度的變形。

d) 特點 2個自由度的連桿機構(gòu),其貼在井壁上后會隨著井壁的表面的形狀做一定范圍的適應(yīng)調(diào)節(jié),這樣可在一定程度上提高極板貼壁的效果。也可降低極板遇卡幾率。

2.3.2 傘式

傘式結(jié)構(gòu)的測井儀具有多個推靠器,推靠器既可整體聯(lián)動,也可分組聯(lián)動,或者每個推靠器獨立運動。地層傾角測井儀便是典型例子,其中四臂傾角測井儀是 2臂分組聯(lián)動,可適合測橢圓形的井徑;六臂傾角測井儀的 6個推靠臂可獨立運動對井徑的測量更加精確。下面以四臂傾角測井儀為例介紹傘式結(jié)構(gòu)的特點。

a) 結(jié)構(gòu) 圖 10為典型的傘式推靠臂結(jié)構(gòu),對比圖 10和圖 7可以看出,傘式結(jié)構(gòu)和擺式結(jié)構(gòu)的基本組成結(jié)構(gòu)是一樣的。最大的不同點是傘式結(jié)構(gòu)的極板取消了滑塊限位結(jié)構(gòu),而且由推靠臂 1、極板和推靠臂 2組成了平行的四連桿結(jié)構(gòu)。

圖10 典型的傘式推靠臂結(jié)構(gòu)

b) 功能 平行四連桿結(jié)構(gòu),使得極板在整個張開和閉合過程中始終保持著與機體平行的姿態(tài)。有滑塊限位結(jié)構(gòu)的極板由于其自適應(yīng)性,遇到突起的井壁時,貼壁效果要好于平行四連桿結(jié)構(gòu)的極板。但平行四連桿結(jié)構(gòu)是傘式推靠器普遍采用的結(jié)構(gòu)方式,分析其原因是多個推靠器測井,各個極板的數(shù)據(jù)往往相互關(guān)聯(lián),極板姿態(tài)相同通常更利于計算測井?dāng)?shù)據(jù)。所以 2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣應(yīng)由測井儀的測量原理決定[6]。

c) 特點 平行四連桿結(jié)構(gòu)保證極板與機體的平行姿態(tài)。采用多臂聯(lián)動或者各臂獨立運動的測量方式,相對多臂聯(lián)動,各臂獨立運動測量的數(shù)據(jù)更精確,但其傳動結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜,可根據(jù)需求來選擇。

2.3.3 其他

除了擺式和傘式這兩種常見的推靠器結(jié)構(gòu)外,還有一些其他很有特色的推靠器結(jié)構(gòu)。本文以扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀 (以下簡稱 SBT)為例加以介紹。SBT有 6個推靠器,分 2組,3個推靠器聯(lián)動,其結(jié)構(gòu)如圖 11～12。

a) 結(jié)構(gòu) SBT的推靠器結(jié)構(gòu)也同傘式和擺式結(jié)構(gòu)一樣包括了極板、推靠臂、彈簧、滑塊和傳動桿等部件。但這里增加了 2個限位桿,這使其更有特色。如圖 11～12所示。

b) 功能 如圖 11,虛線方框中推靠臂、限位桿、2個滑塊和 1個彈簧組成了 1個類似于夾子的部件,左右各一個“夾子”。夾子可張開、閉合,可分別在限位點A、B和限位點 C、D間移動。推靠器閉合時,可看成限位點A和限位點 C將極板和推靠臂軸向向外拉伸,將推靠器整體拉平,此時“夾子”閉合;推靠器張開時,限位點 B和限位點 D將極板和推靠臂軸向向內(nèi)推動,同時“夾子”張開,給推靠臂向外推力,這樣推靠臂便張開。

c) 特點 SBT沒有采用平行四連桿結(jié)構(gòu),但是只要保證 2個彈簧的推力和尺寸一致,就可以使極板在整個張開過程中與機身平行。極板的貼靠力主要是取決于彈簧,限位點的位置可調(diào)節(jié)極板張開的大小。

SBT沒有采用傘式結(jié)構(gòu)的原因是擋傘式結(jié)構(gòu)在推靠器收攏時,幾個桿件相互疊加,占用體積較大,如果儀器有 6個這樣的推靠器,必然要求儀器有較大的外徑。實際上,使用傘式結(jié)構(gòu)的測井儀多用于裸眼井,井徑較大。而此 SBT用于測量套管井,其外徑盡量小,以滿足各種規(guī)格的套管。所以 SBT沒采用傘式結(jié)構(gòu),而是采用這一獨特結(jié)構(gòu)。

SBT的這種設(shè)計充分體現(xiàn)了測井儀設(shè)計中以軸向空間換徑向空間的設(shè)計理念。

3 推靠器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢[7-8]

眾所周知,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越簡單,則系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。井下惡劣的工作環(huán)境無疑對測井儀器的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

對于扶正和偏移功能的推靠器,在滿足功能的要求下,結(jié)構(gòu)盡量簡單,以保證其穩(wěn)定工作。例如彈簧滑板式扶正器利用材料本身的特性代替了連桿機構(gòu),這大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

對于貼井壁測量功能的推靠器,隨著測井儀器的越來越復(fù)雜,傳感器越來越多,推靠器的數(shù)量也會不斷增加。另外,復(fù)雜的結(jié)構(gòu)必然對其可靠性產(chǎn)生影響,測井儀器的徑向空間是非常有限的,連桿機構(gòu)的推靠器必然面對數(shù)量上的瓶頸。筆者認為非連桿式,甚至是非純機械式的推靠器會成為未來發(fā)展的方向。

4 結(jié)語

本文以推靠器的功能為依據(jù),把測井儀的推靠器分成 3類,分析了每一類推靠器的結(jié)構(gòu)、功能和特點,并對推靠器發(fā)展趨勢進行了展望,希望在推靠器的設(shè)計中能夠提供一定的參考價值。

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Sidewall ContactDevice Summary of Common Logging Tool

BAO Zhong-li,YU Hui-yuan,HOU Hong-wei
(Electromechanical Research Institute of Technical Center,COSL,Yanjiao065201,China)

Sidewall contact device was classified by function,the configuration and features of each kind device were analyzed.By using the classic example,the influencing factors of device power and adherent effectwere analyzed.The article would be a good guidance for designers.

well logging;sidewall contact device;configuration

1001-3482(2010)05-0084-05

TE927.4

A

2009-10-15

鮑忠利(1977-),男,黑龍江大慶人,工程師,碩士研究生,從事聲波測井儀器設(shè)計、方法原理和技術(shù)研究,E-mali:baozhongl@cosl.com.cn。