张建伟，吴 伟，张 晋，王金超，白保鑫
（1.西安石油大学机械工程学院，西安 710065；
2.西安伊泰尔科技开发有限责任公司，西安 710065）
随着我国油气勘探不断向深层探索，勘探难度显著提升，所面临的是更小的井眼以及更加恶劣的未知环境，从而对测井仪器的结构和可靠性提出了更高的要求[1-2]。推靠装置作为井中微地震测井过程中的关键装置之一，其能在井下运动打开推靠臂与井壁耦合并产生一定推靠力使检波器在井中停靠，从而实现井中贴壁探测，一个运动可靠，耦合稳定的推靠装置能有效保证测井工作的顺利进行[3]。
目前对于小井眼测井的井中微地震测井仪推靠装置研究较少。石丽云等[4]为降低测井成本，提高测井效率，设计了一种适应井径150～550 mm的多臂机械推靠器，其中每个推靠臂互不干涉，独立运动，一次下井能同时测量井径、地层电阻率与岩石孔隙度3 个参数，提高了测井效率。赵斌等[5]通过研究不同长度推靠臂下推靠力随转角的变化，建立了钻井中途油气层测试器推靠装置数学模型，根据测量井径的不同选择合适长度的推靠臂，改善了仪器测井过程中推靠性能利用不充分的问题。邢家乐等[6]设计了一种新型VSP 仪器推靠装置，在原纯机械式推靠机构的基础上新增了液压推靠系统，推靠力大，并相比于纯液压式大大降低了成本，但结构复杂、拆装繁琐。王会来等[7]设计了一种适合测量250～400 mm 井径范围的三臂测井仪推靠装置，该推靠装置采用电机推靠，丝杠传递力矩，构件简单，运动稳定。任涛等[8]应用矩阵解析法建立了微球聚焦测井仪推靠机构数理模型，研究了各杆件在测井过程中的运动状态，揭示了推靠装置的运动特性。
本文针对目前常规微地震测井仪推靠装置不适合小井眼测井问题，研制了一种结构简单、运动可靠、耦合稳定的小井眼微地震测井仪推靠装置。通过理论分析和仿真模拟重点研究了推靠机构的运动特性，并通过样机试验验证了推靠装置的可行性。改善了目前常规推靠装置在微地震测井过程中结构复杂不适合小井眼、推靠耦合不稳定的情况。
1.1 整体结构及工作原理
所设计的推靠装置三维模型如图1 所示，主要由承压外壳、驱动电机、丝杠螺母、推力杆、滑动套、链接杆、推靠臂、储能弹簧、拔叉、限位开关等组成，推靠臂通过连接销与外壳和链接杆铰接，不受内部构件约束，结构简单，拆卸方便，外形为半圆弧形，闭合时能最大程度地与壳体耦合，一方面缩小了仪器体积，另一方面与井壁接触时能与套管更好耦合。承压壳体材料采用TC11，耐高温、抗腐蚀、密度小，可以很好地保护内部器件和减小仪器重量。推靠臂采用机械性能非常完善的高强度材料0Cr17Ni4Cu4Nb 来保证推靠装置的可靠性和使用寿命。
图1 微地震测井仪推靠装置三维模型
该装置采用单臂推靠，以直流减速电机为驱动方式，通过丝杠螺母将电机的旋转运动转化为推杆的轴向平移运动并向推靠机构传递动力释放储能弹簧，弹簧力推动滑动套左移并经由链接杆将力传递给推靠臂，使推靠臂绕固定点转动，直至井壁停止，此时推力杆继续左移，直至拔叉触碰左限位开关使电机停转，完成井中推靠过程。反之，电机反转，推力杆右移，压缩储能弹簧，实现推靠臂收回。整个过程中弹簧力通过对滑动套施加作用力经由链接杆、推靠臂形成推靠力，作用于井壁，实现井中停靠。其中电机主要用来释放和压缩储能弹簧，实现推靠臂的开启和闭合。推力杆密封套和密封螺母主要用来保证推力杆俩端密封和导向，实现推力杆两端压力平衡，保证井下推靠动作。
1.2 主要技术参数
微地震测井仪推靠装置主要技术参数如表1所示。
表1 主要技术参数
2.1 建立推靠机构位置矢量方程
