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井下牵引器研究进展摘要：井下牵引器也称之为井下爬行器，是当前水平井测井的主要传输工具，且逐渐向微小井眼钻井和井下作业等应用方面发展。在海洋石油开发中为了更高的效率，牵引器也得到了广泛的应用。恶劣的地层条件对牵引器的性能提出很高的要求，国内现在没有成熟的高水平的产品。研究国外先进的相对较成熟的产品，对我国研究出更高效率、更高可靠性的井下牵引器将有很大的帮助。关键词：牵引器；测井；微小井眼；井下；随着水平井数量的增加以及对水平井开发的高采收率综合效益的认识，国内外都开始了水平井牵引器的研究。水平井牵引器依靠自身带有的机电液系统提供动力，具有长度小、质量轻、运输方便、操作简单，输送准确等优点。它的出现大大降低了钻井、测井等井下作业成本。水平井牵引器根据其驱动方式的不同又分为伸缩(爬行)式水平井牵引器、轮式水平井牵引器、高压射流反冲式水平井牵引器和螺旋桨推进式水平井牵引器。水平井牵引器技术在国外发展较早，20世纪90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水平井牵引器，目前已经有了商品化的产品，在众多产品中，以Statoil、MaritimeWellService(MWS)和Welltec3家公司联合开发的轮式水平井牵引器、SmarTract公司的伸缩式水平井牵引器和Sondex有限公司的Sondex水平井牵引器最为突出。国内水平井测井技术尚处于初级阶段，水平井牵引器技术运用还不是很成熟，测井市场有较大的发展空间。1 井下牵引器国内外发展现状1991年，日本NippondensoCo.Ltd公司的研究实验室开发了一种叠层压电执行器微型管道机器人1，如图1所示。机器人的直径仅为5.5mm，自重1g，适用于8mm管径（包括弯管），移动速度为10mm/s。图1 叠层电压执行器微型管道机器人外形与原理1993年，美国卡内基梅隆大学研制出一种主动内窥检查蠕动式微机器人2，它由导向机构、骨架和橡胶管组成，骨架能够在刚性和柔性之间转换，橡胶管有一定硬度且能沿着骨架移动。1994年，日本东京工业大学的IwaoHayashi等研制了一种仿蚯蚓式微型管内机器人3。该机器人为气囊驱动，可以模仿蚯蚓运动，如图2所示，该机器人包括三个驱动单元，每个单元由一个柔性微型驱动器和四个铰链结构组成，通过主体分段的产生轴向的伸缩运动来实现移动。图2 仿蚯蚓式微型管内机器人移动原理1995年美国加州理工大学的A.B.Slatkin等研制了一种仿蚯蚓运动式的管内机器人4。该系统以压缩气体为动力源，驱动器采用橡胶气囊，并分为伸缩驱动器和夹紧驱动器。夹紧驱动器如气球状，可沿管道径向膨胀并贴紧倡导内壁给系统提供支撑力；伸缩驱动器位于夹紧驱动器之间，可以沿管道轴向交替伸缩使得机器人如蚯蚓般运动，其系统结构如图3所示。图3 仿蚯蚓式气囊伸缩驱驱动动器管内机器1996年意大利的P.Dario等和比利时Leuven大学的J.Peirs等合作研发了一种仿尺蠖式具有自推进能力的内窥镜系统5。该系统由机器人本体、控制系统和微型检测及操作手三部分组成。系统的本体运动部分为三个气囊驱动器，其中一个气囊驱动器产生轴向伸缩运动以推进机器人，另外两个气囊驱动器径向膨胀使得机器人与肠道夹紧以产生摩擦力，系统驱动气体、检查及控制信号均通过管形线缆云外部系统相连，其结构及运动方式如图4所示。该系统整体直径为18mm，运动为仿尺蠖运动，收缩时长50mm，伸长时为80mm。