（机械设计及理论专业论文）水平井井下仪器自动送进技术.pdf

水平井井下仪器自动送进技术 摘要 水平井钻井技术由于其高额的投资回收率( r o i ) 而席卷全球钻采 行业，水平井井下仪器自动送进技术对水平井技术的进一步发展具有 很大的推动作用。电缆牵引器作为这一技术的代表为水平井测井技术 带来了革命性的变化，它可大大降低测井费用，提高操作速度，缩短 测井时间，提高作业的安全性。 在固外，电缆牵引器早在2 0 世纪9 0 年代初期便得以开发并投入 使用，在试验和实际应用中都取得了令人满意的结果。有关数据表明， 使用电缆牵引器进行水平井测井，其成本约为使用传统送进技术时的 4 5 。而国内到目前为止仍采用传统方法进行水平井井下测井作业。 本课题致力于开发研制符合国内需求的电缆牵引器。经过前期的 多种方案研究对比，确定采用轮式电缆牵引器。本文详细介绍了轮式 电缆牵引器的总体设计方案、工作原理、可行性分析、结构设计以及 强度校核，并对其运动情况作了简要的分析。轮式电缆牵引器实现了 预期的功能要求，可以替代传统的送进设备完成井下仪器送进任务。 它的出现将给我国的测井作业带来新的革命。 关键词：水平井，电缆牵引器，自动送进，测井 t h et e c h n o l o g yt ot r a n s p o r td o w n h o l ei n s t r u m e n t s a u 匕o m a t i c a l l yi nh o r i z o n t a lw e l l a b s t r a c t t h ed r i l ljn gt e c h n o l o g yi nh o r i z o n t a w e l ls w e p tt h eo i l i n d u s t r ya 1 1o v e rt h ew o r l db e c a u s eo fi t sh i g hr e c o v e r yr a t e o fi n v e s t m e n t ( r o i ) ，t h et e c h n o l o g yt o t r a n s p o r td o w n h o l e i n s t r u m e n t sa u t o m a t i c a l l yi nh o t i z o n t a lw e l lh a dal a r g ei m p u s e o nt h ef a r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eh o r i z o n t a lw e l lt e c h n o l o g y a sa p r o d u c t o f t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l i n et r a c t o r b r o u g h t ar e v 0 1 u t i o n a r yc h a n g ei nt h e 1 0 9 9 i n gt e c h n o l o g y o f h o r i z o n t a lw e l i ，i tc a nr e d u c et h el o g g i n gc o s t 、i n c r e a s et h e w o r kr a t e 、c u tt h el o g g i n gt i m ea n di m p r o v et h ew o r ks e c u r i t y w i r e l i n et r a c t o rh a db e e nd e v e l o p e da n dp u ti n t ou s ei n9 0 s o ft w e n t yc e n t u r yo v e r s e a s ，a n dt h es a t i s f y i n gr e s u l t sh a db e e n o b t a i n e di ne x a m i n a t i o n sa n da p p l i c a t i o n s i tw a ss h o w nb y r e l a t e dd a t at h a tt h eh o r i z o n t a lw e l l1 0 9 9 i n gc o s tw i t hw i r e l i n e t r a c t o tw a s4 5p e r c e n t0 ft h a tw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s n o w i r e li n et r a c t o rh a sb e e nu s e di no u rc o u n t r yb yn o w t h em a i nt a s ko ft h ep a p e rist od e s i g naw i r e li n et r a c t o r a c c o r d i n g w i