王宏建,張小平,柏　銳,王秀霞,孫東利,袁曉燕

(大慶鉆探工程公司測(cè)井公司　黑龍江　大慶　163412)

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·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

八臂式分動(dòng)推靠器動(dòng)力設(shè)計(jì)分析*

王宏建,張小平,柏銳,王秀霞,孫東利,袁曉燕

(大慶鉆探工程公司測(cè)井公司黑龍江大慶163412)

摘要：提出了一種八臂式分動(dòng)機(jī)械推靠器的實(shí)現(xiàn)方法。 根據(jù)需要完成的功能確定推靠器的工作方式，設(shè)計(jì)它的機(jī)械結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并對(duì)推靠機(jī)構(gòu)各部件進(jìn)行力學(xué)分析，得出驅(qū)動(dòng)壓盤(pán)的力F和推靠力F0的函數(shù)關(guān)系式，代入結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)值，在整個(gè)推靠域上得出推靠力F0和抱緊力的極限值，并對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，八臂式分動(dòng)推靠器機(jī)械結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)合理，極板貼靠井壁嚴(yán)實(shí)，動(dòng)力設(shè)計(jì)符合實(shí)際應(yīng)用要求，機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：井徑測(cè)井;分動(dòng)推靠器;八臂推靠器;極板

0引言

八臂分動(dòng)推靠器是一個(gè)機(jī)械平臺(tái)，可以安裝成像測(cè)井儀器傳感器陣列，采集大量直接的和間接的地下信息[1,2]。比較溫度、壓力特性，推靠器的結(jié)構(gòu)是最先要考慮的[3]。采用分動(dòng)式特別適合于在井徑不規(guī)則地層中進(jìn)行測(cè)量[4]，采用八個(gè)推靠臂能夠增加井壁覆蓋率，但增加運(yùn)行的可靠性困難，這就要求在整個(gè)推靠域上推靠機(jī)構(gòu)在力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)上都要有準(zhǔn)確合理的考慮，達(dá)到運(yùn)行自如，取得可信資料。2011年大慶測(cè)井公司在國(guó)家大慶油田原油4 000萬(wàn)噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)重大科技專項(xiàng)支持下研發(fā)新一代微電阻率掃描成像測(cè)井(簡(jiǎn)稱電成像)技術(shù)，于2013年推出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的推靠器。本文介紹了動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)情況以及儀器應(yīng)用情況。

1儀器構(gòu)成及工作原理

推靠器安裝八支推靠臂獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，八個(gè)極板錯(cuò)落排布，可應(yīng)用于多褶皺、橢圓等各種復(fù)雜的井眼；八個(gè)均勻分布的井徑測(cè)量井眼半徑的幾何變化。傳動(dòng)部分封閉在一個(gè)密封的外殼內(nèi)，不受外界鉆井液和巖石碎屑的影響，動(dòng)力傳動(dòng)效率高，推靠力隨井徑值平緩下降，推靠器內(nèi)安裝有一只5 kΩ行程電位計(jì)，提供了一個(gè)電壓測(cè)量，監(jiān)測(cè)當(dāng)推靠臂伸縮時(shí)施加到推靠臂連接機(jī)構(gòu)上的壓力，用于監(jiān)控探頭的張收情況，幫助故障定位，同時(shí)地面操作員通過(guò)監(jiān)控來(lái)調(diào)節(jié)推靠力獲得清晰的圖像[5]。推靠器分成分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)和動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分，如圖1所示。

圖1　推靠器構(gòu)成及工作原理圖

推靠器在接通110VDC電源后，電機(jī)正轉(zhuǎn)，扭矩通過(guò)行星齒輪減速器，經(jīng)過(guò)防反轉(zhuǎn)制動(dòng)器、聯(lián)軸器、滾珠絲桿后將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩S向直線運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)螺母驅(qū)動(dòng)壓盤(pán)，壓縮彈簧組件，從而推動(dòng)推靠臂向外伸張緊貼井壁。當(dāng)行程電位計(jì)顯示張開(kāi)到位時(shí)，扭矩限制器保護(hù)啟動(dòng)，這是張開(kāi)推靠的動(dòng)作。收攏時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，扭矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反向驅(qū)動(dòng)，壓盤(pán)利用回收軸環(huán)推動(dòng)推靠臂收縮，推靠臂收攏抱緊，當(dāng)行程電位計(jì)顯示收攏到位時(shí)，扭矩限制器保護(hù)啟動(dòng)，收攏完畢。

