微電阻率井徑組合儀單電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)推靠器設(shè)計(jì)

王利寧，陳草棠，包德洲，李玲芝

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

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

1 單電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)推靠系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成

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

2 雙驅(qū)動(dòng)推靠器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 極板推靠臂受力分析及計(jì)算

2組桿系6個(gè)測(cè)量探頭與井壁的接觸性能直接影響到該儀器的測(cè)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(cè)出地層電阻率，井徑探頭會(huì)因泥餅結(jié)厚而造成井徑測(cè)量值偏小。分動(dòng)式推靠與聯(lián)動(dòng)式推靠比較，前者的推靠彈簧無(wú)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(duì)推靠桿系進(jìn)行受力分析，研究推靠力的影響因素[3]，通過(guò)設(shè)計(jì)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(duì)象

圖1為極板受力分析圖。圖1中β是極板在井下工作時(shí)某一時(shí)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(duì)極板的等效集中載荷p極作用于O3;引臂對(duì)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(shí)，F(xiàn)13=0。

從微球微電極推靠臂運(yùn)動(dòng)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(duì)極板的等效集中載荷p極的作用點(diǎn)為O1，大小等于推靠臂對(duì)極板的作用力F12。

2.1.2 取極板臂為研究對(duì)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(duì)O點(diǎn)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(jiàn)圖3);FX和 FY為極板臂與儀器本體固定鉸鏈聯(lián)接點(diǎn)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(duì)井壁的推靠力成正比。在OC長(zhǎng)度一定的情況下，OA、OB越長(zhǎng)，極板對(duì)井壁的推靠力就越大。所以在有限的空間進(jìn)行推靠器設(shè)計(jì)時(shí)，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(zhǎng)OA尺寸，輔助彈簧桿與極板臂的連接點(diǎn)B距C點(diǎn)取最小值。井徑測(cè)量桿受力分析及推靠力計(jì)算與推靠臂類同。

2.2 雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)情況下，1個(gè)動(dòng)力源可完成對(duì)1組機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。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(gè)電機(jī)。要用1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2組機(jī)構(gòu)分別動(dòng)作，是該儀器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。為了實(shí)現(xiàn)1個(gè)電機(jī)對(duì)2組桿系的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了2個(gè)電路回路及控制桿系分別動(dòng)作的行程開(kāi)關(guān)G、行程開(kāi)關(guān)D、行程開(kāi)關(guān)E。在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)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(jī)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)放在滑塊H上，滑塊H的移動(dòng)會(huì)推動(dòng)滑塊K運(yùn)動(dòng)，利用拉簧、壓簧的貯存能量特性通過(guò)它們的變形協(xié)助完成2組桿系的分時(shí)動(dòng)作(見(jiàn)圖3)。

圖3 推靠系統(tǒng)示意圖

分動(dòng)式推靠的驅(qū)動(dòng)方式是電機(jī)通過(guò)中心推力桿驅(qū)動(dòng)承力盤壓縮或釋放與各臂相聯(lián)的彈簧而帶動(dòng)各推靠臂打開(kāi)或收攏。但是，該儀器需要驅(qū)動(dòng)2組機(jī)構(gòu)分別動(dòng)作，若選分動(dòng)式推靠的驅(qū)動(dòng)方式，受本身結(jié)構(gòu)限制無(wú)法實(shí)施，因此，選用了聯(lián)動(dòng)式推靠的驅(qū)動(dòng)方式(見(jiàn)圖3)。電機(jī)通過(guò)推力桿帶動(dòng)儀器外殼上的推力板前后運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滑塊H帶動(dòng)各臂打開(kāi)或收攏。選用聯(lián)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)方式的主要特點(diǎn):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(jì)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(zhǎng)。另外，彈簧選用高強(qiáng)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(jì)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(cè)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(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓平衡，選用橡膠膠囊作為壓力平衡的補(bǔ)償裝置[5]，保證活塞桿運(yùn)動(dòng)自如。電機(jī)推力桿的壓力平衡是通過(guò)在推力桿端面設(shè)計(jì)壓力平衡帽擋住井下壓力。