t ht h ed o m e s t i c d e m a n d a f t e r r e s e a r c h i n g ， a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g ，t h ew i r e l i n et r a c t o rd r o v eb yw h e e l s w a sc h o s e n t r a c t o r sw h 0 1 ed e s i g n ，w o r kp r i n c i p l e f e a s i b l l i t y a n a l y s i s ，s t r u c t u r ed e s i g na n di n t e n s i o nc h e c ka r ei n t r o d u c e d i nd e t a i lh e r e b r i e fa n a l y s iso fm o t i o ni sa l s om a d e t h e w i r e li d et r a c t o tm a y c a r r y 0 1 j t e x p e c t e df u n c t i o n s ，i t c a n s u b s t i t u t e st h et r a d i t i o n a le q u i p m e n t si nt r a n s p o r t a t i 0 1 3o f d o w n h o ein s t r u m e n t s i tw i l l b r i n g f r e s hr e v o l u t i o nt o d o m e s t i cw e l ll o g g i n g k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lw e l l ，w i r e i n et r a c t o r ， d e l i v e r i n ga u t o m a t i c a l l y ，l o g g i n g 独创性声明 本人声明所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名熟翌年月曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 年月r l 哆年6 月t 日 石油大学( 华东) 硕士论文 绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 通过钻水平井来提高油、气采收率的尝试早在上世纪二十年 代就已出现，但当时因受钻井、测井设备和工具的限制，水平井 技术在很长一端时间内没有得到实际的应用。到二十世纪七、八 十年代，随着钻井及测井技术的发展，如导向钻井液马达、随钻 测量、钻杆传送测井等技术的发展，第一口具有工业价值的水平 井终于于1 9 8 3 年在欧洲钻探成功。之后，水平井钻探技术便以其 高额的投资回收率( r o i ) 迅速席卷全球钻采行业，到1 9 9 0 年全 世界完钻的水平井每年达1 2 9 0 口之多；而到1 9 9 4 年美国共完 钻水平井5 6 6 4 口，加拿大为2 9 8 2 口”3 ：我国自1 9 9 0 年大规模钴 水平井以来，截止到1 9 9 9 年，陆上油田已累计钻成水平井2 6 0 多 口，仅胜利油田就钻成水平井1 1 7 口0 1 。 据理论计算，在常规的匀质油气藏，一口水平段长l o o m 的水 平井控制的泄油面积是直井的3 倍，3 0 0 m 的水平井段是直井的9 10 倍，1 6 0 0 m 的水平井眼相当于2 8 3 0 口直井“1 。因此，人们 直在不断加长水平井段以期获得更高的投资回收率( r o i ) 。在8 0 年代初水平段长为3 0 7 0 0 m ，9 0 年代初已达9 0 0 m ，1 9 9 4 年达到 1 7 0 0 m ，9 0 年代中期达3 0 0 0 m ，2 0 0 0 年已达到4 0 0 0 m 。2 0 0 0 年全 世界水平位移超过万米的大位移水平井已有三口，最长达1 0 7 2 8 米。“。我国也于2 0 0 0 年3 月在胜利油田钻成国内第一口水平位移 达3 0 0 0 多米的大位移水平井”1 。 大位移水平井的发展对井下测井仪器及其送进技术也提出了 越来越高的要求。一些在直井中应用成熟的测井及送进技术在水 平井测井中主要面临如下问题“1 ： 仪器送进方面：测井仪器必须克服井眼弯曲所造成的困难， 石油_ 人学( 华东) 硕上论文绪 论 包括仪器的柔性和阻力的增大等：测井仪器必须在没有重力牵引 的情况下下到井底预定位置。 测井方面：由于重力与井轴垂直，难以将仪器准确地定位在 并限轴心位置。这样，地层的不对称性将严重影响测井的质量和 准确可靠性“1 。 其中送进技术为需要解决的问题之一，虽然在水平井发展期间 已经出现了多种送进技术，但不断出现的新需求要求送进技术要 继续发展下去。 