在推靠狀態(tài)時(shí)，電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓盤(pán)壓縮主彈簧，主彈簧的彈力通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為推靠臂的推靠力；在收攏狀態(tài)時(shí)，電機(jī)動(dòng)力反向驅(qū)動(dòng)壓盤(pán)壓縮緩沖彈簧，克服彈簧力、摩擦力及運(yùn)動(dòng)件的重力作用，把推靠臂收攏。彈簧采用碟簧串聯(lián)組合設(shè)計(jì)，適用于空間小，負(fù)荷大的精密機(jī)械[6]。

2設(shè)計(jì)分析

2.1分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)分析

不考慮極板和推靠臂等零件的質(zhì)量，推靠臂l3為原動(dòng)件，l5為從動(dòng)件，二者相當(dāng)于雙曲柄，極板l4為連桿，與儀器主體組成單自由度的平行四邊形傳動(dòng)機(jī)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)井過(guò)程中極板能夠始終與井壁均勻貼合。推靠器的驅(qū)動(dòng)部分包括連桿l1、曲柄l2和滑塊l0(即推拉桿)相當(dāng)于一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。作用在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的力有驅(qū)動(dòng)壓盤(pán)的力F和推靠力F0，如圖2所示。MN為儀器中心線，AC為儀器外表面，AC與MN平行。圖2集中反映了推靠臂的受力狀態(tài)，圖3～圖5對(duì)每個(gè)桿進(jìn)行受力分析如下：

圖2　整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3　桿1和桿0的受力分析

因?yàn)闂U1是二力桿(重力忽略不計(jì))，受力大小相等，方向相反，并與桿件方向相同。得到三個(gè)受力方程(1)(2)(3)：

T1Y= T2Y

(1)

T1X= T2Y

(2)

(3)

對(duì)于桿0，有方程(4)(5)：

F=-T1X

(4)

N=-T1Y

(5)

得到條件組(一)：

T2X=-F

(6)

T2Y=-F tgγ

(7)

圖4　桿5和桿4的受力分析

根據(jù)桿5是二力桿，得到三個(gè)受力方程(8)(9)(10)：

TBX= T5X

(8)

TBY= T5Y

(9)

(10)

對(duì)于桿4有三個(gè)方程(11)(12)(13)：

F0= T5Y+ T3Y

(11)

T3X= T5X

(12)

0.5·F0·l4·cosα =T5X·l4·sinα+T5Y·l4·cosα

(13)

由式(12)得到式(14)；由式(10)、(13)得到式(15)，式(14)(15)合稱條件組(二)：

T5X= T3X

(14)

T5Y= T3Xtgβ

(15)

圖5　桿2和桿3的受力分析

桿2和桿3所受合力為零，所以有三個(gè)方程(16)(17)(18)：

TAX+ T3X- T2X= 0

(16)

TAY+ T2Y- T3Y= 0

(17)

T2Y·l2·cos[π-(θ-β)]+T3X·l3·sinβ+T3Y·l3·cosβ+T2X·l2·sin[π-(θ-β)]=0

(18)

將條件組(二)代入式(13)得到式(19)；再將(15)、(19)代入(11)，得到式(20)。式(19)(20)合稱條件組(三)：

(19)

(20)

將條件組(一)、(三)式代入式(18)，得到：

(21)

所以，當(dāng)β=0°時(shí)推靠器處于全收狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果為：θ=112.5°，12=30.5 mm，l3=304.8 mm，γ=4.986°,代入式(21)中,得公式(22):

F= 10.44F0

(22)

又當(dāng)β=60°時(shí)推靠器處于全張狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果為：

