LC5350TCJ測井車設計*

趙生永，李志鵬，徐文秀，史永峰

(1.蘭州城臨石油鉆采設備有限公司，甘肅 蘭州 730030； 2.西安思坦儀器股份有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

常規測井車在施工過程中，需要汽車起重機配合作業[1]。汽車起重機的作用是吊起測井電纜換向用的天滑輪。因此作業現場需要多擺放一輛汽車起重機，在狹小的井場經常出現車輛擺放困難；另外，汽車起重機的作業費用約為測井作業成本的30%左右，增加了測井作業施工成本。針對常規測井車的現狀[2]，筆者所在公司經過充分調研，提出了研制自帶舉升裝置的多功能測井車的要求。2017年筆者所在公司研制出了第一代多功能測井車，在總結經驗的基礎上，2019年10月，研制出了第二代LC5350TCJ型多功能測井車[3-6]，該車能夠獨立完成油井帶壓測試作業，不需要額外的汽車起重機配合作業。此文重點以雙桅桿舉升裝置的結構、舉升裝置自動控制系統為研究對象，通過對多功能測井車設計方案的計算分析，總結設計經驗，為油田測井作業車提供設計方面的參考和借鑒。

1 技術分析

1.1 結 構

LC5350TCJ型多功能測井車是根據國內油田的生產狀況，自行研制的一種新型多功能測井車。該車采用重汽豪沃系列6×4二類底盤為安裝基座，其上安裝車廂，絞車，舉升裝置，車廂分為兩個隔艙，前艙為操作艙，安裝有地面儀器、操作臺、座椅、空調、電氣柜等設備，后艙為絞車艙，絞車艙前部安裝有同軸雙滾筒絞車，尾部安裝有電纜計量裝置，絞車艙側壁安裝有液壓油箱、繞線輪、正壓風機、儲能器等專用裝置。

1.2 工作原理

LC5350TCJ型多功能測井車將舉升裝置與傳統測井車結合起來[11]，在測井作業的時候，雙桅桿在變幅油缸的作用下向后翻轉一定角度，大鉤將天滑輪吊起，然后進行測井作業，如圖1所示。

圖1 多功能測井車工作狀態示意圖1.汽車底盤 2.車廂 3.地面儀器 4.操作艙 5.電氣系統 6.中隔墻 7.絞車艙 8.舉升裝置 9.取力系統 10.液壓系統11.操作平臺 12.絞車 13.排繩系統 14.計量系統 15.舉升裝置控制系統 16.天滑輪 17.防噴管 18.測井電纜 19.地滑輪 20.井口裝置 21.井下儀器

纏繞在絞車上的電纜依次穿過測量頭、地滑輪、天滑輪及井口裝置連接儀器下入井內，將井內數據傳輸到測井地面儀器，從而讀取需要的井內數據。作業完畢后，舉升裝置大鉤放下天滑輪，卸下防噴管，雙桅桿在變幅油缸和桅桿支腿綜合作用下回落到行車狀態，如圖2所示。

圖2 多功能測井車行車/駐車狀態示意圖1.汽車底盤 2.舉升裝置 3.車廂

1.3 測井車主要技術參數

LC5350TCJ測井車主要技術參數見表1所列。

表1 測井車主要技術參數

1.4 設計目標

(1) 舉升裝置設計需要滿足提升高度18.5 m，幅度8.5～10 m，額定提升重量6 000 kg的技術參數，另外，舉升裝置不能妨礙絞車排纜，還不能阻礙操作人員觀察井口的視線,確保絞車操作人員能夠與井口操作人員進行直觀的交流。

(2)為了滿足以上要求，該車采用雙桅桿式舉升裝置，旋轉支點布置在車尾最高點，采用兩級伸縮桅桿，從而確保了舉升裝置的舉升高度、舉升大鉤距離車尾的距離等硬性指標；在工作狀態，桅桿由變幅液壓缸提供推力，從而最大限度的滿足了舉升裝置對舉升能力的要求；舉升裝置采用雙桅桿結構，從而解決了車輛偏重的問題，同時滿足了操作人員觀察井口和與井口操作人員交流的要求。雙桅桿設計還加入了桅桿支腿，作業時安全可靠。

