小井眼微地震测井仪推靠装置运动特性分析与试验研究_张建伟.pdf

收稿日期：20221128小井眼微地震测井仪推靠装置运动特性分析与试验研究张建伟1，吴伟1，张晋2，王金超1，白保鑫1（1.西安石油大学 机械工程学院，西安710065；2.西安伊泰尔科技开发有限责任公司，西安710065）摘要：为改善井中微地震测井仪推靠装置结构复杂难以满足小井眼测井，或在小井眼测井中运动可靠性低、推靠耦合不稳定的问题，研制一种外径60 mm，适用于127165.1 mm井径的微地震测井仪推靠装置。依据推靠装置工作原理应用闭环矢量法建立推靠机构数学模型，利用数值分析推靠机构运动特性，研究各构件的位移、速度及加速度，通过Adams仿真软件分析推靠机构运动规律，与数值计算进行对比验证数学模型合理性。结果表明：推靠臂完全打开时间为15 s，在最小适用井径127 mm时推靠力为390 N，最大适用井径165.1 mm时推靠力为342 N，样机试验表明，推靠力试验值与理论值相差2.1%，最小推靠力达到仪器自重3倍以上，能实现井中停靠并与井壁良好耦合，验证了推靠装置的运动合理性和可靠性，为后续推靠机构优化提供理论参考。关键词：小井眼；推靠装置；运动学分析；Adams仿真；样机试验中图分类号：TE937文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02010905Analysis and Experimental Study on Motion Characteristics of Eccentering Deviceof Slimhole Microseismic Logging ToolZhang Jianwei1，Wu Wei1，Zhang Jin2，Wang Jinchao1，Bai Baoxin1（1.School of Mechanical Engineering,Xi an Shiyou University,Xi an 710065,China;2.Xi an Ital Technology Development Co.,Ltd.,Xi an 710065,China）Abstract:In order to improve the complex structure of micro-seismic logging eccentering device,which is difficult to meet the requirements ofthin hole logging,or the low movement reliability and unstable sidewall contact coupling in thin hole logging,a micro-seismic loggingeccentering device with an outer diameter of 60 mm was developed,which was suitable for 127165.1 mm well diameter.According to theworking principle of the push mechanism,the closed-loop vector method was applied to establish the mathematical model of the eccenteringmechanism.The motion characteristics of the eccentering mechanism were analyzed numerically,and the position,velocity and accelerationequations of each component were studied.The motion law of the eccentering mechanism was analyzed by Adams simulation software,and therationality of the mathematical model was verified by comparing with the numerical calculation.The results show that the full opening time ofthe eccentering arm is 15 s,the eccentric force is 390 N when the minimum applicable well diameter is 127 mm,and the eccentric force is 342N when the maximum applicable well diameter is 165.1 mm.The prototype test shows that the experimental value of eccentric force is 2.1%different from the theoretical value,and the minimum eccentric force is more than 3 times the weight of the instrument,which can realize thedocking in the well and good coupling with the borehole wall.The rationality and reliability of the eccentering device are verified,whichprovides a theoretical reference for the subsequent optimization of the eccentering mechanism.Key words:slimhole;eccentering device;kinematic analysis;Adams simulation;prototype test2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.026张建伟，吴伟，张晋，等.