石油測(cè)井用多功能推靠器設(shè)計(jì)

蔡池淵 陳敬致 劉春雨 王玉玨

摘要：本文以井下推靠器為例，對(duì)推靠器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了闡述，并著重對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明，分析了碟簧外形尺寸和組合方式的不同對(duì)推靠力大小的影響，計(jì)算了井下高溫高壓對(duì)活塞行程的大小，并對(duì)碟簧設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了歸納總結(jié)，為以后類似的推靠器設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞 碟簧 推靠器 組合方式

中圖分類號(hào)： TE927.403 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

在石油測(cè)井過程中，井眼垮塌的情況經(jīng)常遇到，在這種情況下，傳統(tǒng)的板彈簧類的推靠器推靠效果不理想，嚴(yán)重的時(shí)候遇卡導(dǎo)致測(cè)井失敗。而此種推靠器工作方式與傳統(tǒng)板彈簧類的推靠器不同，它的推靠是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成，儀器在下放過程中收腿，在到達(dá)目的層后開腿，測(cè)井這樣可以減小儀器外徑，起到輔助的居中﹑輔助偏心和測(cè)量井徑的功能。這種推靠器的工作方式不僅能夠降低儀器在惡劣井況下的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，解決了大直徑儀器在小井眼作業(yè)的困難，而且還可以根據(jù)井況情況實(shí)時(shí)調(diào)整推靠力的大小，確保推靠效果，保證了測(cè)井質(zhì)量，提高了儀器測(cè)井范圍。

1 推靠器的結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使旋轉(zhuǎn)變直線運(yùn)動(dòng)，將輸出的動(dòng)力推動(dòng)碟簧，碟簧推動(dòng)頂桿向右移動(dòng)，通過連桿機(jī)構(gòu)使支撐臂做開收腿動(dòng)作動(dòng)。由于井眼形狀不規(guī)則，四組測(cè)量支撐臂張開的角度不同，張開角度的大小與井徑的大小是成正比的。由于每組支撐臂的碟簧組的受力和大小都一樣，在理想井況下四組支撐臂張開的角度與推靠力的數(shù)值都一樣，當(dāng)遇到不規(guī)則井眼時(shí)，每組推靠臂的張開角度和推靠力數(shù)值隨著井徑的變化而變化，這樣就保證了井徑測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。當(dāng)四個(gè)支撐臂全部張開時(shí)，起到輔助居中的作用，當(dāng)相鄰兩個(gè)支撐臂張開時(shí)，起到輔助居中作用（見圖2）。桿系工作原理參見圖1，推靠傳動(dòng)部分模型參見圖3。

2 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

2.1電機(jī)的設(shè)計(jì)

多功能推靠器采用的是高溫直流無刷自鎖電機(jī)（圖4），這種電機(jī)除了具備輸出穩(wěn)定的動(dòng)力外，還在前端設(shè)計(jì)了永磁式磁定位器（見圖5），能夠依靠永磁體自身的吸力實(shí)現(xiàn)電機(jī)自鎖，起到取代傳統(tǒng)離合器和力矩限制器的作用。

永磁式磁定位器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子與測(cè)井定量采樣系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接，定子固定在系統(tǒng)臺(tái)架上。其中，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軛和N、S 極性交替排列的多塊永磁體組成，它作為磁定位器磁路中的磁勢(shì)源，用于提供磁動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)；定子由帶齒槽結(jié)構(gòu)的硅鋼片疊壓而成。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)磁定位器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)磁阻最小原理，定子和轉(zhuǎn)子之間將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而提供定位功能。由于定子為磁阻結(jié)構(gòu)，因此定子和轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)矩本質(zhì)上為磁阻轉(zhuǎn)矩。要想獲得理想的磁阻轉(zhuǎn)矩，就需要合理地確定尺寸和電磁參數(shù)，從而在一定的體積下，得到盡可能大的轉(zhuǎn)矩。

2.2 碟簧組設(shè)計(jì)

2.2.1彈簧類型和材料的選取

推靠器受力彈簧長(zhǎng)期浸泡在液壓油中，不接觸外界泥漿，鉆井液等化學(xué)物質(zhì)，且對(duì)防銹，防蝕，防磁沒有特殊要求，綜合價(jià)格因素，可選用A型50CrVA無支撐碟形彈簧。這種碟簧形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，市場(chǎng)應(yīng)用廣。

2.2.2碟簧組合方式設(shè)計(jì)

推靠器的推靠效果與推靠力的大小直接相關(guān)，推靠力過大，儀器容易遇卡，造成測(cè)井事故，推靠力過小，儀器推靠效果差，測(cè)井資料不理想。而推靠力的大小與碟簧的組合方式有直接關(guān)系，因此碟簧的尺寸選型和組合方式設(shè)計(jì)十分重要。

以實(shí)現(xiàn)推靠力200KG為例，選用外徑D=34mm；厚度δ=1.5mm；不同碟簧厚度和組合方式來進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)；

