王利寧，陳草棠，包德洲，李玲芝

(中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

微電阻率和井徑測井儀推靠器技術(shù)經(jīng)歷了聯(lián)動式獨立、聯(lián)動式組合、分動式獨立、分動式組合的發(fā)展過程，但是，無論是聯(lián)動式組合還是分動式組合，都是1個電機驅(qū)動1組推靠機構(gòu)工作。分動式組合測井時[1]當(dāng)極板完成目標(biāo)測量井段后無法獨立收回，導(dǎo)致橡膠極板探測器在井徑的全程測量中不必要磨損，同時增加了儀器遇卡風(fēng)險。為了避免這些不利情況的發(fā)生，設(shè)計了一種單電機雙驅(qū)動的微電阻率井徑組合測井儀，該儀器不但具有分動式六臂推靠器獨立運動的特點，還可以在微球微電極橡膠極板完成目標(biāo)井段測量后單獨收回，減少了極板磨損和遇卡概率。

1 單電機雙驅(qū)動推靠系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成

隨著斜井、水平井的開發(fā)和生產(chǎn)效率的提高，對儀器的長度要求越短越好，因此產(chǎn)生了多種形式的組合測井儀。對于帶推靠的儀器進行組合，存在的問題通常是1個電機只能對1組連桿機構(gòu)進行驅(qū)動，要完成對2組推靠機構(gòu)驅(qū)動，就需要2個電機。這在一個儀器中很難實現(xiàn)。因此，設(shè)計微球微電極井徑組合測井儀時，以前面所述的分動式推靠微電極井徑組合儀為基礎(chǔ)，提出一種設(shè)計方案，將需要全井段測井的井徑分為1組，將只需要測量部分井段的微球微電極分為1組。第1組為4個測量探頭，第2組為2個測量探頭，裝有6個探頭的推靠臂可獨立運動[2];排列形式為2組桿系。通過機電結(jié)合對它們進行分別控制，當(dāng)井徑測量臂打開，微球微電極推靠臂也能打開，微球微電極推靠臂收攏后，井徑測量臂仍處于打開的工作狀態(tài)，全程測量完成后實現(xiàn)二次閉合，實現(xiàn)單電機雙驅(qū)動功能。該微電阻率組合測井儀主要由電子線路、推靠系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)組成。

2 雙驅(qū)動推靠器機構(gòu)設(shè)計

2.1 極板推靠臂受力分析及計算

2組桿系6個測量探頭與井壁的接觸性能直接影響到該儀器的測井質(zhì)量，如果作用在探頭上的推靠力偏小，極板與井壁接觸不好，不能準(zhǔn)確測出地層電阻率，井徑探頭會因泥餅結(jié)厚而造成井徑測量值偏小。分動式推靠與聯(lián)動式推靠比較，前者的推靠彈簧無法做得和后者一樣大，所以作用在探頭上的推靠力偏小。用靜力學(xué)對推靠桿系進行受力分析，研究推靠力的影響因素[3]，通過設(shè)計輔助彈簧等方法增加推靠力在合理范圍。

2.1.1 取極板為研究對象

圖1為極板受力分析圖。圖1中β是極板在井下工作時某一時刻與儀器軸心的夾角;α為極板引臂與極板的夾角;假設(shè)井壁對極板的等效集中載荷p極作用于O3;引臂對極板的作用力F13作用于O2。

圖1 極板受力分析圖

平衡方程

由式(2)得，當(dāng) α≠90°時，F(xiàn)13=0。

從微球微電極推靠臂運動軌跡中，可知α≠90°必成立。即極板臂受力F13=0。

由式(3)得

由式(1)得

由式(4)、式(5)得，井壁對極板的等效集中載荷p極的作用點為O1，大小等于推靠臂對極板的作用力F12。

2.1.2 取極板臂為研究對象

圖2為極板臂受力分析圖。假設(shè)β=0，建立p與F的函數(shù)關(guān)系。

圖2 極板臂受力分析圖

列平衡方程式，對O點取矩

式中，F(xiàn)1為彈簧JB的彈簧力;F2為輔助彈簧JBF的彈簧力(見圖3);FX和 FY為極板臂與儀器本體固定鉸鏈聯(lián)接點O處的約束力;λ為不同井徑條件下極板臂在X、Y方向受力角度變化的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

由式(6)可知彈簧力與極板對井壁的推靠力成正比。在OC長度一定的情況下，OA、OB越長，極板對井壁的推靠力就越大。所以在有限的空間進行推靠器設(shè)計時，首先要考慮如何能增加彈簧力，在儀器外徑一定的情況下，盡可能加長OA尺寸，輔助彈簧桿與極板臂的連接點B距C點取最小值。井徑測量桿受力分析及推靠力計算與推靠臂類同。

2.2 雙驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

常規(guī)情況下，1個動力源可完成對1組機構(gòu)的驅(qū)動。但是，受井下空間限制，微球微電極和井徑2組桿系只能共用1個電機。要用1個電機驅(qū)動2組機構(gòu)分別動作，是該儀器的設(shè)計難點之一。為了實現(xiàn)1個電機對2組桿系的驅(qū)動，設(shè)計了2個電路回路及控制桿系分別動作的行程開關(guān)G、行程開關(guān)D、行程開關(guān)E。在結(jié)構(gòu)上設(shè)計有與井徑臂相連接的滑塊H及和極板臂相連接的滑塊K，電機的驅(qū)動點放在滑塊H上，滑塊H的移動會推動滑塊K運動，利用拉簧、壓簧的貯存能量特性通過它們的變形協(xié)助完成2組桿系的分時動作(見圖3)。

