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電纜式地層測試器推靠坐封裝置安全性設(shè)計

文檔作者：秦小飛馮永仁文檔來源：中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月13日
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制造業(yè)信息化
仿真/建模/Cd/Ca/C/A
電纜式地層測試器推靠坐封裝置安全性設(shè)計
秦小飛,馮永仁
(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院,河北燕郊065201)
摘要:介紹了電纜式地層測試器(EFDT)的工作原理和推靠坐封裝置,分析了地層測試器并下作業(yè)遇卡的安全性問
題EFDT推靠坐封裝置采用雙探頭和雙支撐臂結(jié)構(gòu),可進行放松電纜作業(yè),減小泥漿吸附電纜遇卡幾率。推靠坐封裝置
設(shè)計了自動解除坐封裝置,避免了EFDT在不受控狀態(tài)下遇卡風(fēng)險。EFDT在現(xiàn)場的成功應(yīng)用,驗證了推靠坐封裝置設(shè)
計的合理性和可靠性,對其他并下儀器作業(yè)安全性設(shè)計具有重要參考價值。
關(guān)鍵詞:地層測試器:EFDT;推靠坐封裝置:安全性設(shè)計
中圖分類號:TP6318
文獻標志碼:A文章編號:1002-2333(2014)03-0140-04
 Safety Design of Pushing Setting Device in Formation Tester EFDT
 QIN Xiaofei, FENG Yongren
 (Well-Tech R&amp;amp;D Institute, China Oilfield Services Limited, Yanjiao 065201, China)
 Abstract: The operational principle and p
 ng setting device of wireline formation tester EFDT are presen
 ted.The
 sticking problem in
 is analyzed. The pushing setting device of EFDT is designe
 be and backup. The sticking rate of mud absorbing is reduced by relaxing the cable. The sticking of
 king setting device under the uncontrolled condition of EFDT. The
 and reliability of the pushing&amp;amp; setting device design,and provide
 the reference for th
 Key words: formation tester: EFDT:
0引言
 Tester-M-mdt), Baker Hughes的油藏特性測儀 reservoi
電纜式地層測試器是一種集機械、液壓及電子等眾多 Charac
 Instrument-R-rci Halliburton的儲層描
專業(yè)技術(shù)為一體的測井儀器,完成復(fù)雜的地層壓力測量及述儀(Reservoir Description Tool--rdt)m我公司于2008
地層流體取樣功能。目前電纜式地層測試器已發(fā)展到以模年正式推出鉆井中途油氣層測試儀(Enhanced Formation
塊化和循環(huán)泵抽式技術(shù)為代表的階段,如 Schlumberger Dynamic Tester--fdt)x,達到了電纜式地層測試器的世
