周渟，秦彥斌，王健，李楊棟，郭忠原，趙朕浩

西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（陜西 西安 710065）

0 引言

水平井測井作業(yè)能準(zhǔn)確獲取地層信息，有助于制定合適的開發(fā)策略，優(yōu)化采收過程，提高油氣產(chǎn)量和采收率。然而在測井時(shí)，由于電纜無法提供鉆壓，測井工具串無法自主下入到較深的水平井段，井下牽引器技術(shù)作為一種創(chuàng)新舉措，能有效解決井下工具串因?yàn)橹亓ο拗茻o法順利輸送到預(yù)定位置的難題[1]。國外公司如Welltec、Smartract、Schlumberger、Sondex 和Omega 等[2]研發(fā)了多款井下牽引器。王金超[3]、鄭杰等[4]基于流體力學(xué)原理，設(shè)計(jì)了以液壓驅(qū)動(dòng)的牽引器；針對(duì)牽引器的支撐機(jī)構(gòu)，Yang等[5]提出基于單向自鎖機(jī)構(gòu)推進(jìn)原理的雙邊可控自鎖機(jī)構(gòu)；劉清友等[6]提出基于斜面自鎖原理的雙向鎖止機(jī)構(gòu)；白相林[7]和張勇等[8]對(duì)牽引器的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其適應(yīng)性并實(shí)現(xiàn)大牽引力作業(yè)要求；彭漢修等[9]針對(duì)伸縮式井下機(jī)器人的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。目前，由于井下高溫高壓環(huán)境和井眼尺寸小等因素，大多數(shù)牽引器難以提供較大的牽引力[10-13]。本文設(shè)計(jì)了一款基于油液體積補(bǔ)償與液壓平衡原理的液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式牽引器，采用液壓平衡回路，牽引器在井下任意深度爬行時(shí)牽引力不因環(huán)境壓強(qiáng)增加而減小；基于體積補(bǔ)償原理，不因深井中環(huán)境溫度的增加而加大油箱壓力，保證牽引力的穩(wěn)定輸出；選用直流無刷浸油式電機(jī)和柱塞泵作為牽引器的動(dòng)力源，采用等功率控制模式，負(fù)載大、轉(zhuǎn)速低、流量小，保證牽引器能在139.7 mm 套管中穩(wěn)定爬行，并提供7 500 N 的牽引力。

1 牽引器系統(tǒng)組成

牽引器在井下工作時(shí)需要有較強(qiáng)的井眼適應(yīng)性，在滿足井下大牽引力作業(yè)的要求下，能穩(wěn)定牽引電纜及測井工具串，表1 給出了牽引器的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。本文牽引器整體采用伸縮式設(shè)計(jì)，液壓驅(qū)動(dòng)與液壓控制，結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺寸小，適應(yīng)井下高溫高壓環(huán)境能力強(qiáng)，由牽引短節(jié)、液壓動(dòng)力短節(jié)和電控短節(jié)3部分組成。牽引短節(jié)由前后結(jié)構(gòu)完全相同的兩組支撐組件串聯(lián)組成，作為牽引器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)起到扶正作用，是牽引器的運(yùn)動(dòng)核心。液壓動(dòng)力短節(jié)由流體控制模塊與油箱動(dòng)力模塊兩部分組成，作為動(dòng)力源存儲(chǔ)液壓油，是牽引器的動(dòng)力核心。電控短節(jié)集成了電源、控制電路和參數(shù)采集等多個(gè)功能模塊，是牽引器的控制核心。牽引器的整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 牽引器系統(tǒng)組成

表1 牽引器性能指標(biāo)

1.1 牽引短節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為牽引短節(jié)裝配示意圖。牽引短節(jié)兩組支撐組件串聯(lián)，主要由殼體、心軸、活塞和支撐塊組成。心軸與殼體聯(lián)成一體，內(nèi)部由許多液壓油路貫通，運(yùn)動(dòng)活塞套在心軸和殼體之間，支撐組件套在運(yùn)動(dòng)活塞上與其固聯(lián)，可以獨(dú)立控制運(yùn)動(dòng)活塞和撐腳活塞的動(dòng)作。支撐組件采用3 組支撐塊周向360°均勻分布，具有良好的定心效果，同時(shí)通過高壓液壓油推動(dòng)撐腳活塞，使支撐塊張開并與井壁緊密貼合，為牽引器運(yùn)動(dòng)提供穩(wěn)定支撐。如果高壓液壓油先注入后運(yùn)動(dòng)活塞液壓缸，再注入前運(yùn)動(dòng)活塞液壓缸，則牽引器向前爬行；反之若先注入前運(yùn)動(dòng)活塞液壓缸，再注入后運(yùn)動(dòng)活塞液壓缸，則牽引器向后爬行。

