新型缓冲短节设计.pdf

五油管材与仪器12PETROLEUM TUBULAR GOODS&INSTRUMENTS2023年1 0 月开发与设计新型缓冲短节设计张俊国（中国电子科技集团公司第二十二研究所河南新乡45 30 0 3）摘要：针对现有测并仪中的扶正类仪器扶正力仅与受力点的位移有关、而与仪器推力无关且缓冲类仪器仅具有缓冲功能的情况，通过在新型缓冲短节上设计自适应扶正结构，使新型缓冲短节在保持原有的缓冲功能基础上增加了扶正功能与自动脱阻功能。扶正力可随仪器阻力的增大而增大，而持续增大的扶正力可将仪器推离遇阻点。新型缓冲短节在钻杆输送测并系统中使用时可减少仪器遇阻的概率，提高了施工的安全性。所设计的新型缓冲短节已在国内几个油田进行了使用，证明该新型缓冲短节具有较好的缓冲性能和脱阻性能。关键词：新型缓冲短节；自适应扶正；自动脱阻中图法分类号：P315.62D0I:10.19459/ki.61-1500/te.2023.05.003(The 22nd Research Institute of China Electrics Technology Group Corporation,Xinxiang,Henan 453003,China)Abstract:Aiming at the situation that the centralizing force of centralizing instruments in existing logging tools is only related to the displace-ment of the force bearing point but not related to the thrust of the instrument,as well as the buffer instruments only have the buffering func-tion,the existing buffer sub is added with the centralizing function and automatic tripping function on the basis of maintaining the originalbuffering function by designing an adaptive centralizing structure on the existing buffer sub.The centralizing force can increase with the in-crease of the drag force,and the increasing centralizing force can push the instrument away from the point of obstruction.In the drill pipetransportation logging system,the probability of instrument obstruction is greatly reduced,and the construction safety is improved.At pres-ent,the new buffer sub has been applied in many oilfields.The effect shows that the new buffer sub has good buffer performance and un-blocking performance.Key words:new buffer sub;adaptive centering;automatic unblocking0引言钻杆输送测井可以在下入钻杆过程中进行测井，钻杆输送测井与泵出式测井相比2 ，缩短了测井时间，提高了生产效率。在钻杆输送的过程中,由于仪器接在钻杆最下方,测井过程中测井仪器容易被损伤，因而需要设计安全保护装置，如缓冲装置（防止仪器产生过大的轴向加速度）、保护套装置（防止仪器外壳发生过快磨损）和扶正器装置（防止仪器不居中）等以便对仪器进行保护3。当遇到井眼缩径时还可能出现仪器遇阻的情况，而以上的缓冲短节只有缓冲功能，无法使仪器适应初投稿收稿日期2 0 2 2-0 9-0 9;修改稿收稿日期：2 0 2 3-0 3-1 7作者简介：张俊国，男，1 9 8 3年生，工程师，2 0 1 2 年毕业于西安交通大学机械电子工程专业，获硕士学位，现主要从事石油测井仪器的结构设计工作。E-mail:文献标识码：ADesign of a New Buffer SubZHANG Junguo复杂井况。