新型可調(diào)節(jié)扶正器設(shè)計(jì)

焦利明，陳江義

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

0 引 言

目前油田固井質(zhì)量檢查的方法主要是聲波幅度測(cè)井和聲波變密度測(cè)井[1-2]，聲波類(lèi)儀器的測(cè)井原理對(duì)其居中性提出了很高的要求，扶正器的好壞直接影響到套管檢查質(zhì)量。

油田采用的扶正器主要有套在儀器上的剛性扶正器、板簧扶正器[3]、以及推靠式的扶正器[4]等幾種形式。推靠式扶正器因無(wú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在運(yùn)輸過(guò)程中多為捆綁式，且對(duì)推靠力無(wú)法自我調(diào)節(jié)。

通過(guò)調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)非工作狀態(tài)下的臂收攏，解決了運(yùn)輸?shù)睦壊槐?，同時(shí)可根據(jù)井眼等實(shí)際需要進(jìn)行推靠力和測(cè)量范圍的調(diào)整。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扶正器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有測(cè)量范圍調(diào)節(jié)裝置、支撐臂組件、力調(diào)節(jié)裝置、芯軸等組成。芯軸和接頭處用O形圈密封。扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-上接頭；2-連接螺套；3-調(diào)節(jié)螺套；4-彈簧筒；5-彈簧；6-支撐臂組件；7-芯軸；8-下接頭圖1 扶正器整體結(jié)構(gòu)示意圖

1-密封圈；2-上接頭；3-防轉(zhuǎn)鍵；4-連接螺套；5-調(diào)節(jié)螺套；6-彈簧；7-彈簧筒；8-支撐臂；9-調(diào)節(jié)螺釘；10-上調(diào)節(jié)環(huán)；11-軸承；12-下調(diào)節(jié)環(huán)；13-芯軸；14-下接頭圖2 扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.1 測(cè)量范圍調(diào)節(jié)裝置

上調(diào)節(jié)環(huán)為左旋螺紋，下調(diào)節(jié)環(huán)為右旋螺紋，芯軸上螺紋與之對(duì)應(yīng)。

工作狀態(tài)如圖3所示，調(diào)節(jié)螺釘擰入芯軸上的鍵槽中，和彈簧筒完全脫離，彈簧筒和支撐臂隨井眼變化左右移動(dòng)。

調(diào)節(jié)過(guò)程：將上下兩側(cè)調(diào)節(jié)螺釘向外擰，調(diào)節(jié)螺釘和芯軸脫離，進(jìn)入彈簧筒，將彈簧筒和調(diào)節(jié)環(huán)連接，此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)支撐臂組件，兩個(gè)彈簧筒分別向兩側(cè)移動(dòng)，達(dá)到和套管合適的測(cè)量范圍后，將調(diào)節(jié)螺釘向內(nèi)擰緊，螺釘脫離彈簧筒進(jìn)入芯軸上的鍵槽，此時(shí)儀器可進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖3 工作狀態(tài)

在運(yùn)輸過(guò)程中，將支撐臂調(diào)節(jié)到和儀器相同外徑，如圖4所示，即可運(yùn)輸，避免了傳統(tǒng)扶正器的捆綁難題。

圖4 調(diào)節(jié)至收攏

1.2 力調(diào)節(jié)裝置

扶正器采用彈簧提供支撐力，調(diào)節(jié)螺套和彈簧筒通過(guò)螺紋相連，螺紋旋合的長(zhǎng)度直接影響彈簧的壓縮量，從而通過(guò)調(diào)節(jié)旋合長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)支撐力。

2 力學(xué)分析計(jì)算

2.1 芯軸分析

儀器指標(biāo)要求抗拉30 kN，抗扭800 N×m，由于芯軸的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，取其一半進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果，如圖5～圖9所示。

2.2 扶正力計(jì)算

扶正臂可簡(jiǎn)化為圖10所示模型，其中α為扶正臂與儀器軸線(xiàn)夾角，F(xiàn)為扶正臂對(duì)井壁的推靠力，由于儀器兩組壓簧同時(shí)壓縮，因此F/2與其中一組壓簧的彈力P對(duì)O點(diǎn)力矩平衡。按設(shè)計(jì)，扶正臂張開(kāi)收攏過(guò)程中，0°≤α≤37.4°。

圖5 網(wǎng)格劃分

圖6 受拉狀態(tài)下的等效應(yīng)力

圖7 受拉狀態(tài)下的位移變形

圖8 扭力狀態(tài)下的等效應(yīng)力

圖9 扭力狀態(tài)下的位移變形

圖10 支撐臂示意圖

則彈簧的工作行程:

(1)

綜合考慮壓簧設(shè)計(jì)參數(shù)為：材料為12Cr18Ni9，線(xiàn)徑d=12 mm，中徑D2=46 mm，有效圈數(shù)n=6，原始高度H0=127.5 mm，工作高度H1=113.3 mm，工作高度H2=106.9 mm。

根據(jù)公式[5]

(2)

計(jì)算得彈簧工作載荷分別為P1=4 490 N、P2=6 457 N，彈簧剛度k=314 N/mm。

以O(shè)點(diǎn)為支點(diǎn)，力矩平衡：

(3)

α=0時(shí)，P=P2，按幾何關(guān)系可得：

(4)

得：

(5)

在A(yíng)dams軟件中建立仿真模型[6]，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，由于設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)具備可調(diào)節(jié)力功能，在此做如下假設(shè)：1)彈簧初始力為0；2)力調(diào)節(jié)裝置不使用，彈簧力可壓縮為理論最大。

仿真結(jié)果如圖11所示，紅線(xiàn)為彈簧力，藍(lán)線(xiàn)為角度， 從中可看出彈簧力和角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖11 彈簧力與角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

1)該扶正器具有測(cè)量范圍調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)套管尺寸進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足不同井眼的需求，同時(shí)可避免在運(yùn)輸過(guò)程中進(jìn)行捆綁等操作。

2)力調(diào)節(jié)裝置的存在，可根據(jù)需要進(jìn)行支撐力的調(diào)整。

4 結(jié) 論

該扶正器可在聲波類(lèi)儀器測(cè)井過(guò)程中使用，其測(cè)量范圍調(diào)節(jié)功能，可滿(mǎn)足不同井眼的需要，應(yīng)用范圍較廣，并可根據(jù)儀器串的長(zhǎng)度和重量調(diào)節(jié)推靠力。

目前該扶正器已在川慶、西部鉆探等油田推廣使用，扶正效果得到驗(yàn)證。