θ=112.5°，12=30.5 mm，13=304.8 mm，γ=2.614°,代入式(21)中,得式(23):

F= 6.53F0

(23)

2.2彈簧組件的力學(xué)設(shè)計(jì)分析[7]

主彈簧128片，緩沖彈簧20片，兩個(gè)調(diào)整墊片分別為6 mm和24.5 mm，裝配后的間隙為3.7 mm。壓盤(pán)行程h1=30.43 mm，推拉桿10行程h2=29.98 mm。設(shè)計(jì)調(diào)整墊片可以更靈活調(diào)整推靠力。

2.2.1主彈簧組件的最大軸向力的確定

彈簧組件采用碟簧串聯(lián)安裝設(shè)計(jì)，根據(jù)支臂行程關(guān)系，在推靠力為最大，井徑為零(β=0°)狀態(tài)下，計(jì)算主彈簧產(chǎn)生的最大軸向力Qmax。

碟簧實(shí)際使用時(shí)，允許的最大變形量為：

0.75h0=0.75×0.6=0.45 mm

此時(shí)碟簧載荷F即為主彈簧產(chǎn)生的最大軸向力Qmax。

滾珠絲桿承受的最大軸向載荷QA設(shè)計(jì)為：

QA= 6×Qmax =13 726.398 N

將載荷F代入式(22)，得最大推靠力為：F0= 219.14 N

2.2.2最小推靠力的確定

在推靠器處于全張狀態(tài)時(shí)，β=60°，推拉桿l0走完自己的行程，碟簧總變形量為：30.43-3.7=26.73 mm，單片碟簧變形量為0.209 mm，計(jì)算碟簧載荷為1168.695 N，代入公式(23)中，得最小推靠力F0為178.97 N。

2.2.3最大抱緊力確定

儀器收攏時(shí)，推靠臂往儀器軸心收回的力稱為抱緊力QB。緩沖碟簧采用20片碟簧對(duì)疊，外徑D=20 mm，內(nèi)徑d=10.2 mm,厚度t=1 mm,極限行程h0=0.55 mm,高度H=1.55 mm，材料為60Si2MnA。計(jì)算K1= 0.684 。在β=0°，小碟簧并緊而未壓縮時(shí)，滑鍵距離左端面6.29 mm，是碟簧總變形量，得單片碟簧變形量f為0.3 145 mm，同理，計(jì)算緩沖碟簧載荷為1137.127 N，代入式(22)，得到抱緊力QB為108.92 N。

2.3動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、扭矩限制器、防反轉(zhuǎn)制動(dòng)器和聯(lián)軸器組成,結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電機(jī)由非浸油式直流電動(dòng)機(jī)和行星減速器構(gòu)成，置于承壓殼體內(nèi)，通過(guò)2根高壓針引出，整機(jī)為封閉式凸緣法蘭安裝機(jī)構(gòu)。電機(jī)可正反轉(zhuǎn)，輸出功率75 W,轉(zhuǎn)速11 rpm,扭矩42 N·m,額定電壓115 V，額定電流1.2 A。行星傳動(dòng)減速器具有傳動(dòng)比大、效率高和工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)推靠力達(dá)到最大時(shí)滾動(dòng)螺母到達(dá)鍵槽終端，扭矩限制器開(kāi)始起作用，防止扭矩超值損壞儀器，是一種保護(hù)裝置。防反轉(zhuǎn)制動(dòng)器在推開(kāi)或收攏時(shí)實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞；在停止時(shí)，自鎖住電機(jī)和滾珠絲桿軸，防止外力矩?fù)p壞電機(jī)，起保護(hù)作用。聯(lián)軸器聯(lián)接主動(dòng)軸和從動(dòng)軸使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1機(jī)械可靠性

推靠器于2013年7月投產(chǎn)使用至今，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,推靠臂運(yùn)動(dòng)靈活，極板貼靠井壁嚴(yán)實(shí)，故障率低，體現(xiàn)了很高的可靠性。推靠器配套研制有自適應(yīng)的金屬保護(hù)外套，在裝卸和運(yùn)輸過(guò)程中保護(hù)紐扣電極。