目前，水平井测井仪器采用的常规送进技术主要有以下四种： 钻秆送进法、泵送刚性挺杆技术、挠性管传送法和随钻测井( m w d ) 法等。 钻杆送进是将仪器装到钻柱下端，靠下放( 增加) 或上提( 减 少) 钻柱( 杆) 来移动测井仪器并通过电缆进行数据记录的方法。 废方法可以使用全部可用的仪器组合，且无重量限制，在早期的 任何水平井中都可以实现测井作业。该技术于1 9 8 1 年初首先在 l a 9 l 井一一水平井( 法国l a c q 油田) 使用，其后几家服务公司 分别以不同的命名发展了其原理”3 。 泵送刚性挺杆技术是靠泥浆泵通过钻杆或油管将下井仪器和 挺杆压入井下，通过预穿电缆的刚性挺杆将仪器推出钻杆进行测 井。该技术几乎可以实现恒速测井，但送进长度较短，仅适用于 小直径和生产测井仪器，而且上提电缆时不能保持平稳地移动， 该技术应用较少。 挠性管传送测井系统是将仪器直接安装在盘在滚筒上的挠性 管尾端，挠性管内部预先装入电缆，通过下放或缠绕挠性管来推 动仪器前移或拉回。该系统使用的特殊配套设备少，可以实现恒 速测井。该方法在很多油田取得到了很好的作业效果“3 。 随钻测井( m w d ) 方法是目前使用效果较好的一种方法。该技 术直接将测井仪器装到钻柱和钻头之间，随钻井工具进入井中进 石油大学( 华东j 预士论文 绪论 行实时测量。它占用钻机时间少，一次约l h ，但与之相配套的测 井仪器较少、价格昂贵，且只适用于大、中曲率半径的水平井。 另外，人们在现场的操作中，根据其实际情况，将以上方法 加以灵活应用，又创造性地开发了很多种测井方法以适合各油田 的需要，诸如“湿接头法”、“斜井快下测井系统”、“t o o l p u s h e r 测井系统”、“p c l 测井系统”等。但这些只是在常规方法的基 础上进行改进，其基本方法并没有实质性的改变“1 抽 i ：州 1 州：ll e 1 1 【 随着水平井钻探技术的不断发展，现场对现代测井技术的要求 也越来越高。人们一直在努力开发全新测井仪器及其送进技术并 已经取得了一定的收获。 1 2 水平井井下仪器自动送进技术的研究现状 能够独立井下作业的电缆牵引器是人们长期研究开发的必然 结果。它不需要钻机和挠性管，自身带有电机提供动力：长度小， 重量轻，运输方便；操作简单，容易控制，可将测井仪器送到准 确位置。它的出现可以大大提高测井效益。 1 2 1 国外研究现状 国外早在8 0 年代初期就已经出现该设想。但在1 9 9 6 年以前 一直停留在草图上或只达到了样机阶段“1 。2 0 世纪9 0 年代后期， 国外许多公司相继开发了能够在井下独立作业的电缆牵引器”1 ， 如：s o n d e x ，r e a d ，o m e g a ，s t a t o i l ，l a r i t i m ew e l ls e r v i c e ( m w s ) 与w e l l t e c 以及s m a rt r a c t 公司。在众多的产品中，以 s t a t o i l 、m a r j t i m ew e l ls e r v i c e ( m w s ) 和w e l l t e c 三家公司联 合开发的轮式电缆牵引器、s m a rt r a c t 公司的伸缩式电缆牵引器 和s o n d e x 有限公司的s o n d e x 电缆牵引器最为突出。 w e l l e t c 轮式电缆牵引器s t a t o i l 、m a r i t i m ew e l ls e r v i c e 3 石油大学( 华东) 倾士论文 绪 论 ( m w s ) 与w e l l t e c 三家公司于1 9 9 4 年开始联合开发电缆牵引器， 于1 9 9 6 年实验成功并在北海等地投入使用。1 9 9 9 年在阿曼的 l e k h w a i r 油阳首次用电缆牵引器进行了1 5 5 0 m 的测井作业，2 0 0 0 年在一裸眼井段达4 0 0 0 m 的井中也成功使用了电缆牵引器 。【4 】【i j 1 印 1 i 】 1 日 图1 _ 1 轮式电缆牵引器结构简图 l 、测井电缆；2 、控制系统；3 、电动机；4 、动力部分； 5 、测井仪器连接；6 、补偿部分：7 、牵引部分；8 、标准电缆接头 图1 1 为轮式电缆牵引器的结构图，该牵引器由五部分组成： 地面通讯及电机控制部分；电子部分；水力部分；驱动部分；水 力补偿器。控制面板用来和牵引器保持通讯以及从测井模式转换 到牵引模式，显示器能显示出电流消耗及地表电压。牵引器内的 直流电机用来驱动水力泵，电路部分的继电器实现模式的转换， 控制继电器的信号由地面的控制面板发送。泵和顺序控制系统位 于水力部分，在这部分里可以调节牵引器的预置正常力和牵引力。 水力泵驱动一个封闭循环系统内的流体，水力补偿部分使得内部 的压力和温度与井底的压力和温度一致。驱动轮由电机控制的一 个顺序系统驱动。在最初充配能量后，各个驱动部分的轮子首先 由水力泵驱出达到预置的接触力，然后自动转动，驱动牵引器前 进。一旦停电，轮子则自动缩回牵引器内，防止收回时被卡。这 种牵引器己在北海1 2 口井中得到应用，成功地进行了射孔、投塞、 测井和打捞作业。一次下井累计运行达1 8 0 4 0 英尺以上。