水平井生产测井爬行器设计

2009年 第23卷 第4期 石 油 仪 器 PETR0LEUM INsTRUMEN IS ·5 · ·开发设计· 水平井生产测井爬行器设计 杨永刚 张 铎 刘建成 刘宗杰 (1．中石油川庆测井公司测井技术分公司 重庆) (2．中石油四川钻采院定向井公司 I~l／ll广汉) (3．华油二连分公司工程设计室 内蒙古 锡林浩特) 摘 要：文章介绍了在大斜度井和水平井中进行生产测井使用的爬行器的基本原理和工作特点。水平井生产测井爬 行器由四个部件组成：上下扶正器、推靠段、牵引段、电子线路段。其中牵引段和推靠段是爬行器的核心部分，扶正器和 电子线路段是辅助部分。 关 键 词：爬行器；推靠；牵引；无刷电机 中图法分类号：P631．8+1 文献标识码：B 文章编号 ：too4-9t34(2oog)o4-ooo5—03 O 引 言 在水平井和大斜度井的生产测井过程中，生产测 井仪下放到一定斜度的井段时，无法靠重力继续下放 到测量井段，这时需要一种工具将生产测井仪输送到 预定位置。爬行器是一种操作方便、工作效率高、使用 成本相对较低的输送设备。国外爬行器的研制起步较 早，相对比较成熟，但价格昂贵，维修费用非常高，在这 样的情况下我们设计了适合中国油田使用的爬行器。 1 爬行器简介 在水平井和大斜度井中进行生产测井时，爬行器 是必不可少的设备[1 j。将爬行器连接在测井仪和测 井电缆之间，在需要时由地面控制器发出指令，打开爬 行器的四个牵引臂，使四个行走轮紧紧压在套管壁上。 主电机通过一套机械传动装置带动装在四个牵引臂上 的四个行走轮沿着套管行走，从而将测井仪输送到指 定位置。爬行器的行走方向和速度由地面控制器控 制。当测井仪到达预定位置时，爬行器停止行走，收回 牵引臂，地面系统断开电源。重新加电，使测井仪通电 工作。选择爬行器或测井仪工作是通过地面控制器的 不同加电方式实现的。 2 主要技术性能指标 本设计参考国外公司的产品，提出了爬行器的基 本技术参数。 仪器总长：7．4 m 仪器外径：54 mm 最大牵引力：2 676 N 最大牵引速度：9 m／min 最高工作温度：150℃ 最高工作压力：100 MPa 连接电缆：单芯 供电电压：直流 60 V一66O V 调速方式：电压调节 地面控制 牵引方向：双向 牵引段(套管)直径：57 mm 240mm 以上技术参数中仪器外径、最大牵引力和最大牵 引速度是爬行器最关键的三个技术指标，它们之间有 一 定的制约关系。 爬行器下井设备可以根据测井需要进行配置。 3 工作原理 3．1 爬行器的组成和功能简介 爬行器包括地面设备和井下设备两部分。 1)井下设备有上扶正器、(磁定位和张力)测量短 节、电子线路段、推靠段、牵引段、下扶正器等 6段可以 拆分的装置，如图 1所示(图中未画出测量短节)。 上、下扶正器(又名居中器)是两套结构基本相同 的机械装置，它的作用是使爬行器在不同尺寸(57 mm 一 240 mil1)的套管中处于套管的居中位置，扶正器是 过芯机械扶正器，保证在爬行器断电的情况下，仍有扶 正的效果。 第一作者简介：杨永刚，男，1977年生，毕业于西南石油学院应用地球物理专业，现在川庆钻探工程公司四川测井公司塔里木项目部 ，从事测井工 作。邮编；400021 · 6 · 石 油 仪 器 PETROU UM INSrrRUMENTS 2009年08月 牵引器井下装置 牵引器井下装置 图 1 爬行器连接示意图 测量短节含有套管接箍和电缆张力的测量探头， 探头信号由电子线路段数字化后传给地面控制器，它 的工作电源由电子线路段提供。 电子线路段的主要功能是从单芯电缆上取得工作 电源和控制信号，控制井下设备的工作并将爬行器的 工作状态和测量短节的测量值传输给地面控制器。 推靠段的主要功能是在电子线路段的控制下推开 或者收回牵引段上的牵引臂。