高峰;吴庆;詹保平;杨睿凯;王慧武;王琰
【摘 要】针对在水平井和大斜度井的测井、钻井等作业过程中,测井仪等工具无法靠重力下放到工作井段的问题,对大牵引力蠕动式爬行器的液压系统及其技术参数、压力特性进行了研究,提出了一种以工作液为液压传动介质的连续油管蠕动式大牵引力爬行器.根据爬行器工作原理,设计了爬行器的液压系统,根据井下作业的要求,确定了液压系统中各液压控制阀的技术参数,利用AMES-IM仿真软件对该液压系统进行了建模,设置了合理的系统参数,进行了液压系统的性能仿真分析研究,获得了爬行器液压系统中安全阀、前后卡爪切换控制阀、前后推进缸切换控制阀等主要控制阀的压力特性曲线.研究结果表明:所研究设计的液压系统可以有效保证爬行器运动的可靠性,各控制阀的参数可以保证爬行器足够的牵引力,为后续样机的研制提供了理论依据.
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2019(036)003
【总页数】5页(P257-261)
【关键词】蠕动式爬行器;液压系统设计;驱动力;性能分析;石油井
【作 者】高峰;吴庆;詹保平;杨睿凯;王慧武;王琰
【作者单位】西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,陕西 西安710048;西安威盛电子科技股份有限公司,陕西 西安710304;西安威盛电子科技股份有限公司,陕西 西安710304;西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,陕西 西安710048;西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,陕西 西安710048;西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,陕西 西安710048
【正文语种】中 文石油测井仪器
【中图分类】TH137.8
0 引 言
在水平井和大斜度井的钻井、测井过程中，钻具、测井仪等工具下放到一定斜度的井段时,无法靠重力继续下放到工作井段，这时需要一种工具将钻井、测井仪等工具输送到预定位
置。爬行器则是一种操作方便、工作效率高、使用成本相对较低的输送设备。具有大牵引力的爬行器可以用于水平井钻井，代替传统钻井作业方法，不需使用钻柱，可降低钻井成本[1-3]。目前，在爬行器的研制方面，国内的研究起步较晚，已开发的管内机器人大多数为轮式驱动方式，这也是大中型管道用机器人中实用化程度最高、数量最多的一种。轮式管道机器人虽具有结构简单、行走平稳、速度快、效率高、易于控制等诸多优点，但是这种爬行器输送能力小、体积大，尚未应用在石油井下管道中。 国外的石油井下输送工具相对成熟，如WELLTEC公司牵引爬行器是一种靠液压驱动的轮式爬行器[4]，它具有工作稳定、爬行速度快等优点，但是输送力较小；SONDEX公司的牵引爬行器主要由张力测量装置、电路系统、电机及传动系统、爬行轮和扶正器组成，是目前牵引爬行器中唯一采用电机和机械传动机构来控制驱动牵引爬行器的[5-7]，其不足之处在于爬行轮数量少，在井下管道内的越障能力、牵引能力受到限制，只适用于割缝箍管完井，对于射孔完井，射孔眼的结构限制了爬行轮牵引爬行器的应用；SMARTRACT公司的抓靠臂滑动式牵引爬行器是最新发展的具有双方向的推/拉力牵引爬行器系统[8]，爬行器由电缆接头、电路部分、液压部分和上、下抓靠臂组成，抓靠臂与套管内壁是面接触，在同等正压力条件下可获得更大的附着力，能提供较大的牵引力，对动力源功率需求较小，抓
紧式的爬行方法可以有选择地与管壁间歇式接触，在管内的越障能力强，该牵引爬行器的应用范围较广，适用于割缝箍管完井和射孔完井，其最大不足之处在于整体结构的长度偏大，运动不灵活。
在我国，这方面还位于起步阶段，水平井输送仪器的井下工具大多为进口。陈浩发明了一种克服水平井段钻进靠钻铤重力的爬行器，其负载能力大，但适应性较差、体积庞大；高进伟等人[9]设计的水平井井下爬行器，实现了在变径井的自适应功能，解决了容易侧翻的问题，具有良好的适应性，但无法控制爬行器在井内的旋转。