模塊式動態(tài)電纜地層測試儀(Modular Forimatlon Dy
界先進水平。最新一代地層測試器在探測器、探測方式、
基金項目:國家科技重大專項課題(2011ZX05020-003)
模塊組合方式、解釋方法等方面有了較大的改進,性能顯
跟蹤器的重量。2)盡量減小搜索雷達方位軸與跟蹤雷達
方位軸之間的距離,以減小搜索雷達機箱的不平衡對跟
蹤方位精度的影響。3)增加跟蹤雷達方位傳動鏈的剛性
例如,可采用力矩電機直接驅(qū)動,方位軸承選用具有預(yù)緊
力的交叉滾子軸承等。
4結(jié)語
多傳動軸結(jié)構(gòu)在雷達或武器系統(tǒng)中都會遇到,如果
不能進行很好的動平衡設(shè)計,將影響系統(tǒng)的精度及可靠
性。隨著我所雷達應(yīng)用范圍的不斷擴大,雷達的動平衡問
圖5有限元模型圖
題將會越來越突出,例如對于機載雷達,艦載雷達等。所
其等效成力偶的形式進行施加,采用 ANSYS軟件中的靜以我們必須盡快提高雷達動平衡的設(shè)計及測試水平
力分析進行仿真計算。
參考文獻]
3工程解決方法
1]王長武,顧吉豐陳煥濱大型四點接觸球軸承的有限元模型研
從工程上考慮主要有以下解決方法:1)對搜索雷達
究[]電子機械工程,2004,26(2):68-70.(編輯天)
機箱進行動平衡設(shè)計,對光電跟蹤單元跟蹤電子箱及跟作者簡介:王飛朝(1978-),男,高級工程師,碩士,研究方向為雷達
蹤天線、跟蹤信處頻綜組合機箱進行靜平衡設(shè)計,對整個
工程及電子機械技術(shù)。
跟蹤器盡量做到靜平衡。在進行平衡設(shè)計時應(yīng)考慮整個收稿日期:2013-11-28
1401機械工程師2014年第3期
制造業(yè)信息化
仿真/建模/CAD/CAM/CAE/CAPP
著增強。電纜式地層測試器由于儀器自身結(jié)構(gòu)和作業(yè)環(huán)
 F=
(4)
境因素,容易導(dǎo)致作業(yè)遇卡,EFDT推靠坐封裝置基于安假設(shè)測試儀在井壁中滑動產(chǎn)生的滑動摩擦力為
全性設(shè)計,降低了作業(yè)時遇卡幾率。
 FafFa
(5)
1地層測試器遇卡因素分析
式中,為滑動摩擦系數(shù)。
地層測試器的推靠坐封裝置依靠液壓推力將坐封探當F+F>G時,測試儀能在不受電纜張力的情況下自
頭和支撐臂推出,接觸井壁形成坐封,完成地層壓力測量行穩(wěn)定居中。此時測試儀在靜摩擦力浮力和測試儀重力
和地層流體取樣功能。液壓系統(tǒng)依靠儀器的電路控制系統(tǒng)下保持平衡。
進行控制,包括地面控制系統(tǒng)、電纜傳輸及儀器電路控制當F+FG時,測試儀不能松開電纜
系統(tǒng)。如電路控制系統(tǒng)在掉電或控制系統(tǒng)失控情況下,有
測試儀以系統(tǒng)壓力坐封時,由式(1)-式(3)得測試儀
可能造成推靠坐封裝置無法解鎖坐封而導(dǎo)致儀器遇卡。垂直井壁方向綜合作用力F,再由式(5)得滑動摩擦力F
地層測試器作業(yè)一般耗時長達數(shù)十小時,在某一個為21000N由式(4)得地層流體對測試儀產(chǎn)生的浮力F
目標地層點位,作業(yè)長達數(shù)小時地層測試器長時間固定為1470N,儀器自重G為10000N,則F+F>G,故測試
不動,如電纜一直保持張力,拉著儀器保持不動,則泥漿儀能在不受電纜張力情況下將整套儀器穩(wěn)定居中。此時
容易吸附電纜造成吸附卡。地層測試器測試時,由于地層測試儀在靜摩擦力浮力和重力下保持力平衡。儀器的摩
工作制度以及儀器本身的結(jié)構(gòu)等因素,常擦力和浮力F大于儀器自重G的2倍,即在安全系數(shù)
會造成測試器等在井下出現(xiàn)安全故障問題,如地層測試2時,EDT能放松電纜進行作業(yè)
器或者電纜等在井下被卡住,必須中斷測試,進行儀器打
3)EFDT推靠坐封裝置強度分析。EFDT放松電纜進
撈,從而增加了測試成本,影響了測試工作的正常進行。行作業(yè)時,坐封探頭和支撐臂受到的剪切力最大,因此需
