小井眼微地震測井儀推靠裝置運動特性分析與試驗研究

張建偉，吳 偉，張 晉，王金超，白保鑫

（1.西安石油大學機械工程學院，西安 710065；2.西安伊泰爾科技開發有限責任公司，西安 710065）

0 引言

隨著我國油氣勘探不斷向深層探索，勘探難度顯著提升，所面臨的是更小的井眼以及更加惡劣的未知環境，從而對測井儀器的結構和可靠性提出了更高的要求[1-2]。推靠裝置作為井中微地震測井過程中的關鍵裝置之一，其能在井下運動打開推靠臂與井壁耦合并產生一定推靠力使檢波器在井中停靠，從而實現井中貼壁探測，一個運動可靠，耦合穩定的推靠裝置能有效保證測井工作的順利進行[3]。

目前對于小井眼測井的井中微地震測井儀推靠裝置研究較少。石麗云等[4]為降低測井成本，提高測井效率，設計了一種適應井徑150～550 mm的多臂機械推靠器，其中每個推靠臂互不干涉，獨立運動，一次下井能同時測量井徑、地層電阻率與巖石孔隙度3 個參數，提高了測井效率。趙斌等[5]通過研究不同長度推靠臂下推靠力隨轉角的變化，建立了鉆井中途油氣層測試器推靠裝置數學模型，根據測量井徑的不同選擇合適長度的推靠臂，改善了儀器測井過程中推靠性能利用不充分的問題。邢家樂等[6]設計了一種新型VSP 儀器推靠裝置，在原純機械式推靠機構的基礎上新增了液壓推靠系統，推靠力大，并相比于純液壓式大大降低了成本，但結構復雜、拆裝繁瑣。王會來等[7]設計了一種適合測量250～400 mm 井徑范圍的三臂測井儀推靠裝置，該推靠裝置采用電機推靠，絲杠傳遞力矩，構件簡單，運動穩定。任濤等[8]應用矩陣解析法建立了微球聚焦測井儀推靠機構數理模型，研究了各桿件在測井過程中的運動狀態，揭示了推靠裝置的運動特性。

本文針對目前常規微地震測井儀推靠裝置不適合小井眼測井問題，研制了一種結構簡單、運動可靠、耦合穩定的小井眼微地震測井儀推靠裝置。通過理論分析和仿真模擬重點研究了推靠機構的運動特性，并通過樣機試驗驗證了推靠裝置的可行性。改善了目前常規推靠裝置在微地震測井過程中結構復雜不適合小井眼、推靠耦合不穩定的情況。

1 推靠裝置結構原理與主要參數

1.1 整體結構及工作原理

所設計的推靠裝置三維模型如圖1 所示，主要由承壓外殼、驅動電機、絲杠螺母、推力桿、滑動套、鏈接桿、推靠臂、儲能彈簧、拔叉、限位開關等組成，推靠臂通過連接銷與外殼和鏈接桿鉸接，不受內部構件約束，結構簡單，拆卸方便，外形為半圓弧形，閉合時能最大程度地與殼體耦合，一方面縮小了儀器體積，另一方面與井壁接觸時能與套管更好耦合。承壓殼體材料采用TC11，耐高溫、抗腐蝕、密度小，可以很好地保護內部器件和減小儀器重量。推靠臂采用機械性能非常完善的高強度材料0Cr17Ni4Cu4Nb 來保證推靠裝置的可靠性和使用壽命。

圖1 微地震測井儀推靠裝置三維模型

該裝置采用單臂推靠，以直流減速電機為驅動方式，通過絲杠螺母將電機的旋轉運動轉化為推桿的軸向平移運動并向推靠機構傳遞動力釋放儲能彈簧，彈簧力推動滑動套左移并經由鏈接桿將力傳遞給推靠臂，使推靠臂繞固定點轉動，直至井壁停止，此時推力桿繼續左移，直至拔叉觸碰左限位開關使電機停轉，完成井中推靠過程。反之，電機反轉，推力桿右移，壓縮儲能彈簧，實現推靠臂收回。整個過程中彈簧力通過對滑動套施加作用力經由鏈接桿、推靠臂形成推靠力，作用于井壁，實現井中停靠。其中電機主要用來釋放和壓縮儲能彈簧，實現推靠臂的開啟和閉合。推力桿密封套和密封螺母主要用來保證推力桿倆端密封和導向，實現推力桿兩端壓力平衡，保證井下推靠動作。

