劉 暢 蘭鐵坤 李 剛 郭心宇 唐德柱

（中海油田服務(wù)股份有限公司，三河 065201）

隨鉆測(cè)量?jī)x（Measurement While Drilling，MWD）在定向鉆井作業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。該儀器可邊鉆井邊測(cè)量井斜和方位[1]。其電子線路及傳感器封裝在一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的銅質(zhì)圓筒內(nèi)，這部分稱(chēng)為探管。其扶正器由金屬骨架注入橡膠形成，具備一定的強(qiáng)度和柔韌性。探管上安裝有兩個(gè)扶正器，用于保證探管居中固定在儀器環(huán)空的中軸線上。MWD探管及扶正器位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 MWD探管及扶正器

井下作業(yè)時(shí)，鉆井泥漿會(huì)經(jīng)環(huán)空長(zhǎng)時(shí)間沖刷探管外壁及扶正器表面，泥漿固相顆粒容易沉積在扶正器和探管外壁之間的縫隙中。儀器出井后，需要拆卸扶正器進(jìn)行設(shè)備維保，但由于縫隙里泥漿堵塞，導(dǎo)致扶正器拆卸十分困難[2]，而且現(xiàn)場(chǎng)通常使用普通工具拆卸，效率低且易損傷扶正器和探管本體。

1 扶正器原有拆卸方式調(diào)查

1.1 原有拆卸方式及優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)拆卸探管扶正器的方式主要有4種，分別為鏈鉗擰拉、金屬棒錘擊、手工切割和機(jī)床切割。各拆卸方式的拆卸情況如下所述。

1.1.1 鏈鉗擰拉

鏈鉗擰拉的拆卸工具如圖2所示。拆卸時(shí)需要用鏈鉗夾住扶正器本體，進(jìn)行邊擰轉(zhuǎn)邊向探管末端拉拽，如圖3所示。由于扶正器抱得很緊，通常需要用兩把大力鏈鉗夾咬扶正器，由兩個(gè)人合力拆卸。這種方式的拆卸工具簡(jiǎn)單常見(jiàn)，但是拆卸過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難度大，并且容易損壞扶正器表面橡膠層，如圖4所示。

圖2 鏈鉗

圖3 鏈鉗擰拉

圖4 鏈鉗拆卸效果

1.1.2 金屬棒錘擊

拆卸探管扶正器的過(guò)程中，若用鏈鉗旋轉(zhuǎn)無(wú)法擰動(dòng)扶正器，通常會(huì)用扁鏟或銅棒往一端進(jìn)行錘擊。拆卸工具和拆卸過(guò)程分別如圖5和圖6所示。這種拆卸方法效果不好，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞扶正器，如圖7所示。

圖5 錘擊工具

圖6 錘擊過(guò)程

圖7 錘擊效果

1.1.3 手工切割

當(dāng)以上兩種方法都無(wú)法將扶正器拆下來(lái)時(shí)，需要用手持切割機(jī)進(jìn)行破壞性切割拆卸，拆卸工具和拆卸過(guò)程分別如圖8和圖9所示。這種拆卸方式會(huì)損壞扶正器，并且很容易切割到探管外筒，從而造成外筒損壞，如圖10所示。

圖8 手持切割機(jī)

圖9 切割過(guò)程

圖10 切割效果

1.1.4 機(jī)床切割

當(dāng)手工拆卸的效果不理想時(shí)，會(huì)將設(shè)備送到機(jī)加工廠用機(jī)床切割拆卸，如圖11所示。這種方式的切割深度精密可控，可以切開(kāi)扶正器，以確保拆卸成功，而且不會(huì)損壞探管外筒，如圖12所示。但是，切割完成后扶正器會(huì)報(bào)廢，如圖13所示，同時(shí)增加了設(shè)備運(yùn)輸、切割所使用的機(jī)床安裝與調(diào)試時(shí)間以及人員協(xié)調(diào)等工作，同時(shí)對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備、人員的要求也大大增加，拆卸成本過(guò)高。

圖11 機(jī)床切割

圖12 機(jī)床切割過(guò)程

圖13 機(jī)床切割效果

1.2 原有拆卸方式應(yīng)用情況及成本

針對(duì)扶正器拆卸方式對(duì)各作業(yè)公司現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，返回?cái)?shù)據(jù)收集匯總見(jiàn)表1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，4種拆卸方式在不同公司都有應(yīng)用，但應(yīng)用頻次不同，其中使用鏈鉗拆卸方式的居多。原有4種拆卸方式的平均效果如下：拆卸人員至少2人，平均拆卸時(shí)間為134 min，扶正器的平均損壞率為66.7%。由此可知，原有拆卸方式耗費(fèi)的時(shí)間和人力成本較高，且拆卸效果差，急需改進(jìn)。