因此地層測試器推靠坐封裝置的安全性和可靠性,對地要校核推靠裝置的結(jié)構(gòu)強度選取EFDT推靠裝置中受
層測試器的正常作業(yè)影響巨大。
力最大、結(jié)構(gòu)最薄弱的支撐臂二級推桿進行理論強度計
2EFDT安全性設(shè)計
算。EFDT坐封時,產(chǎn)生靜摩擦平衡力,如圖1所示,單個
2.1EFDT放松電纜作業(yè)設(shè)計
支撐臂產(chǎn)生的靜摩擦力為f,單個坐封探頭產(chǎn)生的靜摩
針對地層測試器長時間作業(yè)時容易造成泥漿吸附電擦力為f,由力及力矩平衡得:
纜的問題,EFDT進行了放松電纜作業(yè)設(shè)計,在作業(yè)時適
 fLi=
(6)
時放松并活動一下電纜,有效地防止了泥漿吸附電纜。
L1+L2
D
(7)
1)EFDT推靠坐封裝置結(jié)構(gòu)。EFDT的推靠坐封裝置
 fi+f=G-Fro
(8)
由雙坐封探頭和雙支撐臂組成。坐封探頭由活塞桿及套在
式(6)式(7)中,L1為支撐臂伸出最大臂長,L2為坐
活塞桿頂端的橡膠蓋組成,當探頭推靠井壁時,橡膠變形封探頭伸出最大臂長,D為井眼直徑
并緊密貼住井壁,將橡膠蓋中間部分與井中液體分隔開
當支撐臂完全伸出時,支撐臂與基體接觸點所受力
并形成密封。測試儀在下工作時,由內(nèi)部的液壓系統(tǒng)提為最大。由式(6)-式(8)計算出支撐臂所受最大靜摩擦
供液壓力,推動坐封探頭及支撐臂從測試儀基體中伸出,力。由力矩和彎矩平衡可計算出支撐臂的力矩與彎矩
緊緊靠住井壁(圖1),完成地層測試功能,液壓系統(tǒng)將坐此時支撐臂受力最大為4866.2N(圖2)。A點為支撐臂
封探頭及支撐臂收回,與井壁接觸點,B、C點為支撐臂與基體接觸點。支撐臂所
再上提或下放儀器。受的最大彎矩為243Nm(圖3)
2)EFDT放松電
FN1678
纜作業(yè)分析。如圖1所
示,測試儀提供的液壓
系統(tǒng)壓力為P,支撐臂
4866
的有效作用面積為S1
探頭的有效作用面積
M/(Nm)243
為S2,測試儀器的重量
圖2EFDT坐封時支撐圖3EFDT坐封時支撐臂
圖1EFDT推靠坐封受力示意圖為G。地層流體對
臂受力示意圖
力矩及彎矩示意圖
EFDT儀器產(chǎn)生的浮力為F,測試儀坐封時支撐臂對井壁EFDT在放松電纜作業(yè)時,根據(jù)坐封時支撐臂所受的
產(chǎn)生的垂直井壁方向作用力為F1,探頭對井壁產(chǎn)生的垂最大力矩和彎矩,得出測試儀松開電纜坐封時,支撐臂的
直井壁方向作用力為F2,測試儀坐封時對井壁產(chǎn)生的垂最大剪切應(yīng)力為11.5MPa,遠小于TC6材料200℃時的
直井壁方向綜合作用力為F,則有:
許用剪切應(yīng)力294MPa。
=.
(1)4)EFDT推靠坐封裝置有限元分析。推靠坐封裝置強
=PS2.
(2)度分析簡化了支撐臂活塞桿的受力,有限元分析將支撐
F=2(F+F2)
(3)臂活塞桿受到的液壓推力加入負載,更全面地分析支撐
機械工程師2014年第3期141
制造業(yè)信息化
仿真/建/CAD/CAM/CAE/CAPP
臂活塞桿受時,也對蓄能器6進行充壓,保證蓄能器6始終儲存高壓
到的綜合應(yīng)液壓油。當EFDT系統(tǒng)掉電時,所有電磁閥均不得電,常
力。支撐臂活開電磁閥5不得電,處于常開位置,連通探頭1和支撐臂
塞桿主要受2收回腔和蓄能器6高壓輸出端支撐臂2的伸
儀器自重對出腔經(jīng)電磁閥3連通液壓系統(tǒng)回油管路,蓄能器6內(nèi)的
其產(chǎn)生方向高壓液壓油將雙探頭1和雙支撐臂2解除坐封并收回。
圖4支撐臂活塞桿和頂蓋模型負載和約束向下的推力,蓄能器采用儲能彈簧加活塞結(jié)構(gòu)形式,高壓液壓油
及儀器內(nèi)部液壓系統(tǒng)對活塞桿端面產(chǎn)生的推力。為方便推動活塞,壓縮儲能彈簧到一定位置,儲存一定體積的高
