【摘 要】按照功能对常见的测井仪推靠器进行了分类,分析了每一类推靠器的结构和特点.以典型的推靠器为例,对影响推靠力和贴壁效果的因素进行了重点分析,对推靠器的设计具有指导意义.
【期刊名称】《石油矿场机械》喇叭网罩
【年(卷),期】2010(039)005
【总页数】5页(P84-88)
【关键词】测井;推靠器;结构
【作 者】鲍忠利;于会媛;侯洪为
【作者单位】中海油田服务股份有限公司,机电设备研究所,河北,燕郊,065201;中海油田服务
股份有限公司,机电设备研究所,河北,燕郊,065201;中海油田服务股份有限公司,机电设备研究所,河北,燕郊,065201
【正文语种】中 文
【中图分类】TE927.4酷基
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目前,推靠器在越来越多测井仪器中得到应用,并且直接影响测井效果。对于推靠器的设计要考虑诸多方面的因素,例如,可靠性、耐磨性、耐高温、耐腐蚀,有时还要考虑密封、连线等。其中推靠器的结构是最先要考虑的。在实际应用中,推靠器形式各异。本文对常见的推靠器结构进行了分析,希望能在推靠器的设计中提供一些参考[1-2]。
通常,推靠器按传动方式分类,可分为机械式和液压式 2种,2种传动方式各有优缺点[2]。本文主要针对推靠器的结构进行讨论,而结构是由推靠器的功能决定的,所以本文以功能对推靠器进行分类。
推靠器按功能主要分为 3类:
a) 扶正器 使测井仪器在井下位于中心位置。典型的仪器是各类的扶正器[3]。
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b) 偏移推靠器 推靠器张开时,顶在一侧井壁上,将仪器的主体偏移井体的中心,甚至将仪器主体推靠在对侧的井壁上。典型的测井仪器是井壁取芯测井仪[6]。
c) 贴壁测量推靠器 测井仪的传感器在推靠器上,推靠器张开使传感器贴紧井壁来测量地层参数。此类仪器较多,如微电阻率扫描成像、地层倾角和扇形水泥胶结质量测井仪等[3-5]。
2.1 扶正器
扶正器的推靠器结构多为联动方式,这样结构简单,同时利于保证井下仪器居中。推靠力和推靠半径可调节则可提高扶正器的适用范围,另外扶正器还要考虑到耐磨因素。
2.1.1 弹簧滑板式扶正器
a) 结构 图 1所示为常用的弹簧滑板式的井下扶正器结构原理。扶正器具有 4个弓形弹簧臂,圆周 90°均布,每个弹簧臂中部有一个耐磨垫。4个弹簧臂的两端均与滑块铰接固定,滑块移动时,4个臂同时压缩伸长,形成了四臂联动。左右滑块各连接一个拉簧,拉簧的另一端与主体固定。
b) 功能 采用了四臂联动的方式保证测井仪在井内居中,拉簧可增加弹簧臂的推靠力。预置限位点可在主体上调节位置,以改变扶正器的适应井径。
c) 静力学分析 推靠器在工作时处于匀速运动状态,故可以采用静力学分析推靠力。以弹簧臂的受力分析(如图 2)来研究推靠力的影响因素。
式中,F为弹簧臂受到井壁的压力,即弹簧臂的推靠力;N为弹簧臂由于自身变形产生的推力;T为拉簧对弹簧臂的拉力,这里假设两端的拉力相等; L1、L2分别为弹簧臂 x、y方向变形的位移;k1、k2分别为弹簧臂和拉簧的弹性系数;λ为弹簧臂 x、y方向变形关联系数。
由式(1)可以看出扶正器推靠力的大小由弹簧臂的变形量、弹性系数、变形关联系数和拉簧的弹性系数决定。对于一定大小的井壁,弹簧臂的变形量是不变的,而其他参数仅与零件的自身特性相关。如果需要改变扶正器的推靠力,只有通过更换弹簧臂或拉簧实现。
d) 特点 结构简单,功能可靠,推靠半径可调,耐磨性好,易维护。推靠力不可调。
2.1.2 强力扶正器
a) 结构 强力扶正器具有 3个推靠臂,圆周120°均布,每个推靠臂由连杆 1、连杆 2和滚轮组成,推靠臂一端铰接固定在主体上,另一端铰接固定在滑块上,如图 3。滑块与弹簧相接触,弹簧的另一侧是预置限位点。
b) 功能 三臂联动。通过改变预置限位点的在主体上的位置来调节推靠半径。弹簧可预先调节压缩量来改变推靠力。滚轮可降低摩擦,滚轮式的扶正器主要用于套管井。
c) 静力学分析(如图 4)
式中,F为推靠力;N为弹簧推力;L为弹簧压缩量; k为弹簧弹性系数;β为连杆 1与主体机身的夹角。
