張 勇，高德利，陳亮帆，劉 奎

水平井電纜牽引器驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)優(yōu)化

張 勇，高德利，陳亮帆，劉 奎

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

為了提高牽引器的牽引能力和井下適應(yīng)性，建立牽引器驅(qū)動(dòng)裝置的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算模型，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的接觸力系數(shù)以及驅(qū)動(dòng)臂與支撐臂的長(zhǎng)度、張開(kāi)角等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化計(jì)算，分析牽引器的越障能力。分析結(jié)果表明：接觸力系數(shù)越低，則牽引力越大，且隨驅(qū)動(dòng)臂和支撐臂的張開(kāi)角的增大而減小，隨該角度的增大而變化趨勢(shì)減緩?；?177．8 mm（7英寸）套管的實(shí)例，驗(yàn)證和計(jì)算了牽引器驅(qū)動(dòng)裝置各參數(shù)之間的變化關(guān)系和優(yōu)選范圍值。

水平井；牽引器；驅(qū)動(dòng)裝置；參數(shù)優(yōu)化

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中水平井、大位移井等鉆井技術(shù)的迅猛發(fā)展，井眼條件越來(lái)越復(fù)雜，修井、測(cè)井等井下儀器的下入也變得越來(lái)越困難［1-2］。牽引器作為井下儀器的送入工具也越來(lái)越受到重視，并逐步發(fā)展起來(lái)。

水平井電纜牽引器又稱(chēng)井下爬行器［3］，由井下驅(qū)動(dòng)裝置和地面控制系統(tǒng)組成，其中驅(qū)動(dòng)裝置是牽引器最核心、最關(guān)鍵的部分。國(guó)外早在1996年開(kāi)發(fā)了W elletc輪式水平井牽引器，并成功投入使用［3-4］；國(guó)內(nèi)的井下?tīng)恳鬟€處于理論研究和設(shè)計(jì)試驗(yàn)階段［5］。由于牽引器具有結(jié)構(gòu)緊湊、外徑尺寸小等特點(diǎn)，在井下的牽引、越障以及井眼適應(yīng)性有限。為此，本文結(jié)合牽引器驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)及原理，建立其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算模型，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的接觸力系數(shù)以及驅(qū)動(dòng)臂與支撐臂的長(zhǎng)度、張開(kāi)角等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化計(jì)算；并通過(guò)分析各參數(shù)之間的變化關(guān)系以及牽引器的越障能力，結(jié)合計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)優(yōu)化的合理性，以提高牽引器的牽引能力和井下越障適應(yīng)性。

1　建立優(yōu)化計(jì)算模型

圖1　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

取牽引器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一側(cè)單元體作為研究對(duì)象，參數(shù)與受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)連桿滑塊機(jī)構(gòu)，彈簧推力通過(guò)滑塊作用于驅(qū)動(dòng)臂［6］，使驅(qū)動(dòng)輪受到輪與井壁的接觸正應(yīng)力，即牽引力來(lái)自于驅(qū)動(dòng)輪與井壁的靜摩擦力；由接觸應(yīng)力與彈簧推力之間的比率關(guān)系引入接觸力系數(shù)η，當(dāng)接觸力系數(shù)η越小，獲得一定的接觸力所需要的橫向彈簧推力越小。由此可以得到

式中：FN為輪與井壁的接觸正應(yīng)力；Fq為牽引力；Fj為驅(qū)動(dòng)輪與井壁的靜摩擦力；μ為靜摩擦因數(shù)；F為彈簧推力；η為接觸力系數(shù)。

圖2　驅(qū)動(dòng)單元體參數(shù)及受力分析

圖2中：L1為驅(qū)動(dòng)臂長(zhǎng)度；L2為支撐臂長(zhǎng)度；L3為支撐點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)輪中心點(diǎn)距離；α1為驅(qū)動(dòng)臂張開(kāi)角；α2為支撐臂張開(kāi)角；D為套管內(nèi)徑；d為驅(qū)動(dòng)輪直徑。

根據(jù)幾何關(guān)系，驅(qū)動(dòng)臂長(zhǎng)度L1、支撐臂長(zhǎng)度L2應(yīng)滿足

建立模型優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)為：驅(qū)動(dòng)臂長(zhǎng)度L1、支撐臂長(zhǎng)度L2以及張開(kāi)角α1、α2在一定的范圍內(nèi)得到合理的接觸力系數(shù)η值，從而提高牽引器的牽引能力和越障能力。

