石油测井用多功能推靠器设计

蔡池渊 陈敬致 刘春雨 王玉珏

摘要：本文以井下推靠器为例，对推靠器的结构和工作原理进行了阐述，并着重对电机的设计进行了说明，分析了碟簧外形尺寸和组合方式的不同对推靠力大小的影响，计算了井下高温高压对活塞行程的大小，并对碟簧设计过程中的注意事项进行了归纳总结，为以后类似的推靠器设计提供了有益的参考。

关键词 碟簧 推靠器 组合方式

中图分类号： TE927.403 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

在石油测井过程中，井眼垮塌的情况经常遇到，在这种情况下，传统的板弹簧类的推靠器推靠效果不理想，严重的时候遇卡导致测井失败。而此种推靠器工作方式与传统板弹簧类的推靠器不同，它的推靠是由电机驱动完成，仪器在下放过程中收腿，在到达目的层后开腿，测井这样可以减小仪器外径，起到辅助的居中﹑辅助偏心和测量井径的功能。这种推靠器的工作方式不仅能够降低仪器在恶劣井况下的作业风险，解决了大直径仪器在小井眼作业的困难，而且还可以根据井况情况实时调整推靠力的大小，确保推靠效果，保证了测井质量，提高了仪器测井范围。

1 推靠器的结构及工作原理

当分动式推靠机构工作时，电机转动使旋转变直线运动，将输出的动力推动碟簧，碟簧推动顶杆向右移动，通过连杆机构使支撑臂做开收腿动作动。由于井眼形状不规则，四组测量支撑臂张开的角度不同，张开角度的大小与井径的大小是成正比的。由于每组支撑臂的碟簧组的受力和大小都一样，在理想井况下四组支撑臂张开的角度与推靠力的数值都一样，当遇到不规则井眼时，每组推靠臂的张开角度和推靠力数值随着井径的变化而变化，这样就保证了井径测量数据的准确性和可靠性。当四个支撑臂全部张开时，起到辅助居中的作用，当相邻两个支撑臂张开时，起到辅助居中作用（见图2）。杆系工作原理参见图1，推靠传动部分模型参见图3。

2 传动部分设计

2.1电机的设计

多功能推靠器采用的是高温直流无刷自锁电机（图4），这种电机除了具备输出稳定的动力外，还在前端设计了永磁式磁定位器（见图5），能够依靠永磁体自身的吸力实现电机自锁，起到取代传统离合器和力矩限制器的作用。

永磁式磁定位器由定子和转子两部分组成，转子与测井定量采样系统中的电机转子同轴连接，定子固定在系统台架上。其中，转子由转子轭和N、S 极性交替排列的多块永磁体组成，它作为磁定位器磁路中的磁势源，用于提供磁动势，从而产生气隙磁场；定子由带齿槽结构的硅钢片叠压而成。当电机转子带动磁定位器转子旋转时，根据磁阻最小原理，定子和转子之间将产生转矩，从而提供定位功能。由于定子为磁阻结构，因此定子和转子之间的转矩本质上为磁阻转矩。要想获得理想的磁阻转矩，就需要合理地确定尺寸和电磁参数，从而在一定的体积下，得到尽可能大的转矩。

2.2 碟簧组设计

2.2.1弹簧类型和材料的选取

推靠器受力弹簧长期浸泡在液压油中，不接触外界泥浆，钻井液等化学物质，且对防锈，防蚀，防磁没有特殊要求，综合价格因素，可选用A型50CrVA无支撑碟形弹簧。这种碟簧形状和结构简单，占用空间小，市场应用广。

2.2.2碟簧组合方式设计

推靠器的推靠效果与推靠力的大小直接相关，推靠力过大，仪器容易遇卡，造成测井事故，推靠力过小，仪器推靠效果差，测井资料不理想。而推靠力的大小与碟簧的组合方式有直接关系，因此碟簧的尺寸选型和组合方式设计十分重要。