在非洲、 中东、北美、南美、欧l i 咀及澳大利亚都有他的足迹。 4 互堂盔堂! 堡查! 堡主丝壅 竺堡 s m a r t r a c t 伸缩式电缆牵引器s m a rt r a c t 公司于2 0 0 0 年3 、4 月推出结构如图1 2 所示的一种伸缩式电缆牵引器，可用于双向 操作。它的外径为2 一i 8 英寸，3 0 多英尺长，是当时进入市场的 最新型的牵引器。这种新型电缆牵引器轻巧、标准化、易于运输。 动力要求低于以前的设计，在电缆的选择上相对具有更大的灵活 性。地面设备紧凑，动力源尺寸小”。“1 。 4 3 图1 2 伸缩式电缆牵引器结构简图 l 、活塞：2 ，锚；3 、牵引部分；4 、动力部分 它主要由电机与水力泵组成的动力部分和两个可伸缩部分以 及控制部分组成，泵由电机驱动，为牵引器两端的“伸缩部分” 提供液压力，每端的“伸缩部分”有一活塞，它可沿中间圆轴双 向滑动，每个活塞外套连接有一套管锚，锚也由液压驱动，这些 伸缩部分能沿中心圆轴双向滑动，并可依次张开或收缩各自的锚。 当一端的锚“伸缩部分”抓紧井壁时，整个牵引器通过活塞驱动 向特定的方向移动( 前或后) ，同时，另一端的活塞外套收缩锚， 活塞移回原位，为下一次驱动做准备。通过简单翻转锚的伸缩顺 序来改变牵引器方向。为了安全，一旦关闭电源，锚必须自动缩 回牵引器中。 与以前的牵引器相比，这种牵引器更加巧妙，不但可以连续传 输信息，而且可以根据需要控制速度、牵引力、运动方向、锚的 压力以及其它设备。它也可以固定在井壁上等候新的指令，这种 最新的能力使它成为一种类似于机器人的井下设备而不再仅仅是 一种送迸工具。它先后在加拿大和墨西哥湾进行了测井作业，结 石油大学( 华东) 坝士论文 绪论 果表明不借助其它设备它的牵引距离接近4 0 0 0 0 英尺。 s o n d e x 轮式电缆牵引器s o n d e x 有限公司的s o n d e x 电缆牵 引器与以前的轮式电缆牵引器不同，以前的牵引器用电机带动一 液压泵，再由液压泵驱动牵引器的轮子。而s o n d e x 牵引器则完全 由电机驱动轮子，没有液压泵。”。 从结构图1 3 可以了解s o n d e x 牵引器主要由直流电机、压力 装置、辊子扶正器、驱动轮、测控部分以及套管定位器( c c lc a s i n g c o l l a y1 o c a t o r ) 组成。它在井下可以调整驱动轮的展开程度。 压力装置与套管定位器的存在使得可以精确控制牵引器的性能。 图1 3s o n d e x 电缆牵引器结构示意图( 1 9 9 8 年前) 1 、接线盒；2 、压力装置；3 、测控电子部分：4 、驱动轮 5 、c c l ：6 、辊子扶正器：7 、直流电机：8 、展开部分： 9 、辊子扶正器：l o 、旋转部分：1 1 、电缆 图1 4s o n d e x 电缆牵引器实物图( 最新) s o n d e x 牵引器的最大外径为5 4 m m ，长度为7 4 2 m ，最大拉力 为2 7 3 k g f ( 2 6 7 5 4n ) ，可以双向驱动。曾在s t a t f j o r d 油田的 3 3 6 0 m 长的95 8 ”的套管中工作9 7 个小时，没有出现故障。在 6 石油人学( 华东) 顺士论文绪 论 东南亚地区曾使用s o n d e x 牵引器进行射孔来开采油田中的剩余 储油。图1 4 为s o n d e x 电缆牵引器的最新实物图。 1 2 2 国内研究现状 由于水平井具有极高的投资回收率，“八五”期间，我国组织 了六个油田，五所高等院校和研究院所共7 6 2 名科技人员经过四 年的攻关，在水平井钻井技术的研突方面取得了重大突破，形成 了配套的水平井钻井、完井技术，并迅速进行推广。至九九年底， 全国陆上油田已累计钻成水平井2 6 0 多口。我国己在胜利油田成 功应用了大位移水平井、侧钻水平井、欠平衡水平井技术等国际 上先进的钻井技术，并把分支水平井技术列入攻关计划。而到目 前为止水平井井下仪器送进技术方面一直还沿用钻杆送进、挠性 管送进、随钻送进等一些技术。“1 。 在仪器自动送进新技术领域，我国在9 0 年代末对螺旋式牵引 器进行过尝试性研究，这种牵引器依靠螺旋桨转动产生牵引力驱 动仪器前进。但没有进行实质性的试验、生产和应用。 1 3 课题提出的目的及意义 经过一百多年的钻探开采，目前世界上很多油田己进入后期 开采阶段，油气藏构造越来越复杂，开采的难度也越来越大。为 了提高采油收益率，人们越来越重视水平井的应用，很多国家( 如 美国) 已把水平井列为油田的主要发展方向。而就国内情况来看， 按i 9 9 8 年资料显示，每年以1 5 2 0 口的水平发展水平井”，现 在很可能已超过这个数字。 水平井的高额投资回收率( r o i ) ，促使人们不断提高、完善 水平井的钻探及其相关技术。而越来越长的水平井段也使得探索 一种新的技术和方法，大幅度提高水平井整体的技术水平和经济 石油大学( 华东) 硕士论文绪论 效益成为测井技术方面的主要研究方向。送进技术作为水平井测 井技术的个重要保障，其地位举足轻重。 