LC5350TCJ测井车设计*

赵生永，李志鹏，徐文秀，史永峰

(1.兰州城临石油钻采设备有限公司，甘肃 兰州 730030； 2.西安思坦仪器股份有限公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

常规测井车在施工过程中，需要汽车起重机配合作业[1]。汽车起重机的作用是吊起测井电缆换向用的天滑轮。因此作业现场需要多摆放一辆汽车起重机，在狭小的井场经常出现车辆摆放困难；另外，汽车起重机的作业费用约为测井作业成本的30%左右，增加了测井作业施工成本。针对常规测井车的现状[2]，笔者所在公司经过充分调研，提出了研制自带举升装置的多功能测井车的要求。2017年笔者所在公司研制出了第一代多功能测井车，在总结经验的基础上，2019年10月，研制出了第二代LC5350TCJ型多功能测井车[3-6]，该车能够独立完成油井带压测试作业，不需要额外的汽车起重机配合作业。此文重点以双桅杆举升装置的结构、举升装置自动控制系统为研究对象，通过对多功能测井车设计方案的计算分析，总结设计经验，为油田测井作业车提供设计方面的参考和借鉴。

1 技术分析

1.1 结 构

LC5350TCJ型多功能测井车是根据国内油田的生产状况，自行研制的一种新型多功能测井车。该车采用重汽豪沃系列6×4二类底盘为安装基座，其上安装车厢，绞车，举升装置，车厢分为两个隔舱，前舱为操作舱，安装有地面仪器、操作台、座椅、空调、电气柜等设备，后舱为绞车舱，绞车舱前部安装有同轴双滚筒绞车，尾部安装有电缆计量装置，绞车舱侧壁安装有液压油箱、绕线轮、正压风机、储能器等专用装置。

1.2 工作原理

LC5350TCJ型多功能测井车将举升装置与传统测井车结合起来[11]，在测井作业的时候，双桅杆在变幅油缸的作用下向后翻转一定角度，大钩将天滑轮吊起，然后进行测井作业，如图1所示。

图1 多功能测井车工作状态示意图1.汽车底盘 2.车厢 3.地面仪器 4.操作舱 5.电气系统 6.中隔墙 7.绞车舱 8.举升装置 9.取力系统 10.液压系统11.操作平台 12.绞车 13.排绳系统 14.计量系统 15.举升装置控制系统 16.天滑轮 17.防喷管 18.测井电缆 19.地滑轮 20.井口装置 21.井下仪器

缠绕在绞车上的电缆依次穿过测量头、地滑轮、天滑轮及井口装置连接仪器下入井内，将井内数据传输到测井地面仪器，从而读取需要的井内数据。作业完毕后，举升装置大钩放下天滑轮，卸下防喷管，双桅杆在变幅油缸和桅杆支腿综合作用下回落到行车状态，如图2所示。

图2 多功能测井车行车/驻车状态示意图1.汽车底盘 2.举升装置 3.车厢

1.3 测井车主要技术参数

LC5350TCJ测井车主要技术参数见表1所列。

表1 测井车主要技术参数

1.4 设计目标

(1) 举升装置设计需要满足提升高度18.5 m，幅度8.5～10 m，额定提升重量6 000 kg的技术参数，另外，举升装置不能妨碍绞车排缆，还不能阻碍操作人员观察井口的视线,确保绞车操作人员能够与井口操作人员进行直观的交流。

(2)为了满足以上要求，该车采用双桅杆式举升装置，旋转支点布置在车尾最高点，采用两级伸缩桅杆，从而确保了举升装置的举升高度、举升大钩距离车尾的距离等硬性指标；在工作状态，桅杆由变幅液压缸提供推力，从而最大限度的满足了举升装置对举升能力的要求；举升装置采用双桅杆结构，从而解决了车辆偏重的问题，同时满足了操作人员观察井口和与井口操作人员交流的要求。双桅杆设计还加入了桅杆支腿，作业时安全可靠。

