王宏建,張小平,柏　銳,王秀霞,孫東利,袁曉燕

(大慶鉆探工程公司測井公司　黑龍江　大慶　163412)

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·開發(fā)設(shè)計·

八臂式分動推靠器動力設(shè)計分析*

王宏建,張小平,柏銳,王秀霞,孫東利,袁曉燕

(大慶鉆探工程公司測井公司黑龍江大慶163412)

摘要：提出了一種八臂式分動機(jī)械推靠器的實現(xiàn)方法。 根據(jù)需要完成的功能確定推靠器的工作方式，設(shè)計它的機(jī)械結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并對推靠機(jī)構(gòu)各部件進(jìn)行力學(xué)分析，得出驅(qū)動壓盤的力F和推靠力F0的函數(shù)關(guān)系式，代入結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計值，在整個推靠域上得出推靠力F0和抱緊力的極限值，并對動力傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。經(jīng)過測試和現(xiàn)場應(yīng)用，八臂式分動推靠器機(jī)械結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計合理，極板貼靠井壁嚴(yán)實，動力設(shè)計符合實際應(yīng)用要求，機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：井徑測井;分動推靠器;八臂推靠器;極板

0引言

八臂分動推靠器是一個機(jī)械平臺，可以安裝成像測井儀器傳感器陣列，采集大量直接的和間接的地下信息[1,2]。比較溫度、壓力特性，推靠器的結(jié)構(gòu)是最先要考慮的[3]。采用分動式特別適合于在井徑不規(guī)則地層中進(jìn)行測量[4]，采用八個推靠臂能夠增加井壁覆蓋率，但增加運行的可靠性困難，這就要求在整個推靠域上推靠機(jī)構(gòu)在力學(xué)和運動學(xué)上都要有準(zhǔn)確合理的考慮，達(dá)到運行自如，取得可信資料。2011年大慶測井公司在國家大慶油田原油4 000萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)重大科技專項支持下研發(fā)新一代微電阻率掃描成像測井(簡稱電成像)技術(shù)，于2013年推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的推靠器。本文介紹了動力傳動機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計情況以及儀器應(yīng)用情況。

1儀器構(gòu)成及工作原理

推靠器安裝八支推靠臂獨立運動，八個極板錯落排布，可應(yīng)用于多褶皺、橢圓等各種復(fù)雜的井眼；八個均勻分布的井徑測量井眼半徑的幾何變化。傳動部分封閉在一個密封的外殼內(nèi)，不受外界鉆井液和巖石碎屑的影響，動力傳動效率高，推靠力隨井徑值平緩下降，推靠器內(nèi)安裝有一只5 kΩ行程電位計，提供了一個電壓測量，監(jiān)測當(dāng)推靠臂伸縮時施加到推靠臂連接機(jī)構(gòu)上的壓力，用于監(jiān)控探頭的張收情況，幫助故障定位，同時地面操作員通過監(jiān)控來調(diào)節(jié)推靠力獲得清晰的圖像[5]。推靠器分成分動式推靠機(jī)構(gòu)和動力傳動機(jī)構(gòu)兩部分，如圖1所示。

圖1　推靠器構(gòu)成及工作原理圖

推靠器在接通110VDC電源后，電機(jī)正轉(zhuǎn)，扭矩通過行星齒輪減速器，經(jīng)過防反轉(zhuǎn)制動器、聯(lián)軸器、滾珠絲桿后將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檩S向直線運動，滾動螺母驅(qū)動壓盤，壓縮彈簧組件，從而推動推靠臂向外伸張緊貼井壁。當(dāng)行程電位計顯示張開到位時，扭矩限制器保護(hù)啟動，這是張開推靠的動作。收攏時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，扭矩傳動機(jī)構(gòu)反向驅(qū)動，壓盤利用回收軸環(huán)推動推靠臂收縮，推靠臂收攏抱緊，當(dāng)行程電位計顯示收攏到位時，扭矩限制器保護(hù)啟動，收攏完畢。

