旋轉(zhuǎn)輪式爬行器問題分析與解決

王錫磊，劉先平，李衛(wèi)強(qiáng)，謝光輝，何建遠(yuǎn)，陳媛媛

（1.中國石油集團(tuán)測井有限公司天津分公司， 天津 300280）

（2.中國民航大學(xué)油氣儲運(yùn)工程系， 天津 300300）

隨著石油勘探和鉆井技術(shù)的迅速發(fā)展，水平井和大斜度井的數(shù)量日漸增加[1,2]。在這種井況下，采用重力牽引的方式將纜測類測井儀器送達(dá)目的層進(jìn)行作業(yè)變得越來越困難，而通過鉆桿或連續(xù)油管的方式將測井儀器送達(dá)目的層則需要較高的人力、物力、時間、財(cái)力成本[3,4]，并伴隨較大作業(yè)風(fēng)險[5,6]，比較理想的方式是采用爬行器將儀器送達(dá)目的層[7,8]。環(huán)鼎旋轉(zhuǎn)輪式爬行器是專門為水平井和大斜度井電纜測井施工設(shè)計(jì)的井下動力輔助設(shè)備，可以提供動力將纜測類測井儀器送入目的井段[9]，目前在各大測井公司的現(xiàn)場施工作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著使用次數(shù)的增加，其性能和穩(wěn)定性逐漸下降，并逐漸暴露出機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝上的一些缺陷，這些都嚴(yán)重影響了測井的一次成功率及施工質(zhì)量，同時在很大程度上增加了爬行器的使用、維護(hù)和維修成本，因此根據(jù)實(shí)際使用情況對其作出針對性的改進(jìn)尤為必要。

1 環(huán)鼎旋轉(zhuǎn)輪式爬行器及存在的問題

環(huán)鼎旋轉(zhuǎn)輪式爬行器主要由扶正器短節(jié)、儲油室、電子線路、推靠短節(jié)、驅(qū)動短節(jié)、補(bǔ)償短節(jié)等組成。其基本工作原理是通過控制推靠短節(jié)中的油泵和液壓系統(tǒng)使驅(qū)動短節(jié)的驅(qū)動臂張開，讓爬行輪支撐在套管壁上，相鄰驅(qū)動短節(jié)的驅(qū)動臂互成90°以保證動力的均勻，驅(qū)動短節(jié)內(nèi)的電機(jī)通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動爬行輪旋轉(zhuǎn)，以其與套管壁之間的靜摩擦為動力帶動整串測井儀器向井底爬行。在環(huán)鼎旋轉(zhuǎn)輪式爬行器的使用過程中，屢次出現(xiàn)如下問題：(1)在下行施工過程中，驅(qū)動臂偶爾出現(xiàn)自動張開的現(xiàn)象，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)輪磨損嚴(yán)重；(2)扶正器中心桿磨損嚴(yán)重，導(dǎo)輪損壞量大；(3)長期統(tǒng)計(jì)顯示，爬行器驅(qū)動部件損壞量大。本文針對這三個問題開展重點(diǎn)分析與討論，并基于儀器結(jié)構(gòu)和施工工藝提出具體解決方案。