2.3 推靠器控制電路

為了實(shí)現(xiàn)微球微電極先于井徑獨(dú)立收攏，井徑完成全程測(cè)量后實(shí)現(xiàn)二次閉合，設(shè)計(jì)推靠器控制電路。在控制電路中，有2個(gè)電路回路控制3組行程開(kāi)關(guān)。使2組測(cè)量頭同時(shí)打開(kāi)，并分別閉合。圖4為推靠控制電路框圖。它主要由4個(gè)繼電器及整流橋組成，由地面供電面板通過(guò)纜芯2、10供輔交流，通過(guò)繼電器保護(hù)電路，該電路的作用是推靠器在推、收狀態(tài)時(shí)供電回路通過(guò)繼電器與信號(hào)電路斷開(kāi)。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(kāi)關(guān)的關(guān)閉，最終控制幾組推靠臂的推開(kāi)與收攏。

3 應(yīng)用效果

當(dāng)儀器通過(guò)電纜下放到井中測(cè)量段，中接頭U、S之間加正向直流電壓(見(jiàn)圖4)，電機(jī)帶動(dòng)絲杠正轉(zhuǎn)，通過(guò)推力桿拉動(dòng)推力板及滑塊H向右運(yùn)動(dòng)使井徑4個(gè)測(cè)量臂打開(kāi)?；瑝KH推動(dòng)滑塊K繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，拉簧被拉伸，使微球微電極推靠臂打開(kāi)。行程開(kāi)關(guān)E動(dòng)作，電機(jī)斷電(見(jiàn)圖3)。測(cè)井時(shí)，6個(gè)臂隨井眼的大小打開(kāi)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(shí)井徑4個(gè)測(cè)量臂隨井眼變化帶動(dòng)4個(gè)活塞桿左右移動(dòng)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(hào)傳輸給地面控制系統(tǒng)。微球微電極完成測(cè)井工作后，中接頭U、S之間加反向直流電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)，推力板帶動(dòng)滑塊H，壓簧推動(dòng)滑塊K向左運(yùn)動(dòng)，微球微電極2個(gè)推靠臂收攏，中間行程開(kāi)關(guān)D動(dòng)作，電機(jī)斷電。井徑測(cè)量結(jié)束后，中接頭U、R之間加直流電，電機(jī)通過(guò)另一個(gè)電路回路推動(dòng)滑塊H繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，滑塊H和滑塊K分離，井徑測(cè)量臂收攏，行程開(kāi)關(guān)G動(dòng)作，電機(jī)斷電。

實(shí)際測(cè)井表明，該儀器推靠力選擇合理，在滿足測(cè)井質(zhì)量的同時(shí)，微球極板的使用壽命是偏心式微球測(cè)井儀極板的2～3倍;微球微電極極板可單獨(dú)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(jì)由于使微球微電極井徑組合測(cè)井儀獲得良好的性能和測(cè)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(huì)加快磨損，同時(shí)使井徑探頭和極板均能緊貼井壁，減少了泥漿對(duì)橡膠極板探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果的影響。

(2)設(shè)計(jì)單電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)和運(yùn)用2個(gè)電路回路控制3組行程開(kāi)關(guān)，使極板完成測(cè)量目的井段后可以單獨(dú)收回，減少了極板磨損和遇卡概率。四臂井徑全程測(cè)量完成后二次閉合，縮短了儀器串的長(zhǎng)度，一次測(cè)井作業(yè)可同時(shí)完成微球、微電位、微梯度、井徑的測(cè)量，提高了生產(chǎn)效率。

[1]丁世村.分動(dòng)式推靠微電極井徑組合儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].測(cè)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(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

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

[4]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

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