柔性牽引器支撐機構(gòu)設(shè)計及鎖止性能分析

彭漢修，趙建國，董 潤，曾 杰，韓 碩

(1.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101; 2.西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)院，成都 610500; 3.瀘州華潤興瀘燃氣有限公司，四川 瀘州 646000)

在水平井測井過程中,入井管串會與井壁接觸。接觸面積過大會產(chǎn)生較大摩阻[1-2]，導(dǎo)致測井管串屈曲鎖死，出現(xiàn)下入困難的問題[3]。目前，最常見的解決方案是在入井管串前端采用牽引器實施牽引[4]。常規(guī)的牽引器采用輪子作為驅(qū)動輪[5-6]，通過支撐機構(gòu)將驅(qū)動輪推靠在套管壁上，依靠電機和傳動機構(gòu)驅(qū)動輪子旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)牽引器在水平井井筒中定向爬行[7-8]。由于輪式牽引器牽引力較小[9-10]，因此又逐漸出現(xiàn)了伸縮式牽引器。伸縮式牽引器通過2組或多組支撐機構(gòu)的交替動作實現(xiàn)爬行，能夠提供更大的牽引力[11-13]。這類牽引器多采用剛性支撐機構(gòu)[14]，以提高鎖止性能，但剛性支撐機構(gòu)自由度較少、約束較多，井下工況惡劣，極易出現(xiàn)卡阻問題。

筆者針對這個問題提出了一種新的基于柔性支撐機構(gòu)的牽引器，具有大牽引力和防卡阻的特點。本文重分析柔性支撐機構(gòu)的支撐過程和牽引過程運動狀態(tài)，找出了彈簧片恢復(fù)力和套管管徑之間的變化規(guī)律，得到了支撐機構(gòu)支撐過程推靠力和彈簧片恢復(fù)力。

1 柔性牽引器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 柔性牽引器總體結(jié)構(gòu)

柔性牽引器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前后工作短節(jié)、控制短節(jié)3部分組成，前、后工作短節(jié)交替分布于控制短節(jié)的兩邊，其支撐機構(gòu)能夠完成牽引器的支撐和牽引動作。當(dāng)支撐機構(gòu)和伸縮機構(gòu)交替動作時，牽引器能夠前后爬行。支撐機構(gòu)的支撐臂采用彈簧鋼作為制造材料，不僅具有一定的強度，還能滿足牽引器的支撐力需求，在牽引器發(fā)生故障時，彈簧鋼能通過彈性回復(fù)力使支撐臂回位，避免井下卡阻的發(fā)生?？刂贫坦?jié)包括液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)前后工作短節(jié)的交替動作，控制進液順序和進液速度，進而控制牽引器的牽引力和牽引速度。此外，牽引器提高了擴徑率，能夠適應(yīng)更多規(guī)格的套管，提高牽引器的適應(yīng)性。

圖1 柔性牽引器總體結(jié)構(gòu)

1.2 支撐機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

柔性牽引器支撐機構(gòu)如圖2所示，其由中心軸、推桿、支撐缸接頭、推桿、推桿接頭等組成，支撐機構(gòu)動作過程為支撐缸液壓腔左端或右端進液，彈簧片在液壓力的作用下向井壁靠攏或脫離井壁。推桿內(nèi)部設(shè)置了圓頭平鍵，在保證推桿能夠軸向轉(zhuǎn)動的同時防止發(fā)生周向轉(zhuǎn)動，使得推桿接頭斜面與彈簧片自身斜面貼合。彈簧片并非嚴格對稱的，其右端為圓孔，左端為鍵槽孔，這樣的設(shè)計不僅可以抵消推桿產(chǎn)生的軸向力，還能減小彈簧片所受拉力，原因在于當(dāng)彈簧片發(fā)生徑向移動時，鍵槽孔存在間隙，能夠在一定范圍內(nèi)活動。

1-支撐缸接頭；2-支撐缸外壁；3-推桿；4-液壓腔；5-彈簧片左接頭；6-圓頭平鍵；7-彈簧片；8-推桿接頭；9-防塵筒；10-彈簧片右接頭；11-中心軸。

彈簧片本體設(shè)計了自動潤滑裝置，如圖3所示。當(dāng)支撐臂所受壓力大于支撐缸液壓腔內(nèi)壓力時，潤滑油流至支撐塊斜面，使接觸面潤滑，能夠減小支撐臂和支撐塊之間的摩擦力，提高牽引器使用壽命。

圖3 柔性牽引器支撐機構(gòu)潤滑裝置

推桿的設(shè)計是支撐機構(gòu)的難點。在推桿設(shè)計過程中，必須考慮推桿的每個位置所對應(yīng)的中心軸位置，同時考慮牽引器支撐機構(gòu)的動作次序，確定中心軸的變化狀態(tài)，并與推桿位置進行速度匹配。支撐機構(gòu)運動過程如圖4所示。

a 初始狀態(tài)

b 左液壓腔進液

c 伸縮缸進液

d 右液壓腔進液

支撐動作時，推桿運動1個支撐缸行程L1，相對于流道出口運動L1；伸縮動作時，左、右液壓流道出口相對于推桿動作了L2；設(shè)出液口離端面的距離為δ，出液口直徑為D，根據(jù)圖4可以得出推桿右槽的長度為:

