張 勇，高德利，陳亮帆，劉 奎

水平井電纜牽引器驅(qū)動裝置參數(shù)優(yōu)化

張 勇，高德利，陳亮帆，劉 奎

（中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

為了提高牽引器的牽引能力和井下適應性，建立牽引器驅(qū)動裝置的參數(shù)優(yōu)化計算模型，對驅(qū)動裝置的接觸力系數(shù)以及驅(qū)動臂與支撐臂的長度、張開角等相關參數(shù)進行分析和優(yōu)化計算，分析牽引器的越障能力。分析結(jié)果表明：接觸力系數(shù)越低，則牽引力越大，且隨驅(qū)動臂和支撐臂的張開角的增大而減小，隨該角度的增大而變化趨勢減緩?；?177．8 mm（7英寸）套管的實例，驗證和計算了牽引器驅(qū)動裝置各參數(shù)之間的變化關系和優(yōu)選范圍值。

水平井；牽引器；驅(qū)動裝置；參數(shù)優(yōu)化

隨著石油勘探開發(fā)過程中水平井、大位移井等鉆井技術(shù)的迅猛發(fā)展，井眼條件越來越復雜，修井、測井等井下儀器的下入也變得越來越困難［1-2］。牽引器作為井下儀器的送入工具也越來越受到重視，并逐步發(fā)展起來。

水平井電纜牽引器又稱井下爬行器［3］，由井下驅(qū)動裝置和地面控制系統(tǒng)組成，其中驅(qū)動裝置是牽引器最核心、最關鍵的部分。國外早在1996年開發(fā)了W elletc輪式水平井牽引器，并成功投入使用［3-4］；國內(nèi)的井下牽引器還處于理論研究和設計試驗階段［5］。由于牽引器具有結(jié)構(gòu)緊湊、外徑尺寸小等特點，在井下的牽引、越障以及井眼適應性有限。為此，本文結(jié)合牽引器驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)及原理，建立其驅(qū)動機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化計算模型，對驅(qū)動裝置的接觸力系數(shù)以及驅(qū)動臂與支撐臂的長度、張開角等相關結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析和優(yōu)化計算；并通過分析各參數(shù)之間的變化關系以及牽引器的越障能力，結(jié)合計算實例驗證驅(qū)動裝置參數(shù)優(yōu)化的合理性，以提高牽引器的牽引能力和井下越障適應性。

1　建立優(yōu)化計算模型

圖1　驅(qū)動機構(gòu)

取牽引器驅(qū)動機構(gòu)一側(cè)單元體作為研究對象，參數(shù)與受力簡圖如圖2所示。驅(qū)動機構(gòu)是一個連桿滑塊機構(gòu)，彈簧推力通過滑塊作用于驅(qū)動臂［6］，使驅(qū)動輪受到輪與井壁的接觸正應力，即牽引力來自于驅(qū)動輪與井壁的靜摩擦力；由接觸應力與彈簧推力之間的比率關系引入接觸力系數(shù)η，當接觸力系數(shù)η越小，獲得一定的接觸力所需要的橫向彈簧推力越小。由此可以得到

式中：FN為輪與井壁的接觸正應力；Fq為牽引力；Fj為驅(qū)動輪與井壁的靜摩擦力；μ為靜摩擦因數(shù)；F為彈簧推力；η為接觸力系數(shù)。

圖2　驅(qū)動單元體參數(shù)及受力分析

圖2中：L1為驅(qū)動臂長度；L2為支撐臂長度；L3為支撐點與驅(qū)動輪中心點距離；α1為驅(qū)動臂張開角；α2為支撐臂張開角；D為套管內(nèi)徑；d為驅(qū)動輪直徑。

根據(jù)幾何關系，驅(qū)動臂長度L1、支撐臂長度L2應滿足

建立模型優(yōu)化計算的目標為：驅(qū)動臂長度L1、支撐臂長度L2以及張開角α1、α2在一定的范圍內(nèi)得到合理的接觸力系數(shù)η值，從而提高牽引器的牽引能力和越障能力。

