轮式牵引器支撑调节机构结构优化设计及越障性能

赵建国, 何 同, 彭汉修*, 吴昌军, 王昆鹏, 方世纪， 涂 赤

(1.西南石油大学能源装备研究院， 成都 610500； 2.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院， 北京 100101; 3.中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院， 德阳 618000)

在水平井中运用牵引器输送仪器，具有简单快捷的优势[1]。在测井方面，由于时间紧张，牵引测井仪器质量较轻，主要使用速度较快的轮式牵引器[2]。轮式牵引器是在套管中运动的，而套管在使用过程中，可能在内壁产生井壁沉积物、套管磨损和套管缩径等现象，所以支撑轮将可能在凹凸不平的套管内壁上运行，如不能很好的越过这些障碍，轮式牵引器可能卡死，影响正常工作，甚至发生井下事故，这对现有轮式牵引器的越障性能提出了更高的要求[3-6]。轮式牵引器主要由传动机构和支撑调节机构构成，传动机构带动支撑轮旋转，支撑调节机构调节支撑轮的径向位置，使支撑轮接触或脱离套管，支撑轮在支撑调节机构的作用下接触套管，使得轮式牵引器能在套管内向前运动[7]。现有轮式牵引器主要有活塞连杆支撑调节机构[8]、电机滑块单推杆支撑调节机构[9]、凸轮支撑调节机构[10]、滑杆支撑调节机构[11]、滑块滑槽支撑调节机构[12]，现有支撑结构均采用单弹簧作为越障缓冲零件，单弹簧设计方法面对套管内各种各样的杂质和障碍物时，不能较好的满足井下复杂的环境和中国水平井作业需求。

基于此，提出一种越障性能较好的双推杆-双弹簧支撑调节机构，运用运动学软件对轮式牵引器支撑机构的越障性能进行研究，并对比分析轮式牵引器已有的单推杆支撑调节机构与新设计的双推杆-双弹簧支撑调节机构在越障过程中相关性能，以验证设计的轮式牵引器双推杆-双弹簧支撑调节机构的优越性，为轮式牵引器支撑调节机构的优化设计提供依据。

1 轮式牵引器支撑调节机构结构优化 设计

与单推杆支撑调节机构[图1(a)]1个推杆、1个调节弹簧不同的是：设计出的新的支撑调节机构采用了2个推杆(外推杆、内推杆)、2个弹簧(外调节弹簧、内调节弹簧)，其支撑调节机构原理如[图1(b)]所示。

图1 单推杆、双推杆-双弹簧支撑调节机构Fig.1 Single push rod, double push rod-double spring support adjustment mechanism

该设计保证了一个推杆对应一个支撑臂，一个推杆对应一个调节弹簧，当支撑轮同时经过套管内壁不同的井壁沉积物、套管缩径和磨损时，可以通过各自的调节弹簧，调节支撑轮与套管内壁之间的接触，保证了支撑轮在任何不同的井壁沉积物、套管缩颈和磨损时，都能紧贴套管内壁，确保了支撑轮与套管内壁之间始终存在适当的正压力，使得轮式牵引器能正常的在牵引力作用下向前爬行，由于使用了双推杆结构，轮式牵引器能适应套管内不同的井壁沉积物、套管缩颈和损伤等一系列的障碍物，极大的提高了轮式牵引器的越障性能和套管适应性。

2 轮式牵引器支撑调节机构越障性能 研究

2.1 轮式牵引器支撑调节机构越障模型

2.1.1 轮式牵引器支撑调节机构建模与设置

轮式牵引器整体结构复杂，因此为了便于计算和仿真，对轮式牵引器的仿真模型进行适当简化，保留轮式牵引器支撑机构的核心部件。通过Solidworks软件对轮式牵引器进行建模，导出得到parasolid文件，之后导入到ADAMS软件中。为了便于对比说明设计的双推杆-双弹簧支撑调节机构越障性能的优越性，将轮式牵引器已有的单推杆支撑调节机构其他零部件与设计的双推杆-双弹簧支撑调节机构保持一致，对比图1(a)、图1(b)可知，单推杆支撑调节机构主要由单调节弹簧、单推杆、驱动臂和支撑臂组成，双推杆-双弹簧支撑调节机构主要有双弹簧、双推杆、驱动臂和支撑臂组成，由此得到轮式牵引器支撑机构单推杆支撑调节机构仿真模型如图2(a)所示、双推杆-双弹簧支撑调节机构仿真模型如图2(b)所示。