表1 現(xiàn)場(chǎng)4種拆卸方式統(tǒng)計(jì)分析表

2 扶正器拆卸困難原因分析

2.1 扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖14。該結(jié)構(gòu)由金屬圓筒基體加橡膠鑄件構(gòu)成，其圓筒與探管外壁接觸，橡膠鑄件與鉆鋌內(nèi)壁接觸。

圖14 扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖

由圖14可知，金屬圓筒外壁為中間厚兩端薄的流線型結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)泥漿沖刷。圓筒內(nèi)壁與探管外壁有大約0.1 mm的間隙，構(gòu)成了一段環(huán)型空間。為了阻擋高壓泥漿進(jìn)入環(huán)空，在扶正器上下兩端安裝了密封圈，受扶正器壁厚限制，密封圈槽距離端點(diǎn)約20 mm，導(dǎo)致從密封圈到端點(diǎn)20 mm長(zhǎng)的環(huán)空內(nèi)容易淤積泥漿。由于泥漿具有粘性，干結(jié)后會(huì)導(dǎo)致軸向移動(dòng)摩擦力增大。另外，泥漿還具有腐蝕性，點(diǎn)蝕后會(huì)導(dǎo)致探管外壁和扶正器內(nèi)壁變形。

2.2 拆卸過(guò)程受力分析

以常用鏈鉗擰拉拆卸方式為例，對(duì)扶正器拆卸過(guò)程進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果如圖15所示。

圖15 扶正器拆卸受力分析圖

圖15中，F(xiàn)為拆卸作用力方向，可分解為軸向拉力F1和徑向壓力F2，而f為拆卸所受阻力。經(jīng)分析可知：

式中：f1為密封圈的摩擦力；f2為泥漿粘連力，與泥漿介質(zhì)及干結(jié)面積相關(guān)；f3為拆卸時(shí)徑向壓力F2導(dǎo)致的摩擦力。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，總阻力超過(guò)了9 800 N。在阻力構(gòu)成中，f1、f2與拆卸過(guò)程無(wú)關(guān)，f3則與拆卸方式相關(guān)，如常用工具中鏈鉗擰拉和金屬棒錘擊都會(huì)施加徑向壓力，從而導(dǎo)致f3增大。因此，應(yīng)當(dāng)研制一種專(zhuān)用拆卸工具，確保使用該工具拆卸扶正器時(shí)，可施加的拆卸作用力F超過(guò)最大阻力f，并且保持拉力方向應(yīng)沿著軸向，避免產(chǎn)生徑向壓力F2，從而將阻力f3降至最小。

3 新型扶正器拆卸工具研制

3.1 設(shè)計(jì)原理

專(zhuān)用拆卸工具基本原理借鑒了拆卸軸承的常用工具“拉馬”[3]，其基本構(gòu)成包括手柄、螺桿和拉爪，如圖16所示。拉馬工作時(shí)，先由螺桿前端頂住被拆件（軸承）的中心軸，再由拉爪勾住軸承外沿，然后旋轉(zhuǎn)手柄，以提供螺桿前進(jìn)的動(dòng)力。此時(shí)中心軸受到的軸向擠壓力，會(huì)通過(guò)軸承傳遞到拉爪，再由拉爪對(duì)軸承產(chǎn)生反作用力，即與螺桿前進(jìn)方向相反的拉力，當(dāng)拉力大于軸承與中心軸之間的摩擦阻力時(shí)，就可沿軸線將軸承拔出[4]。

圖16 拉馬工具

基于此，根據(jù)拉馬工作原理設(shè)計(jì)了探管扶正器拆卸工具。該工具應(yīng)當(dāng)確保最大拉力接近19 600 N，且工具自身結(jié)構(gòu)及材料強(qiáng)度可承受接近19 600 N的拉力。另外，設(shè)計(jì)工具組裝結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮扶正器的拆卸行程，確保在工具的使用過(guò)程中無(wú)需反復(fù)調(diào)整[5]。

3.2 拆卸工具實(shí)際結(jié)構(gòu)

該拆卸工具的整體結(jié)構(gòu)如圖17所示，按照功能可將該工具分成4個(gè)部分，分別為推舉機(jī)構(gòu)、卡緊機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和止退機(jī)構(gòu)。