有限元分析,假定頂蓋與井壁接觸面為固定面,儀器自重壓液壓油,用于緊急情況下收回推靠坐封裝置的雙探頭
產(chǎn)生的推力均勻施加在活塞桿的密封端面上(圖4)。和雙支撐。儲能彈簧選用碟型彈簧,碟形彈簧常用金屬
對支撐臂活塞桿和頂蓋進行有限元分析,得到應(yīng)力云圖鋼帶、鋼板或鍛造坯料加工成型,是一種剛度大、具有變
及位移云圖(圖5)。按第四強度理論,活塞桿和頂蓋局部最剛度特性的截錐形彈簧3
高等效應(yīng)力約為460MPa,遠小于材料TC6在20℃高溫時3安全性設(shè)計實驗驗證
的許用應(yīng)力735MPa,最大位移約為0.042mm,滿足工程要3.1放松電纜作業(yè)實驗
求。通過有限元分析,表明活塞桿及頂蓋滿足設(shè)計要求。
1)推靠坐封實驗
裝置設(shè)計。為驗證5中6
EFDT放松電纜作業(yè)
7
的可靠性,設(shè)計了
個推靠坐封實驗裝
置,模擬測試儀放松
電纜作業(yè)場景(圖2
圖5支撐臂活塞桿和頂蓋應(yīng)力云圖和位移云圖7)。支撐架10支撐起
10
2.2EFDT自動解除推靠坐封設(shè)計
模擬眼套筒2,坐
為解決地層測試器在井下作業(yè)時推靠坐封無法解除封實驗基體9內(nèi)集成圖7推靠坐封實驗裝置示意圖
而遇卡的情況,EFDT設(shè)計了自動解除推靠坐封裝置。了雙探頭8和雙支撐1.下底板2模擬井眼套筒3支撐
EFDT推靠坐封裝置液壓系統(tǒng)(圖6)設(shè)計中,采用蓄能器臂3,張開雙探頭8臂4.拉力桿5.鎖緊螺母6.上蓋
6儲存高壓液壓油提供緊急解除坐封收回液壓力。常閉和支撐臂3,與模擬板7.液壓缸8.探頭9推靠坐封
電磁閥3和常開電磁閥5通電,常閉電磁閥7不通電,高井眼套筒2充分接觸實驗基體10支撐座
壓液壓油經(jīng)單向閥4和電磁閥3進入推靠坐封裝置雙探形成坐封。坐封實驗基體上方放置一液壓缸7,由下底板
頭1和雙支撐臂2的伸出腔,雙探頭1和雙支撐臂2的1、上蓋板6、鎖緊螺母5及拉力桿4組成的固定裝置,限
收回腔經(jīng)過電磁閥5,連通液壓系統(tǒng)回油管路,液壓系統(tǒng)制液壓缸、坐封實驗基體垂直方向的移動通過液壓缸
高壓油將雙探頭和支撐臂推出,接觸井壁并形成坐封。雙活塞桿伸出的推力,對坐封實驗基體施加負載,獲
得數(shù)倍
探頭和雙支撐臂需要收回時,常閉電磁閥3和常開電磁于測試儀重量的載荷,模擬EFDT井下放松電纜推靠坐
閥5不通電,常閉電磁閥7通電,高壓液壓油經(jīng)電磁閥7、封作業(yè),檢驗探頭和支撐臂設(shè)計的可靠性。
單向閥8和電磁閥5,進入雙探頭和雙支撐臂的收回腔,坐封實驗裝置液壓系統(tǒng)(圖8)設(shè)計中,雙探頭和雙支
雙探頭1和雙支撐臂2的伸出腔經(jīng)過電磁閥3,連通液壓撐臂的張開、收回主要由手動打壓泵1配合相關(guān)電磁閥
系統(tǒng)回油管路,液壓系統(tǒng)高壓油將雙探頭和雙支撐臂收及截止閥來完成。電磁閥4得電,電磁閥6處于常位,通
4
回。蓄能器6的高壓輸出端連通到單向閥8出口和電磁過手動打壓閥,可張開雙探頭和雙支撐臂,壓力表7顯示
閥5的入口之間,液壓系統(tǒng)收回探頭1和支撐臂2的同張開路壓力。當探頭和支撐臂與套筒接觸后,張開路壓力
B22
申4
圖6EFDT推靠坐封裝置液壓原理圖
圖8推靠坐封實驗裝置液壓原理圖
1探頭2.支撐臂3,7常閉電磁閥4單向閥
1.手動打壓泵2溢流閥3壓力表4常閉電磁閥
5.常開電磁閥6蓄能器8單向閥
閥7.壓力表
5.單向閥6.常開電磁閥7
8截止閥
142機械工程師2014年第3期
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仿真/建模/cad/am/ae/APP
開始上升,可以獲得30MPa以下的任意張開壓力值。斷
1135
開電磁閥4,實現(xiàn)張開路保壓。通過液壓缸打壓,即可對
1130
基體施加負載,模擬放松電纜作業(yè)實驗。液壓缸加載的負
1125
載和壓力關(guān)系為:
 Fe=P.
