石油測井用多功能推靠器設計

蔡池淵 陳敬致 劉春雨 王玉玨

摘要：本文以井下推靠器為例，對推靠器的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了闡述，并著重對電機的設計進行了說明，分析了碟簧外形尺寸和組合方式的不同對推靠力大小的影響，計算了井下高溫高壓對活塞行程的大小，并對碟簧設計過程中的注意事項進行了歸納總結(jié)，為以后類似的推靠器設計提供了有益的參考。

關鍵詞 碟簧 推靠器 組合方式

中圖分類號： TE927.403 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

在石油測井過程中，井眼垮塌的情況經(jīng)常遇到，在這種情況下，傳統(tǒng)的板彈簧類的推靠器推靠效果不理想，嚴重的時候遇卡導致測井失敗。而此種推靠器工作方式與傳統(tǒng)板彈簧類的推靠器不同，它的推靠是由電機驅(qū)動完成，儀器在下放過程中收腿，在到達目的層后開腿，測井這樣可以減小儀器外徑，起到輔助的居中﹑輔助偏心和測量井徑的功能。這種推靠器的工作方式不僅能夠降低儀器在惡劣井況下的作業(yè)風險，解決了大直徑儀器在小井眼作業(yè)的困難，而且還可以根據(jù)井況情況實時調(diào)整推靠力的大小，確保推靠效果，保證了測井質(zhì)量，提高了儀器測井范圍。

1 推靠器的結(jié)構(gòu)及工作原理

當分動式推靠機構(gòu)工作時，電機轉(zhuǎn)動使旋轉(zhuǎn)變直線運動，將輸出的動力推動碟簧，碟簧推動頂桿向右移動，通過連桿機構(gòu)使支撐臂做開收腿動作動。由于井眼形狀不規(guī)則，四組測量支撐臂張開的角度不同，張開角度的大小與井徑的大小是成正比的。由于每組支撐臂的碟簧組的受力和大小都一樣，在理想井況下四組支撐臂張開的角度與推靠力的數(shù)值都一樣，當遇到不規(guī)則井眼時，每組推靠臂的張開角度和推靠力數(shù)值隨著井徑的變化而變化，這樣就保證了井徑測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。當四個支撐臂全部張開時，起到輔助居中的作用，當相鄰兩個支撐臂張開時，起到輔助居中作用（見圖2）。桿系工作原理參見圖1，推靠傳動部分模型參見圖3。

2 傳動部分設計

2.1電機的設計

多功能推靠器采用的是高溫直流無刷自鎖電機（圖4），這種電機除了具備輸出穩(wěn)定的動力外，還在前端設計了永磁式磁定位器（見圖5），能夠依靠永磁體自身的吸力實現(xiàn)電機自鎖，起到取代傳統(tǒng)離合器和力矩限制器的作用。

永磁式磁定位器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子與測井定量采樣系統(tǒng)中的電機轉(zhuǎn)子同軸連接，定子固定在系統(tǒng)臺架上。其中，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軛和N、S 極性交替排列的多塊永磁體組成，它作為磁定位器磁路中的磁勢源，用于提供磁動勢，從而產(chǎn)生氣隙磁場；定子由帶齒槽結(jié)構(gòu)的硅鋼片疊壓而成。當電機轉(zhuǎn)子帶動磁定位器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)磁阻最小原理，定子和轉(zhuǎn)子之間將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而提供定位功能。由于定子為磁阻結(jié)構(gòu)，因此定子和轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)矩本質(zhì)上為磁阻轉(zhuǎn)矩。要想獲得理想的磁阻轉(zhuǎn)矩，就需要合理地確定尺寸和電磁參數(shù)，從而在一定的體積下，得到盡可能大的轉(zhuǎn)矩。

2.2 碟簧組設計

2.2.1彈簧類型和材料的選取

推靠器受力彈簧長期浸泡在液壓油中，不接觸外界泥漿，鉆井液等化學物質(zhì)，且對防銹，防蝕，防磁沒有特殊要求，綜合價格因素，可選用A型50CrVA無支撐碟形彈簧。這種碟簧形狀和結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，市場應用廣。

2.2.2碟簧組合方式設計

推靠器的推靠效果與推靠力的大小直接相關，推靠力過大，儀器容易遇卡，造成測井事故，推靠力過小，儀器推靠效果差，測井資料不理想。而推靠力的大小與碟簧的組合方式有直接關系，因此碟簧的尺寸選型和組合方式設計十分重要。

