2021年第49卷第4期
—51 —
石油机械
CHINA PETROLEUM MACHINERY
V钻井技术与装备A
朱维兵I 庞青松I 张朝界2
(1.西华大学2.四川航天烽火伺服控制技术有限公司)
朱维兵，庞青松，张朝界.页岩气旋转式井壁取心器转向机构设计与优化.石油机械，2021, 49 (4)； 51-57. 摘要：转向机构作为页岩气旋转式井壁取心器的连接转向装置，其性能决定了取心器的过弯
通过能力。鉴于此，设计了一种新型转向机构。该机构中心由一个胡克钱链连接，四周设置4组 由移动副和弹簧连接的球面副；利用拆杆法建立了转向机构各零件的静力学平衡方程，确定了转 向机构的工作空间，建立了取心器过弯能力与水平井曲率半径的函数关系；以通过能力最大为优
化目标，对取心器进行了尺寸优化设计。分析结果表明：在相同条件的水平井径下，曲率半径与
取心器能够通过的长度呈正相关关系；在相同曲率半径下，井径与取心器可通过的长度也呈正相 关关系；当曲率半径为20 m 、井径为150 mm 时，优化后取心器的有效通过长度从3. 102 m 增加
到10.358 m 。采用新型转向机构可有效增强取心器的过弯能力，增加取心器的有效长度。
关键词：页岩气；旋转式井壁取心器；转向机构；优化设计；过弯能力
中图分类号：TE921 文献标识码：A DOI ： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2021. 04. 007
Design and Optimization of Steering Device for
Shale Gas Rotary Sidewall Coring
Zhu Weibing 1 Pang Qingsong 1 Zhang Chaojie 2
(1. Xihua University; 2. Sichuan Aerospace Fiberhome Servo Control Technology Co. , Ltd.)
Abstract : The steering mechanism is used as the connecting steering device of the shale gas rotary sidewall
coring tool , and its performance determines the bend pass capacity of the entire tool. In view of this , a new type of steering mechanism is designed. The center of the mechanism is connected by a Hooker hinge. There are 4 sets of
spherical pairs connected by moving pairs and springs around it. The static balance equation of each part of the steering mechanism is established by the method of dismantling the rod. The work space of the steering mechanism
is determined according to the work requirements. The function relationship between the coring tool's bend pass ca pacity and the radius of curvature of the horizontal well is established. Taking the maximum bend pass capacity as
the optimization goal , the modular dimension optimization of the coring tool is carried out. The analysis results show
that under the same horizontal wellbore diameter , the radius of curvature and the length that the coring tool can pass
are positively correlated. Under the same radius of curvature , the wellbore diameter and the length that the coring
tool can pass are also positively correlated ・ Given the curvature radius of 20 m and the wellbore diameter of 150 mm, the effective passing length of the coring tool increases from 3. 102 m to 10. 358 m after optimization. The new
steering mechanism can eflectively improve the bend pass capability of the coring tool and increase the effective
length of the coring tool.