3.2測(cè)井效果

在某油田喇8-某05井，圖6為電成像在同一地層獲得的圖像，可以看出安裝八臂分動(dòng)推靠器所獲得的圖像井壁覆蓋率高，地層層理顯示更加清晰，且井壁覆蓋率為85%時(shí)，能夠獲得更全面的地質(zhì)信息。

四條井徑曲線比兩條井徑攜帶的信息要多一些,如圖7所示,在英某-58井中的相同測(cè)量井段，可以看出井壁在多個(gè)方位有不同程度的垮塌現(xiàn)象。

4結(jié)論

1)研制成功了八臂式分動(dòng)推靠器。推靠式分動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為單自由度的平行四邊形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組合,在動(dòng)力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力分析基礎(chǔ)上,推靠力變化范圍和抱緊力符合實(shí)際應(yīng)用,結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。在狹小的空間，推靠機(jī)構(gòu)靈活自如運(yùn)動(dòng)，傳感器陣列貼靠井壁嚴(yán)實(shí)，將井下地層電阻率信息準(zhǔn)確地傳上了地面。

2)八臂式推靠器投入了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，測(cè)井資料的合格率為100%，,在215.9 mm井眼條件下，覆蓋率達(dá)到85%，具有最大的井壁覆蓋率，較大提高了觀測(cè)電阻率信息的質(zhì)和量，是解決復(fù)雜儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)的有力手段。分動(dòng)的八個(gè)井徑臂，獨(dú)立測(cè)量井眼的幾何變化，獲得的信息更真實(shí)更全面。推靠器的成功研制，提高了國(guó)產(chǎn)儀器的裝備水平，增強(qiáng)國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

圖6　不同井眼覆蓋率時(shí)在同一地層獲得的電成像圖

圖7　不同井徑傳感器在同一地層獲得的井徑曲線圖

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陶宏根，王宏建，付有升.成像測(cè)井技術(shù)及其在大慶油田的應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008，20-33.

[2] 肖立志，張?jiān)?，吳文圣，?成像測(cè)井學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010，1-5.

[3] 鮑忠利，于會(huì)媛，侯洪為,等.常見(jiàn)測(cè)井儀器推靠器結(jié)構(gòu)綜述[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(5):84-88.

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Analysis on Power Setting for Respectively-moving Octal-arm Sonde

WANG Hongjian,ZHANG Xiaoping,BAI Rui,WANG Xiuxia,SUN Dongli,YUAN Xiaoyan

(Well Logging Company,Daqing Drilling and Exploration Corporation,Daqing,Heilongjiang 163412，China)

Abstract：A design method for the respectively-moving octal-arm sonde was presented.The sonde′s working mode is determined according to its function to be realized,then the mechanical structure and parameters of the sonde are designed.The functional relation between the driving plate force F and the sonde′s power F0 is established based on the mechanical analysis of every component in the eccentering machinery,and the sonde′s power limit value F0 and its withdrawing force are calculated on its whole working domain by substituting the design values of its structure parameters into the function expression obtained.The power transmission mechanism is also analyzed.Field test and practical application show that the mechanical structure of the sonde and the design values of its parameters are reasonable,and its pads adhere to the sidewall tightly.This sonde has a good reliability in the field application,and its withdrawing force meets the actual requirements on its whole working domain.

Key words：caliper logging；respectively-moving sonde；octal-arm sonde；pad

基金項(xiàng)目：國(guó)家大慶油田原油4000萬(wàn)噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)重大科技專項(xiàng)(2011CZB-007)所屬項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：QR/A0/7-12-01

第一作者簡(jiǎn)介：王宏建,男，1966年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，1989年7月畢業(yè)于大慶石油學(xué)院測(cè)井專業(yè)，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司高級(jí)技術(shù)專家，從事測(cè)井方法、儀器和測(cè)井資料處理解釋的研究工作。E-mail:zhangxp66666@sina.com

中圖法分類號(hào)：P631.84

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)03-0032-05

(收稿日期：2015-11-16編輯：馬小芳)