TRHW爬行器井下仪故障分析与解决

潘明宇，姚劲松，潘为之

(中国石油集团测井有限公司吉林分公司 吉林 松原 138000)

0 引 言

随着水平井钻井技术的不断提高，水平井数量越来越多。与直井相比，水平井具有泄油面积大，开采效果好的特点，在油田勘探开发中具有明显优势。目前水平井测井施工工艺主要有以下三种传输方式。

钻具传输[1]：需要与井队配合，使电缆和钻具下放同步，一旦不同步会出现两种情况：一是绞车电缆下放过快，钻具下放慢，电缆打结；二是钻具下放快，拉伸电缆甚至拉断电缆。

油管传输：需要采油作业队配合，传输时间较长，测井成本较高，不能时时监测测井资料，在地面采集有时无数据或丢部分数据，耽误测井时间。

爬行器传输：与前面两种水平井测井工艺相比，不需要其他作业队配合，缩短了占井时间，提高了测井时效，而且安全可靠，是目前使用较多的水平井测试工艺[2]。

爬行器井下仪在国内各大油田都有广泛应用，去年仅在长庆油田一个项目部使用频次就达到千口井左右。由于其性价比高，通常是甲方必选的测井施工工艺。维修人员通过对爬行器工作原理的学习，在维修过程中不断总结经验，可以为爬行器在井下顺利工作提供可靠保障。

1 爬行器组成及工作原理简介

1.1 爬行器地面仪组成及工作原理

TRHW爬行器主要包括地面系统和井下仪两部分。地面控制系统由计算机、TDK直流电源、调制解调板、网络Lan接口板、主控制板组成。地面系统如图1所示，其中TDK直流电源作为爬行器井下仪的供电电源，可以人工手动调节，也可以通过计算机程控。计算机通过modem将控制指令发往井下仪器，可以对程控直流电源发出电压调节指令，设定电流最大限定值，也可以接收井下仪器上传数据，接收程控直流电源返回的工作电压、工作电流等参数。

图1 爬行器地面系统框图

1.2 爬行器井下仪组成及工作原理

爬行器井下仪包括电子线路、推靠短节、驱动短节(一般3节)、扶正器短节(一般4节)、稳压短节[2]，爬行器井下仪结构示意图如图2所示。测井时井下仪器连接顺序一般为：马龙头+旋转+扶正器1#+爬行器线路+扶正器2#+爬行器驱动短节+扶正器3#+测井仪器+扶正器4#。测井仪器可配接常规三样仪器(三参数+伽马+磁定位+声幅变密度)，也可配接偶极子、补偿中子、八扇区声波变密度等仪器[3]。

图2 爬行器井下仪结构示意图

首先爬行器的电路短节与地面系统建立通讯后，接收执行地面下发的电磁阀关闭命令，由推靠短节的液压泵提供动力从油箱抽油，泵入活塞缸体并推动活塞驱动撑臂撑开(压力大小由地面控制)。其次地面下发命令启动驱动短节内部三相电机带动传动机构使爬行轮转动，转动的方向和转速均由地面软件控制。仪器支撑臂撑开后，多余的液压油进入稳压短节，稳压短节作用主要减少仪器受温度、井液压力等因素的影响，保持内部液压系统的压力基本稳定。扶正器短节主要保证仪器在井下套管内居中，减少仪器在爬行过程中与套管的摩擦力。

2 爬行器故障现象判断分析

2.1 机械故障

爬行器在打压撑臂后，长时间使用会导致受力部位受损，主要涉及各类齿轮、轴承、销子等机械部件。

2.1.1 故障1

爬行器在水平段爬行50 m后，电流增大无法爬行。检查发现，第一驱动轮半支撑状态，爬行轮没有完全收回。拆卸驱动轮转系统，发现爬行轮磨损严重，内部小星齿及固定柱损坏，轴承损坏，爬行轮磨损状况如图3所示。更换磨损爬行轮及内部星齿后，轴承后驱动轮开收自如，三节驱动轮转正常。

图3 爬行轮磨损状况图

原因分析：个别小队接触爬行器时间短，对爬行器操作流程不熟悉。在刚使用时没有安装4#滚轮扶正器，并在爬行器爬行时打压至8 MPa，导致爬行器推动测井仪器爬行时，摩擦阻力增大，其中第一驱动轮承受的阻力最大，超出其承力范围，电机电流增大，第一驱动传动机构受损严重。

解决办法：及时与小队操作人员沟通。正常爬行时加压4～5 MPa。遇到阻力或障碍物时，适当降低压力，增大电压，增加驱动轮转速。或者反向驱动一段距离后再正向爬行，不要让爬行器满负荷受力。

2.1.2 故障2

爬行器下到目的层后电流增大，无法建立通讯。检查发现，2#扶正器灌入泥浆，导致23芯(与1#扶正器2，5，6供电芯连接)绝缘降低，供电后供电芯与仪器外壳短路，使电流增大，出现高压打火痕迹。

原因分析：2#扶正器由顶丝顶住滚珠入沟槽固定贯通线绝缘密封，2#扶正器密封设计如图4所示。这种设计密封段存在相对运动，造成密封圈破损导致泥浆进入内部贯通线，使绝缘降低，加电后电流增大。