2　模型求解

基于已建立的模型，分析驅(qū)動(dòng)單元體的受力［7］，如圖3所示。

圖3　驅(qū)動(dòng)臂和支撐臂受力分析

對(duì)于驅(qū)動(dòng)臂的力學(xué)平衡，有

習(xí)近平同志在《弘揚(yáng)“紅船精神”，走在時(shí)代前列》的文章中首次提出并闡述了“紅船精神”的內(nèi)涵：“開(kāi)天辟地、敢為人先的首創(chuàng)精神，堅(jiān)定理想、百折不撓的奮斗精神，立黨為公、忠誠(chéng)為民的奉獻(xiàn)精神?！盵2]“紅船精神”作為中國(guó)革命精神的源頭，它回答了“黨為什么要出發(fā)”的重大理論問(wèn)題，彰顯著共產(chǎn)黨人的初心和使命。

對(duì)于支撐臂的力學(xué)平衡，有

求解得

其中：

式（5）～（6）中：FAx、FAy、FCx、FCy、FDy分別為A、C、D點(diǎn)在x、y方向上的受力分量；其中FCx和彈簧推力F是相等的。

接觸力系數(shù)η越低，說(shuō)明在推力一定時(shí)得到的接觸力越大，牽引力也越大；且接觸力系數(shù)隨驅(qū)動(dòng)臂張開(kāi)角α1和支撐臂張開(kāi)角α2的增大（即：驅(qū)動(dòng)臂長(zhǎng)度和支撐臂長(zhǎng)度的減小）而減小，隨角度的增大而變化越?。划?dāng)α1、L1越大且確定為某一較大理想值時(shí)（即L2越?。?，η值越小。

3　越障分析

水平井井眼情況復(fù)雜，由套管工藝、油垢堆積附著等會(huì)使井壁出現(xiàn)局部凹凸不平。因此，牽引器在井下能否越過(guò)井下的障礙也是牽引器分析和研究的重要部分。由于接觸力系數(shù)η隨驅(qū)動(dòng)臂張開(kāi)角α1和支撐臂張開(kāi)角α2的增大而減小的特點(diǎn)有利于越過(guò)凹坑型障礙，因此進(jìn)行越障分析時(shí)應(yīng)著重于牽引器越過(guò)凸臺(tái)障礙的情況。牽引器在井下越障時(shí)的變化情況如圖4所示。

圖4　越障示意

顯然，牽引器在越障過(guò)程中，張開(kāi)角α1、α2逐漸減小，直至越過(guò)障礙角度變?yōu)棣痢?、α′2；相應(yīng)的接觸力系數(shù)η增大。即越障時(shí)，要使驅(qū)動(dòng)輪獲得一定的接觸正應(yīng)力FN，需要的彈簧推力越大。設(shè)θ為障礙的坡度角（即障礙相對(duì)井眼軸線的傾角），越障礙時(shí)接觸力系數(shù)為η′，越障后接觸力系數(shù)為η″，則驅(qū)動(dòng)輪離開(kāi)正常段驅(qū)上障礙段起始臨界點(diǎn)時(shí)，為最小接觸力系數(shù)η′min；而越障后進(jìn)入障礙段時(shí)可以近似為最大接觸力系數(shù)η′max。

驅(qū)動(dòng)單元體在越過(guò)障礙的受力情況如圖5所示。

圖5　驅(qū)動(dòng)單元體越障受力分析

對(duì)于驅(qū)動(dòng)臂和支撐臂的力學(xué)平衡求解可得在障礙起始臨界點(diǎn)，有

越障后進(jìn)入障礙段的臨界點(diǎn)，有

越障后在障礙段驅(qū)動(dòng)，有

其中：

牽引器越過(guò)障礙物而不發(fā)生倒退等的臨界點(diǎn)是電纜牽引器能夠平穩(wěn)越過(guò)的最大高度極限值，即最大越障高度hmax。分析可得

4　實(shí)例計(jì)算與分析

根據(jù)上述對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置各參數(shù)的分析計(jì)算以及相互影響關(guān)系，以牽引器在?177．8 mm（7英寸）套管內(nèi)爬行的實(shí)例進(jìn)行計(jì)算和分析。為了減少牽引過(guò)程中的阻力，驅(qū)動(dòng)輪半徑盡量大一些，取d＝64 mm，L3約為d／2，計(jì)算時(shí)取L3＝30 mm。優(yōu)化計(jì)算中保持L1、L2關(guān)系滿足式（3）～（4）；通過(guò)式（3）～（4）的參數(shù)關(guān)系，取特殊值計(jì)算出驅(qū)動(dòng)臂長(zhǎng)度L1與張開(kāi)角α1的關(guān)系，以及α1、α2在一定范圍內(nèi)與所對(duì)應(yīng)支撐臂長(zhǎng)度L2的變化關(guān)系。關(guān)系曲線如圖6～7所示。