LR=L1+L2+2δ+D

(1)

左槽的長度為:

LL=(L2-L1)+L1+δ+D=L2+δ+D

(2)

2 柔性牽引器支撐機構(gòu)鎖止性能仿真分析

2.1 支撐機構(gòu)仿真模型

將支撐機構(gòu)三維模型導(dǎo)入到Abaqus軟件中，省略掉一些不重要的零件及特征進行簡化，保留支撐機構(gòu)核心零部件(如彈簧片和推桿等)，得到支撐機構(gòu)仿真模型，如圖5所示。

圖5 支撐機構(gòu)仿真模型

主要部件材料及力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

井底工況復(fù)雜，彈簧片附屬元件，例如左右接頭、連接銷和固連桿等選用超高強度低合金鋼材料45CrNiMoV，該材料同時兼有高強度和高韌性的特點，符合柔性牽引器支撐機構(gòu)特點。彈簧片材料選用60Si2Mn，該材料具備較好的彈性恢復(fù)力和屈服強度，淬透性低、強度高、抗疲勞，經(jīng)過熱處理就能得到優(yōu)良的力學(xué)性能，同時價格低，比目前國外昂貴的牽引器材料鈹銅更有競爭力，可作為未來柔性牽引器設(shè)計的主要材料。

2.2 支撐機構(gòu)支撐過程仿真結(jié)果分析

支撐機構(gòu)支撐過程仿真結(jié)果如圖6～8所示。從圖6中可以看出，彈簧片支撐機構(gòu)的最大應(yīng)力為760 MPa，該值遠小于60Si2Mn材料的屈服極限1 176 MPa，滿足材料力學(xué)性能。圖7顯示彈簧片徑向動作了23.51 mm后就與套管接觸。圖8表示套管與彈簧片之間的最短距離為-0.000 032 mm，說明套管與彈簧片之間為有效接觸。

圖6 支撐機構(gòu)支撐過程應(yīng)力云圖

圖7 支撐機構(gòu)支撐過程位移云圖

圖8 支撐機構(gòu)支撐過程接觸狀態(tài)云圖

標定彈簧片和推桿接頭參考點，可得位移曲線，如圖9所示。從圖9中可以看出：推桿接頭軸向位移最大值為99.714 mm，彈簧片徑向位移最大值為23.51 mm，支撐缸只需要501 N的推靠力就能克服彈簧片自身恢復(fù)力；彈簧片達到最大位移后能夠回退，說明彈簧片恢復(fù)力能夠克服密封圈摩擦力，并使推桿退回。

圖9 推桿接頭和彈簧片位移曲線

輸出彈簧片的參考點沿x軸方向的位移曲線如圖10所示，得到彈簧片在支撐過程中的運動曲線，如圖11所示。

圖10 彈簧片軸向位移曲線

圖11 彈簧片運動軌跡

在仿真過程中給彈簧片左端滑動鍵槽設(shè)置1個集1(如圖12所示)，輸出其沿x軸方向的位移曲線，得到滑動鍵槽相對位移與推桿接頭位移變化曲線，如圖13所示。從圖13中可以看出，推桿接頭移動99.714 mm時滑動鍵槽相對位移為5.13 mm，因此滑動鍵槽的必須要大于5.13 mm才能滿足管徑適應(yīng)177.8 mm(7英寸)套管要求。

圖12 彈簧片左端滑動鍵槽設(shè)置集1示意

圖13 滑動鍵槽相對位移變化曲線

拿掉套管，加入位移約束，得到支撐機構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖14～15所示。從圖14中可以看出：彈簧片支撐機構(gòu)的最大應(yīng)力為779 MPa，該值遠小于60Si2Mn材料的屈服極限1 176 MPa，滿足材料力學(xué)性能。圖15表明推桿接頭位移99.7 mm時彈簧片動作了23.58 mm。

圖14 支撐機構(gòu)應(yīng)力云圖

圖15 支撐機構(gòu)位移云圖

彈簧片水平恢復(fù)力隨其徑向位移變化曲線如圖16所示，彈簧片水平恢復(fù)力隨推桿接頭軸向位移變化曲線如圖17所示。

圖16 彈簧片恢復(fù)力隨其位移變化曲線

圖17 彈簧片恢復(fù)力隨推桿接頭位移變化曲線

從圖16可知，彈簧片水平恢復(fù)力與徑向位移之間為線性關(guān)系，當(dāng)彈簧片徑向位移為23.51 mm時彈簧片恢復(fù)力為523 N，即推桿接頭軸向受到的反作用力為523 N；圖17表明彈簧片水平恢復(fù)力與推桿接頭軸向位移之間為線性關(guān)系，擬合后得到如下關(guān)系式：

F2′=7.8+5.2s

(3)