圖2 牽引短節(jié)裝配圖

1.2 液壓動(dòng)力短節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓動(dòng)力短節(jié)是牽引器的動(dòng)力核心，由流體控制模塊與油箱動(dòng)力模塊兩部分組成。

1.2.1 流體控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為流體控制模塊裝配示意圖。流體控制模塊主要由各種控制閥及液壓油路構(gòu)成，是牽引器的液壓控制樞紐。所用控制閥均為微型插裝閥，定值泄壓閥3的最大控制液壓為0.6 MPa，定值泄壓閥13的最大控制液壓為5 MPa，定值泄壓閥14 的最大控制液壓為12 MPa；以通過電磁閥的小流量液壓油控制液控閥通斷，液控閥控制大流量液壓油路通斷，達(dá)到“以小控大”的目的，實(shí)現(xiàn)液控液驅(qū)。電磁閥通過導(dǎo)線連接到電控短節(jié)的控制中心，根據(jù)程序指令來控制閥的開閉，將高壓液壓油輸送到液壓缸，實(shí)現(xiàn)牽引器的執(zhí)行動(dòng)作。

圖3 流體控制模塊裝配圖

1.2.2 油箱動(dòng)力模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 為油箱動(dòng)力模塊裝配示意圖，主要包含機(jī)泵管組件與液壓平衡筒。機(jī)泵管組件處在油箱內(nèi)，由潛油電機(jī)、導(dǎo)油管和柱塞泵組成。潛油電機(jī)采用等功率控制模式，將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，通過柱塞泵為牽引器爬行提供動(dòng)力。液壓平衡筒由平衡套筒、彈簧、連通管和活塞組成，用于平衡系統(tǒng)壓力以提高牽引器的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。其中彈簧通過連通管用于保證油箱內(nèi)壓略大于環(huán)境壓力，活塞在套筒內(nèi)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使平衡套筒內(nèi)的壓力與外界壓力相接近，起到平衡壓力的作用，并補(bǔ)償油箱內(nèi)被損耗的液壓油液。

圖4 油箱動(dòng)力模塊裝配圖

1.3 電控短節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5為電控短節(jié)裝配示意圖，牽引器電控短節(jié)主要包含牽引接頭、磁定位器、伽馬探測器以及控制電路板。牽引接頭將電纜或測井工具串有效連接在牽引器上，磁定位器用來確定牽引器在井下的位置，伽馬探測器是一種輻射探測設(shè)備，以獲得地層信息，評(píng)估地下巖層、礦藏的性質(zhì)、成分等[14-15]。電控短節(jié)采用集成控制系統(tǒng)方式，選用AT89C52單片機(jī)對(duì)控制閥的線圈進(jìn)行控制，利用壓力和位移傳感器來反饋牽引短節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，以便及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。

圖5 電控短節(jié)裝配圖

1.4 工作原理及運(yùn)動(dòng)過程

圖6為牽引器液壓原理示意圖，圖7 為牽引器的牽引短節(jié)運(yùn)動(dòng)步驟示意圖。牽引器從井口依靠自重下入井中，當(dāng)其無法靠自重下入時(shí)，則通過地面控制系統(tǒng)對(duì)牽引器進(jìn)行操作，液壓系統(tǒng)工作流程如下：

圖6 液壓原理示意圖

圖7 牽引短節(jié)運(yùn)動(dòng)步驟示意圖

1）啟動(dòng)系統(tǒng)，牽引器處于就緒狀態(tài)，即動(dòng)作A狀態(tài)。

2）控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控閉換向閥接通，液壓油注入到后撐腳活塞液壓缸，使后支撐組件張開并貼緊井壁，即動(dòng)作B狀態(tài)。

3）檢測后支撐塊與井壁間的壓力，當(dāng)支撐力達(dá)到要求時(shí)，泄壓閥14 接通，液壓油注入到后運(yùn)動(dòng)活塞液壓缸使后運(yùn)動(dòng)活塞伸出，牽引器向前爬行一次，即動(dòng)作C狀態(tài)。

