开题报告：井下牵引器行走机构及其地面调试装置设计

第10页(共11页)第11页(共11页)=2\*ROMANII开题报告题目名称井下牵引器行走机构及其地面调试装置设计院（系）专业班级学生姓名指导教师辅导教师开题报告日期

井下牵引器行走机构及其地面调试装置设计一、题目来源题目来源于生产实际。二、研究目的和意义本研究课题的目的旨在针对长距离水平井钻磨、仪器输送存在的问题，提出一种原理结构简单、延伸能力强、安全可靠、有较好适应性的水平井延伸工具的研究和开发。在国外，水平井延伸工具（通常称“井下牵引器”或“井下爬行器”）早已经商业化，型式也是各式各样，有步进式（锚爪式）、连续式（轮式）、电动式、液压式，生产的公司也较多；我国相关研究院所、大学也都在开发进行延伸工具，目前只有个别研究院所开发了型号单一的井下牵引器投入工程使用。总体而言，无论是国内还是国外，各企业公司开发的井下牵引器，结构原理类似、机械结构复杂，受工具尺寸局限，工具内机械传动工作环境恶劣，工具使用寿命和可靠性都受到限制，而且生产成本大，产品价格高。近年来出现了另外一种类型的水平井延伸工具，即水力振荡器，改变了牵引器的减阻原理，在工具滑动过程中增加10~30Hz的振荡，降低工具磨阻，有效增加延伸能力。但是，水力振荡工具使用技术要求高，目前还不能普遍应用。为此，本文的“一种水平井井下传动式牵引器”原理的基础上，设计一种基于齿轮齿条传动机构，以单向轴承传动为核心的滚轮式液压驱动的井下牵引器行走机构，并设计与其配套的地面调试装置，旨在为长距离水平井延伸提供一种新的工具选择。本设计紧密结合工程实际，问题导向明显，具有较强的实际意义。三、阅读的主要参考文献及资料名称[1]顾松等.钻具振荡解水平井段托压之困[N].黄三角早报，2014.3.19.[2]BrianSW,KristineHW.Thedevelopmentofwireline-tractortechnology.Tech101Series，2009;5(2):18-20.[3]侯学军.微小井眼连续油管钻井牵引器系统结构设计[J].石油钻采工艺.2013.35(2):1-5.[4]ModularDownholeTractor(MDT).SondexWirelineMDTConveyance.www.sondex.com，2009.[5]HallundbackJ.Oryxruns"horizontal"productionlogwithdownholetractor.WorldOil，1999;22(5):12-14.[6]Smartract，INC.CorporateReport-SmarTract,Inc.http://www.T/corporate-report-smartract-a124-1.html.2008-03-01.[7]Norway.Multi-functiontractorspeedsoperationsinopen-holewells.Offshore.www.oftstiore-mag.com.2005.[8]EddieLocal,ThomasL.Searight.WirelineTractorproductionLoggingExperienceInAustralianHorizonta1Wells.SPE51612AsiaPacificOilandGasConferenceandExhibition,Perth,Australia.October1998.[9]刘清友,李难国.Sondex水平井井下爬行工具介绍[J].国外测井技术,2008,23(5):57～59.[10]胡海涛等.Sondex牵引器在川渝油气田的推广与应用[J].国外测井技术,2013,196(4):42～44.[11]/assets/documents/pdfs/products/W_DT_Downhole_Tractor_MDT_D.pdf.[12]McInallyGerald,HallundbaekJogen.TheApplicationofNewWirelineWellTractorTechnologytoHorizontalWellLoggingandIntervention:AreviewofFieldExperienceintheNorthSea.SPE38757AnnualTechnicalConferenceandExhibition,SanAntonio,Texas,oetober1997.