Keywords : shale gas ； rotary sidewall coring tool ； steering mechanism ； optimized design ； bend pass capability
*基金项目：四川省科技计划项目“页岩气长水平段旋转式井壁取心机器人研究”(2017HH0049)；四川省学术和技术带头人培养资 金项目“页岩气旋转式井壁取心机器人动力学性能研究” (182429) 0
—52 —
石油机械2021年第49卷第4期
0引言
在页岩气的勘探开采过程中，取心是核心技术
之一。川渝地区页岩层经历了强烈的后期改造，地
质条件相对复杂，页岩分布不稳定，呈现较强的各
向异性特征。页岩气井水平段长达1 000-2 000 m,
常规的钻杆和连续管送入方式难以将取心仪器准确 下入到取心位置，且钻完井工作难度高、耗时长、
花费大。针对川渝地区页岩气长水平段取心困难问 题，笔者所在研究团队首次将井下爬行器与旋转式
井壁取心仪器相结合，设计了一种集爬行、定位、
推靠、取心、储样和解卡等功能于一体的页岩气旋
转式井壁取心器。该取心器采用模块化设计，可完 成水平井和大位移井的长水平段取心作业⑴。转 向机构作为页岩气旋转式井壁取心器各模块的连接 转向装置，其性能决定了整个取心器的过弯通过
能力。
现役的转向机构主要有刚性和柔性两种连接方 式。柔性转向机构运动时虽有一定的减震能力，但
是运动具有不稳定性，不适用于本取心器；刚性连 接转向机构在作为固定联轴器的同时，还提供传动
转矩，整体结构稳定，可提高过弯能力。目前，刚 性连接转向机构主要采用3个自由度的球面转动机
构，虽然能够绕3个方向转动，但是轴向负载量偏
小⑵。侯雨雷等⑶在刚性连接转向机构的基础上
提出了 3-PSS/S 新型转向机构，该转向机构利用电
机控制的滚珠丝杠提供动力，可以控制关节机构的
转动，也能承受轴向负载，但由于运动方式是直
线，增加了整个机构的长度，而且采用电机控制，
增加了控制成本⑷。邵宏政⑸申请的专利“万向 节连接装置”采用刚性连接，能实现转弯要求,
但是容易传递震动等不利因素，而且在高温高压的 石油井环境中一旦因为小零件松动而导致万向节脱
落，将推迟取心器的工作时间。蒋宇晨等⑹申请 的专利产品采用空心橡胶杆作为上、下平台的连接 件，存在橡胶易老化、不耐高温及使用寿命短等问
题。高胜等⑺申请的专利“井下牵引器定位与连
接机构”可以实现上、下平台姿态的精准调整和 控制，连接机构通过液压缸驱动，不适用于下井时
在造斜段连续爬行的要求。为此，笔者拟设计一种
新型转向连接机构，以期把取心器的各模块有效地
连接，并且有较为强劲的过弯能力，可防止卡阻
现象。
1页岩气旋转式取心器总体方案设计
随着近几年对川渝地区页岩油气资源的勘测,
其油气井逐渐发展为具有1 000-2 000 m 的长水平 段，直径150-300 mm 的水平井。为了能够顺利进
入水平井中完成取心工作，取心器长度需要控制在
7 m 左右，直径小于150 mm ；取心器在水平段爬
行速度要大于560 m/h，以节省通过时间；负载能
力要大，能够克服井下阻力并运输取心仪器进行工
作；取心器在井下工作段深度达到3 000〜4 000 m, 井下压力将达到60 MPa，温度达到60-100 T，而 且井下可能有多种物质混合的油浆，因此要求各机
构具有一定的刚度且密封性能好。
取心器采用模块化设计，由爬行短节、扶正短
节、推靠锁紧短节、转向节、取心和液压控制模块
等组成，总体方案如图1所示。扶正短节由4对扶 正臂提供扶正力以保证取心器的运动姿态；爬行短 节由爬行轮提供驱动力带动整个取心器前进，爬行
轮呈对称布置，可以有效规避障碍物；端部设置有旋转装置
电缆接头及电路部分，用于控制取心器；推靠短节
对称布置，在取心仪器工作前，推靠短节负责将取
心器推靠到井壁一侧进行固定，在爬行过程中推靠
短节处于未展开状态存放于推靠节中；各模块间用
转向节（转向装置）连接，能够提高过弯能力,
有效防止取心器出现卡阻现象。张朝界⑻使用
Solidworks 软件模拟实际工况，建立了页岩气水平
井和取心器的三维模型，利用ADAMS 虚拟样机仿
真技术对整个取心器的爬行能力、过弯能力、负载 能力和越障能力等进行了计算机模拟分析，结果均
满足设计要求。
鉴于篇幅原因，有关内容没在本文中呈现，本
文侧重于介绍转向连接机构的创新设计和过弯能力