2 施工時驅(qū)動臂自動張開問題分析與解決

驅(qū)動臂是是爬行器推靠短節(jié)的核心部件，有張開和收攏兩種狀態(tài)，其實(shí)物圖見圖1所示。儲油室、推靠短節(jié)、驅(qū)動短節(jié)的油路是互相連通的，儲油室為爬行器提供足夠的液壓油并保持儀器內(nèi)外壓力平衡，推靠短節(jié)為儀器的驅(qū)動臂提供液壓動力，使驅(qū)動臂張開、旋轉(zhuǎn)輪緊貼套管內(nèi)壁，推靠短節(jié)液壓原理圖見圖2。電磁閥供電后其內(nèi)部旳閥芯吸合，油泵旳油路出口與動力系統(tǒng)的油路入口接通，給馬達(dá)供電后，馬達(dá)帶動油泵將油腔里的油通過電磁閥注入動力系統(tǒng)。隨著動力系統(tǒng)內(nèi)的壓力升高，活塞推動推靠臂伸出，使驅(qū)動臂張開、旋轉(zhuǎn)輪緊貼井壁，電磁閥的油路入口有一個單向閥，動力系統(tǒng)內(nèi)的壓力升高到設(shè)定壓力時，馬達(dá)斷電，由于單向閥的作用，動力系統(tǒng)內(nèi)的壓力保持不變；電磁閥斷電后，閥芯在彈簧的作用下斷開，動力系統(tǒng)的油路入口與油腔接通，液壓系統(tǒng)自動釋放壓力，活塞通過彈簧自動收回，推靠臂在活塞的作用下回到原位。由此分析，在爬行器帶動儀器串下行過程中，隨著井下工作時間的延長和溫度升高，爬行器內(nèi)部的壓力增大，而此時儲油室無法實(shí)現(xiàn)爬行器內(nèi)外壓力的平衡，內(nèi)部的壓力大于外部的壓力，從而推動活塞慢慢伸出，致使推靠臂非正常張開，造成旋轉(zhuǎn)輪貼靠井壁，產(chǎn)生磨擦損壞。對旋轉(zhuǎn)輪式爬行器進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)存在以下問題：(1)儲油室內(nèi)部扶正塊與中心桿之間磨擦力較大，因此爬行器在井下溫度升高，爬行器內(nèi)部的壓力增大時，因中心桿的阻滯作用，平衡活塞不能有效移動，無法泄除內(nèi)部額外增加的壓力；(2)驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部推動活塞回收的彈簧因使用時間較長，彈力下降，在爬行器內(nèi)部的壓力增大時不足以將推靠臂收回。

圖1 驅(qū)動臂收攏和張開圖

圖2 推靠短節(jié)液壓原理圖

在原始設(shè)計(jì)中，扶正塊內(nèi)孔直徑比中心桿直徑大0.1mm，然而在實(shí)際應(yīng)用過程中，井下泥漿不避免地浸入到中心桿和扶正塊之間的縫隙，固化為泥漿塊后，扶正塊和中心桿粘合在一起，剪切破碎這些泥漿塊的剪切力已經(jīng)超過彈簧力的極限，因此無法推動平衡活塞移動。將扶正塊內(nèi)孔直徑增加0.1mm后，情況有所改善，但并未杜絕。將扶正塊內(nèi)孔直徑增加0.2mm，并且每施工5個井次更換推動活塞回收的彈簧后，未發(fā)生驅(qū)動臂自動張開的情況。

3 扶正器中心桿磨損嚴(yán)重且導(dǎo)輪損壞問題分析與解決

扶正器短節(jié)用于減少儀器外壁與套管內(nèi)壁的摩擦，降低儀器在井下爬行移動過程中與套管的摩擦力。扶正器短節(jié)由主體中心桿、支撐臂、導(dǎo)輪軸承等組成，其實(shí)物見圖3所示，爬行器在井下工作時，在水平段因自身重量的原因，下方的支撐臂被壓下，導(dǎo)輪軸承緊貼中心桿。當(dāng)扶正器短節(jié)導(dǎo)輪軸承受到的壓力大于支撐臂的張力時，導(dǎo)輪軸承就會壓在中心桿上，導(dǎo)輪軸承隨著儀器的上下運(yùn)行，與中心桿反復(fù)摩擦，導(dǎo)輪軸承對中心桿的持續(xù)動摩擦使雙方都產(chǎn)生了非正常損耗，造成中心桿嚴(yán)重磨損和導(dǎo)輪軸承損壞，最嚴(yán)重時中心桿磨損深度達(dá)5mm，導(dǎo)輪軸承全部損壞，見圖4所示。

