FMI液壓推靠器常見故障分析與維護(hù)措施

陳小東

中國石油集團(tuán)測井有限公司物資裝備公司西南中心 重慶 400021

1 概述

全井眼微電阻率成像測井儀（FMI）液壓推靠器（FBSS）是FMI儀器串中的重要組成部分，負(fù)責(zé)地層電阻率原始信號的采集及井眼大小測量。液壓推靠器有4個推靠臂，推靠臂的打開與收回采用液壓方式。全井眼模式下每個推靠臂上安裝有一個主極板和一個可以適應(yīng)井眼變化的副極板，主副極板的曲率與井眼曲率相適應(yīng)，4套主副極板外殼上共有192個鈕扣發(fā)射電極[1]。測井時，16kHz交流發(fā)射電流經(jīng)鈕扣電極流入地層，主極板內(nèi)的前置放大電路將電流信號裝換為電壓信號并放大后上傳給井下電子線路進(jìn)行處理。

FMI液壓推靠器是FMI儀器串中故障率最高的儀器，其主要故障集中在液壓系統(tǒng)、井徑測量和極板前置放大電路。

2 液壓系統(tǒng)

2.1 原理與故障分析

液壓系統(tǒng)由動力單元、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。動力單元包括主動力單元和輔助動力單元兩部分，主動力單元由交流馬達(dá)和軸向柱塞泵組成，為整個液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定的持續(xù)動力，輔助動力單元為間歇供能單元，采用活塞式彈性蓄能器結(jié)構(gòu)，用于馬達(dá)不工作的情況下液壓油受溫度影響系統(tǒng)壓力下降及測井過程中極板壓力腔壓力突變的補(bǔ)償和平衡[2]?？刂茊卧饕ǜ鞣N液壓閥和電控閥，電控閥的動作由井下電子線路控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由推靠油缸活塞和聯(lián)動推靠臂組成。推靠油缸活塞的運動狀態(tài)與馬達(dá)和電控閥的動作程序相對應(yīng)。

液壓系統(tǒng)的正常工作壓力為8.5MPa左右。為保護(hù)液壓系統(tǒng)，推靠器內(nèi)部設(shè)有壓力可調(diào)的安全閥和溢流閥，液壓系統(tǒng)工作壓力通過壓力傳感器和模擬信號測量板監(jiān)測。推靠器最下端安裝有壓力平衡活塞，用于井筒壓力平衡。

液壓系統(tǒng)的核心為S2電磁閥。電磁閥S2由電子線路控制，共有5個端口，不同端口的導(dǎo)通狀態(tài)與推靠油缸活塞的運動狀態(tài)相對應(yīng)。收腿時，電機(jī)和S2通電，液壓泵出油流經(jīng)S2油口1和4進(jìn)入推靠活塞回收側(cè)，推動推靠活塞桿向上運動，推靠活塞桿通過傳動機(jī)構(gòu)收攏推靠臂，收腿過程中壓力傳感器監(jiān)測回收管路中的壓力，正常收腿時間約為65s。開腿時，S1和S2通電，S1直接釋放回收管路壓力，推靠臂在彈簧臂的推力下打開，S2油口2打開，釋放極板壓力的同時平衡推靠活塞極板壓力側(cè)液壓壓力。正常開腿時間約為5s。

測井時，可以根據(jù)井況對極板進(jìn)行加壓或減壓操作，與推靠油缸活塞桿聯(lián)動的X-Y井徑電位器用于測量井眼大小變化。推靠器液壓系統(tǒng)工作原理，見圖1所示。

圖1 FMI推靠器液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為收腿故障和開腿故障。發(fā)生開、收腿故障時，可以參照圖2所示的流程進(jìn)行排查。

圖2 FMI推靠器液壓系統(tǒng)故障排除流程

1）無法收腿

無法收腿分完全無法收腿和收腿不完全兩種。完全無法收腿表現(xiàn)為收腿操作時推靠臂完全不動作，液壓系統(tǒng)壓力升壓異常，進(jìn)行極板加壓操作時，液壓系統(tǒng)壓力升壓異常。這種故障通常都是泵出管線至電磁閥S2之間的液壓管線產(chǎn)生泄漏造成的，重點檢查壓力傳感器密封圈和安全閥硬密封鋼珠密封面。如果收腿不完全，除檢查上述兩個部位外，還應(yīng)對推靠活塞兩側(cè)的液壓管線通道密封狀況進(jìn)行全面排查，包括電磁閥S1、S2、蓄能器及推靠活塞本身。

2）無法開腿

進(jìn)行開腿操作時，馬達(dá)不工作，因此正常情況下，只要電磁閥S1和S2狀態(tài)正常，推靠臂均能在彈簧臂的推力下自行完全打開。如果推靠臂完全不動作，重點檢查電磁閥S1，如果推靠臂能動作，但不能完全打開，可以確定是推靠活塞極板壓力側(cè)壓力不平衡所致，應(yīng)重點檢查電磁閥S2閥芯的動作程序是否正常。馬達(dá)和電磁閥S1、S2的動作程序見表1。

表1 FMI液壓推靠器馬達(dá)和電磁閥S1、S2的動作程序

2.2 維護(hù)措施

1）油品選擇

液壓油的理化指標(biāo)和性能指標(biāo)對液壓系統(tǒng)的效率有直接影響，必須使用專用的抗磨液壓油，要求黏度指數(shù)高，能抗剪切和黏度損失[3]。