图2 单推杆、双推杆-双弹簧支撑调节机构ADAMS 仿真模型Fig.2 ADAMS simulation model of single push rod, double push rod double spring support adjusting mechanism

轮式牵引器仿真模型如图3所示。为了便于研究越障性能，选用4个支撑调节机构组成，假设前后两个机构为扶正机构，只研究中间两个的越障性能，按照中外牵引器的连接方式，分别呈90°规则分布，支撑轮从左到右依次命名为支撑轮1、2，支撑轮3、4，支撑轮5、6，支撑轮7、8。为了仿真的准确性，模型尺寸无缩放，尺寸和设计的轮式牵引器保持一致，仿真模型内固连体通过布尔运算进行合并，其余零件为单独构件。对轮式牵引器仿真模型的41个构件进行重命名和材料属性定义，由于轮式牵引器全为刚性机构，因此全部定义为steel钢材属性。

轮式牵引器支撑机构的仿真模型总共有41个运动副，其中1个固定副，8个滑动副，32个转动副。①固定副：套管与地面之间；②滑动副：内推杆、外推杆与固连体外壳之间每个单节2个，4个单节共8个；③转动副：支撑臂与固连体外壳之间8个，支撑臂与支撑轮之间8个，支撑轮与支撑杆之间8个，内推杆、外推杆与支撑杆之间均为2个，4个单节共8个。

忽略牵引器自身的重力，定义支撑轮与套管之间的接触为“碰撞约束”，接触类型为“实体对实体”，支撑轮与套管之间的接触对与阻尼系数如表1所示[13-14]。

表1 支撑轮与套管之间相关系数Table 1 Correlation coefficient of interaction between supporting wheel and casing

设定调节弹簧刚度系数为12.5 N/mm，设定弹簧的预载荷为1 000 N，设定支撑轮的角速度为100(°)/s。

2.1.2 套管建模与设置

套管的障碍一般分为井壁沉积物、套管磨损和缩径，以套管内径150 mm为研究对象，为了便于仿真研究，采用台阶高度分别为3、6、9、12 mm，长度50 mm矩形凸台模拟套管内的不同井壁沉积物、采用深度为3、6、9、12 mm，长度100 mm的凹坑模拟套管磨损、使用高度为9 mm，斜角为10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，长度20 mm的斜角模拟缩径，如图4所示。

图4 模拟套管障碍Fig.4 Simulated casing obstacle

目前学者对支撑轮越障的分析主要是针对井壁沉积物、套管磨损或者套管缩径等单一障碍进行研究，没有考虑到同时面对井壁沉积物和套管磨损或者同时面对不同斜度的套管缩径和套管变形等多种障碍的研究。因此，对支撑轮在套管运行中遇到的单一障碍的情况进行分析研究，并且对支撑轮在套管运行中同时面对井壁沉积物和套管磨损、同时面对不同斜度的套管缩径和套管变形进行分析研究，如图5所示。

图5 支撑轮越障分析Fig.5 Obstacle surmounting analysis of supporting wheels

2.2 单种障碍对轮式牵引器支撑调节机构越障性能的影响

采用单推杆支撑调节机构和双推杆-双弹簧支撑调节机构的轮式牵引器，分别经过了井壁沉积物、套管磨损和套管缩径，轮式牵引器的运动状态和越障性能差异对比。

2.2.1 单种障碍对轮式牵引器支撑调节机构中轴位置的影响

图6 井壁沉积物障碍单推杆、双推杆支撑调节机构 中轴位置偏移Fig.6 Displacement of the central axis of thesingle push rod, double push rod support adjustment mechanism under the wall sediment obstacle

图7 套管磨损障碍下单推杆、双推杆支撑调节 机构中轴位置偏移Fig.7 Shaft position deviation of thesingle push rod, double push rod support adjustment mechanism due to casing wear

图8 套管缩径物障碍下单推杆、双推杆支撑调节 机构中轴位置偏移Fig.8 Deviation of the central axis position of the single push rod, double push rod support adjustment mechanism under the obstacle of the casing reducing object

