趙建國, 何 同, 彭漢修*, 吳昌軍, 王昆鵬, 方世紀， 涂 赤

(1.西南石油大學能源裝備研究院， 成都 610500； 2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院， 北京 100101; 3.中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院， 德陽 618000)

在水平井中運用牽引器輸送儀器，具有簡單快捷的優(yōu)勢[1]。在測井方面，由于時間緊張，牽引測井儀器質量較輕，主要使用速度較快的輪式牽引器[2]。輪式牽引器是在套管中運動的，而套管在使用過程中，可能在內壁產生井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑等現(xiàn)象，所以支撐輪將可能在凹凸不平的套管內壁上運行，如不能很好的越過這些障礙，輪式牽引器可能卡死，影響正常工作，甚至發(fā)生井下事故，這對現(xiàn)有輪式牽引器的越障性能提出了更高的要求[3-6]。輪式牽引器主要由傳動機構和支撐調節(jié)機構構成，傳動機構帶動支撐輪旋轉，支撐調節(jié)機構調節(jié)支撐輪的徑向位置，使支撐輪接觸或脫離套管，支撐輪在支撐調節(jié)機構的作用下接觸套管，使得輪式牽引器能在套管內向前運動[7]。現(xiàn)有輪式牽引器主要有活塞連桿支撐調節(jié)機構[8]、電機滑塊單推桿支撐調節(jié)機構[9]、凸輪支撐調節(jié)機構[10]、滑桿支撐調節(jié)機構[11]、滑塊滑槽支撐調節(jié)機構[12]，現(xiàn)有支撐結構均采用單彈簧作為越障緩沖零件，單彈簧設計方法面對套管內各種各樣的雜質和障礙物時，不能較好的滿足井下復雜的環(huán)境和中國水平井作業(yè)需求。

基于此，提出一種越障性能較好的雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構，運用運動學軟件對輪式牽引器支撐機構的越障性能進行研究，并對比分析輪式牽引器已有的單推桿支撐調節(jié)機構與新設計的雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構在越障過程中相關性能，以驗證設計的輪式牽引器雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的優(yōu)越性，為輪式牽引器支撐調節(jié)機構的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 輪式牽引器支撐調節(jié)機構結構優(yōu)化 設計

與單推桿支撐調節(jié)機構[圖1(a)]1個推桿、1個調節(jié)彈簧不同的是：設計出的新的支撐調節(jié)機構采用了2個推桿(外推桿、內推桿)、2個彈簧(外調節(jié)彈簧、內調節(jié)彈簧)，其支撐調節(jié)機構原理如[圖1(b)]所示。

圖1 單推桿、雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構Fig.1 Single push rod, double push rod-double spring support adjustment mechanism

該設計保證了一個推桿對應一個支撐臂，一個推桿對應一個調節(jié)彈簧，當支撐輪同時經過套管內壁不同的井壁沉積物、套管縮徑和磨損時，可以通過各自的調節(jié)彈簧，調節(jié)支撐輪與套管內壁之間的接觸，保證了支撐輪在任何不同的井壁沉積物、套管縮頸和磨損時，都能緊貼套管內壁，確保了支撐輪與套管內壁之間始終存在適當?shù)恼龎毫Γ沟幂喪綘恳髂苷５脑跔恳ψ饔孟孪蚯芭佬?，由于使用了雙推桿結構，輪式牽引器能適應套管內不同的井壁沉積物、套管縮頸和損傷等一系列的障礙物，極大的提高了輪式牽引器的越障性能和套管適應性。

2 輪式牽引器支撐調節(jié)機構越障性能 研究

2.1 輪式牽引器支撐調節(jié)機構越障模型

2.1.1 輪式牽引器支撐調節(jié)機構建模與設置

輪式牽引器整體結構復雜，因此為了便于計算和仿真，對輪式牽引器的仿真模型進行適當簡化，保留輪式牽引器支撐機構的核心部件。通過Solidworks軟件對輪式牽引器進行建模，導出得到parasolid文件，之后導入到ADAMS軟件中。為了便于對比說明設計的雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構越障性能的優(yōu)越性，將輪式牽引器已有的單推桿支撐調節(jié)機構其他零部件與設計的雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構保持一致，對比圖1(a)、圖1(b)可知，單推桿支撐調節(jié)機構主要由單調節(jié)彈簧、單推桿、驅動臂和支撐臂組成，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構主要有雙彈簧、雙推桿、驅動臂和支撐臂組成，由此得到輪式牽引器支撐機構單推桿支撐調節(jié)機構仿真模型如圖2(a)所示、雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構仿真模型如圖2(b)所示。

