彭蔣偉，席文奎，魯小東，王振宇

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065；2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

在采油采氣工程中，前期的測(cè)井工作更是必不可少，通過(guò)測(cè)井技術(shù)，以此分析并預(yù)測(cè)油氣井的使用情況、損壞程度以及該井是否還有開(kāi)采價(jià)值。測(cè)井技術(shù)經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，有了實(shí)質(zhì)性的突破，從最初的物理測(cè)井、數(shù)字化測(cè)井，到后來(lái)數(shù)控測(cè)井，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著集成電路、多功能芯片等高科技的飛速發(fā)展，測(cè)井技術(shù)很快便進(jìn)入一個(gè)高可靠、高集成和高精度網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井時(shí)代，在此期間，測(cè)井方法也是層出不窮，聲波測(cè)井法在實(shí)際采油采氣工程中也是國(guó)內(nèi)外使用較為普遍的一種測(cè)井方法[1-3]。聲波測(cè)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(lái)判斷石油等地下礦產(chǎn)的分布，通過(guò)分析這種時(shí)差信息從而獲得地層各種可用信息，判斷油井的開(kāi)采價(jià)值。國(guó)內(nèi)外對(duì)測(cè)井技術(shù)和測(cè)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(duì)于測(cè)井儀器下放入井的過(guò)程中，儀器的磨損或是損壞程度嚴(yán)重，從而增加更換零部件的頻率，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益差，也將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而導(dǎo)致分析誤差大，對(duì)井的實(shí)際情況沒(méi)有較準(zhǔn)確地把握[4-7]。本文結(jié)合聲波測(cè)井法，從減小測(cè)井儀器磨損程度和節(jié)約成本兩方面著手，設(shè)計(jì)一種帶有防撞機(jī)構(gòu)的測(cè)井儀器，該測(cè)井儀器的智能化程度高、分辨率高、采集速率快，準(zhǔn)確度高而且節(jié)省成本，運(yùn)用聲波測(cè)井法并結(jié)合設(shè)計(jì)的測(cè)井儀器的相互配合使用，能夠得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，以此來(lái)判斷油氣井是否還有實(shí)際開(kāi)采價(jià)值或者開(kāi)采的必要。

1 設(shè)計(jì)原理

該測(cè)井裝置的設(shè)計(jì)主要遵循可靠性設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及模塊化設(shè)計(jì)等原則。它主要包括地面設(shè)備和井下設(shè)備，地面設(shè)備通過(guò)總線通訊控制測(cè)井儀器的工作流程，包括測(cè)井儀的采集和上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)井過(guò)程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)井過(guò)程

2 主要結(jié)構(gòu)組成

2.1 地上設(shè)備

地上設(shè)備主要功能是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選和繪制顯示出來(lái)，并且對(duì)井下各種各種操作進(jìn)行智能控制，電源作為動(dòng)力機(jī)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(jī)、直流電源、測(cè)繪儀、遙傳等構(gòu)成。

2.2 地下設(shè)備

井下設(shè)備主要由發(fā)射∕接收換能模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊以及其他井下機(jī)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(cè)井系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案

2.3 數(shù)據(jù)信號(hào)間的傳輸

根據(jù)測(cè)井的實(shí)際要求，發(fā)射器發(fā)射出所需電信號(hào)，發(fā)射換能器將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，在此期間，由于發(fā)射換能器所接收到的電信號(hào)是弱信號(hào)，所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大等處理，放大處理后的聲波信號(hào)再向地層的各個(gè)方向發(fā)射出去，反射回來(lái)的聲波信號(hào)被接收換能器所接收，并且將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)能識(shí)別的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備將這些數(shù)據(jù)分析，最后將所得結(jié)果進(jìn)行顯示出來(lái)，以此通過(guò)得到的數(shù)據(jù)來(lái)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(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

帶有防撞機(jī)構(gòu)的聲波測(cè)井儀器具有兩種狀態(tài)，圖4所示為打開(kāi)狀態(tài)，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)力系統(tǒng)將軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為防撞桿的徑向運(yùn)動(dòng)，防撞桿打開(kāi)。圖5所示關(guān)閉狀態(tài)，儀器下井的過(guò)程中，6個(gè)防撞桿收攏于下井儀的外殼中，減小下放阻力，提高測(cè)井時(shí)效，同時(shí)也可以減小防撞桿的磨損，并且延長(zhǎng)了儀器的使用壽命[9-12]。