2　模型求解

基于已建立的模型，分析驅(qū)動單元體的受力［7］，如圖3所示。

圖3　驅(qū)動臂和支撐臂受力分析

對于驅(qū)動臂的力學平衡，有

習近平同志在《弘揚“紅船精神”，走在時代前列》的文章中首次提出并闡述了“紅船精神”的內(nèi)涵：“開天辟地、敢為人先的首創(chuàng)精神，堅定理想、百折不撓的奮斗精神，立黨為公、忠誠為民的奉獻精神?！盵2]“紅船精神”作為中國革命精神的源頭，它回答了“黨為什么要出發(fā)”的重大理論問題，彰顯著共產(chǎn)黨人的初心和使命。

對于支撐臂的力學平衡，有

求解得

其中：

式（5）～（6）中：FAx、FAy、FCx、FCy、FDy分別為A、C、D點在x、y方向上的受力分量；其中FCx和彈簧推力F是相等的。

接觸力系數(shù)η越低，說明在推力一定時得到的接觸力越大，牽引力也越大；且接觸力系數(shù)隨驅(qū)動臂張開角α1和支撐臂張開角α2的增大（即：驅(qū)動臂長度和支撐臂長度的減?。┒鴾p小，隨角度的增大而變化越小；當α1、L1越大且確定為某一較大理想值時（即L2越?。?，η值越小。

3　越障分析

水平井井眼情況復雜，由套管工藝、油垢堆積附著等會使井壁出現(xiàn)局部凹凸不平。因此，牽引器在井下能否越過井下的障礙也是牽引器分析和研究的重要部分。由于接觸力系數(shù)η隨驅(qū)動臂張開角α1和支撐臂張開角α2的增大而減小的特點有利于越過凹坑型障礙，因此進行越障分析時應著重于牽引器越過凸臺障礙的情況。牽引器在井下越障時的變化情況如圖4所示。

圖4　越障示意

顯然，牽引器在越障過程中，張開角α1、α2逐漸減小，直至越過障礙角度變?yōu)棣痢?、α′2；相應的接觸力系數(shù)η增大。即越障時，要使驅(qū)動輪獲得一定的接觸正應力FN，需要的彈簧推力越大。設θ為障礙的坡度角（即障礙相對井眼軸線的傾角），越障礙時接觸力系數(shù)為η′，越障后接觸力系數(shù)為η″，則驅(qū)動輪離開正常段驅(qū)上障礙段起始臨界點時，為最小接觸力系數(shù)η′min；而越障后進入障礙段時可以近似為最大接觸力系數(shù)η′max。

驅(qū)動單元體在越過障礙的受力情況如圖5所示。

圖5　驅(qū)動單元體越障受力分析

對于驅(qū)動臂和支撐臂的力學平衡求解可得在障礙起始臨界點，有

越障后進入障礙段的臨界點，有

越障后在障礙段驅(qū)動，有

其中：

牽引器越過障礙物而不發(fā)生倒退等的臨界點是電纜牽引器能夠平穩(wěn)越過的最大高度極限值，即最大越障高度hmax。分析可得

4　實例計算與分析

根據(jù)上述對驅(qū)動裝置各參數(shù)的分析計算以及相互影響關系，以牽引器在?177．8 mm（7英寸）套管內(nèi)爬行的實例進行計算和分析。為了減少牽引過程中的阻力，驅(qū)動輪半徑盡量大一些，取d＝64 mm，L3約為d／2，計算時取L3＝30 mm。優(yōu)化計算中保持L1、L2關系滿足式（3）～（4）；通過式（3）～（4）的參數(shù)關系，取特殊值計算出驅(qū)動臂長度L1與張開角α1的關系，以及α1、α2在一定范圍內(nèi)與所對應支撐臂長度L2的變化關系。關系曲線如圖6～7所示。