圖2 單推桿、雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構ADAMS 仿真模型Fig.2 ADAMS simulation model of single push rod, double push rod double spring support adjusting mechanism

輪式牽引器仿真模型如圖3所示。為了便于研究越障性能，選用4個支撐調節(jié)機構組成，假設前后兩個機構為扶正機構，只研究中間兩個的越障性能，按照中外牽引器的連接方式，分別呈90°規(guī)則分布，支撐輪從左到右依次命名為支撐輪1、2，支撐輪3、4，支撐輪5、6，支撐輪7、8。為了仿真的準確性，模型尺寸無縮放，尺寸和設計的輪式牽引器保持一致，仿真模型內固連體通過布爾運算進行合并，其余零件為單獨構件。對輪式牽引器仿真模型的41個構件進行重命名和材料屬性定義，由于輪式牽引器全為剛性機構，因此全部定義為steel鋼材屬性。

輪式牽引器支撐機構的仿真模型總共有41個運動副，其中1個固定副，8個滑動副，32個轉動副。①固定副：套管與地面之間；②滑動副：內推桿、外推桿與固連體外殼之間每個單節(jié)2個，4個單節(jié)共8個；③轉動副：支撐臂與固連體外殼之間8個，支撐臂與支撐輪之間8個，支撐輪與支撐桿之間8個，內推桿、外推桿與支撐桿之間均為2個，4個單節(jié)共8個。

忽略牽引器自身的重力，定義支撐輪與套管之間的接觸為“碰撞約束”，接觸類型為“實體對實體”，支撐輪與套管之間的接觸對與阻尼系數(shù)如表1所示[13-14]。

表1 支撐輪與套管之間相關系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of interaction between supporting wheel and casing

設定調節(jié)彈簧剛度系數(shù)為12.5 N/mm，設定彈簧的預載荷為1 000 N，設定支撐輪的角速度為100(°)/s。

2.1.2 套管建模與設置

套管的障礙一般分為井壁沉積物、套管磨損和縮徑，以套管內徑150 mm為研究對象，為了便于仿真研究，采用臺階高度分別為3、6、9、12 mm，長度50 mm矩形凸臺模擬套管內的不同井壁沉積物、采用深度為3、6、9、12 mm，長度100 mm的凹坑模擬套管磨損、使用高度為9 mm，斜角為10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，長度20 mm的斜角模擬縮徑，如圖4所示。

圖4 模擬套管障礙Fig.4 Simulated casing obstacle

目前學者對支撐輪越障的分析主要是針對井壁沉積物、套管磨損或者套管縮徑等單一障礙進行研究，沒有考慮到同時面對井壁沉積物和套管磨損或者同時面對不同斜度的套管縮徑和套管變形等多種障礙的研究。因此，對支撐輪在套管運行中遇到的單一障礙的情況進行分析研究，并且對支撐輪在套管運行中同時面對井壁沉積物和套管磨損、同時面對不同斜度的套管縮徑和套管變形進行分析研究，如圖5所示。

圖5 支撐輪越障分析Fig.5 Obstacle surmounting analysis of supporting wheels

2.2 單種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構越障性能的影響

采用單推桿支撐調節(jié)機構和雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的輪式牽引器，分別經過了井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑，輪式牽引器的運動狀態(tài)和越障性能差異對比。

2.2.1 單種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構中軸位置的影響

圖6 井壁沉積物障礙單推桿、雙推桿支撐調節(jié)機構 中軸位置偏移Fig.6 Displacement of the central axis of thesingle push rod, double push rod support adjustment mechanism under the wall sediment obstacle

圖7 套管磨損障礙下單推桿、雙推桿支撐調節(jié) 機構中軸位置偏移Fig.7 Shaft position deviation of thesingle push rod, double push rod support adjustment mechanism due to casing wear