1.5 整车设计计算

虽然该车是由成熟的特种作业车底盘改装而成，但上装部分的举升装置、车厢、绞车、发电机等部件的布局对整车重心有深远影响，重心位置又对整车轴荷分配，行驶稳定性有重要影响，所以对改装后的整车车辆重心，轴荷分配、侧倾稳定性和爬坡能力进行计算分析[5-8]。整车改装后既要要符合国家的法律法规及相关标准，又要满足用户使用的实际要求。通过严格的设计计算，合理布置专用装置，从而使整机结构紧凑，合理利用台板以上的有限空间，提高整机的移运性，方便用户操作使用。

1.5.1 重心确定

多功能测井车作为油田常用的测试井设备，要求经常往返于各井场之间，因此要求移运装置具有较高的机动性；各油田由于路况较差，因此要求移运装置较强的越野性，另外，该移运装置应能满足专用装置对有效载重量、安装尺寸、动力需求等要求。综合上述要求对现有二类底盘进行分析、比较、对比研究，选用重汽ZZ5357TXFV464ME5汽车二类底盘作为载车，该底盘该底盘一轴和二轴轴距为4 625 mm，二轴和三轴轴距为1 350 mm，前桥承重9 000 kg，双后桥承重26 000 kg。最大总重量35 t，净功率265 kW能够充分满足整套设备对机动性及动力特性的要求。

建立整车三维模型，赋予各零部件质量属性，按照设计布局可以确定出整车重心位置和总质量，如图3所示。

图3 多功能测井车重心图

图中：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 轴荷分配计算

用三维模型自动生成整车总质量m=32 760 kg，假设改装后前桥载荷质量为m1，双后桥载荷质量为m2。

依据静力学原理和杠杆定律可得出如下方程式：

F1+F2=G

(1)

G×S1=F2×S2

(2)

式中：F1为整车前桥重力(N)；F2为整车后桥重力(N)；G为整车总重力(N)。

则G=mg=32 760 kg×9.8 N/kg=321 048 N

将式(1)，(2)联立并带入参数求得：

F2=m2g=250 537 N

则:m1=7 195 kg，m2=25 565 kg

m1<9 000 kg；m2<26 000 kg

轴荷分配符合SY/T5534-2019《油气田专用车通用技术规范》6.4.1条款要求以及原底盘设计允许值。

1.5.3 横向稳定性

如图4所示，多功能测井车在横坡行驶时的受力图，随着横向坡度角α的增大，左轮与地面的法向作用力ZL减小，当作用力为零时，即为多功能测井车发生侧翻的临界状态，此时根据力学平衡原理有相应关系式：

图4 多功能测井车横坡行驶受力图

(3)

整理式(3)得：

则多功能测井车不发生侧翻的横向坡度角满足的条件为：

(4)

式中：B=1 830 mm(底盘厂提供)；H=1 771 mm(重心高度)；e=1 mm(左右偏心距绝对值)。

将数值代数式(4)中，求得发生横向侧倾的临界角：α=27.3°

横向稳定角α>15°，符合SY/T5534-2019《油气田专用车通用技术规范》6.6.4条款要求以及GB7258-2017《机动车运行安全技术条件》要求。

1.5.4 最大爬坡度数计算

(1) 建立整车行驶平衡方程

最大爬坡度是指测井车在满载状况下，以Ⅰ档匀速行驶所能爬上的最大坡度。建立如图5所示的纵向爬坡受力图，多功能测井车在爬坡行驶过程中受到驱动力，滚动阻力、坡道阻力、空气阻力、加速阻力。建立车辆行驶平衡方程式，利用受力关系，就可以确定汽车最大爬坡角度β。

图5 多功能测井车爬坡行驶受力图

测井车行驶平衡方程式为：

Ft=Fi+Ff+Fw+Fj

(5)

式中：Ft为测井车驱动力；Fi为多功能测井车坡道阻力；Ff为多功能测井车滚动阻力；Fw为空气阻力；Fj为多功能测井车的加速阻力。

测井车在Ⅰ档匀速行驶爬坡状态，不考虑空气阻力和加速阻力，那么测井车行驶平衡方程式(5)可以简化为：

Ft=Fi+Ff

(6)