我国目前在测井仪器送进方面仍采用传统的送进方法，主要 有钻杆送进法、泵送刚性挺杆技术、挠性管传送法和随钻测井( m w d ) 法等。但是这些方法成本高、劳动强度大，测井时间长，而且有 的方法使用范围有限。这些特点大大阻碍了测井效益的发展。尤 其是在开发油田中的残余储油时很难提高经济效益。 鉴于国外的成功经验，电缆牵引器是目前解决这些问题的较 好且可行的方法。它可取代以前的方法，进行生产、射孔和打捞 等，从而可大大降低费用，节省时间，且技术改进和设备更新的 周期短，费用低。该设备具有机器人的某些特性，对其稍加改进 就可用于油田其它作业及其它行业的生产。因此，本课题目的致 在结合国内的实际情况开发电缆牵引器。本课题的成功将会填补 国内此项空白。 按国外同类设备资料显示，其测井成本将约为目前常规方法 的4 5 。”1 。它不仅可以减少费用，提高操作速度和降低测井时间， 并且还可以通过缓解和控制以前钻杆送进法中的危险而提高安全 性。将该设备用于修井，在北海油田的一个平台上使用同类仪器 一年就节约了修井费用1 0 0 0 万美元“”。另外，因该设备具有机 器人的一些特性，将其逐步改进完善用于油田的射孔、打捞、管 道疏通、修补等作业”1 ，其前景更是令人乐观。 石油火学( 华东) 硕士论文 电缆牵引器方案确定 第2 章电缆牵引器方案确定 2 1 方案对比选择 目前，电缆牵引器的驱动方案主要有高压射流反冲、螺旋桨 推进、轮式滚动推进和伸缩( 爬行) 式推进。 本部分通过比较以上几种方案，选出最合理、实用且适合中 国国情的一种方案进行研究开发。 高压射流反冲和螺旋桨推进依靠流体的反作用力推进，高速 流动的液体容易损害井壁，加大渗漏；需要专门的设备来平衡由 电机产生的反扭矩；在有限的井下空间，最大动力有限，很难提 供足够的反冲力；强大的反冲力一般作用在尾部，电气联接方面 也存在困难。 轮式电缆牵引器依靠紧贴井壁的轮子转动来提供动力，不会 产生高速流体，它可用轮子来平衡反扭矩，可通过改变电机数量 或功率来调节牵引器的最大牵引力，改变电机转速来调节牵引器 的送进速度，满足不同需求。但是其轮子与井壁的连续冲击性挤 压接触，也会对井壁造成一定的损害。 伸缩( 爬行) 式电缆牵引器依靠液压活塞杼的伸缩来驱动， 比较容易提供较大的动力：固定锚依次伸缩前进，不与井壁连续 接触，对井壁的损害较小：动力结构能够实现双向牵引，可以处 理些意外事故；用锚来进行牵引器和测井仪器的定位也比较方 便、可靠，来解决反扭矩问题也比较容易。但是它也有自身的不 足：依靠伸缩驱动，与其他方案相比长度较大。 国外目前出现的电缆牵引器主要有轮式电缆牵引器和伸缩 ( 爬行) 式电缆牵弓i 器，分别在现场中得到应用并取得了比较满 意的结果。对于以上几种方案的对比，根据国内的实际情况，在 石油大学( 华东) 硕士论文电缆牵引 方案确定 初期对液压伸缩式牵引器进行了研究设计，但在设计过程中遇到 了一些困难，开发的难度比较大，成本比较高，因而后来研究由 电机直接驱动的轮式电缆牵引器，取得了比较满意的成果。因此， 决定选用此方案。 2 2 原始参数初步确定 通过对国外实验结果的分析，结合现场要求和国内实际情况， 初步确定电缆牵引器的些原始参数如下： a ) 牵引器的最大牵引力：4 ，5 0 0n ； b ) 牵引器的最大牵引速度： 5 4 9m h ： c ) 牵引器的最大需求功率： 2 k w ； d ) 牵引器的最大直径：茎1 0 0r n m ； e ) 牵引器的总长度：1 0m ； f ) 牵引器的工作温度：1 5 0 。c 。 以上原始参数仅作为参考，在以后的具体设计中，可根据实 际情况加以修正、调整。 2 3 研究内容 根据选择的方案确定论文的研究内容如下： a ) 结合实际情况，确定电缆牵引器要实现的功能； b ) 按确定方案进行结构设计，做到结构合理，能够实现预期功能 c ) 进行强度计算、校核，确保在限定的尺寸内满足强度要求； d ) 解释电缆牵引器的工作原理及操作。 本论文的技术关键为： a ) 驱动部分结构的合理设计，总体方案布置： 1 0 石油大学( 华东) 硕士论文电缆牵引器方案确定 b ) 如何合理、有效地解决反扭矩问题； c ) 牵引器在井下工作状况的分析和判断，以便进行有效的控制 d ) 如何解决密封和保护问题； e ) 如何解决机械和电气联接问题。 牵引器的主要技术指标为： a ) 最大牵引力和牵引速度； b ) 牵g i 器的最大直径和长度。 石油大学( 华东) 硕士论文 电缆牵引器结构腺理 第3 章电缆牵引器结构原理 轮式无液压电缆牵引器为最新的电缆牵引器，它去掉了上一代 电缆牵引器的液压系统，电动机的动力经有变速装置传递给驱动 轮，可降低设备的复杂性和成本，提高设备的可靠性。 3 1 水平井井下仪器自动送进电缆牵引器的工作原理 图3 1 驱动机构和支 撑机构结构图 图3 i 为电缆牵引器的驱动机构和支 撑机构结构图，图3 2 为轮式电缆牵引器 结构图。电缆牵引器作为一种自动送进设 备，主要有以下部分组成：动力部分，由 潜油电机提供源动力；减速部分，使用一 减速器；驱动部分，包含驱动机构和支撑 机构：扶正部分，使用一扶正机构，参见 图3 2 。 