圖8 套管縮徑物障礙下單推桿、雙推桿支撐調節(jié) 機構中軸位置偏移Fig.8 Deviation of the central axis position of the single push rod, double push rod support adjustment mechanism under the obstacle of the casing reducing object

從圖6～圖8可以看出，單推桿支撐調節(jié)機構和雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構在井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑障礙下運行，輪式牽引器的中軸位置都發(fā)生了變化，但變化不大，說明這兩種支撐機構都能保持較好的對中性能，在這種情況下，都能保證輪式牽引器在套管內正常運行；支撐輪越障時單推桿支撐調節(jié)機構的中軸偏移量要大于雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的中軸偏移量，說明雙推桿-雙彈簧支撐機構的對中性能要好于單推桿支撐機構；以上分析得到了輪式牽引器兩種支撐機構在跨越井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑時都能保持良好的對中性能，越障效果良好；但總體上，輪式牽引器在跨越單種障礙時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的對中性能要好于單推桿支撐調節(jié)機構。

2.2.2單種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構正壓力的影響

當支撐輪5、支撐輪6在套管內壁上運行時，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧力接近1 000 N，而在跨越井壁沉積物、套管縮徑時(圖9、圖10)，彈簧力逐漸增大，說明輪式牽引器在跨越井壁沉積物、套管縮徑時，彈簧被持續(xù)壓縮，彈簧力持續(xù)增大；在跨越套管磨損時(圖11)，彈簧力逐漸減小，說明輪式牽引器在跨越套管磨損時，彈簧被持續(xù)釋放，彈簧力持續(xù)減小，彈簧的調節(jié)作用使得支撐輪可以持續(xù)的與套管接觸，保證了支撐輪與套管之間的正壓力。

圖9 井壁沉積物障礙下單推桿、雙推桿支撐機構 正壓力變化Fig.9 The change of positive pressure of the single push rod, double push rod supporting mechanism under the barrier of well wall sediment

由圖9～圖11可知，在單推桿的作用下，支撐輪5、支撐輪6的兩個正壓力在1 000 N的作用力下持續(xù)波動，由于一個彈簧調節(jié)兩個支撐輪的正壓力，要保證輪式牽引器的正壓力施加，只能犧牲一部分對中性能。由于設計的為雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構，彈簧各自調節(jié)對應的支撐輪，支撐輪之間互不影響，所以支撐輪的正壓力在2 000 N的作用力下持續(xù)波動，此結構既能保證輪式牽引器的對中性能，還能保證對支撐輪正壓力的施加效果；雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的支撐輪5、支撐輪6的正壓力的波動變化明顯，正壓力對彈簧力和牽引器的變化狀態(tài)比較敏感，說明了正壓力的大小可以隨時根據(jù)牽引器的運動狀態(tài)及時調整，避免了單推桿支撐調節(jié)機構的調節(jié)滯后的現(xiàn)象，有利于牽引器越障性能的提高。

分析可知，輪式牽引器兩種不同支撐調節(jié)機構對支撐輪正壓力的值影響較大，由此可以看出輪式牽引器雙推桿-雙彈簧的支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構更能滿足輪式牽引器的設計要求，輪式牽引器雙推桿-雙彈簧的支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構更有優(yōu)越性。

2.3 多種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構越障性能的影響

輪式牽引器兩種支撐調節(jié)機構在跨越井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構具有優(yōu)勢，因套管障礙物呈現(xiàn)X軸、Y軸對稱變化，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構對輪式牽引器越障性能的影響優(yōu)勢體現(xiàn)還不夠明顯。上述只討論了單獨跨越井壁沉積物、套管磨損或者套管縮徑，因此本節(jié)重點討論在輪式牽引器在同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，輪式牽引器兩種支撐調節(jié)機構對輪式牽引器越障性能的影響。

2.3.1 多種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構中軸位置的影響

由圖12、圖13可知，兩種支撐調節(jié)機構同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，兩種支撐調節(jié)機構中軸位置偏移變化。兩種支撐調節(jié)機構輪式牽引器在跨越障礙時，都引起了輪式牽引器中軸位置偏移，只是偏移量不同。單推桿支撐調節(jié)機構的輪式牽引器在套管內同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，X軸的最大偏心值為10 mm，Y軸的最大偏心值為6 mm，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的輪式牽引器在套管內同時跨越井壁沉積物和套管損傷、套管縮徑和套管變形時，X軸的最大偏心值為5 mm，Y軸的最大偏心值為6 mm。