为了提高爬行器对大牵引力要求，及对管道结构、内壁的自适应性，蠕动式运动方式应运而生[10-11]。王嵩等[12]提出了一种基于形状记忆合金(SMA)的管道蠕动机器人，外观成正方体形，通过协调控制十二组SMA直线驱动器的动作，可以实现机器人在管道内沿多个方向的蠕动前行；张延恒等[13]提出了一种采用电磁吸合装置驱动双球头+柔性软轴结构，并能实现自发电的管道柔性蠕动机器人，它通过自身的驱动装置在管道内实现了有动力蠕动行走，还可以在流动液体环境下利用压差实现无动力运动。但上述蠕动式爬行器输送能力很小，尚不足以输送井下工具，爬行器的可靠性对环境要求也很高。液压驱动蠕动式石油
井下爬行器作为一种新型的井下输送工具，由于其具有大推力的输送能力，不仅可以输送常规的测井仪器，还可以代替传统钻井设备，输送钻杆及钻头，提供钻压力，完成钻井作业。徐洪等人[14]设计的蠕动管道爬行器具有自动调节的功能，能适应各种弯曲的管道，但是其摩擦力会随着输送载荷的增大而增大；曹建树等人[15]设计的蠕动式管道爬行器，利用液压系统和液压油路完成了管道的作业，但在一定载荷情况下存在着冲击振动。作为蠕动式石油井下爬行器的动力源，液压回路是最为重要的部分，它不仅要控制整个爬行器完成蠕动式爬行前进，还要能为钻头提供2 t以上的钻压力，因此，液压回路的设计是否合理，关系到爬行器在工作工程中的稳定性、可靠性和安全性。
本文将提出一种以液压系统作为驱动力控制的爬行器，采用液动换向阀设计具有高低压保护的液压系统，使用AMESim搭建液压回路模型，以分析爬行器在工作各阶段的驱动性能。
1 爬行器液压系统设计
液压系统主要为爬行器提供动力，并控制爬行器实现蠕动式前进。爬行器及其液压系统图如图1所示。
图1 爬行器及其液压系统图1-水平井；6，8-推进缸；7-控制单元；13-钻头；15，19-液动换向阀；16-安全阀；17-推进切换控制阀；18-卡爪切换控制阀；4，10-活塞；2，12-卡爪
从图1中可以看出：该爬行器包括卡紧单元2、12，活塞缸推进单元4、6及8、10，液压控制单元7。其中，液压控制单元7的原理图展开如图1中下半部分的液压回路。
爬行器主要技术参数如表1所示。
表1 爬行器主要技术参数参数名称参数值参数名称参数值外径/mm100活塞缸行程/mm500伸张外径/mm145最大压差/MPa11内径/mm13最大输出力/N22 600长度/m6.5爬行速度/(m·s-1)0.1-0.2工作温度/(℃)140
爬行器分为前后两个卡爪，在工作中，前后卡爪依次卡紧井壁，为爬行器推进钻井设备提供足够的摩擦力，避免爬行器打滑。活塞缸推进单元为爬行器的推进部件，分为前后两个活塞推进缸，在前后卡爪依次卡紧井壁时，前后活塞推进缸依次动作提供前进驱动力。液压控制单元是爬行器的关键组成部分，由液压回路和液压阀组成，用于控制爬行器完成蠕动式爬行。
爬行器的爬行动作为四步一循环，使爬行器在井下具有连续爬行能力，拖动井下设备前进。
爬行器蠕动式爬行动作分解如图2所示。
图2 爬行器蠕动式爬行动作分解1-井壁；2-后卡爪；3,9-后活塞腔；4,10-活塞；5,11-前活塞腔；6-后推进缸；7-控制单元；8-前推进缸；12-前卡爪；13-钻头
由图2可知具体的动作如下：(1)当后卡爪2夹紧井壁，前卡爪12撤回后，后活塞腔3开始进油，推动活塞4前进，同时，前活塞腔11进油，前推进缸8和前卡爪12前进，前活塞腔5和后活塞腔3中的工作液流至爬行器外；(2)当活塞4和10完成一个行程后，后卡爪2开始撤回，前卡爪12开始夹紧；(3)当前卡爪12夹紧井壁，后卡爪2撤回后，前活塞腔5开始进油，后推进缸6和后卡爪2前进，同时，后活塞腔9进油，推动活塞10前进，前活塞腔3和后活塞腔11中的工作液流到爬行器外；(4)当活塞4和10完成一个行程后，后卡爪2开始夹紧，前卡爪12开始撤回，至此，爬行器回到初始状态，此时爬行器前进了两个活塞行程，如此循环往复，连续爬行。
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