1.5 整車設計計算

雖然該車是由成熟的特種作業車底盤改裝而成，但上裝部分的舉升裝置、車廂、絞車、發電機等部件的布局對整車重心有深遠影響，重心位置又對整車軸荷分配，行駛穩定性有重要影響，所以對改裝后的整車車輛重心，軸荷分配、側傾穩定性和爬坡能力進行計算分析[5-8]。整車改裝后既要要符合國家的法律法規及相關標準，又要滿足用戶使用的實際要求。通過嚴格的設計計算，合理布置專用裝置，從而使整機結構緊湊，合理利用臺板以上的有限空間，提高整機的移運性，方便用戶操作使用。

1.5.1 重心確定

多功能測井車作為油田常用的測試井設備，要求經常往返于各井場之間，因此要求移運裝置具有較高的機動性；各油田由于路況較差，因此要求移運裝置較強的越野性，另外，該移運裝置應能滿足專用裝置對有效載重量、安裝尺寸、動力需求等要求。綜合上述要求對現有二類底盤進行分析、比較、對比研究，選用重汽ZZ5357TXFV464ME5汽車二類底盤作為載車，該底盤該底盤一軸和二軸軸距為4 625 mm，二軸和三軸軸距為1 350 mm，前橋承重9 000 kg，雙后橋承重26 000 kg。最大總重量35 t，凈功率265 kW能夠充分滿足整套設備對機動性及動力特性的要求。

建立整車三維模型，賦予各零部件質量屬性，按照設計布局可以確定出整車重心位置和總質量，如圖3所示。

圖3 多功能測井車重心圖

圖中：H=1 771 mm，r=675 mm，L=4 625 mm，S1=4 136 mm，S2=L+r=4 625+675=5 300 mm。

1.5.2 軸荷分配計算

用三維模型自動生成整車總質量m=32 760 kg，假設改裝后前橋載荷質量為m1，雙后橋載荷質量為m2。

依據靜力學原理和杠桿定律可得出如下方程式：

F1+F2=G

(1)

G×S1=F2×S2

(2)

式中：F1為整車前橋重力(N)；F2為整車后橋重力(N)；G為整車總重力(N)。

則G=mg=32 760 kg×9.8 N/kg=321 048 N

將式(1)，(2)聯立并帶入參數求得：

F2=m2g=250 537 N

則:m1=7 195 kg，m2=25 565 kg

m1<9 000 kg；m2<26 000 kg

軸荷分配符合SY/T5534-2019《油氣田專用車通用技術規范》6.4.1條款要求以及原底盤設計允許值。

1.5.3 橫向穩定性

如圖4所示，多功能測井車在橫坡行駛時的受力圖，隨著橫向坡度角α的增大，左輪與地面的法向作用力ZL減小，當作用力為零時，即為多功能測井車發生側翻的臨界狀態，此時根據力學平衡原理有相應關系式：

圖4 多功能測井車橫坡行駛受力圖

(3)

整理式(3)得：

則多功能測井車不發生側翻的橫向坡度角滿足的條件為：

(4)

式中：B=1 830 mm(底盤廠提供)；H=1 771 mm(重心高度)；e=1 mm(左右偏心距絕對值)。

將數值代數式(4)中，求得發生橫向側傾的臨界角：α=27.3°

橫向穩定角α>15°，符合SY/T5534-2019《油氣田專用車通用技術規范》6.6.4條款要求以及GB7258-2017《機動車運行安全技術條件》要求。

1.5.4 最大爬坡度數計算

(1) 建立整車行駛平衡方程

最大爬坡度是指測井車在滿載狀況下，以Ⅰ檔勻速行駛所能爬上的最大坡度。建立如圖5所示的縱向爬坡受力圖，多功能測井車在爬坡行駛過程中受到驅動力，滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力。建立車輛行駛平衡方程式，利用受力關系，就可以確定汽車最大爬坡角度β。

圖5 多功能測井車爬坡行駛受力圖

測井車行駛平衡方程式為：

Ft=Fi+Ff+Fw+Fj

(5)

式中：Ft為測井車驅動力；Fi為多功能測井車坡道阻力；Ff為多功能測井車滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fj為多功能測井車的加速阻力。

測井車在Ⅰ檔勻速行駛爬坡狀態，不考慮空氣阻力和加速阻力，那么測井車行駛平衡方程式(5)可以簡化為：

Ft=Fi+Ff

(6)

