八臂式分動推靠器動力設計分析*

王宏建,張小平,柏　銳,王秀霞,孫東利,袁曉燕

(大慶鉆探工程公司測井公司　黑龍江　大慶　163412)

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·開發設計·

八臂式分動推靠器動力設計分析*

王宏建,張小平,柏銳,王秀霞,孫東利,袁曉燕

(大慶鉆探工程公司測井公司黑龍江大慶163412)

摘要：提出了一種八臂式分動機械推靠器的實現方法。 根據需要完成的功能確定推靠器的工作方式，設計它的機械結構和參數，并對推靠機構各部件進行力學分析，得出驅動壓盤的力F和推靠力F0的函數關系式，代入結構參數的設計值，在整個推靠域上得出推靠力F0和抱緊力的極限值，并對動力傳動機構進行分析。經過測試和現場應用，八臂式分動推靠器機械結構和參數設計合理，極板貼靠井壁嚴實，動力設計符合實際應用要求，機械性能穩定可靠。

關鍵詞：井徑測井;分動推靠器;八臂推靠器;極板

0引言

八臂分動推靠器是一個機械平臺，可以安裝成像測井儀器傳感器陣列，采集大量直接的和間接的地下信息[1,2]。比較溫度、壓力特性，推靠器的結構是最先要考慮的[3]。采用分動式特別適合于在井徑不規則地層中進行測量[4]，采用八個推靠臂能夠增加井壁覆蓋率，但增加運行的可靠性困難，這就要求在整個推靠域上推靠機構在力學和運動學上都要有準確合理的考慮，達到運行自如，取得可信資料。2011年大慶測井公司在國家大慶油田原油4 000萬噸持續穩產重大科技專項支持下研發新一代微電阻率掃描成像測井(簡稱電成像)技術，于2013年推出具有自主知識產權的推靠器。本文介紹了動力傳動機構及結構參數設計情況以及儀器應用情況。

1儀器構成及工作原理

推靠器安裝八支推靠臂獨立運動，八個極板錯落排布，可應用于多褶皺、橢圓等各種復雜的井眼；八個均勻分布的井徑測量井眼半徑的幾何變化。傳動部分封閉在一個密封的外殼內，不受外界鉆井液和巖石碎屑的影響，動力傳動效率高，推靠力隨井徑值平緩下降，推靠器內安裝有一只5 kΩ行程電位計，提供了一個電壓測量，監測當推靠臂伸縮時施加到推靠臂連接機構上的壓力，用于監控探頭的張收情況，幫助故障定位，同時地面操作員通過監控來調節推靠力獲得清晰的圖像[5]。推靠器分成分動式推靠機構和動力傳動機構兩部分，如圖1所示。

圖1　推靠器構成及工作原理圖

推靠器在接通110VDC電源后，電機正轉，扭矩通過行星齒輪減速器，經過防反轉制動器、聯軸器、滾珠絲桿后將旋轉運動變為軸向直線運動，滾動螺母驅動壓盤，壓縮彈簧組件，從而推動推靠臂向外伸張緊貼井壁。當行程電位計顯示張開到位時，扭矩限制器保護啟動，這是張開推靠的動作。收攏時，電機反轉，扭矩傳動機構反向驅動，壓盤利用回收軸環推動推靠臂收縮，推靠臂收攏抱緊，當行程電位計顯示收攏到位時，扭矩限制器保護啟動，收攏完畢。

在推靠狀態時，電機動力驅動壓盤壓縮主彈簧，主彈簧的彈力通過傳動機構轉化為推靠臂的推靠力；在收攏狀態時，電機動力反向驅動壓盤壓縮緩沖彈簧，克服彈簧力、摩擦力及運動件的重力作用，把推靠臂收攏。彈簧采用碟簧串聯組合設計，適用于空間小，負荷大的精密機械[6]。

2設計分析

2.1分動式推靠機構力學設計分析

不考慮極板和推靠臂等零件的質量，推靠臂l3為原動件，l5為從動件，二者相當于雙曲柄，極板l4為連桿，與儀器主體組成單自由度的平行四邊形傳動機構,優點是在測井過程中極板能夠始終與井壁均勻貼合。推靠器的驅動部分包括連桿l1、曲柄l2和滑塊l0(即推拉桿)相當于一個曲柄滑塊機構。作用在傳動機構上的力有驅動壓盤的力F和推靠力F0，如圖2所示。MN為儀器中心線，AC為儀器外表面，AC與MN平行。圖2集中反映了推靠臂的受力狀態，圖3～圖5對每個桿進行受力分析如下：

圖2　整體結構簡圖

圖3　桿1和桿0的受力分析

因為桿1是二力桿(重力忽略不計)，受力大小相等，方向相反，并與桿件方向相同。得到三個受力方程(1)(2)(3)：

T1Y= T2Y

(1)