推靠电机带动滚珠丝杠 旋转，丝杠螺母作轴向并通过一推杆和驱动段外壳上 的一滑套将推靠力传递给驱动段的曲柄滑块机构。 牵引段(见图 1)是爬行器的最终执行机构，它的 主要功能是实现爬行器在套管中来回行走。推靠段将 四个牵引臂推开，牵引臂上的四个驱动轮紧紧压在套 管壁上，主电机驱动四个行走轮沿管壁行走。 2)地面设备有地面控制器和PC机 地面控制器的主要功能有： (1)为井下设备供电。 (2)使用不同的供电方式选择井下是测井仪工作 还是爬行器工作。 (3)通过改变供电电压调节爬行器的牵引速度。 (4)支持井下电子线路段和地面 PC通讯。 地面 PC机的主要功能有： (1)与井下电子线路段通讯。 (2)发出指令控制井下爬行器的工作。 (3)显示记录井下测量短节的测量值和监控爬行 器的工作状态。 3．2 主要设备的结构和工作原理 1)t2、下扶正器 扶正器有四个扶正臂，沿轴向均匀分布。每个扶 正臂由两个连杆组成，四个扶正臂的两端铰接在两个 相同滑块上。在运动时四个扶正臂同步动作。在自由 状态下四个扶正臂外接圆直径为 240 mm。扶正臂完 全收拢时的直径与仪器外径相同。 2)推靠段 推靠段传动机构示意图如图2所示。离合器合上 时，电机能够带动滚珠丝杆正(反)向旋转，螺母带动推 杆推出(收回)并使复位弹簧压缩，带动驱动段的滑套 作轴向运动，使牵引臂打开(收回)。电机停转时，螺母 和推杆停止运动，并保持在这一位置。离合器分开时， 电机正转时，丝杆不会旋转。电机反转时，丝杆也反 转，使推杆收回。当推杆处于推开位置时，如果电机和 离合器失电，离合器脱开，在复位弹簧的作用下，螺母 和推杆将回到原始(收拢)位置。这样确保在电路故障 情况下，牵引臂自行收回。 图 2 推靠段传动机构示意 图 离合器由电磁铁控制。给电磁铁通上一定的控制 电压(吸合电压)，电磁铁吸合，此时如果电机反转，离 合器就会合上。离合器合上后只要供给电磁铁一较低 电压(维持电压)，就能保持离合器合上状态。如果电 磁铁的供电电压低于维持电压，离合器立刻脱开。 3)牵引段 牵引段由动力组件、主牵引组件和副牵引组件三 部分组成，如图3所示。主副牵引组件的 4个行走轮 沿轴向均匀分布。 图 3 牵引段传 动机 构示意图 动力组件由主电机、多级行星齿轮减速器和压力 补偿装置三个部件组成，电机和减速器浸泡在油腔中。 油腔中的油通过一平衡活塞和压缩弹簧与井下流体达 到压力平衡，油腔中油压略高于井中流体压力。使减 速器的输出轴的轴向力不受井中流体压力变化的影 响。 主牵引组件包括推靠机构和行走机构两个主要部 分。推靠机构是由叉形推杆(滑块)、牵引臂(摇臂)和 推靠臂(连杆)组成的曲柄滑块机构。滑块的直线运动 带动牵引臂和推靠臂打开和收拢。当推靠段完成推靠 动作后推靠电机停止工作，牵引段上的滑套将一直停 在此刻的位置上，如果井筒直径发生少量变化时，与滑 块相连的复位弹簧使牵引臂始终紧贴井壁。 牵引臂打开的角度不同，行走轮对井筒的压力不 同，要获得最大的压力和牵引力，不同尺寸的测量井筒 应采用不同尺寸的牵引臂。 行走机构由锥齿轮副、链轮传动副和行星齿轮副 及行走轮几部分组成。减速器的输出轴带动一小锥齿 轮，它同时带动一对装在同一轴上的大锥齿轮作旋向 2009年 第 23卷 第 4期 杨永刚等：水平井生产测井爬行器设计 相反的运动，大锥齿轮的旋转轴与减速器的输出轴垂 直而与行走轮的轴平行。两个大圆弧锥齿轮各带动一 套链轮、行星齿轮将动力传给行走轮。两个行走轮的 旋向相反但行走方向相同。 副牵引组件与主牵引组件基本相同，只是它的推 靠力由两根穿过主行走机构的推杆传递过来。行走轮 的驱动力是通过一根长轴从主行走机构传递过来。 4)电子线路段 电子线路段分为 5个模块：模式控制模块、电源模 块、通讯模块、主控模块、电机驱动模块。 