图4 气囊驱动管内机器人结构及运动方式1996年，Statoil、MaritimeWellService(MWS)与Welltec3家公司开始联合开发的Welletc轮式水平井牵引器试验成功，并在北海等地投入使用。2000年，SmarTract公司于推出Smartract伸缩式水平井牵引器。在国内方面，中国石油大学、哈尔滨工业大学、西南石油大学、大庆石油学院、西安石油大学等少数科研院所在做井下牵引器的研究。上海交通大学研制的小口径管道内蠕动式移动机器人，它是模仿昆虫在地面爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。上海交通大学还开发出用SMA(形状记忆合金)驱动的可在软管内移动的蠕动式微小机器人6。上海大学研制出了电磁驱动的腿足式管内移动微小机器人7。西北工业大学研制出了在电致伸缩陶瓷致动条件下，借助电流变技术实现蠕动的微小机器人8。2井下牵引器的结构原理和分类2.1牵引器的作用原理井下牵引器要实现移动，主要包括3个主要结构。前后支撑机构和伸缩机构。运动原理如图5所示。图5(a)为初始状态，两个单向机构的支撑臂撑开压紧管壁。然后伸缩驱动机构展开，此时支撑机构1锁止，前面的支撑机构2解锁，伸缩机构做伸出运动，支撑机构2被推向前，如图5(b)所示；展开到最大行程后，支撑机构2锁止，支撑机构1解锁，伸缩机构开始收缩，单向机构1被拖动向前移动，如图5(c)所示，到位后又恢复到图5(a)的状态，此时系统已经向前运行了一段距离，反复进行从图5(a)到图5(c)运动过程，牵引器就能够不断前进。图5 牵引器基本工作原理2.2牵引器涉及的关键问题水平井牵引器设计技术指标要求牵引器在苛刻条件下以小尺寸产生大牵引力，因此在设计牵引器时需要重点考虑以下几个关键性问题9。(1)移动机构的设计问题移动机构是管道牵引器的核心，特别是对存在弯管、支岔管的情况下，牵引器的通过性问题是一个难点，需要考虑到适应适合不同管径的问题。管道牵引器需要一种既能够提供较大牵引力，又快速灵活、可靠性高的机构，同时还要在动力系统、传动机构的小型化方面下功夫，这要求除了在机械机构上推陈出新之外，另外还应该尽可能结合控制方案来考虑。(2)驱动方式的选择问题对于牵引器及一般的管道牵引器的驱动方式，一般由三种：电机驱动，气液压驱动和纯机械驱动，其中最常用的是电机驱动，其次是液压，采用微型直流电机或步进电机驱动，其响应快，控制比较精确可靠，产生的扭矩比较大，成本相对低。因此本方案采用了直流电机作为驱动器，可以在管道中产生足够的驱动力来克服各种阻力。(3)信号、电力的传输和供给方式问题在直管中，线缆可以顺利进出，但在弯管处，或多个弯道处必须考虑线缆的阻力。如果采用无线方式传递信号，由于金属管道具有一定的屏蔽作用，需要考虑发射信号的频率。常用的电源供应是高性能电池、蓄电池和管外线缆供电方式，由于水平井离地面距离远，测井时间一般很长，因此采用管外电缆供电和传输信号的方式是最好的选择。采用电缆传输信号和供电的方案要重点解决两个问题：电缆的阻力和电缆的走线问题。(4)控制系统和传感器的设置问题管道内部的复杂环境，特别是水平井底的高温、高压、油污等恶劣环境，可能导致传感器无法正常工作，一方面要提高系统的可靠性，另一方面，在系统工作的同时，要有一定的报警信号，指示系统工作状态的好坏。因此在设计控制系统的时候，对关键的、容易出问题的部分最好采用冗余设计的方法提高系统可靠性，另外要设置一定的监测点，以便地面能够掌握井下系统的状态，必要时采取人工控制的措施，避免出现大的损失。