劃船型連續(xù)管井下牽引器初步原理設(shè)計(jì)和可行性分析

黃 滿

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢 430070

0 引言

連續(xù)管鉆井開始于上世紀(jì)90年代，到目前為止，全世界使用連續(xù)管鉆井7000余口，且每年增加750～850。連續(xù)管鉆井降阻減磨的方法之一是使用井下牽引器。

1 現(xiàn)存牽引器簡介

目前市場上主要有三家公司提供井下牽引器。Welltec公司的井下牽引器：牽引器由上下連接短節(jié)，渦輪發(fā)電機(jī)和輪子組成。輪子可以從體內(nèi)展開，接處井壁，并自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)連續(xù)管向前運(yùn)動(dòng)。Western Well Tool公司的井下牽引器：牽引器由控制組件和前后軸組件構(gòu)成。前后軸組件相互配合，可以實(shí)現(xiàn)牽引器循環(huán)向前涌動(dòng)，實(shí)現(xiàn)牽引器對連續(xù)管的牽引作用。

2 劃船型牽引器

受劃船動(dòng)作的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便的井下牽引器，牽引動(dòng)作由類似于劃船的動(dòng)作組成。結(jié)構(gòu)如圖1。圖中內(nèi)桿4、壓緊彈簧5、回復(fù)彈簧6、支撐板7和外套8組成一組“劃船”機(jī)構(gòu)，沿外殼圓周可以安裝多組“劃船”機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)牽引器與井壁的多點(diǎn)接觸和增強(qiáng)牽引效果。

外殼1的作用是與上部的連續(xù)桿和下部的鉆具組合相連接，保護(hù)殼內(nèi)的機(jī)構(gòu)。外套2與內(nèi)桿相互作用，內(nèi)槽是其核心構(gòu)成。其徑向內(nèi)表面和軸向內(nèi)表面與內(nèi)桿4的一端相接處。徑向內(nèi)表面使內(nèi)桿在徑向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。軸向內(nèi)表面對內(nèi)桿4施加軸向的力，該力對支撐板7與外套8的接觸點(diǎn)的力矩使內(nèi)桿4有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，內(nèi)桿4與外套8相互作用，使外套8在壓緊井壁的同時(shí)，有相對井壁滑動(dòng)的趨勢，產(chǎn)生摩擦力。井壁對外套8的力使?fàn)恳飨蚯斑\(yùn)動(dòng)。簡易水輪機(jī)3當(dāng)鉆井液流過時(shí)，水輪機(jī)會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。是整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。內(nèi)桿4與凸輪機(jī)構(gòu)相互配合，獲得徑向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和軸向類似于劃船的動(dòng)作。并傳遞給外套8。筒內(nèi)彈簧5一端與外套8連接，一端與內(nèi)桿4連接，勁度系數(shù)比回復(fù)彈簧6大許多。當(dāng)外套8被推出外殼1，而且外殼1外表面與井壁間間隙比較小，此時(shí)筒內(nèi)彈簧壓縮，使外套外端面壓緊井壁?；貜?fù)彈簧6與支撐板7和外套8相連接，當(dāng)外套8的推出行程結(jié)束，回復(fù)彈簧將外套壓回內(nèi)殼。外套8與內(nèi)桿4相連接，使內(nèi)桿的一端壓在凸輪機(jī)構(gòu)內(nèi)表面上不致脫落。其勁度系數(shù)比筒內(nèi)彈簧小很多。支撐板7與外殼相配合接觸，其內(nèi)側(cè)有小突起，與外套8兩側(cè)的凹槽小配合，起到給外套8導(dǎo)向和轉(zhuǎn)動(dòng)支撐點(diǎn)的作用。其與外套8之間的間隙用密封材料堵緊。外套8有圓柱形內(nèi)腔，筒內(nèi)彈簧6和內(nèi)桿4插入其中。兩側(cè)的凹槽與支撐板7相配合，起到導(dǎo)向和作旋轉(zhuǎn)的支撐點(diǎn)的作用。