圖17 拆卸工具整體結(jié)構(gòu)

3.2.1 推舉機(jī)構(gòu)

推舉機(jī)構(gòu)能夠提供軸向推力，其核心部件是塔式千斤頂，推力能夠達(dá)到19 600 N，推舉行程為326 mm。與千斤頂配套的加工件是固定底座。經(jīng)底座固定后，千斤頂可橫向使用，搖轉(zhuǎn)手柄后，即可提供軸向推力[6]。

3.2.2 卡緊機(jī)構(gòu)

卡緊機(jī)構(gòu)按照扶正器外形輪廓設(shè)計(jì)，采用三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)。夾緊時(shí)，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)螺栓使三爪張開(kāi)或閉合，以調(diào)整夾持直徑大小，從而牢固卡緊扶正器。

3.2.3 伸縮機(jī)構(gòu)

因?yàn)榍Ы镯數(shù)男谐逃邢蓿⑶曳稣骶嚯x探管頂端的位置不固定，因此拉桿臂長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)可調(diào)整，以便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[7]。該機(jī)構(gòu)借鑒了伸縮魚(yú)竿的原理將拉桿設(shè)計(jì)成粗細(xì)兩段，其中粗段是中空的圓形伸縮筒，細(xì)段是斜齒形棘桿，棘桿的長(zhǎng)度即為整個(gè)拉桿臂可調(diào)整的距離。為了確保受力方向不偏斜，在拉桿中部位置有一個(gè)四方形支座，以保證探管居中。

3.2.4 止退機(jī)構(gòu)

止退機(jī)構(gòu)通過(guò)棘桿與棘爪的配合快速固定拉桿長(zhǎng)度[8]。棘桿上的鋸形斜齒向伸出側(cè)傾斜，棘爪與斜齒朝向相同，以便于卡住斜齒。當(dāng)棘爪抬起時(shí)，棘桿才能伸出，而棘桿回縮時(shí)，相鄰的斜齒背面可自動(dòng)頂開(kāi)棘爪。

3.3 工具使用方式

使用工具時(shí)，先將三爪卡盤(pán)固定到待拆卸的扶正器上，使探管從工具中心穿過(guò)，并保證端面與千斤頂接觸，然后壓動(dòng)千斤頂，以推動(dòng)探管端面。此時(shí)，通過(guò)拉桿和卡盤(pán)會(huì)對(duì)扶正器產(chǎn)生軸向的反作用力，當(dāng)該作用力大于總阻力時(shí)，即可拔動(dòng)扶正器。當(dāng)扶正器移動(dòng)距離達(dá)到千斤頂行程末端時(shí)，需要縮回千斤頂，并調(diào)整棘桿的伸出長(zhǎng)度，使探管端面再次與千斤頂接觸，然后壓動(dòng)千斤頂繼續(xù)拉拔扶正器，直至拆除。該工具經(jīng)過(guò)加工、裝配、調(diào)試、制作完成后進(jìn)行了車(chē)間測(cè)試，如圖18所示。車(chē)間測(cè)試證明，該工具使用效果良好，大大縮短了扶正器拆卸時(shí)間，且未發(fā)生拆卸損壞。

圖18 工具車(chē)間應(yīng)用效果

4 推廣及應(yīng)用情況

工具定型后進(jìn)行了推廣應(yīng)用，2019年10月至2019年12月，將該工具推廣至各作業(yè)公司，反饋情況見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，該工具推廣使用后，探管扶正器平均拆卸時(shí)間由原來(lái)的134 min縮短到了13 min，平均參與拆卸人員減少到了1人，扶正器平均損壞率由66.70%降為了0%。

表2 各作業(yè)公司工具應(yīng)用效果調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

新型MWD探管扶正器拆卸工具可滿足現(xiàn)場(chǎng)客戶作業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)降本增效，且具備可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該工具既可應(yīng)用于本公司自研探管扶正器的拆卸，也可適用于行業(yè)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備，具有良好的推廣價(jià)值。近幾年的實(shí)際應(yīng)用表明，新型MWD探管扶正器拆卸工具在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)推廣后，解決了現(xiàn)場(chǎng)人員長(zhǎng)期面臨的技術(shù)困難，大大提高了工作效率，并且降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了原來(lái)工作方式的手部、臉部傷害風(fēng)險(xiǎn)。另外，由無(wú)損拆卸節(jié)約的物料成本和減少拆卸時(shí)間節(jié)約的工時(shí)成本，年均費(fèi)用約77萬(wàn)元。