总的说，控制系统应该具有高的可靠性，实现智能化的同时，能够方便人人工监测和介入经过多年的实践，人们已经认识到传感器的集成，即多种传感器的综合运用是解决这个问题的有效方法，(5)高温高压环境适应性、密封问题井下的环境十分复杂，温度达到125甚至150，压强4060MPa，而且管道内充满泥沙和油污，在这样的条件下，要使系统能够稳定安全的工作，并充分发挥性能，对系统部件特别是电子器件必须有一定的保护，使其适应井下的恶劣环境，其中最主要的一点就是要做好密封设计。(6)系统安全性问题安全性，除了指系统能够正常工作之外，还有更加重要的一点，那就是不论何种情况下，牵引器必须能够从油井出来。设计牵引器的目的是将测井仪器输送到井底进行测井操作，如果牵引器在工作的过程中出现故障，不能够运行，却又不能够拉出，将堵住油井，造成油井报废的重大损失，因此系统的安全性必须得到保证，否则损失会相当严重。上述问题是研制牵引器的关键，也是单向运动机构设计和控制要重点考虑的问题，在进行设计机构与控制方案要充分考虑上述问题，确保设计安全、可靠、高效。2.3牵引器的分类目前已有的牵引器按照其结构和工作原理可分为轮式直进牵引器和伸缩式爬行牵引器两类。(1)轮式直进牵引器。此类牵引器通过可张开和收合的支撑臂将驱动轮推靠到套管壁上，转动的驱动轮带动牵引器向前移动。主要研制公司有Welltec、Sondex、PowerTractor等。(2)伸缩式爬行牵引器。此类牵引器通过两组可张开和收合的扶正器式抓靠臂交替撑到管壁上，一组抓靠臂撑在管壁上静止，另一组相向或相背滑动，实现牵引器的驱动前进。主要研制公司有Schlumberger、SmarTract、Omega、WesternWellTool等4家公司。3国外常用牵引器及性能参数Welltec公司的产品液压泵驱动转动轮式牵引器，如图6所示。Welletc轮式水平井牵引器是Statoil、MaritimeWellService(MWS)与Welltec3家公司开始联合开发的水平井牵引器，于1996年试验成功并在北海等地投入使用。1999年，在阿曼的Lekhwair油田首次用该牵引器进行了长为1550m的测井作业。2000年，在裸眼井段达4000m的井下也成功使用了轮式水平井牵引器10。该系统驱动结构标准配置为3组12轮，结构紧凑，外径54mm，长度为5.87m，牵引力363kg，平均运动速度达到818m/h。图6 WellTec公式轮式牵引器Sondex公司的产品是电动机驱动的转动轮式牵引器，如图7所示。Sondex牵引器采用模块化设计，由驱动模块和扶正模块组成，可自由选配，标准配置为两组4轮，一个电动机同时驱动两组驱动轮的转动，另一电动机驱动两组驱动轮的张开和收合。是目前唯一采用电动机和机械传动机构来控制驱动拖拉器的设计。外径54mm，牵引力273kg，速度540m/h。国内仅有大庆油田测试技术服务分公司引进的Sondex牵引器，2003年在塔里木油田成功地录取了第一口水平井生产测井资料11。图7 Sondex公司轮式直进牵引器Schlumberger牵引器是一种采用机电液驱动的伸缩式牵引器，如图8所示，包括两个支撑臂和伸缩机构，其结构特点:采用三爪臂，能自动定心，撑紧内壁；采用独特的抓靠臂结构，三点离散与管壁结合；系统外径为54mm，长度9.8m，速度为671m/h，牵引力大小为445kg。图8 Schlumberger公司伸缩式爬行器SmartTract伸缩式水平井牵引器是SmarTract公司于2000年推出的一种伸缩式水平井牵引器，如图9所示。