[13]Halliburton,Welltecetc.WellTractorsforHighlyDeviatedandHorizontalWells.SPE28871.1994:345~348[14]BruceHenderson,ChrisHopwood,CameronHamilton,etal.CostSavingBenefitsofUsingaFullyBi-directionalTractorSystem.SPE/CIM65467InternationalConferenceonHorizonta1WellTechnology,Calgary,Alberta,Canada,November2000.[15]许德宇.水平井牵引机器人机械系统研究[D].武汉理工大学，2010[16]张祥坡.伸缩式水平井牵引器单向运动机构研究[J],国防科技大学,2008[17]高胜,孙文,倪晗.石油井下牵引器设计现状及几点认识[J].机械设计,2014:5-12.[18]唐德威,王新杰,邓宗全等.水平油井检测仪器拖动器[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(9):1395-1397.[19]高进伟,刘猛,李海凤.水平井井下自适应爬行器的研制[J].石油机械.2005,33(增刊):100-104.[20]高进伟.水平井井下轮式自适应管道爬行器:CN200520008070.8[P],2006-08-16.[21]中国石油集团川庆钻探工程有限公司.用于水平井的轮式伸缩连续爬行牵引器:CN201210182241.3[P].2012-06-05．[22]西南石油大学.连续油管爬行器及其爬行方法:CN102206992A[P].2011-10-05.[23]马认琦,张玺亮,史红娟.井下牵引器的技术现状及发展趋势[J].石油管材与仪器,2015(04):22-24.四、水平井延伸技术研究现状及分析4.1国外研究现状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电缆牵引器。经过多年的发展，到目前为止，有代表性的牵引器产品主要包括:英国Sondex有限公司的Sondex轮式牵引器，丹麦Welltec公司WellTractor轮式牵引器，英国SmarTract公司的Smartract伸缩式牵引器，MicroRig与Irobot公司的履带式牵引器。以下就国外目前应用井下牵引器技术的现状进行叙述。1）轮式井下牵引器（1）英国Sondex轮式牵引器Sondex牵引器于1998年在位于澳大利亚北部的万度油田成功应用于测井作业，运行距离超过8300m，最长水平井段距离为1190m。如图1所示，其主要部件有离合器和驱动电机、电路部分、电缆张力测量接头、井下磁性定位系统、驱动轮和支撑臂以及扶正器部分。该牵引工具的工作原理：该牵引器主要是通过强迫两对主、辅驱动轮在套管内壁相对滚动以实现在水平井段爬行，通过地面供电，使离合器啮合，由驱动马达打开驱动臂，张开至套管壁，并在套管壁与驱动轮之间作用足够的侧应力，以产生无滑动的牵引，最终到达将仪器推到水平目的层段的要求。该牵引器的主要特点是构造简单，易于控制，可操作性强，通过弹簧推动滑块，经曲柄滑块机构将驱动轮紧靠在管壁上，产生封闭力，再通过机械传动机构带动驱动轮旋转，使驱动机器人往前前进。图1Sondex公司牵引机器人（2）丹麦WELLTEC轮式牵引器WELLTEC公司是最早开发水平井牵引器的厂家之一，1994年就成功制成了样机，并成功应用于生产测井和打捞等作业。WELLTEC公司的牵引器主要由驱动轮单元、电动机、液压单元、控制单元和压力补偿单元五部分组成，如图2所示。驱动轮部分由是四个轮子组成。每个部分的轮子在各自的位置是排成一行的，将两个轮子180°错开，并使在各边的两个轮子成为一体。其结构为细长型，每个轮子都装有独立的液压马达,驱动轮依靠液压力伸展开并开始驱动旋转，从而产生前进运动，可以通过多个模块串联产生更大的牵引力,并且该牵引器具有很强的越障能力，能够在裸井中正常作业，在水平段前进距离可超过3000米。