从图6～图8可以看出，单推杆支撑调节机构和双推杆-双弹簧支撑调节机构在井壁沉积物、套管磨损和套管缩径障碍下运行，轮式牵引器的中轴位置都发生了变化，但变化不大，说明这两种支撑机构都能保持较好的对中性能，在这种情况下，都能保证轮式牵引器在套管内正常运行；支撑轮越障时单推杆支撑调节机构的中轴偏移量要大于双推杆-双弹簧支撑调节机构的中轴偏移量，说明双推杆-双弹簧支撑机构的对中性能要好于单推杆支撑机构；以上分析得到了轮式牵引器两种支撑机构在跨越井壁沉积物、套管磨损和套管缩径时都能保持良好的对中性能，越障效果良好；但总体上，轮式牵引器在跨越单种障碍时，双推杆-双弹簧支撑调节机构的对中性能要好于单推杆支撑调节机构。

2.2.2单种障碍对轮式牵引器支撑调节机构正压力的影响

当支撑轮5、支撑轮6在套管内壁上运行时，弹簧处于压缩状态，弹簧力接近1 000 N，而在跨越井壁沉积物、套管缩径时(图9、图10)，弹簧力逐渐增大，说明轮式牵引器在跨越井壁沉积物、套管缩径时，弹簧被持续压缩，弹簧力持续增大；在跨越套管磨损时(图11)，弹簧力逐渐减小，说明轮式牵引器在跨越套管磨损时，弹簧被持续释放，弹簧力持续减小，弹簧的调节作用使得支撑轮可以持续的与套管接触，保证了支撑轮与套管之间的正压力。

图9 井壁沉积物障碍下单推杆、双推杆支撑机构 正压力变化Fig.9 The change of positive pressure of the single push rod, double push rod supporting mechanism under the barrier of well wall sediment

由图9～图11可知，在单推杆的作用下，支撑轮5、支撑轮6的两个正压力在1 000 N的作用力下持续波动，由于一个弹簧调节两个支撑轮的正压力，要保证轮式牵引器的正压力施加，只能牺牲一部分对中性能。由于设计的为双推杆-双弹簧支撑调节机构，弹簧各自调节对应的支撑轮，支撑轮之间互不影响，所以支撑轮的正压力在2 000 N的作用力下持续波动，此结构既能保证轮式牵引器的对中性能，还能保证对支撑轮正压力的施加效果；双推杆-双弹簧支撑调节机构的支撑轮5、支撑轮6的正压力的波动变化明显，正压力对弹簧力和牵引器的变化状态比较敏感，说明了正压力的大小可以随时根据牵引器的运动状态及时调整，避免了单推杆支撑调节机构的调节滞后的现象，有利于牵引器越障性能的提高。

分析可知，轮式牵引器两种不同支撑调节机构对支撑轮正压力的值影响较大，由此可以看出轮式牵引器双推杆-双弹簧的支撑调节机构比单推杆支撑调节机构更能满足轮式牵引器的设计要求，轮式牵引器双推杆-双弹簧的支撑调节机构比单推杆支撑调节机构更有优越性。

2.3 多种障碍对轮式牵引器支撑调节机构越障性能的影响

轮式牵引器两种支撑调节机构在跨越井壁沉积物、套管磨损和套管缩径时，双推杆-双弹簧支撑调节机构比单推杆支撑调节机构具有优势，因套管障碍物呈现X轴、Y轴对称变化，双推杆-双弹簧支撑调节机构对轮式牵引器越障性能的影响优势体现还不够明显。上述只讨论了单独跨越井壁沉积物、套管磨损或者套管缩径，因此本节重点讨论在轮式牵引器在同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，轮式牵引器两种支撑调节机构对轮式牵引器越障性能的影响。

2.3.1 多种障碍对轮式牵引器支撑调节机构中轴位置的影响

由图12、图13可知，两种支撑调节机构同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，两种支撑调节机构中轴位置偏移变化。两种支撑调节机构轮式牵引器在跨越障碍时，都引起了轮式牵引器中轴位置偏移，只是偏移量不同。单推杆支撑调节机构的轮式牵引器在套管内同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，X轴的最大偏心值为10 mm，Y轴的最大偏心值为6 mm，双推杆-双弹簧支撑调节机构的轮式牵引器在套管内同时跨越井壁沉积物和套管损伤、套管缩径和套管变形时，X轴的最大偏心值为5 mm，Y轴的最大偏心值为6 mm。