以实现推靠力200KG为例，选用外径D=34mm；厚度δ=1.5mm；不同碟簧厚度和组合方式来进行对比设计；

从7a，7b，7d三个图可以看出，碟簧内外径 及组合长度对碟簧组产生推靠力的大小影响较小，相比较图7c和图7e，碟簧厚度和组合方式的变化对推靠力的影响则更为明显。

综上考虑，要实现200KG的推靠力，综合仪器空间和长度等因素考虑，可选先使用碟簧尺寸D：34mm，d=16.3mm，H：2.55mm，n=90单片对合的组合方式（见图7f）。

2.3 井径测量

位移传感器上拉杆连接在顶杆左端，当动力杆被施于动力P时，顶杆在动力P的作用下，向前推动连杆结构，运动过程中，位移传感器上的拉杆跟着顶杆运动，测量的行程通过位移转换关系来反映井径的大小 。由于实际井眼不规则，支撑臂的张开角度在发生改变，反作用于顶杆上的位移传感器拉杆也在左右移动，从而达到实时测量井径的效果。

3 平衡短节设计

如上图：在井下环境下， A方向井下地层压力，B方向是高温情况下液压油膨胀后的压力

这两个力的压差就是仪器实际所要承受的压力，当A大于B时，平衡活塞体压缩拉簧向左移动，B大于A时，平衡活塞体拉伸拉簧向右移动，实际是一个动态的平衡。

根据仪器耐温耐压指标，选取井下温度变化Δt=204℃和地层压力变化Δp=140MPa

温度变化Δt引起推靠器中油液膨胀后的体积变化ΔVt为

其中，V0为常温下推靠器中油液的体积；αv为液体膨胀系数，取值为（8.5～9.0）*10-4℃-1.

地层压力变化Δp引起压缩油液的体积变化ΔVp为

其中，k为油液的体积模量，取值为（1.2～2.0）*10?MPa。

活塞缸的内孔半径为R=54mm，活塞杆的外径为r=20mm，则活塞实际变化的长度为

取流体体积V0=125mm3、液体膨胀系数αv=8.8*10-4℃-1、油液的体积模量k=1.6*10?MPa、泥浆密度取值ρ=2.0*10?kg/m?，并将仪器耐温指标Δt =204℃，代入公式（4），仪器耐压指标Δp=140 MPa代入公式（5）分别计算，可以得出，当常温140MPa时，拉簧的压缩量是47mm。当高温204℃常压时，拉簧的伸长量是135mm，考虑到一定的安全系数和拉簧的极限伸长量，我们设计选取活塞行程ΔL=270mm。

4 结束语

1）在推靠器碟簧的设计过程中，如果长度允许，尽量选用单片对合组合的方式；如果空间允许，则尽量选用大直径小内径的碟簧来进行组合。碟簧组各个碟簧承受的载荷从动端向内是依次递减的，动端的载荷最大，使用寿命最短，使用过程中应该定期保养及时更换

2）应该加强高温电机对井下井陉数据的反馈的智能控制的研究，以保证井下推靠器的平稳性。

3）支撑臂上应设计滚轮，减小推靠器在工作中与井壁的摩擦力；由于推靠器具有辅助偏心功能，应考虑贴井臂面零件使用寿命。

4）平衡短节中活塞是个动态过程，应注意清理活塞杆及平衡外壳内壁杂质，保持运动顺畅。

参考文献

[1] 张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册第2版. 机械工业出版社，2008：466，471.

[2] 穆全德.分动推靠器设计及应用. 石油仪器，2008，22卷1期：15-17

[3] 廖胜军 冯永仁 侯洪为 张志刚 于增辉 新一代国产电成像测井仪ERMI的推靠器的设计. 重庆科技学院学报（自然科学版）第14卷第6期

[4] 赵 斌.基于MATLAB的VSP测井仪推靠机构的优化设计[J]. 石油矿场机械， 2008