從7a，7b，7d三個(gè)圖可以看出，碟簧內(nèi)外徑 及組合長(zhǎng)度對(duì)碟簧組產(chǎn)生推靠力的大小影響較小，相比較圖7c和圖7e，碟簧厚度和組合方式的變化對(duì)推靠力的影響則更為明顯。

綜上考慮，要實(shí)現(xiàn)200KG的推靠力，綜合儀器空間和長(zhǎng)度等因素考慮，可選先使用碟簧尺寸D：34mm，d=16.3mm，H：2.55mm，n=90單片對(duì)合的組合方式（見圖7f）。

2.3 井徑測(cè)量

位移傳感器上拉桿連接在頂桿左端，當(dāng)動(dòng)力桿被施于動(dòng)力P時(shí)，頂桿在動(dòng)力P的作用下，向前推動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)過程中，位移傳感器上的拉桿跟著頂桿運(yùn)動(dòng)，測(cè)量的行程通過位移轉(zhuǎn)換關(guān)系來反映井徑的大小 。由于實(shí)際井眼不規(guī)則，支撐臂的張開角度在發(fā)生改變，反作用于頂桿上的位移傳感器拉桿也在左右移動(dòng)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量井徑的效果。

3 平衡短節(jié)設(shè)計(jì)

如上圖：在井下環(huán)境下， A方向井下地層壓力，B方向是高溫情況下液壓油膨脹后的壓力

這兩個(gè)力的壓差就是儀器實(shí)際所要承受的壓力，當(dāng)A大于B時(shí)，平衡活塞體壓縮拉簧向左移動(dòng)，B大于A時(shí)，平衡活塞體拉伸拉簧向右移動(dòng)，實(shí)際是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

根據(jù)儀器耐溫耐壓指標(biāo)，選取井下溫度變化Δt=204℃和地層壓力變化Δp=140MPa

溫度變化Δt引起推靠器中油液膨脹后的體積變化ΔVt為

其中，V0為常溫下推靠器中油液的體積；αv為液體膨脹系數(shù)，取值為（8.5～9.0）*10-4℃-1.

地層壓力變化Δp引起壓縮油液的體積變化ΔVp為

其中，k為油液的體積模量，取值為（1.2～2.0）*10?MPa。

活塞缸的內(nèi)孔半徑為R=54mm，活塞桿的外徑為r=20mm，則活塞實(shí)際變化的長(zhǎng)度為

取流體體積V0=125mm3、液體膨脹系數(shù)αv=8.8*10-4℃-1、油液的體積模量k=1.6*10?MPa、泥漿密度取值ρ=2.0*10?kg/m?，并將儀器耐溫指標(biāo)Δt =204℃，代入公式（4），儀器耐壓指標(biāo)Δp=140 MPa代入公式（5）分別計(jì)算，可以得出，當(dāng)常溫140MPa時(shí)，拉簧的壓縮量是47mm。當(dāng)高溫204℃常壓時(shí)，拉簧的伸長(zhǎng)量是135mm，考慮到一定的安全系數(shù)和拉簧的極限伸長(zhǎng)量，我們?cè)O(shè)計(jì)選取活塞行程ΔL=270mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）在推靠器碟簧的設(shè)計(jì)過程中，如果長(zhǎng)度允許，盡量選用單片對(duì)合組合的方式；如果空間允許，則盡量選用大直徑小內(nèi)徑的碟簧來進(jìn)行組合。碟簧組各個(gè)碟簧承受的載荷從動(dòng)端向內(nèi)是依次遞減的，動(dòng)端的載荷最大，使用壽命最短，使用過程中應(yīng)該定期保養(yǎng)及時(shí)更換

2）應(yīng)該加強(qiáng)高溫電機(jī)對(duì)井下井陘數(shù)據(jù)的反饋的智能控制的研究，以保證井下推靠器的平穩(wěn)性。

3）支撐臂上應(yīng)設(shè)計(jì)滾輪，減小推靠器在工作中與井壁的摩擦力；由于推靠器具有輔助偏心功能，應(yīng)考慮貼井臂面零件使用壽命。

4）平衡短節(jié)中活塞是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)注意清理活塞桿及平衡外殼內(nèi)壁雜質(zhì)，保持運(yùn)動(dòng)順暢。

參考文獻(xiàn)

[1] 張英會(huì)，劉輝航，王德成.彈簧手冊(cè)第2版. 機(jī)械工業(yè)出版社，2008：466，471.

[2] 穆全德.分動(dòng)推靠器設(shè)計(jì)及應(yīng)用. 石油儀器，2008，22卷1期：15-17

[3] 廖勝軍 馮永仁 侯洪為 張志剛 于增輝 新一代國(guó)產(chǎn)電成像測(cè)井儀ERMI的推靠器的設(shè)計(jì). 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第14卷第6期

[4] 趙 斌.基于MATLAB的VSP測(cè)井儀推靠機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2008