彭蔣偉，席文奎，魯小東，王振宇

（1.西安石油大學機械工程學院，西安 710065；2.西安石油大學石油工程學院，西安 710065）

0 引言

在采油采氣工程中，前期的測井工作更是必不可少，通過測井技術(shù)，以此分析并預測油氣井的使用情況、損壞程度以及該井是否還有開采價值。測井技術(shù)經(jīng)過近百年的發(fā)展，有了實質(zhì)性的突破，從最初的物理測井、數(shù)字化測井，到后來數(shù)控測井，進入21世紀后，隨著集成電路、多功能芯片等高科技的飛速發(fā)展，測井技術(shù)很快便進入一個高可靠、高集成和高精度網(wǎng)絡化測井時代，在此期間，測井方法也是層出不窮，聲波測井法在實際采油采氣工程中也是國內(nèi)外使用較為普遍的一種測井方法[1-3]。聲波測井法的原理是根據(jù)聲波在不同地層物質(zhì)中傳播速度、幅度和頻率等特性的不同來判斷石油等地下礦產(chǎn)的分布，通過分析這種時差信息從而獲得地層各種可用信息，判斷油井的開采價值。國內(nèi)外對測井技術(shù)和測井儀器研發(fā)的深度和廣度也是逐漸向著多元化、立體化以及集成化方向發(fā)展，但是對于測井儀器下放入井的過程中，儀器的磨損或是損壞程度嚴重，從而增加更換零部件的頻率，導致經(jīng)濟效益差，也將嚴重影響數(shù)據(jù)的采集，進而導致分析誤差大，對井的實際情況沒有較準確地把握[4-7]。本文結(jié)合聲波測井法，從減小測井儀器磨損程度和節(jié)約成本兩方面著手，設計一種帶有防撞機構(gòu)的測井儀器，該測井儀器的智能化程度高、分辨率高、采集速率快，準確度高而且節(jié)省成本，運用聲波測井法并結(jié)合設計的測井儀器的相互配合使用，能夠得到更加準確的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析，以此來判斷油氣井是否還有實際開采價值或者開采的必要。

1 設計原理

該測井裝置的設計主要遵循可靠性設計、低功耗設計、計算機輔助設計、優(yōu)化設計以及模塊化設計等原則。它主要包括地面設備和井下設備，地面設備通過總線通訊控制測井儀器的工作流程，包括測井儀的采集和上傳數(shù)據(jù)，同時將采集的數(shù)據(jù)進行處理，繪制成直觀的數(shù)據(jù)圖形，方便地面人員分析地層信息。測井過程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測井過程

2 主要結(jié)構(gòu)組成

2.1 地上設備

地上設備主要功能是將采集到的數(shù)據(jù)進行分析、篩選和繪制顯示出來，并且對井下各種各種操作進行智能控制，電源作為動力機構(gòu)，作用是給電子線路部分及各種控制儀器提供電壓。因此主要由顯示器、PC機、直流電源、測繪儀、遙傳等構(gòu)成。

2.2 地下設備

井下設備主要由發(fā)射∕接收換能模塊、驅(qū)動控制模塊以及其他井下機構(gòu)模塊構(gòu)成。根據(jù)該裝置主要結(jié)構(gòu)組成，確立了本次聲波測井系統(tǒng)的總體設計方案，如圖2所示。

圖2 總體設計方案

2.3 數(shù)據(jù)信號間的傳輸

根據(jù)測井的實際要求，發(fā)射器發(fā)射出所需電信號，發(fā)射換能器將接收到的電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，在此期間，由于發(fā)射換能器所接收到的電信號是弱信號，所以必須對信號進行轉(zhuǎn)換、放大等處理，放大處理后的聲波信號再向地層的各個方向發(fā)射出去，反射回來的聲波信號被接收換能器所接收，并且將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，該信號經(jīng)由總線傳輸給地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)將收集到的各種弱電信號經(jīng)過濾波、整流、放大等一系列處理后，然后將得到的數(shù)據(jù)信息解碼處理成為計算機能識別的信號，通過計算機等智能設備將這些數(shù)據(jù)分析，最后將所得結(jié)果進行顯示出來，以此通過得到的數(shù)據(jù)來分析地層狀況[8]。流程如圖3所示。

圖3 傳輸流程

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及運動狀態(tài)分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

帶有防撞機構(gòu)的聲波測井儀器具有兩種狀態(tài)，圖4所示為打開狀態(tài)，在步進電機的驅(qū)動下，動力系統(tǒng)將軸向運動轉(zhuǎn)化為防撞桿的徑向運動，防撞桿打開。圖5所示關(guān)閉狀態(tài)，儀器下井的過程中，6個防撞桿收攏于下井儀的外殼中，減小下放阻力，提高測井時效，同時也可以減小防撞桿的磨損，并且延長了儀器的使用壽命[9-12]。

