張俊國

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

鉆桿輸送測井可以在下入鉆桿過程中進(jìn)行測井[1],鉆桿輸送測井與泵出式測井相比[2],縮短了測井時間,提高了生產(chǎn)效率。在鉆桿輸送的過程中,由于儀器接在鉆桿最下方,測井過程中測井儀器容易被損傷,因而需要設(shè)計安全保護(hù)裝置,如緩沖裝置(防止儀器產(chǎn)生過大的軸向加速度)、保護(hù)套裝置(防止儀器外殼發(fā)生過快磨損)和扶正器裝置(防止儀器不居中)等以便對儀器進(jìn)行保護(hù)[3]。當(dāng)遇到井眼縮徑時還可能出現(xiàn)儀器遇阻的情況,而以上的緩沖短節(jié)只有緩沖功能,無法使儀器適應(yīng)復(fù)雜井況?，F(xiàn)在的扶正類儀器(包括剛性扶正器、板簧扶正器[4]、推靠扶正器[5]、可調(diào)節(jié)扶正器[6]和整體彈性扶正器等)只具有將儀器扶正的功能[7],扶正力只與扶正機構(gòu)的形變有關(guān),而與儀器受阻后的阻力無關(guān),可能在井下遇阻時使儀器被損壞。

本文結(jié)合以上緩沖類儀器及扶正類儀器的特點,以及鉆桿輸送施工工藝的特點,研制了新型緩沖短節(jié)。該新型緩沖短節(jié)具有以前緩沖短節(jié)的緩沖功能,另外,新設(shè)計的支撐臂可將儀器遇阻后的直推力轉(zhuǎn)化為支撐臂的扶正力,并將儀器撐向油氣井中心以使儀器頂端脫離受阻點,而且直推力越大時其扶正力也越大。

1 新型緩沖短節(jié)的結(jié)構(gòu)

新型緩沖短節(jié)主要由上蓋帽、上接頭、扶正臂座、從動臂、主動臂、保護(hù)套、大彈簧、導(dǎo)向膠錐、彈簧座、導(dǎo)向管、收臂彈簧、推桿、傳動銷和導(dǎo)向桿等零部件組成,如圖1所示。

1-上蓋帽;2-上接頭;3-扶正臂座;4-從動臂;5-主動臂;6-推盤座;7-耐磨套;8-大彈簧;9-導(dǎo)向膠錐;10-彈簧座;11-導(dǎo)向筒;12-收臂彈簧;13-推桿;14-傳動銷;15-導(dǎo)向桿。

1.1 新型緩沖短節(jié)工作原理

當(dāng)新型緩沖短節(jié)處于正常測井狀態(tài)時,扶正臂(主動臂與從動臂合稱)靠收臂彈簧的預(yù)壓縮力收攏,大彈簧處于預(yù)壓縮狀態(tài),伸縮行程為0 mm。當(dāng)新型緩沖短節(jié)遇阻時,導(dǎo)向膠錐推動導(dǎo)向桿,大彈簧開始壓縮。當(dāng)遇阻較嚴(yán)重時,大彈簧持續(xù)壓縮,將使導(dǎo)向桿左端面接觸到推桿端面,此時導(dǎo)向桿推動推桿并使扶正臂張開,扶正臂張開的過程中可將測井儀器抬起,使導(dǎo)向膠錐順利通過遇阻段,隨后大彈簧與導(dǎo)向桿回位,扶正臂在收臂彈簧與新型緩沖短節(jié)自重作用下回位。緩沖短節(jié)的最大伸縮行程250 mm,扶正臂最大張開角度(扶正臂兩個鉸接點連線與儀器軸向角度)為20°,其最大扶正外徑為Φ192 mm。

1.2 新型緩沖短節(jié)扶正臂結(jié)構(gòu)

新型緩沖短節(jié)的扶正臂安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可見,主動臂和從動臂一端通過銷子連接在一起,形成鉸接點,另一端通過銷子連接分別固定在推盤座和扶正臂座上,扶正臂座和推盤座安裝在導(dǎo)向筒上,扶正臂下方的導(dǎo)向筒在主動臂和從動臂的鉸接點處加工了凸起結(jié)構(gòu),以防止扶正臂卡在死點位置[8]。扶正臂自然狀態(tài)下張開角度為2°,如圖3所示。

圖2 扶正臂的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 扶正臂原始狀態(tài)示意圖

主動臂頭和從動臂頭均采用不銹鋼材料30Cr13進(jìn)行加工,熱處理硬度為HRC45～HRC50,該硬度的材料具有較好的耐磨性。為了最大限度地減少磨損,在扶正臂右端設(shè)計了耐磨套(參見圖1),耐磨套外徑為Φ105 mm,耐磨套的最高點高于扶正臂最高點且能通過Φ120 mm的井段。

1.3 新型緩沖短節(jié)推桿推盤結(jié)構(gòu)