由式(2)可看出推靠力大小由β角、弹簧压缩量和弹簧弹性系数决定。
d) 特点 推靠半径可调,推靠力可调节,与井壁的摩擦力小。
2.2 偏移推靠器
对于偏移推靠器,要求其以一定的推靠力将仪器顶在井壁上,功能上简单的要求决定其结构也
不必复杂。设计要注意保证推靠臂有足够的强度。
a) 结构 推靠器由推靠臂和连杆 2部分组成,如图 5。推靠臂一端与机身铰接,中部与连杆铰接。连杆另一侧连接液压或电机装置。
b) 功能 连杆上下,或者左右移动,带动推靠臂圆周摆动。推靠臂接触井壁后,继续张开,便推动测井仪向对侧井壁偏移,直至贴在对侧井壁上。推靠臂的长度可适当加长,这样可以适应更大的井径。由于没有弹簧,推靠力的大小直接由电机或液压泵控制。
c) 静力学分析(如图 6)
图6a中
图6b中
式中,F为推靠力;N为连杆推力;L1、L2为推靠臂结构尺寸;α、β为推靠臂与主体机身的夹角。
d) 特点 推靠器结构简单,没有弹簧和极板等零件,推靠力直接通过液压设备调节。 2.3 贴井壁测量推靠器
贴壁测量对推靠器的要求更高,推靠器的设计通常决定了仪器的测量效果。对于扶正推靠器和偏移推靠器,前文强调了对推靠力的分析,因为推靠力是 2种推靠器实现功能的关键因素。对于贴壁测量的推靠器,由于其具备电机和弹簧等可调节推靠力的部件,所以推靠力始终可调。推靠力因素相对不重要。极板贴壁的情况对于贴壁测量有着重要的影响,下文重点分析极板的运动状态,从而判断极板的贴壁情况。
贴壁测量一般要求推靠器尽量把极板贴紧井壁,如果有多个极板,则极板与井壁的贴紧度尽量保持一致。常见的贴壁测量推靠器有摆式和伞式 2种结构,摆式结构在一个径向位置上有 1个或 2个推靠器,推靠器张开闭合如同钟摆,故称摆式结构;常见的仪器有微球聚焦测井仪、薄层电阻率测井仪等。伞式结构在一个径向位置上有多个推靠器,如 4个、6个、有时可达到 8个,推靠器张开时如同雨伞打开一样,故称伞式结构;还有其他结构形式,例如扇区水泥胶结测井仪 (SBT),其推靠器结构与前两者均不同。
2.3.1 摆式
摆式结构的推靠器是贴壁测量仪器常见的结构,下面以薄层电阻率测井仪为例介绍摆式结构的推靠器的特点。
a) 结构 如图7是薄层电阻率测井仪的2个推靠器结构示意图,2个推靠器的结构完全相同,只是杆件形状和相对位置有所变化。推靠器的主要部件有:
①推靠臂 1,一端与机身铰接,另一端与极板铰接。整体成圆周摆动。
②极板,其上安装了测量装置,极板具有滑块限位结构。
③推靠臂 2,一端与极板上的滑块限位结构铰接,另一端与机身铰接,推靠臂 2中部与连杆铰接。推靠臂 2整体也是圆周摆动。
④连杆,两端分别与推靠臂 2和滑块铰接。
⑤滑块,一侧与连杆铰接,另一侧接触弹簧。运动方式是直线平移。
⑥弹簧,两侧分别是滑块和传动杆,平面副连接。可压缩和直线平移。
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⑦传动杆,一侧与弹簧平面副连接,另一侧则与丝杠等传动部件连接。
b) 功能 如图 7所示,张开推靠器时,传动杆向左移动,带动弹簧和滑块一同向左,再由连杆推动推靠臂 2进行圆周摆动,最后带动推靠臂张开。
c) 极板运动状态分析 通常为了保障极板始终保持水平的姿态,推靠臂 1、极板和推靠臂 2要形成一个铰接的平行四连杆机构。但是本例没有采用平行四连杆机构,而是由推靠臂 1、极板、推靠臂 2和机身形成了一近似的双摇杆机构,由于滑块上滑块限位结构使得机构具有 2个自由度。
为了便于分析,这里忽略了摩擦力对运动的影响。如图 8所示,两个虚线位置将推靠臂张开过程分为 3个阶段:
第 1阶段,在力矩M的作用下,推靠臂 2圆周摆动,滑块在限位结构中移动,同时推动极板以点A做圆周摆动,推靠臂 1静止。
第 2阶段,当极板摆动到与推靠臂 1的夹角达到结构最大限位角θ时,如图虚线位置 1,极板和推靠臂 1保持夹角θ可看作一个连杆,此时推靠臂的运动规律同导杆机构。
第 3阶段,当滑块继续在限位结构中移动到极限点时,如图虚线位置 2,极板和推靠臂 1不再保
持夹角θ,滑块限位结构等同与铰链连接,此时推靠臂的运动规律则等同于双摇杆机构。
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