现在的扶正类仪器（包括刚性扶正器、板簧扶正器4、推靠扶正器5 、可调节扶正器6 和整体弹性扶正器等)只具有将仪器扶正的功能7 ，扶正力只与扶正机构的形变有关，而与仪器受阻后的阻力无关，可能在井下遇阻时使仪器被损坏。本文结合以上缓冲类仪器及扶正类仪器的特点，以及钻杆输送施工工艺的特点，研制了新型缓冲短节。该新型缓冲短节具有以前缓冲短节的缓冲功能，另外,新设计的支撑臂可将仪器遇阻后的直推力转化为支撑臂的扶正力，并将仪器撑向油气井中心以使仪器顶端脱离受阻点，而且直推力越大时其扶正力也越大。文章编号：2 0 9 6-0 0 7 7(2 0 2 3)0 5-0 0 1 2-0 42023年第9 卷第5 期张俊国：新型缓冲短节设计13图3扶正臂原始状态示意图主动臂头和从动臂头均采用不锈钢材料30 Cr13进行加工,热处理硬度为HRC45H RC 5 0,该硬度的材料具有较好的耐磨性。为了最大限度地减少磨损，在扶正1亲新型缓冲短节的结构新型缓冲短节主要由上盖帽、上接头、扶正臂座、从动臂、主动臂、保护套、大弹簧、导向胶锥、弹簧座、导向管、收臂弹簧、推杆、传动销和导向杆等零部件组成，如图1 所示。1.11213.141-上盖帽;2-上接头;3-扶正臂座;4-从动臂;5-主动臂;6-推盘座；7-耐磨套;8-大弹簧;9-导向胶锥;1 0-弹簧座;1 1-导向筒；12-收臂弹簧；1 3-推杆；1 4-传动销;1 5 导向杆。图1 新型缓冲短节结构示意图1.1新型缓冲短节工作原理当新型缓冲短节处于正常测井状态时，扶正臂（主动臂与从动臂合称)靠收臂弹簧的预压缩力收拢，大弹簧处于预压缩状态，伸缩行程为0 mm。当新型缓冲短节遇阻时，导向胶锥推动导向杆，大弹簧开始压缩。当遇阻较严重时，大弹簧持续压缩，将使导向杆左端面接触到推杆端面，此时导向杆推动推杆并使扶正臂张开，扶正臂张开的过程中可将测井仪器抬起，使导向胶锥顺利通过遇阻段，随后大弹簧与导向杆回位，,扶正臂在收臂弹簧与新型缓冲短节自重作用下回位。缓冲短节的最大伸缩行程2 5 0 mm,扶正臂最大张开角度（扶正臂两个铰接点连线与仪器轴向角度)为2 0,其最大扶正外径为192 mm。1.2亲新型缓冲短节扶正臂结构新型缓冲短节的扶正臂安装结构如图2 所示。从图2可见，主动臂和从动臂一端通过销子连接在一起，形成铰接点,另一端通过销子连接分别固定在推盘座和扶正臂座上,扶正臂座和推盘座安装在导向筒上,扶正臂下方的导向筒在主动臂和从动臂的铰接点处加工了凸起结构,以防止扶正臂卡在死点位置8 。扶正臂自然状态下张开角度为2，如图3所示。导向筒扶正臂座从动臂凸起处从动臂图2 扶正臂的结构示意图15臂右端设计了耐磨套（参见图1），耐磨套外径为105mm,耐磨套的最高点高于扶正臂最高点且能通过120 mm 的井段。1.3亲新型缓冲短节推杆推盘结构新型缓冲短节的推杆推盘结构如图4所示。从图4可见，推杆在导向杆的作用下向左产生位移，带动推杆销向左移动，从而使推盘座向左产生位移，推动主动臂带动从动臂张开，推杆行程为1 8 mm时达到最大扶正外径 1 9 2 mm,此时推杆销移动至限位孔的最左端并被限位。当仪器下端解除遇阻时，导向杆在大弹簧的作用下迅速回位,作用在推杆上的载荷降低至零,此时推杆在收臂弹簧和仪器自重的作用下回位并将扶正臂收拢。推杆销穿插在推盘座和推杆的固定孔中，上端用挡圈固定。弹簧座收臂弹簧主动臂推杆推盘座图4推杆推盘结构示意图2强弹簧与扶正臂受力计算与分析2.1大弹簧压缩力的计算根据技术指标要求,缓冲短节的最大伸缩行程为不小于2 0 0 mm,并且当压缩行程为2 0 0 mm时,其压缩力不小于5 0 0 0 N。大弹簧的各项技术指标参数为：当线径推盘座d=13 mm、中径 D=76 mm、刚度 k=29 N/mm、有效圈数n=22和自由高度H。=6 5 0 m m 时，其材料为60Si2CrVA。在本新型缓冲短节中其预压缩量为2 5 mm。由以上分析可知,伸缩行程为2 0 0 mm时,大弹簧压缩力F=kx=2 9（2 0 0+2 5）=6 5 2 5 N,其中x为大推杆销挡圈耐磨套限位槽14.弹簧总变形量。因而,大弹簧的压缩力符合新型缓冲短节的设计指标要求。2.2收臂弹簧的技术指标设计计算弹簧材料选用不锈钢材料1 Cr18Ni9,该材料的许用剪应力T，为5 33MPa。根据新型缓冲短节的内部空间结构尺寸,选取弹簧中径D=34mm、线径d=6mm和弹簧工作时的压缩量h=18 mm。新型缓冲短节收臂时需要收臂弹簧将其右端面的零件向右推到极限位置，克服右端面后边的零件所产生的摩擦力。其右边的零件总重量约为1 30 N,取摩擦系数为0.1 5,于是需要克服的摩擦力约为1 30 N0.15=19.5N。