以實現(xiàn)推靠力200KG為例，選用外徑D=34mm；厚度δ=1.5mm；不同碟簧厚度和組合方式來進行對比設計；

從7a，7b，7d三個圖可以看出，碟簧內(nèi)外徑 及組合長度對碟簧組產(chǎn)生推靠力的大小影響較小，相比較圖7c和圖7e，碟簧厚度和組合方式的變化對推靠力的影響則更為明顯。

綜上考慮，要實現(xiàn)200KG的推靠力，綜合儀器空間和長度等因素考慮，可選先使用碟簧尺寸D：34mm，d=16.3mm，H：2.55mm，n=90單片對合的組合方式（見圖7f）。

2.3 井徑測量

位移傳感器上拉桿連接在頂桿左端，當動力桿被施于動力P時，頂桿在動力P的作用下，向前推動連桿結(jié)構(gòu)，運動過程中，位移傳感器上的拉桿跟著頂桿運動，測量的行程通過位移轉(zhuǎn)換關系來反映井徑的大小 。由于實際井眼不規(guī)則，支撐臂的張開角度在發(fā)生改變，反作用于頂桿上的位移傳感器拉桿也在左右移動，從而達到實時測量井徑的效果。

3 平衡短節(jié)設計

如上圖：在井下環(huán)境下， A方向井下地層壓力，B方向是高溫情況下液壓油膨脹后的壓力

這兩個力的壓差就是儀器實際所要承受的壓力，當A大于B時，平衡活塞體壓縮拉簧向左移動，B大于A時，平衡活塞體拉伸拉簧向右移動，實際是一個動態(tài)的平衡。

根據(jù)儀器耐溫耐壓指標，選取井下溫度變化Δt=204℃和地層壓力變化Δp=140MPa

溫度變化Δt引起推靠器中油液膨脹后的體積變化ΔVt為

其中，V0為常溫下推靠器中油液的體積；αv為液體膨脹系數(shù)，取值為（8.5～9.0）*10-4℃-1.

地層壓力變化Δp引起壓縮油液的體積變化ΔVp為

其中，k為油液的體積模量，取值為（1.2～2.0）*10?MPa。

活塞缸的內(nèi)孔半徑為R=54mm，活塞桿的外徑為r=20mm，則活塞實際變化的長度為

取流體體積V0=125mm3、液體膨脹系數(shù)αv=8.8*10-4℃-1、油液的體積模量k=1.6*10?MPa、泥漿密度取值ρ=2.0*10?kg/m?，并將儀器耐溫指標Δt =204℃，代入公式（4），儀器耐壓指標Δp=140 MPa代入公式（5）分別計算，可以得出，當常溫140MPa時，拉簧的壓縮量是47mm。當高溫204℃常壓時，拉簧的伸長量是135mm，考慮到一定的安全系數(shù)和拉簧的極限伸長量，我們設計選取活塞行程ΔL=270mm。

4 結(jié)束語

1）在推靠器碟簧的設計過程中，如果長度允許，盡量選用單片對合組合的方式；如果空間允許，則盡量選用大直徑小內(nèi)徑的碟簧來進行組合。碟簧組各個碟簧承受的載荷從動端向內(nèi)是依次遞減的，動端的載荷最大，使用壽命最短，使用過程中應該定期保養(yǎng)及時更換

2）應該加強高溫電機對井下井陘數(shù)據(jù)的反饋的智能控制的研究，以保證井下推靠器的平穩(wěn)性。

3）支撐臂上應設計滾輪，減小推靠器在工作中與井壁的摩擦力；由于推靠器具有輔助偏心功能，應考慮貼井臂面零件使用壽命。

4）平衡短節(jié)中活塞是個動態(tài)過程，應注意清理活塞桿及平衡外殼內(nèi)壁雜質(zhì)，保持運動順暢。

參考文獻

[1] 張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊第2版. 機械工業(yè)出版社，2008：466，471.

[2] 穆全德.分動推靠器設計及應用. 石油儀器，2008，22卷1期：15-17

[3] 廖勝軍 馮永仁 侯洪為 張志剛 于增輝 新一代國產(chǎn)電成像測井儀ERMI的推靠器的設計. 重慶科技學院學報（自然科學版）第14卷第6期

[4] 趙 斌.基于MATLAB的VSP測井儀推靠機構(gòu)的優(yōu)化設計[J]. 石油礦場機械， 2008