旋转轮式爬行器问题分析与解决

王锡磊，刘先平，李卫强，谢光辉，何建远，陈媛媛

（1.中国石油集团测井有限公司天津分公司， 天津 300280）

（2.中国民航大学油气储运工程系， 天津 300300）

随着石油勘探和钻井技术的迅速发展，水平井和大斜度井的数量日渐增加[1,2]。在这种井况下，采用重力牵引的方式将缆测类测井仪器送达目的层进行作业变得越来越困难，而通过钻杆或连续油管的方式将测井仪器送达目的层则需要较高的人力、物力、时间、财力成本[3,4]，并伴随较大作业风险[5,6]，比较理想的方式是采用爬行器将仪器送达目的层[7,8]。环鼎旋转轮式爬行器是专门为水平井和大斜度井电缆测井施工设计的井下动力辅助设备，可以提供动力将缆测类测井仪器送入目的井段[9]，目前在各大测井公司的现场施工作业中得到了广泛应用。随着使用次数的增加，其性能和稳定性逐渐下降，并逐渐暴露出机械结构设计和施工工艺上的一些缺陷，这些都严重影响了测井的一次成功率及施工质量，同时在很大程度上增加了爬行器的使用、维护和维修成本，因此根据实际使用情况对其作出针对性的改进尤为必要。

1 环鼎旋转轮式爬行器及存在的问题

环鼎旋转轮式爬行器主要由扶正器短节、储油室、电子线路、推靠短节、驱动短节、补偿短节等组成。其基本工作原理是通过控制推靠短节中的油泵和液压系统使驱动短节的驱动臂张开，让爬行轮支撑在套管壁上，相邻驱动短节的驱动臂互成90°以保证动力的均匀，驱动短节内的电机通过齿轮传动系统带动爬行轮旋转，以其与套管壁之间的静摩擦为动力带动整串测井仪器向井底爬行。在环鼎旋转轮式爬行器的使用过程中，屡次出现如下问题：(1)在下行施工过程中，驱动臂偶尔出现自动张开的现象，导致旋转轮磨损严重；(2)扶正器中心杆磨损严重，导轮损坏量大；(3)长期统计显示，爬行器驱动部件损坏量大。本文针对这三个问题开展重点分析与讨论，并基于仪器结构和施工工艺提出具体解决方案。

2 施工时驱动臂自动张开问题分析与解决

驱动臂是是爬行器推靠短节的核心部件，有张开和收拢两种状态，其实物图见图1所示。储油室、推靠短节、驱动短节的油路是互相连通的，储油室为爬行器提供足够的液压油并保持仪器内外压力平衡，推靠短节为仪器的驱动臂提供液压动力，使驱动臂张开、旋转轮紧贴套管内壁，推靠短节液压原理图见图2。电磁阀供电后其内部旳阀芯吸合，油泵旳油路出口与动力系统的油路入口接通，给马达供电后，马达带动油泵将油腔里的油通过电磁阀注入动力系统。随着动力系统内的压力升高，活塞推动推靠臂伸出，使驱动臂张开、旋转轮紧贴井壁，电磁阀的油路入口有一个单向阀，动力系统内的压力升高到设定压力时，马达断电，由于单向阀的作用，动力系统内的压力保持不变；电磁阀断电后，阀芯在弹簧的作用下断开，动力系统的油路入口与油腔接通，液压系统自动释放压力，活塞通过弹簧自动收回，推靠臂在活塞的作用下回到原位。由此分析，在爬行器带动仪器串下行过程中，随着井下工作时间的延长和温度升高，爬行器内部的压力增大，而此时储油室无法实现爬行器内外压力的平衡，内部的压力大于外部的压力，从而推动活塞慢慢伸出，致使推靠臂非正常张开，造成旋转轮贴靠井壁，产生磨擦损坏。对旋转轮式爬行器进行拆解后发现存在以下问题：(1)储油室内部扶正块与中心杆之间磨擦力较大，因此爬行器在井下温度升高，爬行器内部的压力增大时，因中心杆的阻滞作用，平衡活塞不能有效移动，无法泄除内部额外增加的压力；(2)驱动系统内部推动活塞回收的弹簧因使用时间较长，弹力下降，在爬行器内部的压力增大时不足以将推靠臂收回。