模式控制模块主要功能是配合地面控制器采用不 同的加电方式选择井下是爬行器工作还是测井仪工 作。 电源模块的功能是：当爬行器工作时，电源单元从 总线上取得直流电源，变成电子线路需要的各种直流 电源。总线上的电压变化范围很大，采用开关电源能 够满足要求。 通讯单元的功能是使电子线路与地面计算机保持 通讯，接受指令，向地面传递井下的各种数据。 主控模块是电子线路的控制中心，其主要功能： (1)通过内部软件，实现规定的通讯方式。 (2)对井下各种测量数据实现数字化 ，并传向地 面。如磁定位、电缆张力、缆头电压、推靠位置、电机转 速等。 (3)按地面指令要求对推靠段和驱动段进行控制。 电机驱动模块的功能是测量直流无刷电机(主电 机)工作状态，按主控单元指令信号对电机启停、换向 进行控制，并将电机的转速、方向信号传给主控单元。 4 主要技术问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 4．1 爬行器主要技术参数的确定和爬行器的总体设 计 由于爬行器的直径受到严格限制，电机和传动部 件传递的力(力矩)有限，整个爬行器的强度和刚度也 有一定要求，因此必须根据测井需要制定合适的牵引 力和牵引速度指标。总体设计除考虑实现各种功能， 满足牵引力、牵引速度等技术指标外，还必须考虑各种 故障下爬行器的安全收回和爬行器的可靠性，确定在 测井过程中爬行器和测井仪的工作模式，爬行器与测 井仪地面设备的接口与通讯方式。 4．2 主电机及其驱动电路的研制 由于爬行器直径为 54 nm'l，电机的直径只能在 40 mm左右，要达到要求的牵引力和牵引速度，电机必须 有很高的功率／体积密度。由于采用单芯电缆直流供 电方式，在结构上电机浸泡在油腔中。采用直流无刷 电机较为合适。国内目前没有满足爬行器技术要求的 电机，但已具备研制这一电机的能力和技术条件。直 流无刷电机的驱动与控制 比一般交流和直流电机复 杂，虽然技术已趋向成熟，但高温的控制器件和芯片只 有极少几家国外公司生产，价格较高。 4．3 离合器的研制 推靠段在减速器和滚珠丝杠之间设置了电磁离合 器，它是爬行器重要的传动装置和安全装置，可靠性要 求很高。与一般离合器相比其功能比较特殊，需要专 门研制，必须进行反复试验和测试，达到了设计要求的 可靠性才能下井试验。 4．4 机械部件的制造 1)小直径深孔的加工。爬行器中有多处 6左右 的细长孔，最大深度超过 600 mnl，对孔的直线度要求 很高。 2)细长轴的加工， 5．5直径的轴最长超过 600 mm，特别是小直径的滚珠丝杠和滚珠花键轴的加工， 精度很高，需要专用设备加工。 3)行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、奥里康圆锥 齿轮以及链轮等的加工，由于受体积限制，尺寸小且为 非标产品，很多零件采用了非常规的设计，机构设计和 制造的工作难度和工作量很大，单件和小批量生产成 本很高。 4)爬行器的推靠段和牵引段的异形零件和薄壁零 件很多，要求较高，加工量大，费用高。 5 结束语 本方案的技术特点：1)具有较大的牵引力和牵引 速度，速度均匀，能双向牵引；2)推靠段采用的是丝杠， 行程是固定的，驱动轮推靠靠弹簧调节；3)传动方式结 构复杂。该设计中最难的部分不是电路的控制部分， 而是在狭小的空间完成推靠和牵引机械的部分；本样 机已在胜利油田试用获得成功，但也暴露了一些问题， 有待进一步的改进。 参 考 文 献 [1] 郭海敏．生产测井导论[M]．北京：石油工业出版社出 版，2003 [2] 刘 刚，王志强，房建成．永磁无刷直流电机控制技术与 应用[M]．北京：机械工业出版社出版，2008 [3] 楚泽涵，高 杰，黄隆基，等．地球物理测井方法与原理 [M]．北京：石油工业出版社出版，2007 (收稿日期：2008—12一O1 编辑：高红霞)