1.2 主要技術參數

微地震測井儀推靠裝置主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 運動特性分析

2.1 建立推靠機構位置矢量方程

為掌握推靠裝置打開過程中各構件運動特性，研究各構件位移、速度、加速度隨時間運動規律，對推靠機構進行運動分析[9-10]。根據前述推靠裝置運動機理建立如圖2 所示的微地震測井儀推靠裝置機構簡圖[11]。取推靠臂固定鉸接點O為坐標原點建立直角坐標系，利用閉環矢量法對推靠機構進行運動學分析，將各桿件表示為桿矢，建立機構閉環矢量方程。

圖2 推靠裝置機構運動簡圖

為便于研究，將絲杠螺母機構簡化為滑塊1，取滑動套4 為原動件。連接CD，由閉環多邊形OACD可建立如下閉環矢量方程：

式中：l1為推靠臂前端OA長度，mm；l3為鏈接桿AC長度，mm；e為偏距CD長度，mm；s為滑動套4 距原點O處OD長度，mm；xc-0為滑動套4初始位置；vc為滑動套4速度，mm/s；t為運動時間/s；n為電機轉速；h為絲杠導程。

2.2 推靠機構位移分析

將矢量方程（1）向x，y軸投影得到如下位移方程組：

式中：θ1為推靠臂前端OA與x軸正方向夾角；θ3為鏈接桿AC與x軸負方向夾角。

為便于求解，借助幾何關系連接OC可得：

式中：θ2為推靠臂后端AB與x正方向夾角；γ為推靠臂結構夾角OAB。

根據上述所得方程可求得各點位移方程如下。

推靠臂與井壁耦合點B位移方程：

2.3 推靠機構速度分析

對式（3）求一階導可得如下速度方程組，用矩陣可表示為：

2.4 推靠機構加速度分析

對式（3）求二階導可得機構加速度方程組如下：

式中：α1為推靠臂前端OA轉動角加速度；α3為鏈接桿AC轉動角加速度。

進而求得各點加速度方程如下。

推靠臂與井壁耦合點B加速度方程：

3 推靠裝置理論計算求解

微地震測井儀推靠裝置構件參數如表2所示。

表2 微地震測井儀推靠裝置構件參數

3.1 運動特性理論求解

在理論分析基礎上，利用Matlab數值分析對理論模型進行求解，確定推靠機構運動過程中各構件運動規律[12]。

圖3～5 為推靠臂和鏈接桿在推靠裝置打開過程中的角位移、角速度和角加速度運動變化曲線，從圖3～5 可以看出在推靠裝置打開過程中，鏈接桿角位移θ3不斷增大，推靠臂隨著鏈接桿的運動角θ1也不斷增大，兩者角速度和角加速度運動軌跡平緩。

圖3 推靠臂、鏈接桿角位移曲線

圖6 為推靠臂與井壁耦合點B在x方向和y方向隨時間運動的位移曲線，從圖中可以看出B點運動到最大位置即推靠臂完全打開時間為15 s。

圖4 推靠臂、鏈接桿角速度曲線

圖5 推靠臂、鏈接桿角加速度曲線

圖6B點位移曲線

3.2 推靠機構打開過程中推靠力分析

推靠力大小是評判推靠裝置耦合性能的重要參數，一個穩定可靠的推靠力對測井工作至關重要[13-14]。為分析推靠機構打開過程中推靠力的穩定性和可靠性，建立推靠力與各構件運動參數的數學關系，研究推靠臂在打開過程中推靠力隨井徑變化規律。推靠裝置機構受力簡圖如圖7所示。

圖7 推靠裝置機構受力簡圖

根據桿件受力情況與幾何關系可列出井壁反推力P（即推靠力）與彈簧力T繞O點的轉矩方程：

彈簧剛度k約為6.2 kg/mm，在安裝時彈簧預壓26 mm，推靠裝置運動行程18 mm，總變形量為44 mm，則產生的儲存形變能（即初始彈簧力）為T1=2 728 N，則彈簧力T=T1-kvCt。

根據推靠機構角位移與已知參數，利用Matlab 數值分析可求得推靠裝置打開過程中彈簧力和推靠力大小隨井徑大小變化曲線，如圖8所示。

圖8 彈簧力和推靠力隨井徑變化曲線

通過分析可以看出彈簧力隨著推靠臂的打開線性減小，在適應井徑127～165.1 mm 范圍內，推靠力為342～390 N。根據文獻[7]，若要推靠裝置在井中穩定停靠，產生的推靠力應為儀器自重的3 倍以上。此推靠裝置質量為6.5 kg，測井檢波器質量為4.5 kg，總質量為11 kg，可以得出推靠力滿足使用要求。但最大推靠力在90 mm處為405 N左右，并未得到有效利用。