圈3 1 中 1 、驱动机构行星轮系i 、2 ；2 、锥形齿轮组： 3 、带轮传动组：4 、驱动轮； 5 、主传动轴：6 、支持杆： 7 、缓冲堤置：8 、挡块； 9 、滚动螺旋传动装置：1 0 、保护离合器： 1 i 、撑机构行星轮系； 石油大学( 华东) 硕士论文电缆牵引 结构原理 末箍斋群目一器删蟋n”暴卸要瘿n求齄甘辎【 匝晕好椎一胖螺甘幅黎qn匝 t ，：出赶学( 华东) 硕i 论文 电缆牵弓l 糕结蜘骤埋 在本课题中电机和减速器按需要选购，主要设计其余部分。 驱动部分为两部分：驱动机构，由中心主传动轴传送扭矩给与 井壁接触的轮子产生驱动力：支撑机构，由中心主传动轴传送扭 矩给一螺旋传动装置使支撑杆工作，从而可以将驱动轮推出或收 回。扶正部分用来消除牵引器的反扭矩并且使牵引器始终处在井 的中心，从而可以保障牵引器正常工作。 3 2 驱动机构工作原理 图3 3 驱动机构结构图 】、行星轮系：2 、锥形齿轮组：3 、带轮传送钢带； 4 、驱动轮：5 、支撑杆： 如图3 3 所示，驱动机构主要由两组行星轮系，一组锥形齿 轮和一组带轮以及两个驱动轮组成。第一组行星轮系中的太阳轮 和主传动轴用键连接：第二组行星轮系的太阳轮与第一组的行星 轮架连接；锥形齿轮组的主动齿轮与第二组行星轮系的行星轮架 连接；经锥形齿轮组后，旋转方向改变，与原来的运动矢量垂直： 然后经过带轮传动将运动传递到驱动轮上。图3 4 为驱动机构运 动传递的流程图。 牵引器的主传动轴高速旋转，以降低传递的扭矩，减小对主传 动轴的强度要求。主传动轴直径的减少可以为其它机构的设计提 供更多的空间。 石油大学( 华东) 硕上论文电缆牵引器结构原理 一级变速轮幕( 行星轮系) ( 传动比5 ：1 ) 二级变速轮系( 行星轮系) ( 侍动比5 ：1 ) 行星轮系虽然制造精度要求 较高，结构较复杂，但与普通圆 柱齿轮减速器相比，尺寸小，重 量轻，可以实现较大的传动比， 适合在要求结构紧凑的动力传动 中应用。采用两组行星轮系以及 一组锥形齿轮组便可实现要求的 传动比，使最终达到驱动轮的扭 矩提高到预定值。同时采用行星 轮系，将行星轮沿圆周方向均匀 分布，将要传递的扭矩分散在各 个齿轮上，可以降低对齿轮的强 度要求，从而可以有效的利用有 限的设计空间。 采用锥形齿轮组可以改变运 动的方向，以便有效的将扭矩传 递到目标位置，在此处传动比变 图3 4 驱动机构运动传递流程图 化小于1 ，因为有最大外径限制， 大的传动比和满意的强度参数无法同时实现，因此在前面采用了 高传动比的行星轮系，而在此采用低传动比，符合强度要求的齿 轮参数。在一下步的传动中采用带轮传动，传送带采用高强度， 柔韧性好的钢带，这样空间要求和强度要求可以同时满足。 在传动系统的最终端为驱动轮，驱动轮与井壁接触，产生摩 擦力驱动整个设备前进。为了更好的接触，将驱动轮的圆周表面 做成齿形，可大大的提高接触效果。 在整个传动系统中，三组齿轮被密封在牵引器的外壳中，带 轮与钢带通过在其外面安装一密封罩来达到密封效果。当在井下 工作时，由于井下的高压作用，液压将不可避免的进入牵引器内， 但由于密封作用岩屑等颗粒物将不会进入，所以齿轮系统的工作 不会受到影响。当电机转动时，在支撑机构的配合下，经过传动 l5 百油人学( 华东) 硕一1 1 论文 电缆乖0j 器结构原理 系统驱动轮便可以正常工作。 3 3 支撑机构工作原理 如图3 5 所示，支撑机构主要有两组行星轮系、一个过载保护 离合器、一个滚动螺旋传动装置以及一个缓冲调节装置和支撑秆 组成。第一组行星轮系中的太阳轮和主传动轴用键连接；第二组 行星轮系的太阳轮与第一组的行星轮架连接：过载保护离合器的 主动部分与第二组行星轮系的行星架连接；滚动螺旋传动装置的 螺杆与离合器的从动部分连接，可作旋转运动，传动螺母经限制 可以沿轴向滑动，不能转动：缓冲调节装置处在与螺母一体的滑 杆和与支撑杆连接的连杆机构之间：支撑杆一端与滑筒连接，一 端与驱动轮的支架连接。 牵引器的主传动轴高速旋转，以降低传递的扭矩，减小对主 传动轴的强度要求。主传动轴直径的减少可以为其它机构的设计 提供更多的空间。行星轮系虽然制造精度要求较高，结构较复杂， 但与普通圆柱齿轮减速器相比，尺寸，重量轻，可以实现较大的 传动比，适合在要求结构紧凑的动力传动中应用。在此也采用两 组行星轮系，可以实现高的传动比，提供符合动力要求的扭矩， 为滚动螺旋传动装置提供足够的传动扭矩。 石油大学( 华东) 硕士论文电缆牵引器结构原理 图3 5 支撑机构结构图 1 、驱动机构行星轮系1 、2 ； 2 、锥形齿轮组：3 、带轮传动组 4 、驱动轮：5 、主传动轴： 6 、支持杆：7 、缓冲装置； 8 、挡块；9 、滚动螺旋传动装置 一级变速轮系( 行星轮幕) r 侍i e r r 1 1 l 二级燹逯轮系( 行星轮系) ( 4 - , t s 动e 匕5 ：1 ) l i 渡动螺旋传动机构 c 旋转运动转换为直线运动) 图3 6 支撑机构运动传递流程图 1 0 、保护离台器：1 1 、撑机构行星轮系。 参考图3 7 ，由于螺旋传动装置在工作过程中单向运动，为了 防止驱动轮伸出后( 图中1 ) 在遇到较小井眼直径时无法自动收 回( 图中2 ) ，在螺旋传动中螺母运动的前方设置一挡块，用来限 制螺母的行程。