2）真空度控制

液壓油內(nèi)過多的空氣殘余量會影響液壓泵的排量，導(dǎo)致系統(tǒng)工作壓力降低，進(jìn)而使整個液壓系統(tǒng)的工作效率下降，直接導(dǎo)致推靠臂的動作異常。為確保液壓系統(tǒng)真空度，應(yīng)在加油過程中使用專用真空度表對液壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，確?？諝鈿堄嗔啃∮?50cm3。

3）污染控制

高溫、高壓和高含硫環(huán)境會加速橡膠密封件的老化，即使是防硫橡膠也可能會慢慢失效，最終導(dǎo)致液壓油被污染。液壓油一旦受到污染，會使設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性大打折扣，最直接的后果是推靠臂在井底無法正?；厥諏?dǎo)致遇卡事故。應(yīng)對液壓油的關(guān)鍵指標(biāo)（外觀、水分及雜質(zhì)等）進(jìn)行定期檢驗，以確定是否需要更換，并按工況擬定液壓油的更換周期。污染嚴(yán)重時，應(yīng)在換油前對儲油箱、濾清器、系統(tǒng)管道和所有零部件進(jìn)行徹底清洗[4]。

4）預(yù)防性維修

為保證設(shè)備長期穩(wěn)定、可靠地運行，應(yīng)結(jié)合設(shè)備工況和統(tǒng)計數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修。預(yù)防性維修的重點應(yīng)放在液壓泵、液壓閥和橡膠密封件上，要及時評估和了解液壓泵的排量、壓力以及液壓閥的開啟壓力和閥針、閥座的密封狀況，必要時對所有橡膠密封件進(jìn)行更換。

3 井徑測量

3.1 原理與故障分析

FMI井徑測量采用“X-Y”井徑測量原理。X方向井徑電位器滑動桿與1、3號推靠臂活塞桿聯(lián)動，Y方向井徑電位器與2、4號推靠臂活塞桿聯(lián)動。2個井徑電位器并接，采用+12V電壓源驅(qū)動[5]。測井時，通過測量電位器滑動端的電壓值，即可獲取井眼X-Y方向上的井徑變化情況。井徑測量原理見圖3。

圖3 FMI液壓推靠器井徑測量原理

井徑測量故障通常表現(xiàn)為井徑曲線跳尖或死值，故障原因為井徑電位器損壞或液壓油臟導(dǎo)致電位器滑動觸點接觸不良。

3.2 維護(hù)措施

井徑電位器滑動觸點打磨、清洗及觸點彈力調(diào)節(jié)；

液壓油定期過濾或更換新油；

對于滑動觸點磨損嚴(yán)重和有斷裂點的電位器應(yīng)及時予以更換。

4 極板前置放大電路

4.1 原理與故障分析

由圖4可知，極板前置放大電路對原始電極采集的弱電流模擬信號進(jìn)行放大和傳輸，每套極板的主副極板共計48個鈕扣電極，鈕扣電極電流信號經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓后先進(jìn)行高增益放大，再分3組逐一進(jìn)入多路開關(guān)，經(jīng)緩沖后送入井下電子線路進(jìn)行處理。

圖4 FMI液壓推靠器極板前置放大電路測量原理

極板前置放大電路板安裝在充注硅油的極板內(nèi)，高溫高壓環(huán)境下電路板易損壞，尤其是高含硫井況下的氣侵，不僅會打破極板腔體內(nèi)外壓力的平衡，還會加速電路板的老化和損壞，造成測井資料異常。

極板前置放大電路板的損壞通常集中于第一級高增益運算放大器和多路開關(guān)，當(dāng)多路開關(guān)發(fā)生故障時，還可能導(dǎo)致極板數(shù)據(jù)產(chǎn)生“鏡像”錯誤[6]。

4.2 維護(hù)措施

使用100cs標(biāo)號的硅油填充極板，確保硅油的絕緣性能良好，黏度受溫度影響?。?/p>

定期檢查極板密封膠囊壓板、保護(hù)蓋板及固定螺釘磨損情況，必要時予以更換；

禁止使用腐蝕性強(qiáng)的有機(jī)溶劑清洗極板前置放大電路板和密封膠囊；

常態(tài)化檢查極板密封膠囊密封狀況，極板加滿油后要嚴(yán)格按規(guī)程試壓并觀察，確保無滲漏；

作好預(yù)防性維修，定期更換極板前置放大電路板、密封膠囊、密封膠囊壓板及固定螺釘；

定期檢查并測試極板前置放大電路板與鈕扣電極之間的微動簧片連接插頭，確保觸點接觸良好。

5 結(jié)束語

井下的各種復(fù)雜環(huán)境會對推靠器的液壓系統(tǒng)、極板腔體壓力平衡系統(tǒng)和極板前置放大電路等產(chǎn)生直接影響，尤其是高溫、高壓、高含硫及高礦化度等復(fù)雜井況和長時高溫鉆具傳輸測井，會對推靠器的安全性和穩(wěn)定性形成挑戰(zhàn)。實際工作中，需要結(jié)合儀器工況對儀器使用過程中出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行綜合分析和總結(jié)，并及時優(yōu)化維保措施，才能確保儀器的穩(wěn)定性和可靠性，大幅提高測井一次成功率。