在推靠狀態(tài)時，電機(jī)動力驅(qū)動壓盤壓縮主彈簧，主彈簧的彈力通過傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為推靠臂的推靠力；在收攏狀態(tài)時，電機(jī)動力反向驅(qū)動壓盤壓縮緩沖彈簧，克服彈簧力、摩擦力及運動件的重力作用，把推靠臂收攏。彈簧采用碟簧串聯(lián)組合設(shè)計，適用于空間小，負(fù)荷大的精密機(jī)械[6]。

2設(shè)計分析

2.1分動式推靠機(jī)構(gòu)力學(xué)設(shè)計分析

不考慮極板和推靠臂等零件的質(zhì)量，推靠臂l3為原動件，l5為從動件，二者相當(dāng)于雙曲柄，極板l4為連桿，與儀器主體組成單自由度的平行四邊形傳動機(jī)構(gòu),優(yōu)點是在測井過程中極板能夠始終與井壁均勻貼合。推靠器的驅(qū)動部分包括連桿l1、曲柄l2和滑塊l0(即推拉桿)相當(dāng)于一個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。作用在傳動機(jī)構(gòu)上的力有驅(qū)動壓盤的力F和推靠力F0，如圖2所示。MN為儀器中心線，AC為儀器外表面，AC與MN平行。圖2集中反映了推靠臂的受力狀態(tài)，圖3～圖5對每個桿進(jìn)行受力分析如下：

圖2　整體結(jié)構(gòu)簡圖

圖3　桿1和桿0的受力分析

因為桿1是二力桿(重力忽略不計)，受力大小相等，方向相反，并與桿件方向相同。得到三個受力方程(1)(2)(3)：

T1Y= T2Y

(1)

T1X= T2Y

(2)

(3)

對于桿0，有方程(4)(5)：

F=-T1X

(4)

N=-T1Y

(5)

得到條件組(一)：

T2X=-F

(6)

T2Y=-F tgγ

(7)

圖4　桿5和桿4的受力分析

根據(jù)桿5是二力桿，得到三個受力方程(8)(9)(10)：

TBX= T5X

(8)

TBY= T5Y

(9)

(10)

對于桿4有三個方程(11)(12)(13)：

F0= T5Y+ T3Y

(11)

T3X= T5X

(12)

0.5·F0·l4·cosα =T5X·l4·sinα+T5Y·l4·cosα

(13)

由式(12)得到式(14)；由式(10)、(13)得到式(15)，式(14)(15)合稱條件組(二)：

T5X= T3X

(14)

T5Y= T3Xtgβ

(15)

圖5　桿2和桿3的受力分析

桿2和桿3所受合力為零，所以有三個方程(16)(17)(18)：

TAX+ T3X- T2X= 0

(16)

TAY+ T2Y- T3Y= 0

(17)

T2Y·l2·cos[π-(θ-β)]+T3X·l3·sinβ+T3Y·l3·cosβ+T2X·l2·sin[π-(θ-β)]=0

(18)

將條件組(二)代入式(13)得到式(19)；再將(15)、(19)代入(11)，得到式(20)。式(19)(20)合稱條件組(三)：

(19)

(20)

將條件組(一)、(三)式代入式(18)，得到：

(21)

所以，當(dāng)β=0°時推靠器處于全收狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計結(jié)果為：θ=112.5°，12=30.5 mm，l3=304.8 mm，γ=4.986°,代入式(21)中,得公式(22):

F= 10.44F0

(22)

又當(dāng)β=60°時推靠器處于全張狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計結(jié)果為：

θ=112.5°，12=30.5 mm，13=304.8 mm，γ=2.614°,代入式(21)中,得式(23):

F= 6.53F0

(23)

2.2彈簧組件的力學(xué)設(shè)計分析[7]

主彈簧128片，緩沖彈簧20片，兩個調(diào)整墊片分別為6 mm和24.5 mm，裝配后的間隙為3.7 mm。壓盤行程h1=30.43 mm，推拉桿10行程h2=29.98 mm。設(shè)計調(diào)整墊片可以更靈活調(diào)整推靠力。