圖6　驅(qū)動(dòng)臂長(zhǎng)度L1與張開(kāi)角α1的關(guān)系曲線

圖7　支撐臂長(zhǎng)度L2對(duì)應(yīng)α1、α2的變化關(guān)系曲線

同樣對(duì)式（8）采用特殊值法，計(jì)算當(dāng)α1、α2在一定范圍內(nèi)變化所對(duì)應(yīng)的接觸力系數(shù)η值的變化情況，數(shù)據(jù)變化規(guī)律曲線如圖8所示。此外，由越障分析中所述的牽引器在越障時(shí)的張開(kāi)角α1、α2的變化和接觸力系數(shù)η的變化情況，結(jié)合式（14）～（15）計(jì)算越障后張開(kāi)角α′1、α′2以及接觸力系數(shù)η″對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)臂張開(kāi)角α1的變化關(guān)系，如圖9～10所示。通過(guò)計(jì)算驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)并分析參數(shù)間關(guān)系，以合理的接觸力系數(shù)η為優(yōu)選原則，擬選L1、L2、α1、α2的值為50°≤α1（α2）≤55°；60 mm≤L1≤68 mm；84 mm≤L2≤93 mm；η＝0.240～0.366。在優(yōu)選范圍內(nèi)，α1、α2越大，相應(yīng)的L1、L2越小，η值越大。

圖8　接觸力系數(shù)η值對(duì)應(yīng)α1、α2的變化關(guān)系曲線

圖9　張開(kāi)角α′1、α′2對(duì)應(yīng)α1的變化關(guān)系曲線

圖10　接觸力系數(shù)η″對(duì)應(yīng)α1、α2的變化關(guān)系曲線

5　結(jié)論

1） 建立了水平井電纜牽引器驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力模型及參數(shù)優(yōu)化計(jì)算模型，并求解模型得到關(guān)鍵目標(biāo)參數(shù)接觸力系數(shù)的解析函數(shù)。

2） 驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)臂與支撐臂的長(zhǎng)度、張開(kāi)角等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接觸力系數(shù)的大小。在一定范圍內(nèi)，該值越小，在一定的彈簧推力下獲得的接觸應(yīng)力或牽引力越大；且隨驅(qū)動(dòng)臂和支撐臂張開(kāi)角的增大而減小，隨角度的增大而變化越小。

3） 通過(guò)對(duì)參數(shù)及越障的分析，結(jié)合計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，能在滿足牽引器結(jié)構(gòu)特性的前提下，提高牽引器的牽引能力和井下越障適應(yīng)性。

［1］ 劉猛，高進(jìn)偉，熊萬(wàn)軍，等．水平井井下儀器送進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展建議［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（6）：16-18．

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［3］ 高勝，孫文，倪晗，等．石油井下?tīng)恳髟O(shè)計(jì)現(xiàn)狀及幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31（2）：1-8．

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［5］ 唐德威，王新杰，鄧宗全，等．水平油井檢測(cè)儀器拖動(dòng)器［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（9）：1395-1397．

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Parameter Optimization of Drive Device of Cable Tractor in Horizontal W ells

ZHANG Y ong，GAO Deli，CHEN Liangfan，LIU Kui
（Key Laboratory for Petroleu m Engineering of the Ministry of E ducation，China Uniuersity of Petroleu m（Beijing），Beijing102249，China）

In order to im prove the traction ability，dow n-hole adaptability of tractor，a para meters optimization calculation m odelfor the drive device of tractor was established．Relevant para meters of drive device including contact force coefficient，open-angle and length of drive arm，open-angle and length of support arm and obstacle-surm ounting ability of tractor were analyzed and optimal calculated in this paper．T he analysis resultindicates the contact force coefficient smaller the greater traction is．M oreover，the contact force coefficient decreases with the increase of open-angle of drive arm and support arm，changes smaller along with the increase of angle．In addition，the para meters’changing relationship of drive device and the optimal range of values were verified and calculated．

horizontal well；tractor；drive device；para meter optimization

T E927

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．008

1001-3482（2015）01-0030-04

2014-07-09

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)”（2011Z X05009-005）；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（51221003）

張 勇（1990-），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，主要從事油氣井力學(xué)與控制工程研究，E-mail：zy＿1363＠163．co m。