图4 2#扶正器密封设计

解决办法：建议厂家重新设计或者修改密封结构。仪修人员每次都要检查扶正器贯通线各芯之间和各芯与地之间绝缘(大于500 MΩ),发现问题及时维修。

2.1.3 故障3

地面配接爬行器时电流大。检查发现，稳压短节内补碟簧连接处有拆卸痕迹，并有漏油现象。用数字表测量稳压短节1～7芯对地电阻只有几欧。拆卸后发现贯通线拧劲破损，与外壳短路电流增大。重新更换稳压短节贯通线并注油后，爬行器工作正常。

原因分析：小队对爬行器机械结构不熟悉，配接时误操作。

解决办法：仪修人员及时提醒小队井口人员安装的注意事项。在稳压短节连接处增加警示标志(缠高压胶，缠绕扎带等)，以后没有出现同样错误。

2.2 电路故障

爬行器井下仪电路主要包括TR1控制板，TR2通讯板，TR3电机控制板，TR4电机驱动板，TR5电压控制板，TR6电缆控制板，TR7低压电源板，TR8电磁阀50V电压板，TR9电磁阀35V电压板，共9块板。另外，每个驱动短节包括TR3和TR4板。

2.2.1 故障1

爬行器井下仪供电时电流大于100 mA(正常供电20～30 mA)。检查电路发现，TR4板有1个MOS场效应管外观发黑积碳，如图5所示。用数字表检测发现，MOS场效应管栅极、漏极、源极之间短路，MOS场效应管烧坏。

图5 TR4板MOS管外观发黑积碳

原因分析：一是TR4板共有6个MOS管，排列紧凑，散热不好；二是MOS管与骨架之间仅用一块云母垫片做绝缘处理，绝缘程度不够。当云母片产生裂缝或被击穿就会烧毁MOS管。

解决办法：在云母片与骨架之间再加3M胶带加强绝缘，并在骨架上加上散热器或散热硅胶垫。

2.2.2 故障2

打压短节电机不工作，爬行器无法撑臂。

原因分析：TR3板是电机控制电路。地面软件通过CAN总线和CPU建立通讯，CPU接收地面下发命令给三相功率驱动IR2233芯片产生三相电压U、V、W控制电机转速，TR3板电机控制框图如图6所示。

图6 TR3板电机控制框图

IR2133/IR2135/IR2233/IR2235 系列驱动芯片是专为高电压、高速度的功率 MOSFET 和 IGBT 而设计的[4]。该系列驱动芯片内部集成了互相独立的3组半桥驱动电路,可对上下桥臂提供死区时间,特别适合于三相电源变换等方面的应用。

检查时首先去掉TR3板，用电机专用检查连线直接连接电机，(注意软件上要点击打压，不能点击转动)，电机正常转动，说明TR3板有问题。更换TR3板后，电机工作正常，打压正常(注：不同驱动短节TR3 板要用跳线对电路板进行驱动编号设置，具体见说明书)

2.2.3 故障3

爬行器地面与井下无法建立通讯。

原因分析：首先用示波器测试地面下发的FSK调制信号正常，说明是井下仪有问题。爬行器井下仪电路框图如图7所示。地面下发的调制命令首先到达TR2板，经TR2板解调后发送给TR1控制板，TR1控制板经CAN总线把命令发送给打压短节和驱动短节。更换TR1板、TR2板后，通讯仍然建立不上。检测电源板TR2板的VCC5V电源只有0.3 V。VCC5V电源来自TR7板+8 V、+16 V电源变换。用数字表检查TR7板+8 V、+16 V的电源输出只有0.5 V左右。更换TR7板后，+8 V、+16 V电源有输出，仍然无通讯。后来检测TR4板+12 V电压时发现，电源只有0.1 V电压。判断是+12 V电源短路引起故障。更换TR4板，通讯正常，爬行器工作正常。

图7 爬行器井下仪电路框图

2.2.4 故障4

爬行器爬行到井底，与井下声波变密度仪器缆芯切换异常，无法测井。

原因分析：TR6板控制缆芯切换。爬行器与推送的仪器复用七芯电缆。爬行器与仪器缆芯切换见图8。

图8 爬行器与仪器缆芯切换图

爬行器工作时1芯和4芯不供电，继电器无供电，常闭触点将缆芯2、5、6并联给爬行器供电，3芯是爬行器的通讯线。爬行器将测井仪器推送到工作点后，停止爬行器工作。供电1芯和4芯AC180V，通过变压器降压后整流输出24VDC，此电源给继电器供电，继电器触点切换爬行器的上下端的7根缆芯全部贯通，进行声波变密度或其他仪器测井。

首先判断TR6板发生故障，更换TR6板后，缆芯切换正常。进一步检查发现，TR6板整流桥二极管开焊导致继电器无输入电压，重新焊接二极管后工作正常。

3 结束语

爬行器在长庆油田使用频率很高，不仅辅助声波变密度测量水泥胶结，而且可以补测其他测井参数及水平井射孔等。但由于其自身电路功率大、发热高，易导致元器件烧毁；且爬行轮相关机械装置若未及时保养或使用时间过长也会导致机械故障频出。通过总结维修经验，对爬行器井下仪提出如下建议：

1)爬行轮、大小锥齿、轴承等关键机械传动装置必须及时保养，否则磨损严重有可能导致爬行失败。

2)TR4板的6个MOS管距离太近，很难保证良好的散热。考虑到仪器空间比较充足，建议重新设计骨架结构，使MOS管之间距离更合理，以达到更好的散热保护作用。

3)2#扶正器顶丝与滚珠结构设计存在相对运动，易损伤密封圈导致仪器进水，建议改成固定模式，更好地保证绝缘。