4）控開換向閥接通，液壓油注入到前撐腳活塞液壓缸使前支撐組件張開。

5）檢測前支撐塊與井壁間的壓力，達(dá)到要求后，控閉換向閥斷開，后支撐組件收回，同時(shí)泄壓閥14斷開，液壓油注入到前運(yùn)動(dòng)活塞液壓缸使前運(yùn)動(dòng)活塞伸出，牽引器向前移動(dòng)一次，即動(dòng)作D狀態(tài)。

6）以上動(dòng)作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，牽引器爬行S 的距離，循環(huán)運(yùn)動(dòng)，直到牽引器爬行到指定位置。

2 牽引器力學(xué)分析

牽引力大小是衡量牽引器性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，牽引器的最大牽引力與支撐塊和管壁之間的摩擦力有重大關(guān)系，摩擦力應(yīng)大于負(fù)載力（主要包括牽引物體的質(zhì)量以及與套管的摩擦力）。由于支撐塊沿周向360°均勻分布成3 組，故以單個(gè)支撐塊組件為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

圖8 支撐組件受力簡圖

易知桿AD、BC和CE均為二力桿件，有：

式中：FA1為前支撐塊在y軸方向的反力，N；FA2為前支撐塊在x軸方向的反力，N；FB1為后支撐塊在y軸方向的反力，N；FB2為后支撐塊在x軸方向的反力，N；N1為支撐反力，N；Fd為撐腳活塞產(chǎn)生的推力，N；α、β為支撐腿與水平軸線的夾角，（°）；

對(duì)DC桿進(jìn)行受力分析，如圖9所示：

圖9 DC桿受力簡圖

對(duì)DC桿列平衡方程有：

式中：F1為支撐塊的支撐力，N；Fx為DC 桿在x軸方向的合力，N；Fy為DC 桿在y軸方向的合力，N；MD為DC 桿在D 點(diǎn)的合力矩，N/m；N1為支撐反力，N；LDC為支撐塊長度，m;LDF為桿受力點(diǎn)到D 點(diǎn)的距離，m;

由式（1）、式（2）整理得：

式（3）為推力Fd和支撐力F1的關(guān)系式，當(dāng)支撐塊與井壁不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)、支撐力不變時(shí)，所需的推力隨α和β的增大而減小。

取f為摩擦系數(shù)，W為總負(fù)載力，有：

液壓缸產(chǎn)生的推力大小由柱塞泵工作壓力決定：

式中：D為液壓缸缸筒直徑，mm；d為液壓缸活塞桿直徑，mm；P為柱塞泵的液壓力，Pa；

由式（3）至式（5）整理得：

式（6）為柱塞泵工作壓力與負(fù)載的關(guān)系式，給定液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d及摩擦系數(shù)f，就能確定柱塞泵工作壓力與負(fù)載的關(guān)系。以牽引器在139.7 mm 套管工作的情況下，選定D=66 mm，d=50 mm，α=30°，β=30°，摩擦系數(shù)f=0.15，此時(shí)，當(dāng)負(fù)載為7 500 N 時(shí)，所需的柱塞泵壓力為9.9 MPa。

柱塞泵性能參數(shù)見表2。最高工作壓力為12 MPa，理論上所能提供的最大負(fù)載為9 089 N，計(jì)算出不同泵壓下的負(fù)載，如圖10所示。

圖10 泵壓與負(fù)載的數(shù)值關(guān)系圖

表2 柱塞泵性能參數(shù)

3 牽引器動(dòng)力學(xué)仿真與分析

有限元方法是一種高效的數(shù)值模擬分析技術(shù)，能夠有效分析支撐塊與套管接觸時(shí)的工作情況，并直觀地展示支撐塊的受力狀態(tài)。使用SolidWorks軟件對(duì)支撐塊與套管進(jìn)行建模，支撐塊齒形選擇45°齒形[16]，設(shè)置好接觸關(guān)系，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，圖11 為牽引器支撐鎖止機(jī)構(gòu)。

圖11 牽引器支撐鎖止機(jī)構(gòu)

3.1 有限元分析前處理

設(shè)定材料屬性，選擇具有高強(qiáng)度與韌性的35CrMo作為支撐塊材料，42CrMo作為套管材料，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 材料的力學(xué)參數(shù)

劃分網(wǎng)格，將牽引器支撐鎖止機(jī)構(gòu)中的一組支撐塊導(dǎo)入ANSYS 軟件中，建立有限元分析模型，利用自動(dòng)網(wǎng)格生成功能劃分網(wǎng)格，同時(shí)因?yàn)橹螇K與套管貼合處存在應(yīng)力集中，對(duì)支撐塊進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，為避免結(jié)果的偶然性，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，最終有限元模型被劃分為79 112 個(gè)單元，網(wǎng)格質(zhì)量為0.976 55，劃分情況如圖12所示。