按照图1～3多功能测井车纵坡行驶受力图分析得：

Fi=mgsinβ

(7)

Ff=μmgcosβ

(8)

式中：m为整车总质量(kg)；g为重力加速度9.8 m/s2；μ为轮胎滚动摩擦系数，见表2所列。

(2) 计算多功能测井车驱动力

多功能测井车驱动力是底盘发动机将转矩依次通过离合、变速箱、传动轴、后桥主减速器、半轴传递到车轮作用于地面产生的力。则有：

(9)

Tt=Ttqioisηw

(10)

式中：Tt为驱动轮轴上的转矩(N·m)；d为车轮动态半径(m)；Ttq为底盘发动机输出转矩(N·m)；io为后桥主减速比；is为变速器传动比；ηw为底盘传动系统机械效率。

多功能测井车选用ZZ5357TXFV464ME5底盘功率为265 kW，最大扭矩1 800 N·m，对应转速1000～1400 r/min，轮胎规格是12.00R20，后桥主减速比io=4.77，变速箱前进挡各档速比依次为is=[14.36 10.66 7.88 5.82 4.38 3.28 2.44 1.80 1.33 1.00]，底盘传动系统机械效率ηw取0.83，多功能测井车整车总质量m=32 760 kg。

将发动机参数带入式(8)计算得：

Tt=102 335 N·m

(3) 计算测井车车轮动态半径

车轮动态半径d是指车轮受到垂直载荷以及转矩时的半径，在硬化路面上约等于仅受垂直作用力时的车轮半径，按照经验公式计算：

(11)

式中：D为轮辋直径；b为轮胎宽度；λ为轮胎径向变形系数。λ取值：b≤10，λ=0；1013，λ=0.1。

底盘厂家提供数据，轮胎规格是12.00R20，则λ取0.05。

将各参数带入式(9)计算得d=0.54 m

(4) 计算测井车纵向爬坡角度

将式(6)～(8)联立可得：

Ft=mg(sinβ+μcosβ)

(12)

由辅助角三角函数关系可得：

(13)

联立式(12)、(13)得多功能测井车最大爬坡角度为：

(14)

最大爬坡角度还要满足车辆轮胎不发生打滑，发生滑移临界状态时整车重力沿着斜坡的分力等于滑动摩擦力，则有：

μsmgcosβ=mgsinβ

(15)

推导得多功能测井车不发生滑移的坡度角为：

β≤arctanμs

(16)

式中：μs为轮胎滑动摩擦系数见表2所列。

表2 轮胎滚动和滑动摩擦系数表

实际测井车在作业时井场状况都是压实路面，按照新轮胎计算，滚动摩擦系数μ取0.035，滑动摩擦系数μs取0.50，将各参数带入式(14)计算得到最大扭矩条件下整车最大爬坡角度为34°；将各参数带入式(16)计算得到整车发生滑移状态时的最大爬坡角度为26.6°，两者取其最小值。所以多功能测井车最大爬坡角度为26.6°。

1.6 举升装置操作控制系统设计

1.6.1 举升装置操作控制系统综述

举升装置的桅杆起升和回收需要整车支腿油缸，举升装置变幅液压缸、桅杆支腿油缸的配合操作，最初设计采用手动操作，但是极易造成操作失误。为便于现场操作，该车增加了横向角度传感器、纵向向角度传感器、液压传感器，采用PLC逻辑控制，自动匹配整车支腿油缸、变幅液缸和桅杆支腿液压缸的动作，从而实现了桅杆举升和桅杆回收的自动化操作[9-10]，最大程度的减小了作业人员的劳动强度和操作失误性，提高了设备操作的便捷和安全性。

1.6.2 举升装置操作控制系统

1.6.2.1 输 入

(1) 输入模拟量有3个，分别是：液压传感器值，车辆横向角度传感器值，车辆纵向角度传感器值。

(2) 输入开关量有11个，分别是：桅杆前支架限位器Ⅰ，桅杆极限位置限位器Ⅱ，桅杆支腿限位器Ⅲ，大钩极限位置限位器Ⅳ，急停和复位按钮，桅杆举升按钮，桅杆回收按钮，二级桅杆伸按钮，二级桅杆缩按钮，大钩提升按钮，大钩下放按钮。