该牵引器将驱动轮与液压马达设计成一个整体的部件，而不使用机械传动机构。这样的设计不但节省了中间的传动能量损耗，提高了效率，节约了能量，更为重要的是使牵引器结构更加紧凑,零部件数量更少，从而可以加大每个零部件的尺寸，提高承载能力，以提供更大的牵引力，进入更细小的管道。图2WELLTEC公司牵引机器人2）伸缩式井下牵引器（1）英国SmarTract牵引器SmarTract公司设计的牵引器的井下结构包括电缆接头、支撑臂和伸缩机构、电气部分、液压部分,具体结构如图3所示。SmarTract牵引器的主要特点是牵引力较大，可以实现双向运动，并且可以使支撑臂紧紧抓住管壁，处于某一位置稳定作业。SmarTract牵引器通过两组抓靠臂的张开和收合交替支撑管壁，当一组支撑臂撑在管壁上时,在摩擦力的作用下锁死，而另一组在伸缩关节的作用下相向或向背滑动，从而实现牵引机器人的前后运动，推动工具向前前进。图3SmarTract公司牵引机器人（2）Omega牵引器Omega公司牵引器在设计中由于采用纯机械结构,所以不会受到电力或电子组件损坏的影响,可靠性较高。从地表面来的导线为牵引器提供拉力，利用简单的机械连杆组将拉力变换成井下“推力”。牵引器由电缆头、电路部分、液压部分和上下抓靠臂组成(如图4所示)。具体工作过程为：当缆线拉拖拉器头部时,上抓靠臂撑在管壁上静止不动,仪器主体伸长,下抓靠臂向前挪动一个行程；当缆线松弛时,下抓靠臂紧紧抓住井壁,仪器主体缩短,上抓靠臂向前挪动一行程。该牵引器长度为3m,外径较大为84mm,但牵引力小,只有182kg。图4Omega公司伸缩式牵引器3）履带式牵引器履带式井下牵引器，在水平井中是依靠分布在机身两侧或四周的履带与管壁接合，通过履带与管壁的摩擦力带动井下牵引器定向移动。因为履带式牵引器体积较大，所以发展比较缓慢，目前只有MicroRig与Irobot联合开发了的一种井下机器人，其特点是一款能够自主控制的井下牵引器，采用履带式送进方式，每一个履带单元所提供的拉力为1.13kN。以上牵引器大都已商品化,除上述公司应用外，一些石油公司如Statoil，Oildata、MaritimeWellService等公司也应用牵引器进行水平井服务。因为与挠性管传输方法相比，牵引器更能节省时间、作业费用，是水平井最为经济的下井输送工具，也是近十余年迅速发展的新技术，具有更大的市场。表1为国外主流牵引器产品的性能参数。表1国外主流产品的性能参数公司名称运动方式驱动方式外径长度牵引力Sondex轮式电机驱动54mm7.4m273kgWelltec轮式电液驱动54mm/80mm5.8m363kg/545kgSmarTract伸缩式电液驱动54mm10m454kgOmega伸缩式机械驱动84mm3m182kgMicroRig履带电机50.8mm10.3m1.13kN/单元4.2国内研究现状由于国内对水平井牵引机器人的研制起步较晚，目前还处于理论研究与设计阶段，投入实际生产的产品较少。国内投入实际生产的只有中船重工719所研制的轮式牵引器，其结构类似于Sondex所开发的轮式牵引器，填补了国内牵引器市场的空白，而其它的只处于研制阶段。以下就国内目前对井下牵引器的研究现状进行主要的叙述。1）哈尔滨工业大学的唐德威等人研制的单节样机哈尔滨工业大学的唐德威等人设计出了如图5所示的牵引机器人的单节样机，并进行了地面模拟实验。经地面模拟试验表明,该单节样机输出牵引力可达1000N。样机采用电机驱动，驱动电机通过联轴器将动力传递给蜗杆，再经蜗轮蜗杆副，蜗轮带动齿轮旋转，通过齿轮副的传动，将动力传递给驱动轮。1推靠电机；2,11联轴器；3恒扭矩装置；4螺母；5弹簧；6行走轮；7,8,9齿轮；10蜗杆12驱动电机；13蜗轮；14蜗轮支架；15行走支撑架；16推靠杆；17丝杆；18减速机构图5哈尔滨工业大学的唐德威所研制的井下牵引器原理图2）中国石油大学研制的井下爬行器中国石油大学提出了一种水平井井下自适应爬行器的结构方案。利用平行四边形机构和非线性弹簧解决了爬行器在井眼中的自适应的问题；通过多个独立驱动单元的组合，提高了爬行器在不平井壁上的爬行能力及其可靠性；并且通过计算机仿真和模型的实际地面试验，验证了该爬行器方案的可行性和有效性。1外螺纹接头；2壳体；3换向-传动机构；4驱动电机；5支撑驱动总成；6内螺纹接头图6中国石油大学研制的井下爬行器结构简图该牵引器的具体结构如图6所示。