按照圖1～3多功能測井車縱坡行駛受力圖分析得：

Fi=mgsinβ

(7)

Ff=μmgcosβ

(8)

式中：m為整車總質量(kg)；g為重力加速度9.8 m/s2；μ為輪胎滾動摩擦系數，見表2所列。

(2) 計算多功能測井車驅動力

多功能測井車驅動力是底盤發動機將轉矩依次通過離合、變速箱、傳動軸、后橋主減速器、半軸傳遞到車輪作用于地面產生的力。則有：

(9)

Tt=Ttqioisηw

(10)

式中：Tt為驅動輪軸上的轉矩(N·m)；d為車輪動態半徑(m)；Ttq為底盤發動機輸出轉矩(N·m)；io為后橋主減速比；is為變速器傳動比；ηw為底盤傳動系統機械效率。

多功能測井車選用ZZ5357TXFV464ME5底盤功率為265 kW，最大扭矩1 800 N·m，對應轉速1000～1400 r/min，輪胎規格是12.00R20，后橋主減速比io=4.77，變速箱前進擋各檔速比依次為is=[14.36 10.66 7.88 5.82 4.38 3.28 2.44 1.80 1.33 1.00]，底盤傳動系統機械效率ηw取0.83，多功能測井車整車總質量m=32 760 kg。

將發動機參數帶入式(8)計算得：

Tt=102 335 N·m

(3) 計算測井車車輪動態半徑

車輪動態半徑d是指車輪受到垂直載荷以及轉矩時的半徑，在硬化路面上約等于僅受垂直作用力時的車輪半徑，按照經驗公式計算：

(11)

式中：D為輪輞直徑；b為輪胎寬度；λ為輪胎徑向變形系數。λ取值：b≤10，λ=0；1013，λ=0.1。

底盤廠家提供數據，輪胎規格是12.00R20，則λ取0.05。

將各參數帶入式(9)計算得d=0.54 m

(4) 計算測井車縱向爬坡角度

將式(6)～(8)聯立可得：

Ft=mg(sinβ+μcosβ)

(12)

由輔助角三角函數關系可得：

(13)

聯立式(12)、(13)得多功能測井車最大爬坡角度為：

(14)

最大爬坡角度還要滿足車輛輪胎不發生打滑，發生滑移臨界狀態時整車重力沿著斜坡的分力等于滑動摩擦力，則有：

μsmgcosβ=mgsinβ

(15)

推導得多功能測井車不發生滑移的坡度角為：

β≤arctanμs

(16)

式中：μs為輪胎滑動摩擦系數見表2所列。

表2 輪胎滾動和滑動摩擦系數表

實際測井車在作業時井場狀況都是壓實路面，按照新輪胎計算，滾動摩擦系數μ取0.035，滑動摩擦系數μs取0.50，將各參數帶入式(14)計算得到最大扭矩條件下整車最大爬坡角度為34°；將各參數帶入式(16)計算得到整車發生滑移狀態時的最大爬坡角度為26.6°，兩者取其最小值。所以多功能測井車最大爬坡角度為26.6°。

1.6 舉升裝置操作控制系統設計

1.6.1 舉升裝置操作控制系統綜述

舉升裝置的桅桿起升和回收需要整車支腿油缸，舉升裝置變幅液壓缸、桅桿支腿油缸的配合操作，最初設計采用手動操作，但是極易造成操作失誤。為便于現場操作，該車增加了橫向角度傳感器、縱向向角度傳感器、液壓傳感器，采用PLC邏輯控制，自動匹配整車支腿油缸、變幅液缸和桅桿支腿液壓缸的動作，從而實現了桅桿舉升和桅桿回收的自動化操作[9-10]，最大程度的減小了作業人員的勞動強度和操作失誤性，提高了設備操作的便捷和安全性。

1.6.2 舉升裝置操作控制系統

1.6.2.1 輸 入

(1) 輸入模擬量有3個，分別是：液壓傳感器值，車輛橫向角度傳感器值，車輛縱向角度傳感器值。

(2) 輸入開關量有11個，分別是：桅桿前支架限位器Ⅰ，桅桿極限位置限位器Ⅱ，桅桿支腿限位器Ⅲ，大鉤極限位置限位器Ⅳ，急停和復位按鈕，桅桿舉升按鈕，桅桿回收按鈕，二級桅桿伸按鈕，二級桅桿縮按鈕，大鉤提升按鈕，大鉤下放按鈕。