1.6.2.2 输 出

(1) 输出模拟量是由PVG32-6负载敏感电控比例阀控制的6个模拟量，分别是：车辆左侧支腿液缸伸或缩，车辆右侧支腿液缸伸或缩，变幅液缸举升或回收，桅杆支腿液缸伸或缩，大钩升或降，二级桅杆伸或缩。

(2) 输出的开关量是报警信号。

1.6.2.3 控制逻辑

(1) 传感器，限位开关分布图如图6所示。

图6 传感器、限位开关分布图

(2) 举升装置举升逻辑控制流程如图7所示。

图7 举升装置举升逻辑控制流程图

(3) 举升装置回收逻辑控制流程如图8所示。

图8 举升装置回收逻辑控制流程图

图中:HJD为车辆横向角度传感器值；P为液压传感器值；ZJD0为车辆纵向角度初始值；FJD为桅杆翻转角度值。

(4) 操作过程中，随时判断角度传感器、限位器工作是否正常，当角度传感器或限位器故障时，立即执行停止程序并报警。

(5) 当程序处于举升状态时，按压回收按钮和大钩动作按钮无效，当程序处于回收状态时，按压举升按钮大钩动作按钮无效，解除举升或回收状态，须按压停止按钮。

1.7 测井车对比效果

(1) LC5350TCJ多功能测井车是笔者所在公司根据国内油田的生产实际需求，自行研制的一种新型多功能测井车。多功能测井车在传统测井车基础上结合了举升装置。在现场作业时无需额外的汽车起重机，为测井作业节约了1台吊车的作业成本。

(2) LC5350TCJ多功能测井车采用双排座底盘，驾驶室可以乘坐6人，在实际作业时可以减少一辆人员运输车。

2 试验情况

(1) 初步液压试验，该试验阶段位于底盘进场安装完副车架和举升装置之后进行，采用独立液压站来检测举升装置能否完成举升动作，立柱转轴是否存在不同心或者干涉。试验结果符合设计要求。

(2) 该车研制成果后按照国家特种车辆改装政策在国家机动车质量监督检验中心进行了产品鉴定(整车定型)试验。同时委托国家工程机械监督检验中心对桅杆举升装置进行了型式试验，试验由第三方检测认证人员到场试验，该试验有针对性的证明了举升装置以及举升装置操作系统符合设计要求。同时验证了举升装置的参数：额定提升重量6 000 kg，井口距车尾8.5～10 m，提升高度18.5 m。而这些参数能满足油田客户的生产测井作业要求。

(3) 井场作业试验

在2019年11月这辆车在长庆油田庆阳地区和辽河油田盘锦地区进行井场作业试验，在长庆油田进行了3口井的测井作业试验，在辽河油田进行了2口井测井作业试验。在试井作业时，既能发挥测井车基本作用，举升装置还能起吊起天滑轮，从而为测井作业节省一台起重机。减少了测井作业成本。

3 结 论

LC5350TCJ多功能测井车是根据测井作业现状而自主研发的新产品，此产品针对测井作业时需要的测井车队庞大的问题，本着节省资源，降低测井作业成本的原则，提出了多功能测井车设计方案。本产品提高了整车利用效率，能为测井作业节约作业成本，可能是未来油田测井装备发展的一种趋势。LC5350TCJ多功能测井车的主要技术创新点总结如下。

(1) 双桅杆翻转式举升装置与传统测井车的完美结合，在传统测井车的功能基础上增加了专用吊装功能。

(2) 举升装置结构新颖，既便于绞车排绳和操作人员观察井口，又不破坏车辆左右重心平衡。

(3) 双桅杆增加了落地式双支腿，在桅杆工作状态双支腿支撑地面，增加了整车安全性。

(4) 举升装置采用了自动控制系统，实现了举升装置的一键举升和一键回收功能，增加了操作便利性。