T1X= T2Y

(2)

(3)

對于桿0，有方程(4)(5)：

F=-T1X

(4)

N=-T1Y

(5)

得到條件組(一)：

T2X=-F

(6)

T2Y=-F tgγ

(7)

圖4　桿5和桿4的受力分析

根據桿5是二力桿，得到三個受力方程(8)(9)(10)：

TBX= T5X

(8)

TBY= T5Y

(9)

(10)

對于桿4有三個方程(11)(12)(13)：

F0= T5Y+ T3Y

(11)

T3X= T5X

(12)

0.5·F0·l4·cosα =T5X·l4·sinα+T5Y·l4·cosα

(13)

由式(12)得到式(14)；由式(10)、(13)得到式(15)，式(14)(15)合稱條件組(二)：

T5X= T3X

(14)

T5Y= T3Xtgβ

(15)

圖5　桿2和桿3的受力分析

桿2和桿3所受合力為零，所以有三個方程(16)(17)(18)：

TAX+ T3X- T2X= 0

(16)

TAY+ T2Y- T3Y= 0

(17)

T2Y·l2·cos[π-(θ-β)]+T3X·l3·sinβ+T3Y·l3·cosβ+T2X·l2·sin[π-(θ-β)]=0

(18)

將條件組(二)代入式(13)得到式(19)；再將(15)、(19)代入(11)，得到式(20)。式(19)(20)合稱條件組(三)：

(19)

(20)

將條件組(一)、(三)式代入式(18)，得到：

(21)

所以，當β=0°時推靠器處于全收狀態，其結構參數的設計結果為：θ=112.5°，12=30.5 mm，l3=304.8 mm，γ=4.986°,代入式(21)中,得公式(22):

F= 10.44F0

(22)

又當β=60°時推靠器處于全張狀態，其結構參數的設計結果為：

θ=112.5°，12=30.5 mm，13=304.8 mm，γ=2.614°,代入式(21)中,得式(23):

F= 6.53F0

(23)

2.2彈簧組件的力學設計分析[7]

主彈簧128片，緩沖彈簧20片，兩個調整墊片分別為6 mm和24.5 mm，裝配后的間隙為3.7 mm。壓盤行程h1=30.43 mm，推拉桿10行程h2=29.98 mm。設計調整墊片可以更靈活調整推靠力。

2.2.1主彈簧組件的最大軸向力的確定

彈簧組件采用碟簧串聯安裝設計，根據支臂行程關系，在推靠力為最大，井徑為零(β=0°)狀態下，計算主彈簧產生的最大軸向力Qmax。

碟簧實際使用時，允許的最大變形量為：

0.75h0=0.75×0.6=0.45 mm

此時碟簧載荷F即為主彈簧產生的最大軸向力Qmax。

滾珠絲桿承受的最大軸向載荷QA設計為：

QA= 6×Qmax =13 726.398 N

將載荷F代入式(22)，得最大推靠力為：F0= 219.14 N

2.2.2最小推靠力的確定

在推靠器處于全張狀態時，β=60°，推拉桿l0走完自己的行程，碟簧總變形量為：30.43-3.7=26.73 mm，單片碟簧變形量為0.209 mm，計算碟簧載荷為1168.695 N，代入公式(23)中，得最小推靠力F0為178.97 N。

2.2.3最大抱緊力確定

儀器收攏時，推靠臂往儀器軸心收回的力稱為抱緊力QB。緩沖碟簧采用20片碟簧對疊，外徑D=20 mm，內徑d=10.2 mm,厚度t=1 mm,極限行程h0=0.55 mm,高度H=1.55 mm，材料為60Si2MnA。計算K1= 0.684 。在β=0°，小碟簧并緊而未壓縮時，滑鍵距離左端面6.29 mm，是碟簧總變形量，得單片碟簧變形量f為0.3 145 mm，同理，計算緩沖碟簧載荷為1137.127 N，代入式(22)，得到抱緊力QB為108.92 N。

2.3動力傳動機構設計分析

動力傳動機構由電機、扭矩限制器、防反轉制動器和聯軸器組成,結構如圖1 所示。電機由非浸油式直流電動機和行星減速器構成，置于承壓殼體內，通過2根高壓針引出，整機為封閉式凸緣法蘭安裝機構。電機可正反轉，輸出功率75 W,轉速11 rpm,扭矩42 N·m,額定電壓115 V，額定電流1.2 A。行星傳動減速器具有傳動比大、效率高和工作平穩等優點。

當推靠力達到最大時滾動螺母到達鍵槽終端，扭矩限制器開始起作用，防止扭矩超值損壞儀器，是一種保護裝置。防反轉制動器在推開或收攏時實現扭矩傳遞；在停止時，自鎖住電機和滾珠絲桿軸，防止外力矩損壞電機，起保護作用。聯軸器聯接主動軸和從動軸使之共同旋轉以傳遞扭矩。