圖4 打開狀態(tài)結(jié)構(gòu)

圖5 收縮狀態(tài)結(jié)構(gòu)

3.2 工作原理

初始時處于收縮狀態(tài)，當井下設備慢慢沿井壁下落到給定的高度時，停止下放，相應的控制設備將控制步進電機開始轉(zhuǎn)動，步進電機通過聯(lián)軸器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠帶動螺母向下運動，螺母、彈簧和套筒固接在一起，因此一起向下運動，套筒通過銷釘與支撐桿鉸接在一起，支撐桿又與防撞桿通過銷釘鉸接在一起，防撞桿的一端與圓盤通過銷釘鉸接在一起，所以當螺母向下運動時，支撐桿將推動防撞桿將其撐開。當防撞桿與井壁接觸時，防撞桿另一端安裝的傳感器將接收到信號，并將該信號傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制步進電機停止轉(zhuǎn)動。當打開狀態(tài)到位后，信號發(fā)射器不斷向四周發(fā)射出信號，反射回來的信號由信號接收器將接收到的信號傳遞給此面系統(tǒng)進行分析處理并顯示出來。不再需要采集的數(shù)據(jù)時，控制系統(tǒng)控制步進電機反轉(zhuǎn)，將撐開的結(jié)構(gòu)收縮到初始狀態(tài)，再將井下設備上提出來，測井完畢。

3.3 運動狀態(tài)分析

將測井儀器運動結(jié)構(gòu)簡化后的機構(gòu)運動簡圖如圖6所示。此系統(tǒng)具有3個活動構(gòu)件，4個低副（3個轉(zhuǎn)動副和1個移動副），故機構(gòu)的自由度為：

圖6 機構(gòu)運動簡圖

式中：n為桿件數(shù)；pl為低副；ph為高副。

由式（1）得：F=1

由機械原理可知，如果系統(tǒng)的自由度數(shù)目等于系統(tǒng)的原動件數(shù)目，則系統(tǒng)會有確定的運動。如果系統(tǒng)沒有滿足這個條件，當系統(tǒng)的自由度數(shù)目小于系統(tǒng)的原動件數(shù)目，系統(tǒng)最薄弱的構(gòu)件將會被損壞。當系統(tǒng)的自由度數(shù)目大于系統(tǒng)的原動件數(shù)目，則系統(tǒng)的運動會完全不確定。該系統(tǒng)設計自由度數(shù)目等于原動件的數(shù)目，系統(tǒng)具有唯一的確定性。

利用達朗貝爾原理，對該部分進行動態(tài)靜力學分析，把運動機構(gòu)拆分成相互獨立的桿件，然后分析每個桿件的受力情況，在分析受力時，首先對每個桿件質(zhì)心添加所受外力，然后確定出每個桿件所受的慣性力及慣性力矩，最后列出動力學平衡方程。

（1）測量過程中防撞桿將受到井壁對它的作用力FN，因此如圖7所示，對防撞桿AB進行受力分析，列出動力學平衡方程為：

圖7 防撞桿AB的受力分析

（2）如圖8所示，對支撐桿BC進行受力分析，列出動力學平衡方程為:

圖8 支撐桿BC的受力分析

（3）如圖9所示，對推桿HD進行受力分析，列出動力學平衡方程為:

圖9 推桿DH的受力分析

4 結(jié)果分析

以易損構(gòu)件防撞桿和支撐臂組成的聯(lián)動機構(gòu)為對象，進行有限元分析，分析結(jié)果如圖10～12所示。由圖10和圖11可知，應力和應變最大的地方出現(xiàn)在防撞桿底端鏈接孔周圍，因此最易損部位是在防撞桿底端鏈接孔處，在防撞桿與支撐臂鉸接處也容易出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。由圖12 可知，防撞桿底端鏈接孔處設置有約束，支撐臂將力傳遞到防撞桿時，該聯(lián)動機構(gòu)各處將發(fā)生微小變形，最大變形則出現(xiàn)在防撞桿另一端。

圖10 等效應力云圖

圖11 等效應變云圖

圖12 總位移變形云圖

5 結(jié)束語

本文設計了一種具有收縮膨脹功能的測井儀器，結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，而且收縮膨脹式結(jié)構(gòu)布局和防撞、減振裝置的設計，減小了儀器的磨損程度，節(jié)約成本，延長了使用壽命，符合現(xiàn)代經(jīng)濟型設計理念。

通過有限元分析，得出零部件易損壞的部位，提前做好安全防護準備，減少更換頻率，自動控制系統(tǒng)的使用，使得測井過程智能化程度更高，從而提高了測量精度，為油氣井的開采提供一定的參考價值。