2.2.1主彈簧組件的最大軸向力的確定

彈簧組件采用碟簧串聯(lián)安裝設(shè)計，根據(jù)支臂行程關(guān)系，在推靠力為最大，井徑為零(β=0°)狀態(tài)下，計算主彈簧產(chǎn)生的最大軸向力Qmax。

碟簧實際使用時，允許的最大變形量為：

0.75h0=0.75×0.6=0.45 mm

此時碟簧載荷F即為主彈簧產(chǎn)生的最大軸向力Qmax。

滾珠絲桿承受的最大軸向載荷QA設(shè)計為：

QA= 6×Qmax =13 726.398 N

將載荷F代入式(22)，得最大推靠力為：F0= 219.14 N

2.2.2最小推靠力的確定

在推靠器處于全張狀態(tài)時，β=60°，推拉桿l0走完自己的行程，碟簧總變形量為：30.43-3.7=26.73 mm，單片碟簧變形量為0.209 mm，計算碟簧載荷為1168.695 N，代入公式(23)中，得最小推靠力F0為178.97 N。

2.2.3最大抱緊力確定

儀器收攏時，推靠臂往儀器軸心收回的力稱為抱緊力QB。緩沖碟簧采用20片碟簧對疊，外徑D=20 mm，內(nèi)徑d=10.2 mm,厚度t=1 mm,極限行程h0=0.55 mm,高度H=1.55 mm，材料為60Si2MnA。計算K1= 0.684 。在β=0°，小碟簧并緊而未壓縮時，滑鍵距離左端面6.29 mm，是碟簧總變形量，得單片碟簧變形量f為0.3 145 mm，同理，計算緩沖碟簧載荷為1137.127 N，代入式(22)，得到抱緊力QB為108.92 N。

2.3動力傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計分析

動力傳動機(jī)構(gòu)由電機(jī)、扭矩限制器、防反轉(zhuǎn)制動器和聯(lián)軸器組成,結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電機(jī)由非浸油式直流電動機(jī)和行星減速器構(gòu)成，置于承壓殼體內(nèi)，通過2根高壓針引出，整機(jī)為封閉式凸緣法蘭安裝機(jī)構(gòu)。電機(jī)可正反轉(zhuǎn)，輸出功率75 W,轉(zhuǎn)速11 rpm,扭矩42 N·m,額定電壓115 V，額定電流1.2 A。行星傳動減速器具有傳動比大、效率高和工作平穩(wěn)等優(yōu)點。

當(dāng)推靠力達(dá)到最大時滾動螺母到達(dá)鍵槽終端，扭矩限制器開始起作用，防止扭矩超值損壞儀器，是一種保護(hù)裝置。防反轉(zhuǎn)制動器在推開或收攏時實現(xiàn)扭矩傳遞；在停止時，自鎖住電機(jī)和滾珠絲桿軸，防止外力矩?fù)p壞電機(jī)，起保護(hù)作用。聯(lián)軸器聯(lián)接主動軸和從動軸使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩。

3現(xiàn)場應(yīng)用

3.1機(jī)械可靠性

推靠器于2013年7月投產(chǎn)使用至今，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,推靠臂運動靈活，極板貼靠井壁嚴(yán)實，故障率低，體現(xiàn)了很高的可靠性。推靠器配套研制有自適應(yīng)的金屬保護(hù)外套，在裝卸和運輸過程中保護(hù)紐扣電極。

3.2測井效果

在某油田喇8-某05井，圖6為電成像在同一地層獲得的圖像，可以看出安裝八臂分動推靠器所獲得的圖像井壁覆蓋率高，地層層理顯示更加清晰，且井壁覆蓋率為85%時，能夠獲得更全面的地質(zhì)信息。