3現場應用

3.1機械可靠性

推靠器于2013年7月投產使用至今，機械結構穩定,推靠臂運動靈活，極板貼靠井壁嚴實，故障率低，體現了很高的可靠性。推靠器配套研制有自適應的金屬保護外套，在裝卸和運輸過程中保護紐扣電極。

3.2測井效果

在某油田喇8-某05井，圖6為電成像在同一地層獲得的圖像，可以看出安裝八臂分動推靠器所獲得的圖像井壁覆蓋率高，地層層理顯示更加清晰，且井壁覆蓋率為85%時，能夠獲得更全面的地質信息。

四條井徑曲線比兩條井徑攜帶的信息要多一些,如圖7所示,在英某-58井中的相同測量井段，可以看出井壁在多個方位有不同程度的垮塌現象。

4結論

1)研制成功了八臂式分動推靠器。推靠式分動機構設計為單自由度的平行四邊形傳動機構和曲柄滑塊機構的組合,在動力和傳動機構受力分析基礎上,推靠力變化范圍和抱緊力符合實際應用,結構參數設計合理。在狹小的空間，推靠機構靈活自如運動，傳感器陣列貼靠井壁嚴實，將井下地層電阻率信息準確地傳上了地面。

2)八臂式推靠器投入了現場應用，測井資料的合格率為100%，,在215.9 mm井眼條件下，覆蓋率達到85%，具有最大的井壁覆蓋率，較大提高了觀測電阻率信息的質和量，是解決復雜儲層測井評價的有力手段。分動的八個井徑臂，獨立測量井眼的幾何變化，獲得的信息更真實更全面。推靠器的成功研制，提高了國產儀器的裝備水平，增強國際市場的競爭實力。

圖6　不同井眼覆蓋率時在同一地層獲得的電成像圖

圖7　不同井徑傳感器在同一地層獲得的井徑曲線圖

參 考 文 獻

[1] 陶宏根，王宏建，付有升.成像測井技術及其在大慶油田的應用[M].北京:石油工業出版社,2008，20-33.

[2] 肖立志，張元中，吳文圣，等.成像測井學基礎[M].北京:石油工業出版社,2010，1-5.

[3] 鮑忠利，于會媛，侯洪為,等.常見測井儀器推靠器結構綜述[J].石油礦場機械,2010,39(5):84-88.

[4] 覃軍，龔子華，周志毅,等.新型雙井徑液壓推靠器的研制與應用[J].石油機械,2005,33(4):51-52.

[5] 王宏建,張小平,譚鑫,等.成像測井技術研究項目總結報告[Z].大慶鉆探工程公司測井公司,2012

[6] 王雷，陳立強，秦嶺,等.數控機床滾珠絲杠用碟形彈簧壓縮量的計算[J].世界制造技術與裝備市場,2013,26(5):105-108.

[7] 徐灝，蔡春源，嚴雋其，等.機械設計手冊(第2版第3卷)[M].北京:機械工業出版社,2004.

Analysis on Power Setting for Respectively-moving Octal-arm Sonde

WANG Hongjian,ZHANG Xiaoping,BAI Rui,WANG Xiuxia,SUN Dongli,YUAN Xiaoyan

(Well Logging Company,Daqing Drilling and Exploration Corporation,Daqing,Heilongjiang 163412，China)

Abstract：A design method for the respectively-moving octal-arm sonde was presented.The sonde′s working mode is determined according to its function to be realized,then the mechanical structure and parameters of the sonde are designed.The functional relation between the driving plate force F and the sonde′s power F0 is established based on the mechanical analysis of every component in the eccentering machinery,and the sonde′s power limit value F0 and its withdrawing force are calculated on its whole working domain by substituting the design values of its structure parameters into the function expression obtained.The power transmission mechanism is also analyzed.Field test and practical application show that the mechanical structure of the sonde and the design values of its parameters are reasonable,and its pads adhere to the sidewall tightly.This sonde has a good reliability in the field application,and its withdrawing force meets the actual requirements on its whole working domain.

Key words：caliper logging；respectively-moving sonde；octal-arm sonde；pad

基金項目：國家大慶油田原油4000萬噸持續穩產重大科技專項(2011CZB-007)所屬項目，項目編號：QR/A0/7-12-01

第一作者簡介：王宏建,男，1966年生，教授級高級工程師，博士，1989年7月畢業于大慶石油學院測井專業，中國石油天然氣集團公司高級技術專家，從事測井方法、儀器和測井資料處理解釋的研究工作。E-mail:zhangxp66666@sina.com

中圖法分類號：P631.84

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0032-05

(收稿日期：2015-11-16編輯：馬小芳)