3 工作原理

鉆井液從牽引器內(nèi)流過，水輪機(jī)在與鉆井液的作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)與內(nèi)桿相互作用，使內(nèi)桿產(chǎn)生徑向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和軸向的類似于劃船的運(yùn)動(dòng)。內(nèi)桿與外套通過筒內(nèi)彈簧連接。外套與支撐板通過凹槽和小突起的配合連接，其間還連接有回復(fù)彈簧。內(nèi)桿使外套壓緊井壁的同時(shí)沿軸向滑動(dòng)，井壁與外套外端面相接觸，井壁作用于外套外端面的力使?fàn)恳飨蚯斑\(yùn)動(dòng)，從而使?fàn)恳骶哂袪恳饔?。外套能夠滑?dòng)是因?yàn)橹螚U上的突起和外套兩側(cè)凹槽的配合起點(diǎn)支撐作用，并且凸輪機(jī)構(gòu)在內(nèi)桿上作用有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的力而產(chǎn)生類似杠桿的運(yùn)動(dòng)過程，即外套的像劃船一樣滑動(dòng)。

圖3 外套伸出外殼并做劃船運(yùn)動(dòng)

4 可行性分析

尺寸的可行性：外殼1的外徑79.4mm，內(nèi)徑75mm，“劃船”機(jī)構(gòu)各組件尺寸：內(nèi)桿長18mm，直徑6mm；外套長23mm，外套內(nèi)孔深19mm，孔徑8mm，外端面正方形15mm*15mm，兩側(cè)凹槽深2mm，兩端半圓心距12mm，半圓直徑2mm；內(nèi)筒彈簧長14mm，直徑5mm；支撐板內(nèi)側(cè)突起2.2mm，直徑1.8mm。根據(jù)上述尺寸計(jì)算得，外套伸出外殼外表面的最大長度外12mm。有上述可知徑向尺寸都滿足設(shè)計(jì)要求，對于鉆井工具井內(nèi)設(shè)備，最為關(guān)鍵的就是徑向尺寸，所以可以得出本設(shè)計(jì)的尺寸要求能夠滿足的結(jié)論。

力學(xué)可行性：為了簡化分析過程，假設(shè)外套伸出過程中徑向不受阻力，則作用在凸輪上的力有水輪機(jī)的力矩M和內(nèi)桿與凸輪凹槽上表面的作用力沿切線方向的分量Fx則對軸的中心線有：M=Fx*R （1式）(R為凸輪上表面與內(nèi)桿接觸點(diǎn)到軸的中心線的距離)；Fy*x1-f*x2=0 （2式）（x1為內(nèi)桿斷面與外套支點(diǎn)的距離，x2為外套斷面與外套支點(diǎn)的距離，令Fy=Fx，f為井壁對外套斷面的力），則有f=（M*x1）/（R*x2）其中 M=p*Q*v2*r2-p*Q*v1*r1式中第一項(xiàng)為水輪機(jī)中流出轉(zhuǎn)輪內(nèi)緣的動(dòng)量矩，后一項(xiàng)為水輪機(jī)中流進(jìn)轉(zhuǎn)輪外緣的動(dòng)量矩，p為鉆井液密度，Q為鉆井液流量。得f=[p*Q(v2*r2-v1*r1)*x1]/(R*x2)此式即為井壁對單組“劃船”機(jī)構(gòu)的作用力近似表達(dá)式，通過鉆井液的調(diào)配和凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到更合理的牽引力。

5 劃船型牽引器的優(yōu)點(diǎn)

本設(shè)計(jì)對鉆井液的成分要求不高，上面介紹的兩種現(xiàn)存的牽引器結(jié)構(gòu)中都有類似液壓的部分，對鉆井液要求較高?！皠澊睓C(jī)構(gòu)可以隨時(shí)在牽引器上更換，維修方便?？梢酝ㄟ^不同數(shù)量的“劃船”機(jī)構(gòu)，改變牽引力的大小，從而適應(yīng)性較強(qiáng)。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在原理上符合要求，可以實(shí)現(xiàn)牽引器的基本功能，具有可行性。

[1]唐志軍，等.連續(xù)管鉆井技術(shù)綜述[J].天然氣工業(yè)，2005.

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[3]鄭源.高等學(xué)?！笆晃濉本方滩摹端啓C(jī)》.中國水利水電出版社，2007.