为防止仪器在运行中发生颤动，取其预压力F,=200N。收臂弹簧各参数的计算结果见表1 1 0 ：表1 收臂弹簧各参数的计算结果参数名称计算公式弹簧旋绕比C=D/d弹簧曲K=4C-1+0.615+4C-4度系数C弹簧极限Filim=工作载荷8KDF2=700 N 时_F2-F1=的弹簧刚度h弹簧所需Gd4n=有效圈数8Dkn=11 时的Gd4k=弹簧刚度8DnF弹簧预压缩量Ai=下手臂弹簧的42=4,+h最大压缩量弹簧最大工作压力从表1 的计算结果可知，最大工作压力小于极限工作载荷，收臂弹簧符合在新型缓冲短节有限的内部空间内提供足够的推力使扶正臂回位的要求，同时也符合在最大工作压力作用下不发生屈服的要求。2.3扶正所需推力计算新型缓冲短节在扶正过程中的力学模型可以等效为一个带曲柄滑块的二力杆结构,其力学模型如图5所示。五油管材与仪器L(20)图5 扶正过程中的力学模型在图5 中,F为推盘所受的推力,N;P为扶正力,N；为扶正臂张开角度。由汇交力系平衡理论可对推盘所受的推力F进行如下计算：PPF=cot2tan2当仪器在下井推进过程中遇阻严重时，扶正臂需克服仪器的自重将仪器抬起以使仪器顺利通过遇阻段，缓冲短节自重约为2 5 kg,缓冲短节上端所连仪器为四臂井径短节,考虑到井径臂对仪器有一定的支撑作用,故在此处P选用2 0 0 0 N。变量初值计算结果D=34 mm5.67d=6 mmC=5.67d=6 mmK=1.27D=34 mmF2=700 NF;=200 Nh=18 mmG=71 800 MPad=6 mmD=34 mmk=27.8 N/mmG=71 800 MPad=6 mmD=34 mmn=11Ff=200 Nk=26.9 N/mmA;=7.4 mmh=18 mmk=26.9 N/mmF2=k22 =2 5.4 m m2023年1 0 月+(2)PP由式(1)可知,推力F与扶正力P之间的关系为y=cot函数关系,其函数关系的曲线如图6 所示。从图6可见,在遇阻启动瞬间所需的推力F最大，而后随着扶1.27正臂逐渐张开，随之增大，因而所需推力逐渐减小。y=cot41 036 N27.8 N mm-110.6圈取整数为1 1 圈正力为 P=P/2=1 0 N,代人式(1)进行计算:F=-号26.9 N mm=12cot=500Ncot2=14318N。扶正仪器所需要的最大7.4 mm推力F=2F=28636N。此时仪器所受阻力需加上大弹簧的弹力和收臂弹簧的弹力，即Fm=F+Fm1+F%2=25.4 mm28636N+6525N+200N=35361N,上式中F弹为推杆接触推盘时大弹簧的压缩力，F弹2 为收臂弹簧起动前683.3 N的预压力。测井仪器串的最大抗压强度为8 0 kN,仪器遇阻时扶正臂启动所需最大阻力F阻小于最大抗压强度，符合设计指标要求。3新型缓冲短节的应用情况现在新型缓冲短节作为超高温测井仪器串的标准配件，已由胜利测井公司在山东、新疆和四川等油田进行了使用。在这些油田的使用结果表明,该新型缓冲短F(1)0220图6 y=cot函数图在仪器下放过程中有3个扶正臂紧贴井壁，当扶正臂开始启动时,按2 个臂受力计算,则每个臂所承受的扶()2023年第9 卷第5 期节具有较好的缓冲性能和脱阻性能，4结论1)新型缓冲短节符合大弹簧压缩行程2 0 0 mm时压缩力不小于5 0 0 0 N的缓冲要求，也符合当仪器受压达到系统指标之前自动将仪器推离遇阻区的功能要求。2)设计的新型缓冲短节具有原有缓冲短节的缓冲功能，新设计的扶正功能可使仪器遇阻后将其遇阻的阻力转化为扶正臂铰接点的扶正力，使扶正臂伸出将仪器推向井筒中心，达到自动脱阻的目的，提高了仪器测井过程的安全性。参考文献1田东兴.钻杆输送无电缆存储式测井系统研究及应用D.青岛：中国石油大学（华东）,2 0 1 6.2张正玉.泵出式测井系统在四川地区复杂井中的应用J.测井技术,2 0 1 2,36(4):42 6-430.张俊国：新型缓冲短节设计3】陈光辉，谭少军，覃劲杰，等.钻杆传输测井施工中仪器的安全防护J.石油仪器，2 0 1 0,2 4（4)：30-31.4】郭玉强,王丽莉.水平井扶正器设计与应用J.内蒙古石油化工,2 0 1 6,42(1 0):1 8 -2 0.5赵金秋,邵芳.八臂滚轮扶正器的设计J.石油仪器，2006,20(5):23 24,27.6】焦利明,陈江义.新型可调节扶正器设计J.石油管材与仪器,2 0 1 8,4(5):1 5-1 7.7刘明,李富平,徐飞，等.基于ABAQUS的整体式弹性扶正器设计方法研究J.石油矿场机械，2 0 1 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