由图12、图13可知，轮式牵引器在跨越相同障碍时，双推杆-双弹簧支撑调节机构轮式牵引器的中轴位置偏移比单推杆支撑调节机构的小。套管内障碍物的最大偏心值为12 mm，对于单推杆支撑调节机构，牵引器的中轴偏心最大值达到了10 mm，对中性能较差，很容易造成牵引器与套管内壁之间碰撞，导致轮式牵引器越障失败；对于双推杆-双弹簧支撑调节机构，牵引器的偏心值最大仅为6 mm，这是因为双推杆-双弹簧支撑调节机构每个调节弹簧对应一个推杆，分别带动一个支撑轮径向移动，所以即使同时跨越井壁沉积物和套管磨损时，依然能保持良好的对中性能，可以较好地避免牵引器因中轴偏移过大而造成的事故。

图10 套管缩径障碍下单推杆、双推杆支撑机构 正压力变化Fig.10 The positive pressure change of the single push rod, double push rod supporting mechanism under the obstacle of casing shrinkage

图11 套管磨损障碍下单推杆、双推杆支撑机构 正压力变化Fig.11 Positive pressure change of the single push rod, double push rod supporting mechanism under casing wear obstacle

分析可知，轮式牵引器同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，双推杆-双弹簧支撑调节机构的轮式牵引器有更好的对中性能。

2.3.2 多种障碍对轮式牵引器支撑调节机构正压力的影响

从图14、图15可以看出，单推杆支撑调节机构的轮式牵引器在套管内运行时，弹簧处于压缩状态，弹簧力大致为1 000 N，支撑轮5、支撑轮6的正压力大致为1 000 N，在轮式牵引器运行至40 s时左右，支撑轮5、支撑轮6开始跨越障碍物，由于存在井壁沉积物、套管缩径，所以弹簧只能压缩，无法伸长弹簧长度去适应套管磨损、套管变形，弹簧力开始出现波动，支撑轮正压力也开始出现波动，以适应弹簧力的变化。由于一边支撑轮的障碍物为套管磨损、套管缩径，为了保持支撑轮与套管接触，所以轮式牵引器只能通过中轴偏心来达到支撑轮5、支撑轮6同时接触套管，由此导致牵引器对中能力较差；弹簧5、弹簧6的弹簧力大致为1 000 N，支撑轮正压力为2 000 N，在40 s时一个压缩，一个伸长，使得弹簧力一个变大，一个变小，由于弹簧各自调节一个支撑轮，使得支撑轮可以按照各自的障碍情况进行调节，所以双推杆-双弹簧支撑机构能保持较好的对中性能；对比正压力波动可以发现，双推杆-双弹簧支撑调节机构的正压力对牵引器的运行状态更加敏感，反馈效果更好，双推杆-双弹簧支撑调节机构相比于单推杆支撑调节机构能更快的调整弹簧的压缩或伸长状态，更能适应套管内复杂的环境。

图12 同时跨越井壁沉积物和套管磨损单推杆、双推杆 支撑调节机构中轴位置偏移Fig.12 Displacement of the central axis of the single push rod, double push rod support adjustment mechanism across the well wall sediment and casing wear

图13 同时跨越套管缩径和变形单推杆、双推杆支撑 机构中轴位置偏移Fig.13 The position of the central axis of the supporting mechanism of the single push rod, double push rod is shifted

图14 同时跨越井壁沉积物和套管磨损单推杆、双推杆 支撑机构支撑轮正压力变化Fig.14 The positive pressure change of supporting wheel of the single push rod, double push rod supporting mechanism crossing the well wall sediment and casing wear

图15 同时跨越套管缩径和变形单推杆、双推杆 支撑机构支撑轮正压力变化Fig.15 The positive pressure change of supporting wheel of the single push rod, double push rod supporting mechanism

分析可知，轮式牵引器在同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，双推杆-双弹簧支撑调节机构比单推杆支撑调节机构更优越。

2.3.3 多种障碍对轮式牵引器支撑调节机构弹簧力的影响

图16 同时跨越井壁沉积物和套管磨损双推杆支撑 调节机构弹簧力变化Fig.16 The change of spring force of the single push rod, double push rod supporting mechanism across the well wall sediment and casing wear