小井眼微地震测井仪推靠装置运动特性分析与试验研究 J.机电工程技术，2023，52（02）：109-113.0引言随着我国油气勘探不断向深层探索，勘探难度显著提升，所面临的是更小的井眼以及更加恶劣的未知环境，从而对测井仪器的结构和可靠性提出了更高的要求1-2。推靠装置作为井中微地震测井过程中的关键装置之一，其能在井下运动打开推靠臂与井壁耦合并产生一定推靠力使检波器在井中停靠，从而实现井中贴壁探测，一个运动可靠，耦合稳定的推靠装置能有效保证测井工作的顺利进行3。目前对于小井眼测井的井中微地震测井仪推靠装置研究较少。石丽云等4为降低测井成本，提高测井效率，设计了一种适应井径150550 mm的多臂机械推靠器，其中每个推靠臂互不干涉，独立运动，一次下井能同时测量井径、地层电阻率与岩石孔隙度3个参数，提高了测井效率。赵斌等5通过研究不同长度推靠臂下推靠力随转角的变化，建立了钻井中途油气层测试器推靠装置数学模型，根据测量井径的不同选择合适长度的推靠臂，改善了仪器测井过程中推靠性能利用不充分的问题。邢家乐等6设计了一种新型VSP仪器推靠装置，在原纯机械式推靠机构的基础上新增了液压推靠系统，推靠力大，109并相比于纯液压式大大降低了成本，但结构复杂、拆装繁琐。王会来等7设计了一种适合测量 250400 mm井径范围的三臂测井仪推靠装置，该推靠装置采用电机推靠，丝杠传递力矩，构件简单，运动稳定。任涛等8应用矩阵解析法建立了微球聚焦测井仪推靠机构数理模型，研究了各杆件在测井过程中的运动状态，揭示了推靠装置的运动特性。本文针对目前常规微地震测井仪推靠装置不适合小井眼测井问题，研制了一种结构简单、运动可靠、耦合稳定的小井眼微地震测井仪推靠装置。通过理论分析和仿真模拟重点研究了推靠机构的运动特性，并通过样机试验验证了推靠装置的可行性。改善了目前常规推靠装置在微地震测井过程中结构复杂不适合小井眼、推靠耦合不稳定的情况。1推靠装置结构原理与主要参数1.1整体结构及工作原理所设计的推靠装置三维模型如图1所示，主要由承压外壳、驱动电机、丝杠螺母、推力杆、滑动套、链接杆、推靠臂、储能弹簧、拔叉、限位开关等组成，推靠臂通过连接销与外壳和链接杆铰接，不受内部构件约束，结构简单，拆卸方便，外形为半圆弧形，闭合时能最大程度地与壳体耦合，一方面缩小了仪器体积，另一方面与井壁接触时能与套管更好耦合。承压壳体材料采用TC11，耐高温、抗腐蚀、密度小，可以很好地保护内部器件和减小仪器重量。推靠臂采用机械性能非常完善的高强度材料0Cr17Ni4Cu4Nb来保证推靠装置的可靠性和使用寿命。该装置采用单臂推靠，以直流减速电机为驱动方式，通过丝杠螺母将电机的旋转运动转化为推杆的轴向平移运动并向推靠机构传递动力释放储能弹簧，弹簧力推动滑动套左移并经由链接杆将力传递给推靠臂，使推靠臂绕固定点转动，直至井壁停止，此时推力杆继续左移，直至拔叉触碰左限位开关使电机停转，完成井中推靠过程。反之，电机反转，推力杆右移，压缩储能弹簧，实现推靠臂收回。整个过程中弹簧力通过对滑动套施加作用力经由链接杆、推靠臂形成推靠力，作用于井壁，实现井中停靠。其中电机主要用来释放和压缩储能弹簧，实现推靠臂的开启和闭合。推力杆密封套和密封螺母主要用来保证推力杆俩端密封和导向，实现推力杆两端压力平衡，保证井下推靠动作。1.2主要技术参数微地震测井仪推靠装置主要技术参数如表1所示。2运动特性分析2.1建立推靠机构位置矢量方程为掌握推靠装置打开过程中各构件运动特性，研究各构件位移、速度、加速度随时间运动规律，对推靠机构进行运动分析9-10。根据前述推靠装置运动机理建立如图2所示的微地震测井仪推靠装置机构简图11。取推靠臂固定铰接点O为坐标原点建立直角坐标系，利用闭环矢量法对推靠机构进行运动学分析，将各杆件表示为杆矢，建立机构闭环矢量方程。为便于研究，将丝杠螺母机构简化为滑块1，取滑动套4为原动件。连接CD，由闭环多边形OACD可建立如下闭环矢量方程：l1+l3=s+e（1）其中：s=xc-0-vctvc=ns（2）式中：l1为推靠臂前端OA长度，mm；l3为链接杆AC长度，mm；e为偏距CD长度，mm；s为滑动套4距原点O处OD长度，mm；xc-0为滑动套4初始位置；vc为滑动套4速度，mm/s；t为运动时间/s；n为电机转速；h为丝杠导程。2.2推靠机构位移分析将矢量方程（1）向x，y轴投影得到如下位移方程组：x l1cos1+l3cos3=sy l1sin1+l3sin3=e（3）式中：1为推靠臂前端OA与x轴正方向夹角；3为链接杆AC与x轴负方向夹角。为便于求解，借助几何关系连接OC可得：图1微地震测井仪推靠装置三维模型表1主要技术参数指标耐压/MPa耐温/开启、闭合时间/s量值17515015指标推靠力/N仪器直径/mm适用井径/mm量值34239060127165.11.丝杠螺母2.推靠臂3.链接杆4.滑动套5.储能弹簧6.推力杆7.限位开关图2推靠装置机构运动简图2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期110|lOC=s2+e2AOC=arccos()l2OC+l21-l232lOCl1COD=arccos()l2OC+s2-e22lOCs（4）则可得：|1=AOC+COD3=arccos()l2OC+l23-l212lOCl32=1+-（5）式中：2为推靠臂后端AB与x正方向夹角；为推靠臂结构夹角OAB。根据上述所得方程可求得各点位移方程如下。推靠臂与井壁耦合点B位移方程：xB=l1cos1+l2cos2yB=l1sin