图1 驱动臂收拢和张开图

图2 推靠短节液压原理图

在原始设计中，扶正块内孔直径比中心杆直径大0.1mm，然而在实际应用过程中，井下泥浆不避免地浸入到中心杆和扶正块之间的缝隙，固化为泥浆块后，扶正块和中心杆粘合在一起，剪切破碎这些泥浆块的剪切力已经超过弹簧力的极限，因此无法推动平衡活塞移动。将扶正块内孔直径增加0.1mm后，情况有所改善，但并未杜绝。将扶正块内孔直径增加0.2mm，并且每施工5个井次更换推动活塞回收的弹簧后，未发生驱动臂自动张开的情况。

3 扶正器中心杆磨损严重且导轮损坏问题分析与解决

扶正器短节用于减少仪器外壁与套管内壁的摩擦，降低仪器在井下爬行移动过程中与套管的摩擦力。扶正器短节由主体中心杆、支撑臂、导轮轴承等组成，其实物见图3所示，爬行器在井下工作时，在水平段因自身重量的原因，下方的支撑臂被压下，导轮轴承紧贴中心杆。当扶正器短节导轮轴承受到的压力大于支撑臂的张力时，导轮轴承就会压在中心杆上，导轮轴承随着仪器的上下运行，与中心杆反复摩擦，导轮轴承对中心杆的持续动摩擦使双方都产生了非正常损耗，造成中心杆严重磨损和导轮轴承损坏，最严重时中心杆磨损深度达5mm，导轮轴承全部损坏，见图4所示。

图3 扶正器短节照片

图4 严重磨损的中心杆

为解决此问题，重新设计并加工了支撑臂，图5为改进前后的支撑臂对比。把支撑臂面对中心杆方向的内半弧增加了5mm，使支撑臂安放导轮轴承位置的内半弧半径大于导轮轴承的半径，图6为支撑臂改进前后安装效果对比。当支撑臂被压至中心杆位置时，在其内半弧与中心杆形成支撑作用，导轮轴承与中心杆之间尚有间隙，不与中心杆直接接触，仅与套管壁之间形成滚动摩擦。改进后，中心杆非正常磨损和导轮轴承的严重损坏的现象得到有效改善。

图5 改进前后的支撑臂

图6 支撑臂改进前后安装效果对比

4 驱动部件损坏量大问题分析与解决

爬行器输送井下仪器测井时，一般情况下液压设置为6～8MPa，驱动转速设置为3000r/min，直到仪器遇阻前不再改变。在这种情况下测井施工，曾多次导致梯形转换齿、轮转换齿轮、旋转轮及其它驱动部件的损坏，最严重时三节驱动均不能正常工作，直接影响了测井时效，增加了配件消耗和生产运营成本。分析原因，当前液压和转速设置过高，在爬行器输送仪器测井时，随着井下压力升高，驱动部分各部件受到的扭力越来越大，此时即使井身结构发生微小变化，都会使得驱动部分各种部件受到很大的冲击。

针对该问题，对施工工艺进行了改进并进行了试验验证，施工工艺更改为：爬行器输送仪器测井时，一般情况下液压设置为2～3MPa，驱动转速设置为3000r/min，而在井斜大于85°井身结构正常的情况下，使用三节驱动，爬行器液压设置为3～4MPa，驱动转速设置为2000r/min。且当温度升高、导轮压力增大后要进行泄压操作，新工艺实施后，驱动部件的损坏率降低了50%以上。

5 结束语

造成环鼎旋转轮式爬行器在应用过程中出现驱动臂自动张开、中心杆和导轮磨损严重、驱动部件损坏量大等问题的根本原因，是由于存在机械结构缺陷或施工工艺欠佳造成的，因此通过机械结构的改进和施工工艺的改良来解决。通过增加爬行器扶正块内孔直径，降低扶正块与中心杆之间磨阻解决了驱动臂自张开、旋转轮磨损严重问题；通过增加支撑臂安放导轮轴承位置中心杆方向的内半弧，使支撑臂安放导轮轴承位置内半弧的半径大于导轮轴承的半径，以此解决扶正器中心杆磨损严重，导轮损坏量大的问题；通过优化施工工艺解决驱动部件损坏率高的问题。旋转轮式爬行器改进后，可靠性得到大幅度提升，驱动部件的损坏率相比改进前降低了50%以上，维护保养的频率和难度大幅度降低，节省了人力、物力和时间成本，为实现降本增效作出了一定贡献。希望本文为同类仪器的升级改造提供一定的参考。