划船型连续管井下牵引器初步原理设计和可行性分析

2012-07-05黄满

科技传播 2012年3期

关键词：牵引器凸轮水轮机

黄满

中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉 430070

0 引言

连续管钻井开始于上世纪90年代，到目前为止，全世界使用连续管钻井7000余口，且每年增加750～850。连续管钻井降阻减磨的方法之一是使用井下牵引器。

1 现存牵引器简介

目前市场上主要有三家公司提供井下牵引器。Welltec公司的井下牵引器：牵引器由上下连接短节，涡轮发电机和轮子组成。轮子可以从体内展开，接处井壁，并自动转动，带动连续管向前运动。Western Well Tool公司的井下牵引器：牵引器由控制组件和前后轴组件构成。前后轴组件相互配合，可以实现牵引器循环向前涌动，实现牵引器对连续管的牵引作用。

2 划船型牵引器

受划船动作的启发，设计了一种结构简单、维护方便的井下牵引器，牵引动作由类似于划船的动作组成。结构如图1。图中内杆4、压紧弹簧5、回复弹簧6、支撑板7和外套8组成一组“划船”机构，沿外壳圆周可以安装多组“划船”机构，从而实现牵引器与井壁的多点接触和增强牵引效果。

外壳1的作用是与上部的连续杆和下部的钻具组合相连接，保护壳内的机构。外套2与内杆相互作用，内槽是其核心构成。其径向内表面和轴向内表面与内杆4的一端相接处。径向内表面使内杆在径向做往复运动。轴向内表面对内杆4施加轴向的力，该力对支撑板7与外套8的接触点的力矩使内杆4有转动的趋势，内杆4与外套8相互作用，使外套8在压紧井壁的同时，有相对井壁滑动的趋势，产生摩擦力。井壁对外套8的力使牵引器向前运动。简易水轮机3当钻井液流过时，水轮机会产生转动，带动凸轮机构转动。是整个机构的动力源。内杆4与凸轮机构相互配合，获得径向的往复运动和轴向类似于划船的动作。并传递给外套8。筒内弹簧5一端与外套8连接，一端与内杆4连接，劲度系数比回复弹簧6大许多。当外套8被推出外壳1，而且外壳1外表面与井壁间间隙比较小，此时筒内弹簧压缩，使外套外端面压紧井壁。回复弹簧6与支撑板7和外套8相连接，当外套8的推出行程结束，回复弹簧将外套压回内壳。外套8与内杆4相连接，使内杆的一端压在凸轮机构内表面上不致脱落。其劲度系数比筒内弹簧小很多。支撑板7与外壳相配合接触，其内侧有小突起，与外套8两侧的凹槽小配合，起到给外套8导向和转动支撑点的作用。其与外套8之间的间隙用密封材料堵紧。外套8有圆柱形内腔，筒内弹簧6和内杆4插入其中。两侧的凹槽与支撑板7相配合，起到导向和作旋转的支撑点的作用。

3 工作原理

钻井液从牵引器内流过，水轮机在与钻井液的作用下，产生转动，从而带动凸轮机构转动。凸轮机构与内杆相互作用，使内杆产生径向的往复运动和轴向的类似于划船的运动。内杆与外套通过筒内弹簧连接。外套与支撑板通过凹槽和小突起的配合连接，其间还连接有回复弹簧。内杆使外套压紧井壁的同时沿轴向滑动，井壁与外套外端面相接触，井壁作用于外套外端面的力使牵引器向前运动，从而使牵引器具有牵引作用。外套能够滑动是因为支撑杆上的突起和外套两侧凹槽的配合起点支撑作用，并且凸轮机构在内杆上作用有产生转矩的力而产生类似杠杆的运动过程，即外套的像划船一样滑动。

图3 外套伸出外壳并做划船运动

4 可行性分析

尺寸的可行性：外壳1的外径79.4mm，内径75mm，“划船”机构各组件尺寸：内杆长18mm，直径6mm；外套长23mm，外套内孔深19mm，孔径8mm，外端面正方形15mm*15mm，两侧凹槽深2mm，两端半圆心距12mm，半圆直径2mm；内筒弹簧长14mm，直径5mm；支撑板内侧突起2.2mm，直径1.8mm。根据上述尺寸计算得，外套伸出外壳外表面的最大长度外12mm。有上述可知径向尺寸都满足设计要求，对于钻井工具井内设备，最为关键的就是径向尺寸，所以可以得出本设计的尺寸要求能够满足的结论。

力学可行性：为了简化分析过程，假设外套伸出过程中径向不受阻力，则作用在凸轮上的力有水轮机的力矩M和内杆与凸轮凹槽上表面的作用力沿切线方向的分量Fx则对轴的中心线有：M=Fx*R （1式）(R为凸轮上表面与内杆接触点到轴的中心线的距离)；Fy*x1-f*x2=0 （2式）（x1为内杆断面与外套支点的距离，x2为外套断面与外套支点的距离，令Fy=Fx，f为井壁对外套断面的力），则有f=（M*x1）/（R*x2）其中 M=p*Q*v2*r2-p*Q*v1*r1式中第一项为水轮机中流出转轮内缘的动量矩，后一项为水轮机中流进转轮外缘的动量矩，p为钻井液密度，Q为钻井液流量。得f=[p*Q(v2*r2-v1*r1)*x1]/(R*x2)此式即为井壁对单组“划船”机构的作用力近似表达式，通过钻井液的调配和凸轮机构的优化设计，可以得到更合理的牵引力。