圖3 推靠系統(tǒng)示意圖

分動式推靠的驅(qū)動方式是電機通過中心推力桿驅(qū)動承力盤壓縮或釋放與各臂相聯(lián)的彈簧而帶動各推靠臂打開或收攏。但是，該儀器需要驅(qū)動2組機構(gòu)分別動作，若選分動式推靠的驅(qū)動方式，受本身結(jié)構(gòu)限制無法實施，因此，選用了聯(lián)動式推靠的驅(qū)動方式(見圖3)。電機通過推力桿帶動儀器外殼上的推力板前后運動，驅(qū)動滑塊H帶動各臂打開或收攏。選用聯(lián)動式驅(qū)動方式的主要特點:①儀器中心位置去掉了中心推力桿，內(nèi)部空間增大，使彈簧JB、彈簧JJ直徑設(shè)計尺寸增大，彈簧力增大;②彈簧JB、彈簧JJ在徑向分布的分度圓直徑變小，桿件中OA尺寸加長。另外，彈簧選用高強度耐高溫不銹鋼新型材料MP35N替代傳統(tǒng)材料60Si2Mn和1Cr18Ni9Ti，使彈簧剛度增大，提高推靠力[4]。最終井徑推靠力120 N，極板推靠力220 N，滿足設(shè)計要求。

活塞桿與井徑電位器連接的一端位于由密封圈密封的儀器內(nèi)部，壓力為0.1 MPa，活塞桿與井徑測量臂連接的另一端在井下泥漿中，內(nèi)外壓力不平衡，采用給儀器內(nèi)部注入硅油的方法實現(xiàn)內(nèi)外壓平衡，選用橡膠膠囊作為壓力平衡的補償裝置[5]，保證活塞桿運動自如。電機推力桿的壓力平衡是通過在推力桿端面設(shè)計壓力平衡帽擋住井下壓力。

2.3 推靠器控制電路

為了實現(xiàn)微球微電極先于井徑獨立收攏，井徑完成全程測量后實現(xiàn)二次閉合，設(shè)計推靠器控制電路。在控制電路中，有2個電路回路控制3組行程開關(guān)。使2組測量頭同時打開，并分別閉合。圖4為推靠控制電路框圖。它主要由4個繼電器及整流橋組成，由地面供電面板通過纜芯2、10供輔交流，通過繼電器保護電路，該電路的作用是推靠器在推、收狀態(tài)時供電回路通過繼電器與信號電路斷開。交流電壓經(jīng)整流電路輸出帶極性的直流電壓MT+、MT-;再經(jīng)推靠控制電路控制行程開關(guān)的關(guān)閉，最終控制幾組推靠臂的推開與收攏。

3 應(yīng)用效果

當(dāng)儀器通過電纜下放到井中測量段，中接頭U、S之間加正向直流電壓(見圖4)，電機帶動絲杠正轉(zhuǎn)，通過推力桿拉動推力板及滑塊H向右運動使井徑4個測量臂打開?；瑝KH推動滑塊K繼續(xù)向右運動，拉簧被拉伸，使微球微電極推靠臂打開。行程開關(guān)E動作，電機斷電(見圖3)。測井時，6個臂隨井眼的大小打開或收攏并釋放或壓縮彈簧JB、彈簧JJ、輔助彈簧JBF、輔助彈簧JJF。同時井徑4個測量臂隨井眼變化帶動4個活塞桿左右移動使恒流供電的井徑電位器電阻值發(fā)生變化并以直流電壓信號傳輸給地面控制系統(tǒng)。微球微電極完成測井工作后，中接頭U、S之間加反向直流電壓，電機反轉(zhuǎn)，推力板帶動滑塊H，壓簧推動滑塊K向左運動，微球微電極2個推靠臂收攏，中間行程開關(guān)D動作，電機斷電。井徑測量結(jié)束后，中接頭U、R之間加直流電，電機通過另一個電路回路推動滑塊H繼續(xù)向左運動，滑塊H和滑塊K分離，井徑測量臂收攏，行程開關(guān)G動作，電機斷電。

實際測井表明，該儀器推靠力選擇合理，在滿足測井質(zhì)量的同時，微球極板的使用壽命是偏心式微球測井儀極板的2～3倍;微球微電極極板可單獨收回，使其壽命是老式的微電極井徑組合儀極板的3～4倍。

圖4 推靠控制電路框圖

4 結(jié)論

(1)新的優(yōu)化設(shè)計由于使微球微電極井徑組合測井儀獲得良好的性能和測量效果。將推靠力增加到合理范圍，既保證極板和井徑探頭不會加快磨損，同時使井徑探頭和極板均能緊貼井壁，減少了泥漿對橡膠極板探測器的測量結(jié)果的影響。

(2)設(shè)計單電機雙驅(qū)動和運用2個電路回路控制3組行程開關(guān)，使極板完成測量目的井段后可以單獨收回，減少了極板磨損和遇卡概率。四臂井徑全程測量完成后二次閉合，縮短了儀器串的長度，一次測井作業(yè)可同時完成微球、微電位、微梯度、井徑的測量，提高了生產(chǎn)效率。

[1]丁世村.分動式推靠微電極井徑組合儀的設(shè)計和應(yīng)用[J].測井技術(shù)，2003，27(增刊):62-64.

[2]王宏偉.微球微電極井徑組合電路短節(jié)技術(shù)研究[D].長春:吉林大學(xué)，2009.

[3]謝剛.工程力學(xué)[M].沈陽:東北大學(xué)出版社，2001.

[4]徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1991.

[5]趙旻昕.石油測井儀器的耐高壓設(shè)計[J].石油儀器，2009，23(2):12-14.