圖3 扶正器短節(jié)照片

圖4 嚴(yán)重磨損的中心桿

為解決此問題，重新設(shè)計(jì)并加工了支撐臂，圖5為改進(jìn)前后的支撐臂對比。把支撐臂面對中心桿方向的內(nèi)半弧增加了5mm，使支撐臂安放導(dǎo)輪軸承位置的內(nèi)半弧半徑大于導(dǎo)輪軸承的半徑，圖6為支撐臂改進(jìn)前后安裝效果對比。當(dāng)支撐臂被壓至中心桿位置時，在其內(nèi)半弧與中心桿形成支撐作用，導(dǎo)輪軸承與中心桿之間尚有間隙，不與中心桿直接接觸，僅與套管壁之間形成滾動摩擦。改進(jìn)后，中心桿非正常磨損和導(dǎo)輪軸承的嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象得到有效改善。

圖5 改進(jìn)前后的支撐臂

圖6 支撐臂改進(jìn)前后安裝效果對比

4 驅(qū)動部件損壞量大問題分析與解決

爬行器輸送井下儀器測井時，一般情況下液壓設(shè)置為6～8MPa，驅(qū)動轉(zhuǎn)速設(shè)置為3000r/min，直到儀器遇阻前不再改變。在這種情況下測井施工，曾多次導(dǎo)致梯形轉(zhuǎn)換齒、輪轉(zhuǎn)換齒輪、旋轉(zhuǎn)輪及其它驅(qū)動部件的損壞，最嚴(yán)重時三節(jié)驅(qū)動均不能正常工作，直接影響了測井時效，增加了配件消耗和生產(chǎn)運(yùn)營成本。分析原因，當(dāng)前液壓和轉(zhuǎn)速設(shè)置過高，在爬行器輸送儀器測井時，隨著井下壓力升高，驅(qū)動部分各部件受到的扭力越來越大，此時即使井身結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化，都會使得驅(qū)動部分各種部件受到很大的沖擊。

針對該問題，對施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，施工工藝更改為：爬行器輸送儀器測井時，一般情況下液壓設(shè)置為2～3MPa，驅(qū)動轉(zhuǎn)速設(shè)置為3000r/min，而在井斜大于85°井身結(jié)構(gòu)正常的情況下，使用三節(jié)驅(qū)動，爬行器液壓設(shè)置為3～4MPa，驅(qū)動轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000r/min。且當(dāng)溫度升高、導(dǎo)輪壓力增大后要進(jìn)行泄壓操作，新工藝實(shí)施后，驅(qū)動部件的損壞率降低了50%以上。

5 結(jié)束語

造成環(huán)鼎旋轉(zhuǎn)輪式爬行器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)驅(qū)動臂自動張開、中心桿和導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重、驅(qū)動部件損壞量大等問題的根本原因，是由于存在機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷或施工工藝欠佳造成的，因此通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和施工工藝的改良來解決。通過增加爬行器扶正塊內(nèi)孔直徑，降低扶正塊與中心桿之間磨阻解決了驅(qū)動臂自張開、旋轉(zhuǎn)輪磨損嚴(yán)重問題；通過增加支撐臂安放導(dǎo)輪軸承位置中心桿方向的內(nèi)半弧，使支撐臂安放導(dǎo)輪軸承位置內(nèi)半弧的半徑大于導(dǎo)輪軸承的半徑，以此解決扶正器中心桿磨損嚴(yán)重，導(dǎo)輪損壞量大的問題；通過優(yōu)化施工工藝解決驅(qū)動部件損壞率高的問題。旋轉(zhuǎn)輪式爬行器改進(jìn)后，可靠性得到大幅度提升，驅(qū)動部件的損壞率相比改進(jìn)前降低了50%以上，維護(hù)保養(yǎng)的頻率和難度大幅度降低，節(jié)省了人力、物力和時間成本，為實(shí)現(xiàn)降本增效作出了一定貢獻(xiàn)。希望本文為同類儀器的升級改造提供一定的參考。