根据需要可以调整挡块的位置，从而调整螺母的 行程，达到控制驱动轮伸缩范围的目的。 当螺旋传动螺母运动到一定位置后便由于挡块而停止移动， 而变速轮系以及螺杆仍随主传动轴转动，在短时间内将会给主传 动轴一个很大的阻力，使电机和主传动轴遭到破坏，为了防止这 17 羊一 鱼堂查堂! 兰至! 塑鲨二i ! ； 里塑至! ! 登丝塑坚些 种情况的发生，在行星轮系与滚动螺旋传动装置之间安装了过载 保护离合器。 图3 7 驱动轮调整示意图 、驱动轮伸出位置；2 、驱动轮调整位置：3 、支撑杆轴向运动节点位置2 4 、支撑臂旋转点；5 、支撑杆轴向运动1 y 点位置l ；6 、螺旋传动螺母： 过载保护离台器用于防止在力矩的传动过程中出现大于设备 承受能力的载荷而造成设备损坏。过载保护离合器可以传递一设 定范围内的力矩，力矩的大小要满足对驱动轮的支撑要求，当主、 从动轴之间的力矩超出设定的范围即大于一定值时，离合器就发 挥保护作用。在螺旋传动螺母没有达到挡块的位置时，过载保护 离合器的主、从动部分之间的力矩小于定值，二者为一体，转速 相同。螺旋传动螺母遇到挡块后便停止运动，离合器的主、从动 轴之间的力矩迅速上升并高于定值，主、从动部分就相对滑动， 从动部分不再转动，主动部分随主传动轴转动，并且主动部分始 终给从动部分施加一个扭矩。 螺旋传动装置可以将旋转运动转换为直线运动，在这里它将 过载保护离合器的转动转换为螺旋传动螺母的直线运动，从而可 以驱动支撑部分移动。由于滚动螺旋传动效率高，性能稳定，维 修方便，能更好的适应井下环境，因此此处采用了滚动螺旋传动。 而没有采用效率低，环境适应性差，不容易维修的滑动螺旋传动。 在螺旋传动中，螺杆转动，传动螺母外有滑键与固定在牵引器外 壳上的键槽配合，可以防止螺母在滑动时转动，从而可以实现在 互型查兰! 堂查! 竺圭堡苎 生塑! 型堂竺塑丝些 螺杆转动时，螺杆与螺母之间产生作用力，驱动传动螺母沿轴向 移动。 在螺旋传动装置与连杆机构的滑筒之间有一缓冲调节装置， 用于调节驱动轮的位置；由于过载保护离合器只是在驱动轮与井 壁的接触力大于一定值时才发挥作用，这样当在井壁直径较大处， 驱动轮外伸：当再遇到较小的井眼时，由于轮子无法收回，便无 法前进，缓冲调节装置便可解决这一问题。首先我们要限制螺母 的移动范围，在牵引器的外壳上安装一挡块，可以限制螺母的移 动距离，每次下井前根据井眼的最大直径预先设定挡块的位置， 在牵引器工作时传动螺母到达限制的位置后就停止运动，过载保 护离合器也开始其作用，这时候驱动轮在理论上可以达到一个特 定的最大位置，当井眼直径小于这个值时，在井壁压力下，连杆 机构压缩缓冲调节装置的弹簧，使其收缩，当井眼直径大时，在 弹簧压力作用下，使驱动轮向外伸，同时可以提供驱动轮对井壁 的压力，这样就可以保证牵引器的正常工作。 图3 8 支撑杆结构示意图 l 、驱动轮；2 、主传动轴；3 、滑筒；4 、驱动轮支撑臂；5 、支撑书 = 如图3 8 所示，支撑连杆机构中的支撑杆连接驱动轮支撑臂和 支撑机构的滑筒，它两端作用点的连线与主传动轴没有平行，而 是成一角度，这样可以防止在开始时形成死角( 详细情况在以后 的计算中介绍) 。 石油大学( 华东) 硕士论文 电缆牵引器结构原理 3 4 扶正机构工作原理 图3 9 扶正机构工作原理图 i 、电缆牵引器( 主体) ：2 、滑筒：3 、支撑连杆；4 连接杆： 5 、弹簧条；6 、轴： 扶正机构主要是用来保证牵引器始终处在井眼的中心位置。如 图39 所示，扶正机构主要由滑杆、滑筒、弹簧片和支撑连杆组 成，滑杆与牵引器连为一体，滑筒可沿滑杆作轴向运动，支撑连 杆为三连杆机构，两端连接在滑筒上，在中间连接杆与其它连杆 的连接处开有圆槽并在各个连杆上开有长槽，在槽中安放弹簧片， 这样在正常情况下中间连杆与其它连杆之间由于弹簧的作用而张 丌，沿圆周方向有四组连杆机构，他们均匀分布，通过滑筒实现 同步运动，当处于井下时，在井壁的作用下，扶正连杆机构收缩， 在弹簧力作用下，使牵引器处在井眼的中心位置。同时为了解决 牵引器自身的反扭矩问题，在滑杆圆周表面开有滑槽，滑筒上有 键与其配合，这样滑筒只能沿滑杆轴向滑动而无法绕滑杆旋转， 通过支撑连杆与井壁的摩擦力就可以克服牵引器的反扭矩。 3 5 电缆牵引器内部运动传递分析 电缆牵引器在工作时驱动机构和支撑机构是同时作用的。图 3 】o 是电缆牵引器的运动传递流程图。电缆牵引器的动力由潜油 电机提供。 右油大学( 华东) 硕士论文电缆牵引器结构原理 图3 1 0 电缆牵引器运动传动流程图 启动电机后，经减速器减速，然后在传递给主传动轴。驱动机 构和支撑机构同时接受来自主传动轴的运动。驱动机构经过运动 传递后，驱动轮就一直处于转动状态，并与井壁产生摩擦力，驱 动牵引器运动。支撑机构在开始随主传动轴运转将驱动轮支撑臂 推出，当螺旋传动螺母遇到挡块后，螺旋传动机构就停止转动， 只有减速轮系随主传动轴转动，在过载保护离合器的主、从动轴 之间始终有一相互作用力矩，可防止在井壁压力作用下，螺旋传 动机构反转，驱动轮与井壁之间的压力减小，使得电缆牵引器无 2 l 至塑查兰! 兰查! 堡主丝苎皇丝至! ! 