的优化设计。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1、9—扶正短节；
2、8—爬行短节；
3、7—转向节；
4、6—推靠短节；5—取心仪器；10—电缆接头。
图1取心器总体方案示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the sidewall coring
tool
2021年第49卷第4期朱维兵，等：页岩气旋转式井壁取心器转向机构设计与优化—53—
2转向连接机构设计
2.1方案选择
因所设计的取心器是在水平井爬行器上集成了取心工具，整体较长，所以其轴向长度对井下过弯能力有很大的影响。采用串联构成方式，虽然简化了取心器的连接方式，但是增加了整体长度，不利于通过小曲率井；并且由于在过弯时有径向转弯和轴向的爬行负载，所以需要有径向转弯能力和一定的轴向负载能力。针对取心器在弯曲段的通过能力，笔者设计了一种新型转向机构(见图2)串联在爬行短节和推靠短节之间，在取心器通过弯曲段时，利用转向机构的可弯曲性，可以有效提高取心器的过弯能力；同时可以承受串联机构的轻微弯曲和轴向负载能力。
该转向机构由一个胡克較链中心连接，具有一定的轴向承载能力，同时还可以绕各方向旋转；四周布置4组球面副，每个球面副的中心由移动副和弹簧连接。
2.2受力分析
在对转向机构进行受力分析时，需要考虑两种情况：一种是转向节上端平台和下端平台平行时，上端平台受到外部拉力，整个取心器保持直线状态，四周的4对球面副在中心移动副链接的情况下没有受到转矩作用，仅为中心較链受到大小相同的拉力作用，受力如图九所示；另一种是转向节有一定转角，整个取心器处于过弯状态，此时上端平台受到外部拉力，四周的4对球面副在外部拉力作用下有一定转向，导致移动副受压或受拉而滑动，受力如图3b所示。
a.平行状态
b.转向状态
图3转向机构力学模型
Fig.3Mechanical model of the steering mechanism
图弘中所受外载荷作用较为简单，在此不作分析，这里主要对图3b中的受力情况进行分析。将力简化到中心較链上，表示为受到一定拉力F，利用拆杆法建立机构的静力学平衡方程，考虑构件弹性，完成机构的静力学分析［9-10\将力F进行正交分解，然后使用拆杆法拆分转向节各连接件，即可分别建立各构件的力平衡方程。当受到端面法向载荷时，转向机构中心十字轴受力较大，周围滑块基本不受力，此时只需要对十字轴进行受力分析即可；当受到端面载荷为转矩时，4个滑块都有受力，此时受力
较为复杂。但由于本转向机构主要承受载荷力，不传递取心器的转矩，所以在进行受力分析时只需要考虑外载荷为纯力的情况。
当受到端面法向载荷时，十字轴及两组轴颈上的受力情况如图4所示。
由静力学平衡原理有：
F〃+£&二0
i=1
3
＜爲+z f p2=o(1)
p=1
3
F」Z^3=0
、9=1
式中：几八Fg F°z分别为拉力F的分力，N；化i、Fp2、聲3分别为轴颈所受力的分力，N。
2.3弹簧选型
由于在转向节的移动副中，弹簧主要起支撑滑块的作用，不传递轴向拉力和径向转矩，所以只需要选择普通压缩弹簧即可。查询机械设计手册［⑴，并根据支链滑槽深度及大小，选择弹簧参数如表1所示
。
—54—石油机械2021年第49卷第4期
图4转向机构各零件受力图
Fig.4Force diagram of each part of the steering mechanism
表1弹簧基本参数
Table1Basic parameters of spring
弹簧直^/mm 弹簧中
^/mm
许用应
力/MPa
单圈刚度/
(N•mm-1)
套筒直
径/mm
工作极限
载荷/N
1.21095520.51255.1
3转向机构过弯优化设计
3.1工作空间分析
转向机构属于空间支链结构，每个支链具有一定的空间转向能力，在取心器过弯时可以使机构有一定的折弯效果，提高过弯能力，但是这些支链的相对运动可能会发生干涉，导致转向机构在空间上因为干涉而出现卡阻现象，破坏取心器的转向能力，所以需要对转向机构进行空间几何干涉分析。将转向机构中间十字轴中心点设定为坐标原点，端面法向为Z轴方向，0XY平面与下端平台平行，建立三维坐标系。已知上端平台距下端平台高度为加4对滑块距中心点距离为厂，则上、下端面平台的空间坐标分别为：