为掌握推靠装置打开过程中各构件运动特性，研究各构件位移、速度、加速度随时间运动规律，对推靠机构进行运动分析[9-10]。根据前述推靠装置运动机理建立如图2 所示的微地震测井仪推靠装置机构简图[11]。取推靠臂固定铰接点O为坐标原点建立直角坐标系，利用闭环矢量法对推靠机构进行运动学分析，将各杆件表示为杆矢，建立机构闭环矢量方程。
图2 推靠装置机构运动简图
为便于研究，将丝杠螺母机构简化为滑块1，取滑动套4 为原动件。连接CD，由闭环多边形OACD可建立如下闭环矢量方程：
式中：l1为推靠臂前端OA长度，mm；
l3为链接杆AC长度，mm；
e为偏距CD长度，mm；
s为滑动套4 距原点O处OD长度，mm；
xc-0为滑动套4初始位置；
vc为滑动套4速度，mm/s；
t为运动时间/s；
n为电机转速；
h为丝杠导程。
2.2 推靠机构位移分析
将矢量方程（1）向x，y轴投影得到如下位移方程组：
式中：θ1为推靠臂前端OA与x轴正方向夹角；
θ3为链接杆AC与x轴负方向夹角。
为便于求解，借助几何关系连接OC可得：
式中：θ2为推靠臂后端AB与x正方向夹角；
γ为推靠臂结构夹角OAB。
根据上述所得方程可求得各点位移方程如下。
推靠臂与井壁耦合点B位移方程：
2.3 推靠机构速度分析
对式（3）求一阶导可得如下速度方程组，用矩阵可表示为：
2.4 推靠机构加速度分析
对式（3）求二阶导可得机构加速度方程组如下：
式中：α1为推靠臂前端OA转动角加速度；
α3为链接杆AC转动角加速度。
进而求得各点加速度方程如下。
推靠臂与井壁耦合点B加速度方程：
微地震测井仪推靠装置构件参数如表2所示。
表2 微地震测井仪推靠装置构件参数
3.1 运动特性理论求解
在理论分析基础上，利用Matlab数值分析对理论模型进行求解，确定推靠机构运动过程中各构件运动规律[12]。
图3～5 为推靠臂和链接杆在推靠装置打开过程中的角位移、角速度和角加速度运动变化曲线，从图3～5 可以看出在推靠装置打开过程中，链接杆角位移θ3不断增大，推靠臂随着链接杆的运动角θ1也不断增大，两者角速度和角加速度运动轨迹平缓。
图3 推靠臂、链接杆角位移曲线
图6 为推靠臂与井壁耦合点B在x方向和y方向随时间运动的位移曲线，从图中可以看出B点运动到最大位置即推靠臂完全打开时间为15 s。
图4 推靠臂、链接杆角速度曲线
图5 推靠臂、链接杆角加速度曲线
图6B点位移曲线
3.2 推靠机构打开过程中推靠力分析
推靠力大小是评判推靠装置耦合性能的重要参数，一个稳定可靠的推靠力对测井工作至关重要[13-14]。为分析推靠机构打开过程中推靠力的稳定性和可靠性，建立推靠力与各构件运动参数的数学关系，研究推靠臂在打开过程中推靠力随井径变化规律。推靠装置机构受力简图如图7所示。
图7 推靠装置机构受力简图
根据杆件受力情况与几何关系可列出井壁反推力P（即推靠力）与弹簧力T绕O点的转矩方程：
弹簧刚度k约为6.2 kg/mm，在安装时弹簧预压26 mm，推靠装置运动行程18 mm，总变形量为44 mm，则产生的储存形变能（即初始弹簧力）为T1=2 728 N，则弹簧力T=T1-kvCt。
根据推靠机构角位移与已知参数，利用Matlab 数值分析可求得推靠装置打开过程中弹簧力和推靠力大小随井径大小变化曲线，如图8所示。
图8 弹簧力和推靠力随井径变化曲线
通过分析可以看出弹簧力随着推靠臂的打开线性减小，在适应井径127～165.1 mm 范围内，推靠力为342～390 N。根据文献[7]，若要推靠装置在井中稳定停靠，产生的推靠力应为仪器自重的3 倍以上。此推靠装置质量为6.5 kg，测井检波器质量为4.5 kg，总质量为11 kg，可以得出推靠力满足使用要求。但最大推靠力在90 mm处为405 N左右，并未得到有效利用。