圖6　驅(qū)動臂長度L1與張開角α1的關系曲線

圖7　支撐臂長度L2對應α1、α2的變化關系曲線

同樣對式（8）采用特殊值法，計算當α1、α2在一定范圍內(nèi)變化所對應的接觸力系數(shù)η值的變化情況，數(shù)據(jù)變化規(guī)律曲線如圖8所示。此外，由越障分析中所述的牽引器在越障時的張開角α1、α2的變化和接觸力系數(shù)η的變化情況，結(jié)合式（14）～（15）計算越障后張開角α′1、α′2以及接觸力系數(shù)η″對應驅(qū)動臂張開角α1的變化關系，如圖9～10所示。通過計算驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)并分析參數(shù)間關系，以合理的接觸力系數(shù)η為優(yōu)選原則，擬選L1、L2、α1、α2的值為50°≤α1（α2）≤55°；60 mm≤L1≤68 mm；84 mm≤L2≤93 mm；η＝0.240～0.366。在優(yōu)選范圍內(nèi)，α1、α2越大，相應的L1、L2越小，η值越大。

圖8　接觸力系數(shù)η值對應α1、α2的變化關系曲線

圖9　張開角α′1、α′2對應α1的變化關系曲線

圖10　接觸力系數(shù)η″對應α1、α2的變化關系曲線

5　結(jié)論

1） 建立了水平井電纜牽引器驅(qū)動裝置驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力模型及參數(shù)優(yōu)化計算模型，并求解模型得到關鍵目標參數(shù)接觸力系數(shù)的解析函數(shù)。

2） 驅(qū)動裝置的驅(qū)動臂與支撐臂的長度、張開角等相關結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著驅(qū)動機構(gòu)接觸力系數(shù)的大小。在一定范圍內(nèi)，該值越小，在一定的彈簧推力下獲得的接觸應力或牽引力越大；且隨驅(qū)動臂和支撐臂張開角的增大而減小，隨角度的增大而變化越小。

3） 通過對參數(shù)及越障的分析，結(jié)合計算實例驗證驅(qū)動裝置參數(shù)優(yōu)化設計的合理性，能在滿足牽引器結(jié)構(gòu)特性的前提下，提高牽引器的牽引能力和井下越障適應性。

［1］ 劉猛，高進偉，熊萬軍，等．水平井井下儀器送進技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展建議［J］．石油礦場機械，2004，33（6）：16-18．

［2］ H allibutron．W ell tractors for highly deviated and horizontal wells［G］．SP E，28871，1994．

［3］ 高勝，孫文，倪晗，等．石油井下牽引器設計現(xiàn)狀及幾點認識［J］．機械設計，2014，31（2）：1-8．

［4］ K unt Stvaing，John H aukvik，Terje Skeie．The wireline tractor pperations successful in horizontal wells［J］．W orld Oil，1997（4）：125．

［5］ 唐德威，王新杰，鄧宗全，等．水平油井檢測儀器拖動器［J］．哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39（9）：1395-1397．

［6］ 曾華軍，李軍，劉文劍，等．基于復合形法的水平井牽引器驅(qū)動臂設計［J］．石油機械，2010，38（11）：33-35．

［7］ 張宗仁，趙寧，高德利．水平井可差速電纜牽引器設計［J］．石油礦場機械，2012，41（10）：45-49．

Parameter Optimization of Drive Device of Cable Tractor in Horizontal W ells

ZHANG Y ong，GAO Deli，CHEN Liangfan，LIU Kui
（Key Laboratory for Petroleu m Engineering of the Ministry of E ducation，China Uniuersity of Petroleu m（Beijing），Beijing102249，China）

In order to im prove the traction ability，dow n-hole adaptability of tractor，a para meters optimization calculation m odelfor the drive device of tractor was established．Relevant para meters of drive device including contact force coefficient，open-angle and length of drive arm，open-angle and length of support arm and obstacle-surm ounting ability of tractor were analyzed and optimal calculated in this paper．T he analysis resultindicates the contact force coefficient smaller the greater traction is．M oreover，the contact force coefficient decreases with the increase of open-angle of drive arm and support arm，changes smaller along with the increase of angle．In addition，the para meters’changing relationship of drive device and the optimal range of values were verified and calculated．

horizontal well；tractor；drive device；para meter optimization

T E927

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．008

1001-3482（2015）01-0030-04

2014-07-09

國家科技重大專項“復雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設計與控制關鍵技術(shù)”（2011Z X05009-005）；國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目（51221003）

張 勇（1990-），男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事油氣井力學與控制工程研究，E-mail：zy＿1363＠163．co m。