r0h/2
0r h/2
D=
-r0h/2
_0-r h/2_
r0—h/2
0r—h/2 J=
-T0—h/2
0-T—h/2(3)⑵
已知转向机构的上、下平台法线可偏转角度为入，考虑到上端平台在法线方向的可偏转性，根据动静平台的坐标确定上端平台的偏转空间，该空间即为运动过程中的工作空间，如图5所示。如果取心器在转弯时超过此工作空间，则转向节就会发生干涉现象导致取心器卡阻，因此需要避免此情况。
图5转向机构运动几何尺寸示意图
Fig.5Schematic diagram of the movement
⑸
geometry of the steering mechanism
由几何关系可得：
人二+d J tan入
（h}
r+—tan入cosA=R
I2丿
式中：厂是上、下端面半径，mm；么是有效工作高度，mm；/i是上、下端面平台距离，mm；人是有效工作半径，mm；入为转向节转角，（。）。
联立式（4）和式（5），可得到工作空间的半径函数关系及空间高度，其中高度表达式为：
Z h二2rsin入（6）代入数据可得么二11.75mm，人二48.86mm o 根据计算的转向机构工作空间及力学计算，可确定转向装置的整体尺寸及三维模型，如图6所示，装配简图如图7所示
。
2021年第49卷第4期朱维兵，等：页岩气旋转式井壁取心器转向机构设计与优化—55—
图6转向装置三维模型
Fig.6Three-dimensional model of the steering device 12345
9876
1—螺纹端盖;2、4—球較链；3—压缩弹
簧；5、6、8、9—工作平台；7—十字轴。
图7转向装置装配简图
Fig.7Assembly diagram of the steering device
3.2过弯能力提升分析
取心器在到达水平井前，需要经过一个有一定曲率半径的造斜井，由于取心器的长度特性，在经过造斜段时，其长度和外径需要达到一定的要求才能通过，所以必须对取心器的过弯能力进行分析，普通取心器过弯能力示意图如图8所示。
Fig.8Schematic diagram of the bend pass
capability of the coring device
由几何关系可得:
式中：厶z为取心器轴向长度，mm；心为造斜段的曲率半径，mm；d为取心器直径，mm；D为井径，mm o
对式（7）进行化简，得到取心器直径的函数关系式：
造斜段转角为:
a=arctan
2R q+2d—D
(9)
式（8）即为取心器轴向长度与井径D及曲率半径心的函数关系。当取心器直径"90mm时，相关结果如表2所示。
表2取心器轴向长度与曲率半径的关系
L z/m
Table2The relationship between the axial length of the
coring tool and the radius of curvature
Q
D=150mm D=200mm D=250mm D=300mm
5 1.55
6 2.10
7 2.541 2.911
10 2.196 2.973 3.586 4.108
20 3.102 4.200 5.065 5.803
50 4.901 6.636&0049.169
100 6.9309.38311.31612.964
2009.79913.26816.0011&332
30012.00116.24919.59722.451取心器轴向尺寸、曲率半径和水平井井径的相互关系如图9所示。由图9可知：在相同条件的水平井井径下，曲率半径与取心器能够通过的长度呈正相关关系；由表2可以看出：在相同曲率半径下，井径与取心器可通过的长度也呈正相关关系；在没有转向节模块时，取心器在小井径曲率井（心二5m,Z）=150mm）中的有效通过长度仅有1.556m；在曲率半径达到50m时有效通过长度为4.901m，这远远达不到取心器的轴向长度要求。
经过分析对比，取心器在集成取心工具的同时会增加长度，其总长度达到7.9〜11.0m，如果该取心器进入了小曲率半径的水平井时，会发生卡阻现象而无法通过曲率井段。因此，采用模块化方式优化取心器，取心器被转向机构分为前、中、后3段，相邻两段由转向机构连接，则优化后的取心器过弯能力示意图如图10所示
。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议