由圖12、圖13可知，輪式牽引器在跨越相同障礙時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構輪式牽引器的中軸位置偏移比單推桿支撐調節(jié)機構的小。套管內障礙物的最大偏心值為12 mm，對于單推桿支撐調節(jié)機構，牽引器的中軸偏心最大值達到了10 mm，對中性能較差，很容易造成牽引器與套管內壁之間碰撞，導致輪式牽引器越障失?。粚τ陔p推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構，牽引器的偏心值最大僅為6 mm，這是因為雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構每個調節(jié)彈簧對應一個推桿，分別帶動一個支撐輪徑向移動，所以即使同時跨越井壁沉積物和套管磨損時，依然能保持良好的對中性能，可以較好地避免牽引器因中軸偏移過大而造成的事故。

圖10 套管縮徑障礙下單推桿、雙推桿支撐機構 正壓力變化Fig.10 The positive pressure change of the single push rod, double push rod supporting mechanism under the obstacle of casing shrinkage

圖11 套管磨損障礙下單推桿、雙推桿支撐機構 正壓力變化Fig.11 Positive pressure change of the single push rod, double push rod supporting mechanism under casing wear obstacle

分析可知，輪式牽引器同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的輪式牽引器有更好的對中性能。

2.3.2 多種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構正壓力的影響

從圖14、圖15可以看出，單推桿支撐調節(jié)機構的輪式牽引器在套管內運行時，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧力大致為1 000 N，支撐輪5、支撐輪6的正壓力大致為1 000 N，在輪式牽引器運行至40 s時左右，支撐輪5、支撐輪6開始跨越障礙物，由于存在井壁沉積物、套管縮徑，所以彈簧只能壓縮，無法伸長彈簧長度去適應套管磨損、套管變形，彈簧力開始出現(xiàn)波動，支撐輪正壓力也開始出現(xiàn)波動，以適應彈簧力的變化。由于一邊支撐輪的障礙物為套管磨損、套管縮徑，為了保持支撐輪與套管接觸，所以輪式牽引器只能通過中軸偏心來達到支撐輪5、支撐輪6同時接觸套管，由此導致牽引器對中能力較差；彈簧5、彈簧6的彈簧力大致為1 000 N，支撐輪正壓力為2 000 N，在40 s時一個壓縮，一個伸長，使得彈簧力一個變大，一個變小，由于彈簧各自調節(jié)一個支撐輪，使得支撐輪可以按照各自的障礙情況進行調節(jié)，所以雙推桿-雙彈簧支撐機構能保持較好的對中性能；對比正壓力波動可以發(fā)現(xiàn)，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的正壓力對牽引器的運行狀態(tài)更加敏感，反饋效果更好，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構相比于單推桿支撐調節(jié)機構能更快的調整彈簧的壓縮或伸長狀態(tài)，更能適應套管內復雜的環(huán)境。

圖12 同時跨越井壁沉積物和套管磨損單推桿、雙推桿 支撐調節(jié)機構中軸位置偏移Fig.12 Displacement of the central axis of the single push rod, double push rod support adjustment mechanism across the well wall sediment and casing wear

圖13 同時跨越套管縮徑和變形單推桿、雙推桿支撐 機構中軸位置偏移Fig.13 The position of the central axis of the supporting mechanism of the single push rod, double push rod is shifted

圖14 同時跨越井壁沉積物和套管磨損單推桿、雙推桿 支撐機構支撐輪正壓力變化Fig.14 The positive pressure change of supporting wheel of the single push rod, double push rod supporting mechanism crossing the well wall sediment and casing wear

圖15 同時跨越套管縮徑和變形單推桿、雙推桿 支撐機構支撐輪正壓力變化Fig.15 The positive pressure change of supporting wheel of the single push rod, double push rod supporting mechanism

分析可知，輪式牽引器在同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構更優(yōu)越。

2.3.3 多種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構彈簧力的影響

圖16 同時跨越井壁沉積物和套管磨損雙推桿支撐 調節(jié)機構彈簧力變化Fig.16 The change of spring force of the single push rod, double push rod supporting mechanism across the well wall sediment and casing wear