四條井徑曲線比兩條井徑攜帶的信息要多一些,如圖7所示,在英某-58井中的相同測量井段，可以看出井壁在多個方位有不同程度的垮塌現(xiàn)象。

4結(jié)論

1)研制成功了八臂式分動推靠器。推靠式分動機(jī)構(gòu)設(shè)計為單自由度的平行四邊形傳動機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組合,在動力和傳動機(jī)構(gòu)受力分析基礎(chǔ)上,推靠力變化范圍和抱緊力符合實際應(yīng)用,結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理。在狹小的空間，推靠機(jī)構(gòu)靈活自如運動，傳感器陣列貼靠井壁嚴(yán)實，將井下地層電阻率信息準(zhǔn)確地傳上了地面。

2)八臂式推靠器投入了現(xiàn)場應(yīng)用，測井資料的合格率為100%，,在215.9 mm井眼條件下，覆蓋率達(dá)到85%，具有最大的井壁覆蓋率，較大提高了觀測電阻率信息的質(zhì)和量，是解決復(fù)雜儲層測井評價的有力手段。分動的八個井徑臂，獨立測量井眼的幾何變化，獲得的信息更真實更全面。推靠器的成功研制，提高了國產(chǎn)儀器的裝備水平，增強(qiáng)國際市場的競爭實力。

圖6　不同井眼覆蓋率時在同一地層獲得的電成像圖

圖7　不同井徑傳感器在同一地層獲得的井徑曲線圖

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陶宏根，王宏建，付有升.成像測井技術(shù)及其在大慶油田的應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008，20-33.

[2] 肖立志，張元中，吳文圣，等.成像測井學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010，1-5.

[3] 鮑忠利，于會媛，侯洪為,等.常見測井儀器推靠器結(jié)構(gòu)綜述[J].石油礦場機(jī)械,2010,39(5):84-88.

[4] 覃軍，龔子華，周志毅,等.新型雙井徑液壓推靠器的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2005,33(4):51-52.

[5] 王宏建,張小平,譚鑫,等.成像測井技術(shù)研究項目總結(jié)報告[Z].大慶鉆探工程公司測井公司,2012

[6] 王雷，陳立強(qiáng)，秦嶺,等.數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠用碟形彈簧壓縮量的計算[J].世界制造技術(shù)與裝備市場,2013,26(5):105-108.

[7] 徐灝，蔡春源，嚴(yán)雋其，等.機(jī)械設(shè)計手冊(第2版第3卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

Analysis on Power Setting for Respectively-moving Octal-arm Sonde

WANG Hongjian,ZHANG Xiaoping,BAI Rui,WANG Xiuxia,SUN Dongli,YUAN Xiaoyan

(Well Logging Company,Daqing Drilling and Exploration Corporation,Daqing,Heilongjiang 163412，China)

Abstract：A design method for the respectively-moving octal-arm sonde was presented.The sonde′s working mode is determined according to its function to be realized,then the mechanical structure and parameters of the sonde are designed.The functional relation between the driving plate force F and the sonde′s power F0 is established based on the mechanical analysis of every component in the eccentering machinery,and the sonde′s power limit value F0 and its withdrawing force are calculated on its whole working domain by substituting the design values of its structure parameters into the function expression obtained.The power transmission mechanism is also analyzed.Field test and practical application show that the mechanical structure of the sonde and the design values of its parameters are reasonable,and its pads adhere to the sidewall tightly.This sonde has a good reliability in the field application,and its withdrawing force meets the actual requirements on its whole working domain.

Key words：caliper logging；respectively-moving sonde；octal-arm sonde；pad

基金項目：國家大慶油田原油4000萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)重大科技專項(2011CZB-007)所屬項目，項目編號：QR/A0/7-12-01

第一作者簡介：王宏建,男，1966年生，教授級高級工程師，博士，1989年7月畢業(yè)于大慶石油學(xué)院測井專業(yè)，中國石油天然氣集團(tuán)公司高級技術(shù)專家，從事測井方法、儀器和測井資料處理解釋的研究工作。E-mail:zhangxp66666@sina.com

中圖法分類號：P631.84

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0032-05

(收稿日期：2015-11-16編輯：馬小芳)