圖12 網(wǎng)格劃分圖

設(shè)置邊界條件，設(shè)置支撐塊與套管為面面接觸，接觸屬性設(shè)置為Frictional，摩擦系數(shù)0.15，采用增強(qiáng)拉格朗日算法，其余參數(shù)保持默認(rèn)值。對(duì)套管施加固定約束，根據(jù)式（3）求解結(jié)果，對(duì)支撐塊施加14 434 N的力。

3.2 支撐鎖止機(jī)構(gòu)有限元模擬計(jì)算

圖13 為支撐鎖止機(jī)構(gòu)中支撐塊與套管受力的有限元模擬計(jì)算結(jié)果，支撐塊與套管內(nèi)壁深度貼合，支撐塊最大等效應(yīng)力為356.78 MPa，套管內(nèi)壁最大等效應(yīng)力為87.42 MPa，支撐塊與套管的等效應(yīng)力都小于各自的屈服強(qiáng)度，可以安全使用。

圖13 等效應(yīng)力云圖

3.3 支撐鎖止過程動(dòng)力學(xué)仿真

為驗(yàn)證牽引器的合理性，采用Adams 虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)估。首先進(jìn)行三維建模并設(shè)置裝配關(guān)系，將模型另存為Parasolid 格式并導(dǎo)入Adams軟件中，接著對(duì)牽引器進(jìn)行剛體定義、設(shè)定材料種類并添加相應(yīng)約束與力。

圖14 為牽引器支撐塊速度變化圖，3 個(gè)支撐塊以相同速率伸出支撐，這表明牽引器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且密封效果良好，各支撐塊在0.025 s內(nèi)從4.5 m/s減速為零，說明支撐塊能夠緊密貼合井壁并實(shí)現(xiàn)鎖止。

圖14 各支撐塊鎖止過程速度變化曲線

建立仿真環(huán)境，在牽引接頭處通過彈簧與大地建立連接，設(shè)置彈簧的彈性系數(shù)K=100 N/mm，通過測試彈簧所受到的拉力來測量牽引器的牽引力，結(jié)果如圖15 所示。牽引器的最大牽引力可以達(dá)到9 453 N，在0.07 s后彈簧維持在基本穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的力即為牽引器的牽引力，大小為7 849 N。虛擬仿真牽引力稍高于實(shí)際情況，這是因?yàn)榉抡婺Ｐ团c實(shí)際情況存在輕微差異，但仿真結(jié)果與理論力基本一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

圖15 牽引力仿真曲線

3.4 牽引短節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真

由于牽引器整體尺寸較長，為更好地顯示運(yùn)動(dòng)過程，在SolidWorks 軟件中對(duì)牽引短節(jié)在井下水平段進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)前后運(yùn)動(dòng)活塞與撐腳活塞添加線性馬達(dá)，作為源動(dòng)力輸出。仿真運(yùn)動(dòng)過程如圖16 所示（紅色框內(nèi)為支撐機(jī)構(gòu)放大示意圖），仿真結(jié)果與1.4 節(jié)假設(shè)基本一致，說明設(shè)計(jì)合理，運(yùn)動(dòng)可靠。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)牽引器工作環(huán)境及作業(yè)要求的研究，設(shè)計(jì)采用液壓平衡回路，使?fàn)恳髟谂佬袝r(shí)牽引力不因環(huán)境壓強(qiáng)增加而減??；采用體積補(bǔ)償原理，不因深井中環(huán)境溫度的增加而加大油箱壓力，保證牽引力的穩(wěn)定輸出；應(yīng)用SolidWorks 軟件完成了牽引器的三維建模，對(duì)牽引短節(jié)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，證明了牽引器設(shè)計(jì)合理，運(yùn)動(dòng)可靠。

2）建立了牽引器支撐機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)模型,推導(dǎo)了牽引力計(jì)算公式，當(dāng)支撐塊與井壁不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)、支撐力不變時(shí)，牽引力隨柱塞泵泵壓的增加而增大。

3）采用Ansys軟件分析了牽引器支撐鎖止機(jī)構(gòu)與套管的接觸應(yīng)力，運(yùn)用Adams 軟件建立牽引器的虛擬樣機(jī)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。結(jié)果表明：在139.7 mm 套管中，牽引器能穩(wěn)定提供7 500 N的牽引力。