将建立的推靠装置三维模型导入Adams，调整坐标系与理论模型一致[15]，对各构件添加对应的材料属性与约束关系，并为丝杠螺母添加螺旋副。建立如图9 所示的运动学仿真模型，进行推靠装置运动仿真分析。
图9 推靠装置仿真模型
推靠臂和链接杆角位移、角速度、角加速度曲线如图10～11所示。
图10 推靠臂运动曲线
从图10 可以看出推靠臂打开过程中推靠臂角位移θ1不断增大，15 s 内从50°左右增加到85°左右，角速度随着推靠臂的打开先逐渐减小后逐渐增大，整个过程无明显波动。
从图11 可以看出滑动套匀速向左运动时，由于链接杆夹角θ3平缓增大，其水平方向上的分力逐渐减小，从而角速度逐渐减小。
图11 链接杆运动曲线
打开过程中链接杆和推靠臂角位移线性度好，符合推靠臂位移需要快速变化的实际要求，角速度和角加速度运动曲线平滑，与理论计算基本一致无较大波动，验证了设计结构和理论分析的合理性。
为验证本装置的合理性及可靠性，对推靠装置试验样机进行了推靠力验证试验，用以验证理论计算的合理性和推靠力大小是否满足工作要求，使检波器与井壁良好耦合并完成井中停靠。
5.1 试验方案
推靠装置推靠力试验方案如图12 所示，通过对打开状态下推靠装置施加井壁约束反力间接获取推靠力。加压装置对推靠臂匀速加压，通过轮辐压力传感器、承压座作用于推靠臂，推靠臂向下匀速运动，从而压缩储能弹簧产生反作用力即推靠力。通过压力传感器实时采集压力变化，压力显示控制仪显示具体量值，通过485 串口通讯将数据实时传输到笔记本电脑并记录数据，得到推靠力与井径之间的动态关系。
图12 推靠力试验方案
5.2 试验结果
将电脑记录的推靠臂位移时间和轮辐压力传感器压力变化进行处理，并与理论推靠力进行对比，得到如图13 所示的理论推靠力和试验推靠力对比图。开始时刻试验推靠力迅速上升部分为加压装置接触到推靠臂但还未产生压缩变形时刻。由图可以看出试验推靠力与理论推靠力基本一致，符合使用要求。整个过程准确反映了推靠力随井径的变化趋势，量化了推靠力大小，验证了理论计算的合理性。
图13 理论推靠力和试验推靠力对比
如图14（a）所示，将推靠装置放置在井筒中，通过推靠装置控制仪控制推靠臂打开，通过图14（b）可以看出推靠装置在井筒中能完成推靠任务并实现井中停靠。
图14 推靠装置井筒模拟推靠试验
研制了一种适用于127～165.1 mm 井径的微地震测井仪推靠装置，解释了推靠装置的工作原理并对其进行了运动学理论分析和仿真模拟分析，对比分析验证了设计结构和理论分析的合理性并得到如下结论。
（1）基于运动学分析，推靠装置能在15 s 内快速完成推靠臂完全打开，且整个过程位移、速度、加速度运动轨迹平稳，无明显波动，表明推靠机构运动性能优越，能较好地完成推靠动作，验证了推靠机构的运动稳定性和可靠性，并为后续求得各构件的惯性力、研究各运动副所受支反力和平衡力矩提供参考。
（2）建立推靠力与各构件运动参数之间的数学关系，计算得到在适用井径内最小推靠力为342 N，符合使用要求，并为后续优化推靠力、研究最大推靠力与各杆长和结构角之间的关系提供理论参考。
（3）通过样机试验表明推靠力试验值与理论值平均相差2.1%，验证了理论计算的合理性，说明推靠装置产生了预期的推靠力能与井壁良好耦合，完成井中停靠。
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