登堕塑堕型 法正常工作。 电机停止转动时，电缆牵引器便停止工作，驱动轮不能自动收 回，需要使电机反转来收回。因此本课题的电缆牵引器只能进行 单向驱动，在回收电缆牵引器时，需要借助地面作用力将其收回 地面。 右油人学( 毕东) 硕士论文电缆牵引_ 吐计敷汁算 第4 章电缆牵引器设计及计算 上一章介绍了电缆牵引嚣的工作原理，本章将详细介绍牵引器 各个机构的结构设计和数据计算。根据所传送的测井仪器以及井 下环境确定电缆牵引器要满足以下要求： 电缆牵引器要求参数： 牵引器的最大牵引力：4 ，5 0 0n ； 牵引器的最大牵引速度： 5 4 9m h ： 牵引器的最大直径：1 0 0m m ： 牵引器的最大总长度：茎1 0m ： 牵引器的最高工作温度：1 5 0 。 根据这些要求来进行以下的设计、计算。 4 1 主要参数的确定及潜油电机的选择 ( 1 ) 电机转速 在现有的潜油电机中，额定转速均为2 8 5 0r m i n 。 ( 2 ) 电机功率 所需电机的功率为 j d = f v( 4 一1 ) 式中f 一一电缆牵引器牵引力，4 5k n ； v 一一电缆牵引器速度，0 1 5 2 5 m s ： 计算得功率为0 6 7 2 5 k w 。 考虑到牵引器的效率以及井下可能出现的特殊情况，取功率 为2k w 的潜油电机。 ( 3 ) 牵引器最大外径 2 3 鱼塑查堂! 兰查! 塑主堡墨皇塑垩! ! 壁堡盐丝生墨 由于牵引器所使用的电机和变速器为国内现有产品，不再专门 开发、设计，所以最大外径根据电机尺寸确定。目前国内直径最 小的潜油电机为胜利油田无杆采油泵公司生产的9 8 系列，直径为 9 8 r a m 。考虑到牵引器的外壳要采用现有的钢管产品，所以将牵引 器的最大外径设定为1 0 0 r a m 。 f 4 1 牵引器外壳厚度 牵引器的外壳主要承受拉力和潜油电机的反扭矩，拉力大于 4 ，5 0 0 n ，扭矩为6 7 n m ( 根据电机的功率和转速确定) 。外壳采 用外径1 0 0m m ，壁厚41 1 1 1 d - 的钢管，材料为4 5 钢。钢管截面的 力学特性如表4 1 所示。 表4 - 1 钢管截面的力学特性 特性名称数值单位 圆环截面的面积a 12 0 6c m 2 圆环截面的惯性矩i x1 3 9 2 2 c m 4 圆环截蔼的惯性矩i y 1 3 9 2 2c m 4 圆环截面的惯性矩1 p 2 7 8 4 3c m 4 抗弯截面模数w2 7 8 4c m 3 抗扭截面模数w n5 5 6 9 c m 3 重心s 到外边的距离e 5c m 圆环截面的惯性半径i0 9 8c m 根据拉力计算拉应力： pd l a 币薪d 4 轧卅 万( d ，一，) 。 式中p 一一牵引器外壳承受的拉力，n ； a 一牵引器外壳截面面积，m m ：； d 。，d ：一一牵引器外壳截面外径、内径m m ( 4 2 ) 石油大学( 华东) 硕士论文电缆牵弓l 器设计搜计算 盯 一材料的许用应力，8 5m p a 汁算得j = 3 6 6m p a 。 根据扭矩计算剪切应力： 扣瓦t = 而1 6 t 乩 ( t _ 3 ) 式中t 一一扭矩，n m ： w r - 抗扭截面系数，m m 。： d 一外壳外直径，m ； 一内外直径的比值，0 9 2 ： f 一许用剪切应力，6 0m p a 。 计算得剪切应力为r = 0 1 2m y a 。 从上面的计算可以得出，选用的钢管和材料满足强度要求。 ( 5 ) 驱动轮直径确定 驱动轮的直径必须小于牵引器的最大外径1 0 0 m m 。在此范围 内，驱动轮的直径太大将会增加所有传动机构的负载和尺寸，使 得设计对空间要求太苛刻，而太小了则会使驱动轮支撑臂的设计 尺寸受到限制，因此将驱动轮的直径设定为8 0 m m 。( 在后面的带 轮设计时将介绍详细情况) 根据对牵引器要求的最大驱动力，驱动机构和支撑机构的受力 情况如下： a 、驱动轮受力情况 由于要求牵引器的最大牵引力为4 ，5 0 0n ，本设备有四个驱 动轮，因此平均每个轮子上产生的驱动力为1 1 2 5 k g f ( 1 1 0 2 5 n ) ( 作用于轮子的表面并与表面相切) 。 轮子产生的力矩为： m = n r( 4 4 ) 石油大学( 华东) 硕士论文电缆牵引器设计及计算 式中一一作用力，1 1 25 n ： r 一一轮子半径，0 0 4 m 。 计算的力矩为4 4 1 。 驱动轮的理论最大转速： 2 ( ：4 0z d ) ( 4 - 5 ) 式中v 一一电缆牵引器运动速度，5 4 9 hm h ： d 一一驱动轮赢径，0 0 8 m 。 计算得转速为3 6 4 r m i n 。 所需功率为：由式( 4 - 1 ) 可知功率为0 6 7 2 5 k w 。 b 、支撑杆部分受力情况 设定支撑杆与支撑臂所成夹角最小为6 0 。 根据计算( 在后面的螺旋传动中详细介绍) ，支撑机构滚动螺 旋驱动部分所需的扭矩为5 n m ，则四个支撑杆需要的扭矩是 2 0 n n l ，转速设定为4 1r m i l 3 。所需功率为0 0 8 5 9k w 。 由此可见在理论上支撑机构消耗的功率很少。但在实际工作 中考虑到支撑机构的过载保