圖4 打開(kāi)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(shí)處于收縮狀態(tài)，當(dāng)井下設(shè)備慢慢沿井壁下落到給定的高度時(shí)，停止下放，相應(yīng)的控制設(shè)備將控制步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)螺母向下運(yùn)動(dòng)，螺母、彈簧和套筒固接在一起，因此一起向下運(yùn)動(dòng)，套筒通過(guò)銷釘與支撐桿鉸接在一起，支撐桿又與防撞桿通過(guò)銷釘鉸接在一起，防撞桿的一端與圓盤(pán)通過(guò)銷釘鉸接在一起，所以當(dāng)螺母向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，支撐桿將推動(dòng)防撞桿將其撐開(kāi)。當(dāng)防撞桿與井壁接觸時(shí)，防撞桿另一端安裝的傳感器將接收到信號(hào)，并將該信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)打開(kāi)狀態(tài)到位后，信號(hào)發(fā)射器不斷向四周發(fā)射出信號(hào)，反射回來(lái)的信號(hào)由信號(hào)接收器將接收到的信號(hào)傳遞給此面系統(tǒng)進(jìn)行分析處理并顯示出來(lái)。不再需要采集的數(shù)據(jù)時(shí)，控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，將撐開(kāi)的結(jié)構(gòu)收縮到初始狀態(tài)，再將井下設(shè)備上提出來(lái)，測(cè)井完畢。

3.3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

將測(cè)井儀器運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。此系統(tǒng)具有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，4個(gè)低副（3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1個(gè)移動(dòng)副），故機(jī)構(gòu)的自由度為：

圖6 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(jī)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(dòng)件數(shù)目，則系統(tǒng)會(huì)有確定的運(yùn)動(dòng)。如果系統(tǒng)沒(méi)有滿足這個(gè)條件，當(dāng)系統(tǒng)的自由度數(shù)目小于系統(tǒng)的原動(dòng)件數(shù)目，系統(tǒng)最薄弱的構(gòu)件將會(huì)被損壞。當(dāng)系統(tǒng)的自由度數(shù)目大于系統(tǒng)的原動(dòng)件數(shù)目，則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)會(huì)完全不確定。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由度數(shù)目等于原動(dòng)件的數(shù)目，系統(tǒng)具有唯一的確定性。

利用達(dá)朗貝爾原理，對(duì)該部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力學(xué)分析，把運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆分成相互獨(dú)立的桿件，然后分析每個(gè)桿件的受力情況，在分析受力時(shí)，首先對(duì)每個(gè)桿件質(zhì)心添加所受外力，然后確定出每個(gè)桿件所受的慣性力及慣性力矩，最后列出動(dòng)力學(xué)平衡方程。

（1）測(cè)量過(guò)程中防撞桿將受到井壁對(duì)它的作用力FN，因此如圖7所示，對(duì)防撞桿AB進(jìn)行受力分析，列出動(dòng)力學(xué)平衡方程為：

圖7 防撞桿AB的受力分析

（2）如圖8所示，對(duì)支撐桿BC進(jìn)行受力分析，列出動(dòng)力學(xué)平衡方程為:

圖8 支撐桿BC的受力分析

（3）如圖9所示，對(duì)推桿HD進(jìn)行受力分析，列出動(dòng)力學(xué)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(dòng)機(jī)構(gòu)為對(duì)象，進(jìn)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(yīng)力和應(yīng)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(shè)置有約束，支撐臂將力傳遞到防撞桿時(shí)，該聯(lián)動(dòng)機(jī)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(yīng)力云圖

圖11 等效應(yīng)變?cè)茍D

圖12 總位移變形云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具有收縮膨脹功能的測(cè)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(shè)計(jì)，減小了儀器的磨損程度，節(jié)約成本，延長(zhǎng)了使用壽命，符合現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)型設(shè)計(jì)理念。

通過(guò)有限元分析，得出零部件易損壞的部位，提前做好安全防護(hù)準(zhǔn)備，減少更換頻率，自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用，使得測(cè)井過(guò)程智能化程度更高，從而提高了測(cè)量精度，為油氣井的開(kāi)采提供一定的參考價(jià)值。