(9)1120
式中,F為液壓缸施加推靠坐封實驗基體負載,P為液壓
缸加壓壓力,S為-液壓缸活塞有效作用面積。
11.10
1105
2)實驗測試。使用兩種規(guī)格的探頭和支撐臂,分別做
02004006008001000
不同負載下的支撐實驗。圖9所示為小型探頭和支撐臂支
時間
圖12小型探頭和支撐臂支撐位移變化
撐負載隨時間的變化,分別施加了1000kg、1500kg及
2000kg負載,相當于液壓壓力約為6.03MPa、9.04MPa裝置進行自動解除坐封功能測試由蓄能器單獨提供收回
及12.05MPa,時間長達26h實驗基體在支撐實驗中,位壓力,3min后雙探頭和支撐臂完全收回。對另一套推靠坐
置會有微小的變化,在0.1mm的范圍之內(nèi)(圖10)整個封裝置進行自動解除坐封功能測試,5min后雙探頭和雙
實驗裝置的自動調(diào)整會導(dǎo)致液壓壓力有所變化,圖9中支撐臂也完全收回。這是由于不同的推靠坐封裝置滑動
反映了這一現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明小型探頭和支撐臂,在安密封圈與基體的摩擦力不同,導(dǎo)致收回速度不一致,從而
全系數(shù)為2的情況下,能滿足EFDT放松電纜作業(yè)要求。產(chǎn)生的收回時間有所差別。在發(fā)生通信中斷等緊急情況下,
給蓄能器充分收回雙探頭和雙支撐臂的時間,如15min
或更長,待充分收回雙探頭和雙支撐臂后再上提儀器。
4結(jié)語
 EFDT進行商業(yè)化作業(yè)服務(wù),作業(yè)區(qū)域涉及中國海
出
上及陸地、緬甸、印尼、伊拉克、阿聯(lián)酋等技術(shù)服務(wù)市場。
EFDT累計測井50余井次,測量地層壓力1200余點,取
得合格地層流體樣品90余個。現(xiàn)場良好的應(yīng)用效果,驗
200400600800100012001400160
時間/min
證了EFDT儀器的可靠性和穩(wěn)定性。
圖9小型探頭和支撐臂支撐負載變化
1)理論設(shè)計手段保證穩(wěn)定性和可靠性。通過EFDT
1112
推靠坐封裝置機構(gòu)設(shè)計、強度校核、有限元分析等理論設(shè)
計,保證了推靠坐封裝置的穩(wěn)定性和可靠性。
11.08
2)合理的推靠坐封機構(gòu)提高穩(wěn)定性和可靠性。EFD
11.06
推靠坐封裝置的雙探頭和雙支撐臂機構(gòu),可進行放松電
11.02
纜測井,減小泥漿吸附電纜遇卡幾率。推靠坐封裝置的自
動解除坐封裝置,能自動收回雙探頭和雙支撐臂,避免了
1098200000160
EFDT在不受控狀態(tài)下遇卡風(fēng)險。
時間in
3)EFDT推靠坐封裝置的成功開發(fā)及應(yīng)用,對其他井
圖10小型探頭和支撐臂支撐位移變化
推
的成
下儀器,特別是帶有推靠裝置井下儀器的作業(yè)安全性設(shè)
圖11所示為大型探頭和支撐臂施加負載隨時間的計具有重要參考價值。(考文獻
變化,所加負載與小型探頭和支撐臂相同,時間長達16h
實驗現(xiàn)象、結(jié)果類似。液壓壓力有較小變化,實驗基體位[1]高翔,白曉捷,賈,等電纜地層測試器的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨
勢[]西部探礦工程,2010(10):109-111
移很小,在0.3mm的范圍之內(nèi)(圖12)。實驗結(jié)果表明大2]尤國平馮仁精密數(shù)字泵抽在電纜地層測試器中的應(yīng)用
型探頭和支撐臂,在安全系數(shù)為2的情況下,能滿足
測井技術(shù),2008,32(3):263-266
EFDT放松電纜作業(yè)要求。
[3]周明高,劉書民,馮永仁,等井中途油氣層測試儀(FCT)研究
進展及其應(yīng)用[J]測井技術(shù),2008,32(1):72-75.
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問題[]石油鉆采工藝,2006.28(6):78-80
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200400
6008001000
2000:208-210
(編輯昊天)
時間
圖11小型探頭和支撐臂支撐負載變化
作者簡介:秦小飛(1981),男,高級工程師,碩士研究生,從事測井
3.2自動解除坐封實驗
儀器研發(fā)工作
采用最小規(guī)格雙探頭和雙支撐臂,對EFDT推靠坐封收稿日期:2013-11-29
機械工程師2014年第3期143

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