1.6.2.2 輸 出

(1) 輸出模擬量是由PVG32-6負載敏感電控比例閥控制的6個模擬量，分別是：車輛左側支腿液缸伸或縮，車輛右側支腿液缸伸或縮，變幅液缸舉升或回收，桅桿支腿液缸伸或縮，大鉤升或降，二級桅桿伸或縮。

(2) 輸出的開關量是報警信號。

1.6.2.3 控制邏輯

(1) 傳感器，限位開關分布圖如圖6所示。

圖6 傳感器、限位開關分布圖

(2) 舉升裝置舉升邏輯控制流程如圖7所示。

圖7 舉升裝置舉升邏輯控制流程圖

(3) 舉升裝置回收邏輯控制流程如圖8所示。

圖8 舉升裝置回收邏輯控制流程圖

圖中:HJD為車輛橫向角度傳感器值；P為液壓傳感器值；ZJD0為車輛縱向角度初始值；FJD為桅桿翻轉角度值。

(4) 操作過程中，隨時判斷角度傳感器、限位器工作是否正常，當角度傳感器或限位器故障時，立即執行停止程序并報警。

(5) 當程序處于舉升狀態時，按壓回收按鈕和大鉤動作按鈕無效，當程序處于回收狀態時，按壓舉升按鈕大鉤動作按鈕無效，解除舉升或回收狀態，須按壓停止按鈕。

1.7 測井車對比效果

(1) LC5350TCJ多功能測井車是筆者所在公司根據國內油田的生產實際需求，自行研制的一種新型多功能測井車。多功能測井車在傳統測井車基礎上結合了舉升裝置。在現場作業時無需額外的汽車起重機，為測井作業節約了1臺吊車的作業成本。

(2) LC5350TCJ多功能測井車采用雙排座底盤，駕駛室可以乘坐6人，在實際作業時可以減少一輛人員運輸車。

2 試驗情況

(1) 初步液壓試驗，該試驗階段位于底盤進場安裝完副車架和舉升裝置之后進行，采用獨立液壓站來檢測舉升裝置能否完成舉升動作，立柱轉軸是否存在不同心或者干涉。試驗結果符合設計要求。

(2) 該車研制成果后按照國家特種車輛改裝政策在國家機動車質量監督檢驗中心進行了產品鑒定(整車定型)試驗。同時委托國家工程機械監督檢驗中心對桅桿舉升裝置進行了型式試驗，試驗由第三方檢測認證人員到場試驗，該試驗有針對性的證明了舉升裝置以及舉升裝置操作系統符合設計要求。同時驗證了舉升裝置的參數：額定提升重量6 000 kg，井口距車尾8.5～10 m，提升高度18.5 m。而這些參數能滿足油田客戶的生產測井作業要求。

(3) 井場作業試驗

在2019年11月這輛車在長慶油田慶陽地區和遼河油田盤錦地區進行井場作業試驗，在長慶油田進行了3口井的測井作業試驗，在遼河油田進行了2口井測井作業試驗。在試井作業時，既能發揮測井車基本作用，舉升裝置還能起吊起天滑輪，從而為測井作業節省一臺起重機。減少了測井作業成本。

3 結 論

LC5350TCJ多功能測井車是根據測井作業現狀而自主研發的新產品，此產品針對測井作業時需要的測井車隊龐大的問題，本著節省資源，降低測井作業成本的原則，提出了多功能測井車設計方案。本產品提高了整車利用效率，能為測井作業節約作業成本，可能是未來油田測井裝備發展的一種趨勢。LC5350TCJ多功能測井車的主要技術創新點總結如下。

(1) 雙桅桿翻轉式舉升裝置與傳統測井車的完美結合，在傳統測井車的功能基礎上增加了專用吊裝功能。

(2) 舉升裝置結構新穎，既便于絞車排繩和操作人員觀察井口，又不破壞車輛左右重心平衡。

(3) 雙桅桿增加了落地式雙支腿，在桅桿工作狀態雙支腿支撐地面，增加了整車安全性。

(4) 舉升裝置采用了自動控制系統，實現了舉升裝置的一鍵舉升和一鍵回收功能，增加了操作便利性。