式中：F2′為彈簧片水平恢復(fù)力，N；s為推桿接頭的軸向位移，mm。

該式反映了支撐機構(gòu)在不同管徑條件下支撐缸所需的推靠力。

2.3 支撐機構(gòu)牽引過程仿真結(jié)果分析

支撐機構(gòu)牽引過程仿真是分析支撐機構(gòu)支撐臂在支撐到井壁后中心軸牽引后端測井儀器向前動作的工作狀態(tài)，該過程能夠體現(xiàn)牽引器的鎖止性能，得到仿真結(jié)果如圖18～25所示?？梢钥闯?，彈簧片與套管壁之間有效接觸，最大應(yīng)力為764 MPa，出現(xiàn)在彈簧片兩側(cè)區(qū)域，遠小于60Si2Mn材料的屈服極限1 176 MPa，滿足材料要求。套管的最大應(yīng)力為20.6 MPa，滿足材料要求，同時其他部件也滿足材料要求，此處不再一一贅述。

圖18 套管接觸狀態(tài)云圖

圖19 支撐機構(gòu)整體應(yīng)力云圖

圖20 彈簧片應(yīng)力云圖

圖21 套管應(yīng)力云圖

圖22 推桿接頭應(yīng)力云圖

圖23 固連桿應(yīng)力云圖

圖24 摩擦塊應(yīng)力云圖

圖25 固定銷應(yīng)力云圖

進一步仿真分析，得到支撐機構(gòu)牽引過程位移云圖如圖26所示，軸向固連體位移云圖如圖27所示，推桿接頭位移云圖如圖28所示。

從圖26可以看出彈簧片動作了23.52 mm后與井壁保持緊密接觸(動作23.03 mm接觸井壁)，此時支撐機構(gòu)保持鎖止?fàn)顟B(tài)。

圖26 支撐機構(gòu)牽引過程應(yīng)力云圖

從圖27可以看出支撐機構(gòu)后退了0.22 mm后才保持鎖止?fàn)顟B(tài)，這是由于初始加載造成的作用力突變引起的支撐機構(gòu)抖動。

圖27 固連體位移云圖

從圖28中可以看出，一開始推桿接頭移動了99.714 mm未使支撐機構(gòu)鎖止，加大推靠力達到3 187 N后推桿接頭位移出現(xiàn)一定波動后穩(wěn)定在99.76 mm，說明加載過程的波動不會影響支撐機構(gòu)的鎖止性能，所設(shè)計的支撐機構(gòu)在可控的推靠力作用下能夠保持鎖止。

圖28 推桿接頭位移曲線

3 樣機試制及試驗研究

為了驗證柔性牽引器支撐機構(gòu)設(shè)計的正確性及彈簧片在仿真情況下得到的推靠力鎖止性能的可靠性，設(shè)計了柔性牽引器支撐機構(gòu)試驗裝置，如圖29所示。

圖29 支撐機構(gòu)試驗裝置原理

3.1 試驗過程

將試驗裝置連接裝配如圖30所示。向左液壓缸加液壓，逐漸使彈簧片撐開，記錄接觸井壁時壓力數(shù)據(jù)。繼續(xù)往左液壓缸加壓，記錄支撐機構(gòu)鎖止情況。

3.2 試驗結(jié)果

將傳感器數(shù)據(jù)通過變送器處理后，使用無紙記錄儀進行采集，再通過處理軟件將無紙記錄儀采集到的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為壓力數(shù)據(jù)，得到彈簧片恢復(fù)力變化曲線，如圖31所示。

從圖31可以看出，該階段為支撐機構(gòu)克服彈簧片自身恢復(fù)力的過程，彈簧片從開始動作到完全接觸套管內(nèi)壁的最大恢復(fù)力為1 545.52 N，與仿真所需推靠力1 503 N(3個彈簧片)相差2.83%，驗證了支撐機構(gòu)支撐過程仿真的正確性。

圖31 彈簧片恢復(fù)力變化曲線

進一步加壓，左液壓缸壓力達到10 230 N，與仿真所需推靠力9 561 N相差6.5%(3個彈簧片)，右液壓缸壓力保持在10 000 N(模擬負載)，支撐機構(gòu)沒有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，說明鎖止可靠，證明了支撐機構(gòu)鎖止性能分析的正確性。

4 結(jié)論

1) 提出了一種新的柔性牽引器支撐機構(gòu)，該支撐機構(gòu)具有大牽引力和易解卡的特點。

2) 建立了支撐機構(gòu)支撐過程和牽引過程仿真模型，支撐過程仿真分析得到了彈簧片水平恢復(fù)力曲線；牽引過程仿真分析得出支撐機構(gòu)需要9 561 N的推靠力就能牽引10 000 N的載荷，并使?fàn)恳鞅３宙i止。

3) 通過試驗，得到了彈簧片最大恢復(fù)力為1 545.52 N，與仿真所需推靠力計算值相差2.83%，驗證了支撐機構(gòu)支撐過程仿真的正確性；得到了牽引10 000 N載荷所需推靠力為10 230 N，與仿真得到的結(jié)果相差6.5%，驗證了鎖止性能分析的正確性。