主要由动力单元与支撑单元组成，目前还处于地面实验阶段。3）川庆钻探公司研制的井下牵引器中国石油集团川庆钻探工程有限公司设计了一种轮式伸缩连续爬行牵引器，具体结构如图7所示，设有锁定伸缩单元，锁定伸缩单元至少具有第1锁定伸缩单元和第2锁定伸缩单元，第1锁定伸缩单元和第2锁定伸缩单元交替伸缩完成牵引动作。该牵引器的特点是运行可靠，驱动力大，能够实现双向爬行，并且在井下遇卡时能反向运行解卡。1导杆接头；2导杆；3滑动套；4第1滑块；5锁定臂；6扶正轮；7弹簧；8第2滑块；9第3滑块；10缸筒；11活塞；12活塞杆；13水平井管壁；14第1锁定伸缩单元；15连接部分；16第2锁定伸缩单元图7川庆钻探公司研制的井下牵引器结构简图4）西南石油大学研制的连续油管爬行器机器西南石油大学提出了一种用于连续油管的爬行器,具体结构如图8所示，该爬行器主要由前爬行装置、后爬行装置、活塞杆总成、控制器等组成。整个爬行器采用液压控制和液压驱动,通过改变高压钻井液的供给通道控制前后爬行装置交替工作,依靠爬行装置将高压钻井液的动能转化成推动连续油管和井下工具向井底方向前进的机械能。1,3推靠机构；2伸缩机构图8西南石油大学研制的井下牵引器结构简图由以上国内牵引器的研制情况可知，国内牵引器研究还处于理论阶段，与国外相差较大。表2为国内主要牵引器的性能参数表。表2国内主要牵引器的性能指标公司名称运动方式驱动方式外径长度牵引力中船重工719所轮式电机驱动54mm7m270kg哈尔滨工业大学轮式电机驱动105mm4.5mm/节100/节中国石油大学轮式电机驱动———川庆钻探工程有限公司轮式伸缩电液驱动———西南石油大学伸缩电液驱动———4.3国内外研究现状比较与分析由上述分析叙述，可知国外由于起步较早，积累经验比较丰富，已有大量产品投入生产实用。而国内主要停留在理论研究与设计实验阶段，投入实际生产的较少。从表1与表2可以看出，不管是国内还是国外，对于牵引器行走机构，一般采用的是轮式驱动，这是由于伸缩驱动无法实现连续送进，不能完成井下数据的连续采集，因此伸缩式牵引器具有一定的局限性。由于牵引器的外形尺寸较小对液压驱动系统的使用造成限制，因此国内井下牵引器较多地是采用了电机驱动及丝杠螺母传动，但这样虽然简化了设计，但带来牵引器结构复杂化、机械效率下降、对系统密封要求提高等不利因素。4.4研究课题的发展趋势井下牵引器作为向非垂直井下送进仪器的主要工具，从目前石油钻井技术的快速发展来看，牵引工具可以沿着以下方向发展：(1)更大的牵引力与井下环境适应性。牵引器将来的发展趋势首先应该是提供更强的牵引力与井下越障能力；其次是井下越障能力及牵引速度，井下牵引器将更多地运用于复杂地质条件下的井下工作。(2)更加智能化与信息化。智能化是井下牵引器的一个重要的发展方向，单纯的拖拽功能已不能满足对井下操作日益提高的要求。牵引器具有在指定井段进行指定作业的能力，可以实时地对作业进度、作业环境等数据进行监控并实时与地而进行数据通信，自主完成作业要求。(3)集成化与模块化由于井下牵引器的使用环境越来越多样化、复杂化，单一的整体式牵引器已经不能满足对各种环境的需求，而集成化与模块化设计能很好地解决这个问题。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1主要研究内容（1）明确水平井工具运输、钻桥塞、钻井等延伸工艺的要求，广泛调研国内外井下延伸工具的研究现状，并对国内外研究的牵引器进行分析，结合毕业设计牵引器的设计的要求，完成设计提出牵引器行走机构的详细方案；（2）就新型牵引器行走机构的结构针对设计要求，完成工具的能力参数，操作参数的计算；完成动力传递设计；完成各主要结构参数计算；（3）应用机械设计方案完成传动件的载荷分析、受力分析和强度计算；（4）作业过程动画演示，完成工具三维设计与牵引演示；（5）完成牵引器原理样机的全部图纸设计、制造；设计地面调试装置，完成地面模拟实验平台。5.2重点研究的关键问题设计提出牵引器行走机构的详细方案，就牵引器的结构针对设计要求，对延伸工具的能力参数，操作参数和结构参数进行确定，完成原理样机的全部图纸设计、制造；完成地面调试装置的设计，建立原理样机实验平台。5.3解决思路利用由齿轮与楔形齿条配合的齿轮副和单向传动结构