新型緩沖短節(jié)的推桿推盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4可見,推桿在導(dǎo)向桿的作用下向左產(chǎn)生位移,帶動推桿銷向左移動,從而使推盤座向左產(chǎn)生位移,推動主動臂帶動從動臂張開,推桿行程為18 mm時達(dá)到最大扶正外徑Φ192 mm,此時推桿銷移動至限位孔的最左端并被限位。當(dāng)儀器下端解除遇阻時,導(dǎo)向桿在大彈簧的作用下迅速回位,作用在推桿上的載荷降低至零,此時推桿在收臂彈簧和儀器自重的作用下回位并將扶正臂收攏。推桿銷穿插在推盤座和推桿的固定孔中,上端用擋圈固定。

圖4 推桿推盤結(jié)構(gòu)示意圖

2 彈簧與扶正臂受力計算與分析

2.1 大彈簧壓縮力的計算

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,緩沖短節(jié)的最大伸縮行程為不小于200 mm,并且當(dāng)壓縮行程為200 mm時,其壓縮力不小于5 000 N。大彈簧的各項技術(shù)指標(biāo)參數(shù)為:當(dāng)線徑d=13 mm、中徑D2=76 mm、剛度k=29 N/mm、有效圈數(shù)n=22和自由高度H0=650 mm時,其材料為60Si2CrVA。在本新型緩沖短節(jié)中其預(yù)壓縮量為25 mm。

由以上分析可知,伸縮行程為200 mm時,大彈簧壓縮力F=k△x=29×(200+25)=6 525 N,其中△x為大彈簧總變形量。因而,大彈簧的壓縮力符合新型緩沖短節(jié)的設(shè)計指標(biāo)要求。

2.2 收臂彈簧的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計計算

彈簧材料選用不銹鋼材料1Cr18Ni9,該材料的許用剪應(yīng)力τp為533 MPa[9]。根據(jù)新型緩沖短節(jié)的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)尺寸,選取彈簧中徑D=34 mm、線徑d=6 mm和彈簧工作時的壓縮量h=18 mm。

新型緩沖短節(jié)收臂時需要收臂彈簧將其右端面的零件向右推到極限位置,克服右端面后邊的零件所產(chǎn)生的摩擦力。其右邊的零件總重量約為130 N,取摩擦系數(shù)為0.15,于是需要克服的摩擦力約為130 N×0.15=19.5 N。為防止儀器在運行中發(fā)生顫動,取其預(yù)壓力F1=200 N。收臂彈簧各參數(shù)的計算結(jié)果見表1[10]:

表1 收臂彈簧各參數(shù)的計算結(jié)果

從表1的計算結(jié)果可知,最大工作壓力小于極限工作載荷,收臂彈簧符合在新型緩沖短節(jié)有限的內(nèi)部空間內(nèi)提供足夠的推力使扶正臂回位的要求,同時也符合在最大工作壓力作用下不發(fā)生屈服的要求。

2.3 扶正所需推力計算

新型緩沖短節(jié)在扶正過程中的力學(xué)模型可以等效為一個帶曲柄滑塊的二力桿結(jié)構(gòu),其力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 扶正過程中的力學(xué)模型

在圖5中,F為推盤所受的推力,N;P為扶正力,N;α為扶正臂張開角度。

由匯交力系平衡理論可對推盤所受的推力F進(jìn)行如下計算:

(1)

當(dāng)儀器在下井推進(jìn)過程中遇阻嚴(yán)重時,扶正臂需克服儀器的自重將儀器抬起以使儀器順利通過遇阻段,緩沖短節(jié)自重約為25 kg,緩沖短節(jié)上端所連儀器為四臂井徑短節(jié),考慮到井徑臂對儀器有一定的支撐作用,故在此處P選用2 000 N。

由式(1)可知,推力F與扶正力P之間的關(guān)系為y=cotα函數(shù)關(guān)系,其函數(shù)關(guān)系的曲線如圖6所示。從圖6可見,在遇阻啟動瞬間所需的推力F最大,而后隨著扶正臂逐漸張開,α隨之增大,因而所需推力逐漸減小。

圖6 y=cotα函數(shù)圖

測井儀器串的最大抗壓強度為80 kN,儀器遇阻時扶正臂啟動所需最大阻力F阻小于最大抗壓強度,符合設(shè)計指標(biāo)要求。

3 新型緩沖短節(jié)的應(yīng)用情況

現(xiàn)在新型緩沖短節(jié)作為超高溫測井儀器串的標(biāo)準(zhǔn)配件,已由勝利測井公司在山東、新疆和四川等油田進(jìn)行了使用。在這些油田的使用結(jié)果表明,該新型緩沖短節(jié)具有較好的緩沖性能和脫阻性能。

4 結(jié) 論

1)新型緩沖短節(jié)符合大彈簧壓縮行程200 mm時壓縮力不小于5 000 N的緩沖要求,也符合當(dāng)儀器受壓達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)之前自動將儀器推離遇阻區(qū)的功能要求。

2)設(shè)計的新型緩沖短節(jié)具有原有緩沖短節(jié)的緩沖功能,新設(shè)計的扶正功能可使儀器遇阻后將其遇阻的阻力轉(zhuǎn)化為扶正臂鉸接點的扶正力,使扶正臂伸出將儀器推向井筒中心,達(dá)到自動脫阻的目的,提高了儀器測井過程的安全性。