圖17 同時跨越套管縮徑和變形雙推桿支撐調節(jié) 機構彈簧力變化Fig.17 The spring force changes of the single push rod, double push rod supporting mechanism

從圖16、圖17可以看出，單推桿支撐調節(jié)機構的輪式牽引器內的彈簧力分別變化了4次且每次有4個等高波峰、變化了4次且每次有7個逐漸增高的波峰，剛好對應4對支撐輪越過4個等高的井壁沉積物和7個逐漸增加的套管縮徑，對于套管磨損和套管縮徑所造成的障礙，調節(jié)彈簧無法調節(jié)，由于扶正器作用，若牽引器強行保持對中，會導致跨越套管磨損的支撐輪保持懸空狀態(tài)，無法再提供牽引力；雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的彈簧力變化剛好對應4個支撐輪越過的障礙變化，說明支撐輪在多種障礙下還能保持與井壁的接觸，還能提供牽引器所需的牽引力；對比可以發(fā)現(xiàn)，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構的彈簧力波動更大，波動更為復雜，是因為牽引器在越障時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構反應更靈敏、反饋更快，在牽引器跨越復雜障礙時，能更快的反饋牽引器的運動狀態(tài)，及時的調節(jié)彈簧的作用，使得支撐輪與套管之間的正壓力能及時根據(jù)牽引器的運動狀態(tài)進行調整。

分析可知，單推桿支撐調節(jié)機構只能適應4個等高的井壁沉積物和7個逐漸增加的套管縮徑，無法適應4個逐漸加深的套管磨損和7個逐漸減小的套管變形，雙推桿支撐調節(jié)機構既能適應4個等高的井壁沉積物和7個逐漸增加的套管縮徑，又能適應4個逐漸加深的套管磨損和7個逐漸減小的套管變形，由此，得到了輪式牽引器在同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構更優(yōu)越。

2.3.4 多種障礙對輪式牽引器支撐調節(jié)機構支撐輪角速度的影響

從圖18、圖19可以看出，兩種不同支撐機構的輪式牽引器在套管內運行時支撐輪經歷了波動變化，為了使得輪式牽引器在跨越障礙時，不會造成卡死現(xiàn)象，越障支撐輪需要變化角速度，使得支撐輪之間形成差速。輪式牽引器兩種支撐機構的支撐輪在未跨越障礙時，角速度保持在100(°)/s，同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，角速度都發(fā)生了變化，單推桿支撐調節(jié)機構的角速度在跨越障礙物時變化較大，是由于跨越障礙時單推桿支撐調節(jié)機構支撐輪所受的扭矩變大，使得角速度波動變大，驅動電機的壽命會減少，由此得到了得到了輪式牽引器在同時跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構更優(yōu)越。

圖19 同時跨越套管縮徑和變形單推桿、雙推桿 支撐機構角速度變化Fig.19 The change of angular velocity of the single push rod, double push rod supporting mechanism

3 結論

為了提高井下牽引器在裸眼井等復雜工況條件下的適應性，首次提出了雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構設計方法。得到如下結論。

(1)利用運動學仿真軟件分別建立了常規(guī)單彈簧支撐調節(jié)機構和雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構運動學仿真模型；研究了兩種支撐調節(jié)機構在套管內不同障礙物下的越障性能，得到了單推桿支撐調節(jié)機構和雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構在跨越井壁沉積物、套管損傷和套管縮徑時，對支撐輪輪心位置和角速度變化影響一致，對輪式牽引器的中軸位置、輪式牽引器支撐輪的正壓力變化影響相差較大，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構有更好的對中性能、能提供更大的正壓力。

(2)在同時跨越井壁沉積物和套管磨損、同時跨越套管縮徑和變形時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構輪式牽引器比單推桿支撐調節(jié)機構輪式牽引器更能適應套管的直徑變化、能更快地反饋牽引器的運動狀態(tài)。研究結果表明，在輪式牽引器跨越套管障礙物時，雙推桿-雙彈簧支撐調節(jié)機構比單推桿支撐調節(jié)機構的越障性能更好。