该水平井牵引器具有轻巧、牵引力大，对动力源功率需求小、地面设备紧凑、易于运输等优点，抓紧式的爬行方法有选择的与管壁间距接触，管内越障能力强；双方向(推/拉)驱动方式对接卡和长水平段起收电缆更具优势，代表了最先进的拖拉器的类型之一。它先后在加拿大和墨西哥湾进行了测井作业，不借助其他设备，其牵引距离接近12192m。其外径为54mm，长9144mm，可用于双向操作，牵引力为454kg，牵引速度545m/h，不足之处，10m的长度偏大。图9 SmartTractor公司伸缩式牵引器Omega公司牵引器，如图10所示，同样采用张开或收合的抓靠臂交替撑在管壁上的方式，不同之处：通过仪器主体伸长(缩短)来实现两组抓靠臂行进；动力源非电力，而是地面来的缆线提供的拉力。当缆线拉拖拉器头部，上抓靠臂撑在管壁上处于静止，仪器主体伸长，下抓靠臂向前移动一行程；缆线松弛，下抓靠臂抓住井壁，仪器主体缩短，上抓靠臂向前移动一行程。系统采用纯机械结构，将不会受到电力或电子组件损坏的影响，可靠性高，是设计的独到之处。该牵引器长度为3m，外径较大为84mm，牵引力小，只有182kg。图10 Omega公司伸缩式牵引器表1 国外几种牵引器的性能参数公司名称运动方式驱动方式外径mm长度m速度m/h牵引力kgWelltec轮式电液驱动54/805.8818363/545Sondex轮式电机驱动547.4540273Schlumberger伸缩式电液驱动549.8671445SmarTract伸缩式电液驱动5410549454Omega伸缩式机械驱动843355182国内方面，以应用研究为主，哈尔滨工业大学对牵引器头部张力测控系统和井下远程载波通讯技术进行了设计与研究，目前正在和大庆油田责任有限公司合作研制轮式直进牵引器，指标如下表。表2 哈工大牵引器技术指标直径长度耐压耐温牵引力牵引速度适应管径54mm7.5m35MPa1252600N6m/min140230mm4井下牵引器的应用牵引器目前主要用于水平井测井，作为井下传输工具。在微小井眼钻井的应用中，目前尚不成熟，但其应用前景很广阔。4.1水平井测井应用牵引器将待传送的仪器拖下井，牵引器可以安放在不同的地方推或拉动仪器串，动力靠近被传送的仪器串，可以在长水平段推动仪器或装置，即使在井斜角超过90地方，牵引器也可以推着仪器串前行。水平井特别是大位移水平井的发展对测井等井下作业及其配套仪器送进技术提出了越来越高的要求。一些在直井中应用成熟的测井及其配套仪器送进技术在水平井测井中面临诸多问题。采用水平井牵引器测井具有施工简便、节省工时、深度控制准确、测井过程中油井正常生产等优点。成为水平井监测最为经济有效的输送工具和关键技术手段。爬行器在水平井内工作的环境恶劣，且工作空间受到严格的限制。因此，对爬行器驱动系统的设计提出了很高的要求，普通的驱动方式已无法满足其工作需求。要使爬行器能在水平井内顺利爬行，就必须满足以下几个条件：提供足够的拖拽力来输送测井仪器；能在不同的井眼尺寸下正常工作；能双向移动，在井下作业后能自动返回；爬行遇到阻碍时有自锁能力，并及时反馈信息；能在高温高压下正常工作。图11 井下牵引器测井示意图4.2微小井眼钻井应用微小井眼连续油管滑动钻井技术是指井眼直径小于88.9mm、以连续油管作为钻井管柱、滑动推进底部钻具组合进行钻进的一种新思维钻井技术。微小井眼钻井技术具有以下特点：（1）技术方面。