图17 同时跨越套管缩径和变形双推杆支撑调节 机构弹簧力变化Fig.17 The spring force changes of the single push rod, double push rod supporting mechanism

从图16、图17可以看出，单推杆支撑调节机构的轮式牵引器内的弹簧力分别变化了4次且每次有4个等高波峰、变化了4次且每次有7个逐渐增高的波峰，刚好对应4对支撑轮越过4个等高的井壁沉积物和7个逐渐增加的套管缩径，对于套管磨损和套管缩径所造成的障碍，调节弹簧无法调节，由于扶正器作用，若牵引器强行保持对中，会导致跨越套管磨损的支撑轮保持悬空状态，无法再提供牵引力；双推杆-双弹簧支撑调节机构的弹簧力变化刚好对应4个支撑轮越过的障碍变化，说明支撑轮在多种障碍下还能保持与井壁的接触，还能提供牵引器所需的牵引力；对比可以发现，双推杆-双弹簧支撑调节机构的弹簧力波动更大，波动更为复杂，是因为牵引器在越障时，双推杆-双弹簧支撑调节机构反应更灵敏、反馈更快，在牵引器跨越复杂障碍时，能更快的反馈牵引器的运动状态，及时的调节弹簧的作用，使得支撑轮与套管之间的正压力能及时根据牵引器的运动状态进行调整。

分析可知，单推杆支撑调节机构只能适应4个等高的井壁沉积物和7个逐渐增加的套管缩径，无法适应4个逐渐加深的套管磨损和7个逐渐减小的套管变形，双推杆支撑调节机构既能适应4个等高的井壁沉积物和7个逐渐增加的套管缩径，又能适应4个逐渐加深的套管磨损和7个逐渐减小的套管变形，由此，得到了轮式牵引器在同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，双推杆-双弹簧支撑调节机构比单推杆支撑调节机构更优越。

2.3.4 多种障碍对轮式牵引器支撑调节机构支撑轮角速度的影响

从图18、图19可以看出，两种不同支撑机构的轮式牵引器在套管内运行时支撑轮经历了波动变化，为了使得轮式牵引器在跨越障碍时，不会造成卡死现象，越障支撑轮需要变化角速度，使得支撑轮之间形成差速。轮式牵引器两种支撑机构的支撑轮在未跨越障碍时，角速度保持在100(°)/s，同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，角速度都发生了变化，单推杆支撑调节机构的角速度在跨越障碍物时变化较大，是由于跨越障碍时单推杆支撑调节机构支撑轮所受的扭矩变大，使得角速度波动变大，驱动电机的寿命会减少，由此得到了得到了轮式牵引器在同时跨越井壁沉积物和套管磨损、套管缩径和套管变形时，双推杆-双弹簧支撑调节机构比单推杆支撑调节机构更优越。

图19 同时跨越套管缩径和变形单推杆、双推杆 支撑机构角速度变化Fig.19 The change of angular velocity of the single push rod, double push rod supporting mechanism

3 结论

为了提高井下牵引器在裸眼井等复杂工况条件下的适应性，首次提出了双推杆-双弹簧支撑调节机构设计方法。得到如下结论。

(1)利用运动学仿真软件分别建立了常规单弹簧支撑调节机构和双推杆-双弹簧支撑调节机构运动学仿真模型；研究了两种支撑调节机构在套管内不同障碍物下的越障性能，得到了单推杆支撑调节机构和双推杆-双弹簧支撑调节机构在跨越井壁沉积物、套管损伤和套管缩径时，对支撑轮轮心位置和角速度变化影响一致，对轮式牵引器的中轴位置、轮式牵引器支撑轮的正压力变化影响相差较大，双推杆-双弹簧支撑调节机构比单推杆支撑调节机构有更好的对中性能、能提供更大的正压力。

(2)在同时跨越井壁沉积物和套管磨损、同时跨越套管缩径和变形时，双推杆-双弹簧支撑调节机构轮式牵引器比单推杆支撑调节机构轮式牵引器更能适应套管的直径变化、能更快地反馈牵引器的运动状态。研究结果表明，在轮式牵引器跨越套管障碍物时，双推杆-双弹簧支撑调节机构比单推杆支撑调节机构的越障性能更好。