劃船型連續管井下牽引器初步原理設計和可行性分析

黃 滿

中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢 430070

0 引言

連續管鉆井開始于上世紀90年代，到目前為止，全世界使用連續管鉆井7000余口，且每年增加750～850。連續管鉆井降阻減磨的方法之一是使用井下牽引器。

1 現存牽引器簡介

目前市場上主要有三家公司提供井下牽引器。Welltec公司的井下牽引器：牽引器由上下連接短節，渦輪發電機和輪子組成。輪子可以從體內展開，接處井壁，并自動轉動，帶動連續管向前運動。Western Well Tool公司的井下牽引器：牽引器由控制組件和前后軸組件構成。前后軸組件相互配合，可以實現牽引器循環向前涌動，實現牽引器對連續管的牽引作用。

2 劃船型牽引器

受劃船動作的啟發，設計了一種結構簡單、維護方便的井下牽引器，牽引動作由類似于劃船的動作組成。結構如圖1。圖中內桿4、壓緊彈簧5、回復彈簧6、支撐板7和外套8組成一組“劃船”機構，沿外殼圓周可以安裝多組“劃船”機構，從而實現牽引器與井壁的多點接觸和增強牽引效果。

外殼1的作用是與上部的連續桿和下部的鉆具組合相連接，保護殼內的機構。外套2與內桿相互作用，內槽是其核心構成。其徑向內表面和軸向內表面與內桿4的一端相接處。徑向內表面使內桿在徑向做往復運動。軸向內表面對內桿4施加軸向的力，該力對支撐板7與外套8的接觸點的力矩使內桿4有轉動的趨勢，內桿4與外套8相互作用，使外套8在壓緊井壁的同時，有相對井壁滑動的趨勢，產生摩擦力。井壁對外套8的力使牽引器向前運動。簡易水輪機3當鉆井液流過時，水輪機會產生轉動，帶動凸輪機構轉動。是整個機構的動力源。內桿4與凸輪機構相互配合，獲得徑向的往復運動和軸向類似于劃船的動作。并傳遞給外套8。筒內彈簧5一端與外套8連接，一端與內桿4連接，勁度系數比回復彈簧6大許多。當外套8被推出外殼1，而且外殼1外表面與井壁間間隙比較小，此時筒內彈簧壓縮，使外套外端面壓緊井壁。回復彈簧6與支撐板7和外套8相連接，當外套8的推出行程結束，回復彈簧將外套壓回內殼。外套8與內桿4相連接，使內桿的一端壓在凸輪機構內表面上不致脫落。其勁度系數比筒內彈簧小很多。支撐板7與外殼相配合接觸，其內側有小突起，與外套8兩側的凹槽小配合，起到給外套8導向和轉動支撐點的作用。其與外套8之間的間隙用密封材料堵緊。外套8有圓柱形內腔，筒內彈簧6和內桿4插入其中。兩側的凹槽與支撐板7相配合，起到導向和作旋轉的支撐點的作用。

3 工作原理

鉆井液從牽引器內流過，水輪機在與鉆井液的作用下，產生轉動，從而帶動凸輪機構轉動。凸輪機構與內桿相互作用，使內桿產生徑向的往復運動和軸向的類似于劃船的運動。內桿與外套通過筒內彈簧連接。外套與支撐板通過凹槽和小突起的配合連接，其間還連接有回復彈簧。內桿使外套壓緊井壁的同時沿軸向滑動，井壁與外套外端面相接觸，井壁作用于外套外端面的力使牽引器向前運動，從而使牽引器具有牽引作用。外套能夠滑動是因為支撐桿上的突起和外套兩側凹槽的配合起點支撐作用，并且凸輪機構在內桿上作用有產生轉矩的力而產生類似杠桿的運動過程，即外套的像劃船一樣滑動。

圖3 外套伸出外殼并做劃船運動

4 可行性分析

尺寸的可行性：外殼1的外徑79.4mm，內徑75mm，“劃船”機構各組件尺寸：內桿長18mm，直徑6mm；外套長23mm，外套內孔深19mm，孔徑8mm，外端面正方形15mm*15mm，兩側凹槽深2mm，兩端半圓心距12mm，半圓直徑2mm；內筒彈簧長14mm，直徑5mm；支撐板內側突起2.2mm，直徑1.8mm。根據上述尺寸計算得，外套伸出外殼外表面的最大長度外12mm。有上述可知徑向尺寸都滿足設計要求，對于鉆井工具井內設備，最為關鍵的就是徑向尺寸，所以可以得出本設計的尺寸要求能夠滿足的結論。

力學可行性：為了簡化分析過程，假設外套伸出過程中徑向不受阻力，則作用在凸輪上的力有水輪機的力矩M和內桿與凸輪凹槽上表面的作用力沿切線方向的分量Fx則對軸的中心線有：M=Fx*R （1式）(R為凸輪上表面與內桿接觸點到軸的中心線的距離)；Fy*x1-f*x2=0 （2式）（x1為內桿斷面與外套支點的距離，x2為外套斷面與外套支點的距離，令Fy=Fx，f為井壁對外套斷面的力），則有f=（M*x1）/（R*x2）其中 M=p*Q*v2*r2-p*Q*v1*r1式中第一項為水輪機中流出轉輪內緣的動量矩，后一項為水輪機中流進轉輪外緣的動量矩，p為鉆井液密度，Q為鉆井液流量。得f=[p*Q(v2*r2-v1*r1)*x1]/(R*x2)此式即為井壁對單組“劃船”機構的作用力近似表達式，通過鉆井液的調配和凸輪機構的優化設計，可以得到更合理的牽引力。

5 劃船型牽引器的優點

本設計對鉆井液的成分要求不高，上面介紹的兩種現存的牽引器結構中都有類似液壓的部分，對鉆井液要求較高。“劃船”機構可以隨時在牽引器上更換，維修方便。可以通過不同數量的“劃船”機構，改變牽引力的大小，從而適應性較強。

6 結論

本設計在原理上符合要求，可以實現牽引器的基本功能，具有可行性。

[1]唐志軍，等.連續管鉆井技術綜述[J].天然氣工業，2005.

[2]陳朝偉，等.連續管鉆井減磨技術綜述，2010.

[3]鄭源.高等學校“十一五”精品教材《水輪機》.中國水利水電出版社，2007.