微型钻井技术采用整体的的连续油管钻井技术，起下钻时比传统的钻井方式所带来的环境污染大大减少，停钻次数减少，节省了时间和花费，钻井效率提高，这将可能被应用于更低的水下操作。新的经济地震测试技术对储层成像，从永久稳定的井下储层检控系统获得更高的建议和真实的记录储层的信息，通过校验勘探预算更经济来减少开发成本。检测和优化提高石油恢复过程可更大的恢复效率，用地震设计观念来控制数据的收集位置，使得信息的收集随时都能够进行，改变了以前收集储层信息时需打断生产的情况。（2）装备方面。随着微小井眼尺寸减小，对人力、物力、生产材料和起下钻系统的要求大大降低。微小型井眼的钻机是传统的二十分之一，重量是传统装备的十分之一。（3）经济效益方面。微小井眼钻井技术通过减小井眼尺寸减少所有与钻井有关的成本，这种新技术可以减少安装时间、材料、劳工和支撑设备而降低了钻井成本。人力和所有花费减少了百分之九十。钻井和完井的材料用量也大大减少，钻井液和开凿液减少五分之一，减少处理的花费。甚至包括用于完成多井眼钻井方案所需的时间。微小井眼钻井将降低勘探钻井成本1/3，降低开发钻井成本1/2，降低海上钻井成本1/2以上。（4）环境保护方面。小痕迹和低处理液减少对环境的影响。同时由于井眼的减少，也减小钻井作业的施工范围和影响大大减少了对环境影响。由于微小井眼直径小，地层条件恶劣，对牵引器提出了很高的要求。连续油管强度低且在井眼中不转动，滑动钻进时遇阻严重，管柱送进困难，钻压无法施加，甚至发生卡钻，使钻进无法进行，等这些方面严重影响微小井眼连续油管滑动钻井技术的应用与推广。4.3牵引器在海洋长距离管输中的应用在海洋石油开发中，牵引器除上述应用外，在海底长输管线中还有一项特殊的应用，为了其使用性，结构原理都有相对的变化。长距离管输做为一种经济、高效、安全的输送方式，在海洋石油工业中应用广泛。但由于海底管线的特殊环境，如几十米到上百米深的水下，且有可能泥土覆盖，所以管线的检测就很困难。在现代计算机技术和机械制造技术的促进下，管内机器人便应运而生，管内牵引器作为管道机器人的拖动单元是管内机器人的关键单元可以在管道所属的特定空间内工作，可以携带各种检测仪器或作业装置，在操作人员的遥控或自主控制下进入管内，完成诸如管道缺陷探伤、防腐涂层的检测及涂敷、管内异物的识别及清除、管内加工、管内清理等作业任务12。随着交通、通讯、石油、化工及城市建设的发展，各领域所铺设的管道累计长度将急剧增加，管内牵引器的应用场合将越来越广泛，它所发挥的作用也将越来越大。目前，管道内牵引器的驱动方式主要有介质压差驱动和自主行走两种类型，具有自主行走能力的牵引器按驱动形式的不同,可把此类管内牵引器分成轮式管内移动、履带式管内移动、蠕动式管内移动等类型。由于其在管内的工作环境与井下环境的不一样，所以其结构设计和移动原理也不相同。管道内压力、温度等外部条件没有井下那么苛刻，但管道在弯管处的小曲率，就需要牵引器及仪器串能够很顺利的通过。5总结井下牵引器作为一种新兴技术，在石油行业具有广阔的发展前景，在钻井、测井、井下作业等工作中都会有其应用的身影。目前国外几家大公司的牵引器性能相对较好，应用比较广泛，但限于当前技术，牵引器主要应用在测井工作中，其他方面正处于研究完善的阶段。国内牵引器技术与之相比差距还很大，还需要做大量的研究工作。由于牵引器的工作环境的恶劣，要把牵引器应用与钻井作业中，对牵引器的性能就提出了更高的要求。牵引器将来的发展将围绕高效率、高可靠性来展开，以应对复杂多变的地层情况。参考文献1K. 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