4 推靠裝置運動特性仿真分析

將建立的推靠裝置三維模型導入Adams，調整坐標系與理論模型一致[15]，對各構件添加對應的材料屬性與約束關系，并為絲杠螺母添加螺旋副。建立如圖9 所示的運動學仿真模型，進行推靠裝置運動仿真分析。

圖9 推靠裝置仿真模型

推靠臂和鏈接桿角位移、角速度、角加速度曲線如圖10～11所示。

圖10 推靠臂運動曲線

從圖10 可以看出推靠臂打開過程中推靠臂角位移θ1不斷增大，15 s 內從50°左右增加到85°左右，角速度隨著推靠臂的打開先逐漸減小后逐漸增大，整個過程無明顯波動。

從圖11 可以看出滑動套勻速向左運動時，由于鏈接桿夾角θ3平緩增大，其水平方向上的分力逐漸減小，從而角速度逐漸減小。

圖11 鏈接桿運動曲線

打開過程中鏈接桿和推靠臂角位移線性度好，符合推靠臂位移需要快速變化的實際要求，角速度和角加速度運動曲線平滑，與理論計算基本一致無較大波動，驗證了設計結構和理論分析的合理性。

5 樣機試驗研究

為驗證本裝置的合理性及可靠性，對推靠裝置試驗樣機進行了推靠力驗證試驗，用以驗證理論計算的合理性和推靠力大小是否滿足工作要求，使檢波器與井壁良好耦合并完成井中停靠。

5.1 試驗方案

推靠裝置推靠力試驗方案如圖12 所示，通過對打開狀態下推靠裝置施加井壁約束反力間接獲取推靠力。加壓裝置對推靠臂勻速加壓，通過輪輻壓力傳感器、承壓座作用于推靠臂，推靠臂向下勻速運動，從而壓縮儲能彈簧產生反作用力即推靠力。通過壓力傳感器實時采集壓力變化，壓力顯示控制儀顯示具體量值，通過485 串口通訊將數據實時傳輸到筆記本電腦并記錄數據，得到推靠力與井徑之間的動態關系。

圖12 推靠力試驗方案

5.2 試驗結果

將電腦記錄的推靠臂位移時間和輪輻壓力傳感器壓力變化進行處理，并與理論推靠力進行對比，得到如圖13 所示的理論推靠力和試驗推靠力對比圖。開始時刻試驗推靠力迅速上升部分為加壓裝置接觸到推靠臂但還未產生壓縮變形時刻。由圖可以看出試驗推靠力與理論推靠力基本一致，符合使用要求。整個過程準確反映了推靠力隨井徑的變化趨勢，量化了推靠力大小，驗證了理論計算的合理性。

圖13 理論推靠力和試驗推靠力對比

如圖14（a）所示，將推靠裝置放置在井筒中，通過推靠裝置控制儀控制推靠臂打開，通過圖14（b）可以看出推靠裝置在井筒中能完成推靠任務并實現井中停靠。

圖14 推靠裝置井筒模擬推靠試驗

6 結束語

研制了一種適用于127～165.1 mm 井徑的微地震測井儀推靠裝置，解釋了推靠裝置的工作原理并對其進行了運動學理論分析和仿真模擬分析，對比分析驗證了設計結構和理論分析的合理性并得到如下結論。

（1）基于運動學分析，推靠裝置能在15 s 內快速完成推靠臂完全打開，且整個過程位移、速度、加速度運動軌跡平穩，無明顯波動，表明推靠機構運動性能優越，能較好地完成推靠動作，驗證了推靠機構的運動穩定性和可靠性，并為后續求得各構件的慣性力、研究各運動副所受支反力和平衡力矩提供參考。

（2）建立推靠力與各構件運動參數之間的數學關系，計算得到在適用井徑內最小推靠力為342 N，符合使用要求，并為后續優化推靠力、研究最大推靠力與各桿長和結構角之間的關系提供理論參考。

（3）通過樣機試驗表明推靠力試驗值與理論值平均相差2.1%，驗證了理論計算的合理性，說明推靠裝置產生了預期的推靠力能與井壁良好耦合，完成井中停靠。