微球聚焦測井儀推靠系統(tǒng)運動及動力性能

任濤 馮斌 張飛

摘 要：微球聚焦測井儀推靠系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于石油測井領(lǐng)域內(nèi)一種十分重要的輔助測井設(shè)備。隨著新時代背景下油田的測井作業(yè)要求，對測井推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)自身的運動及動力性能提出了更嚴(yán)格的要求。為準(zhǔn)確掌握微球極板在測井作業(yè)過程中的貼壁情況，保證微球聚焦測井的順利，高效進(jìn)行?，F(xiàn)從推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)自身運動平穩(wěn)性，機(jī)構(gòu)初始傳動角，極板推靠力等方面出發(fā)，應(yīng)用閉環(huán)矢量鏈法建立了推靠系統(tǒng)的運動及動力學(xué)數(shù)學(xué)模型與物理仿真模型，通過數(shù)值計算仿真與虛擬樣機(jī)仿真，對微球聚焦測井儀推靠系統(tǒng)的運動及動力性能進(jìn)行研究，揭示推靠系統(tǒng)的運動及動力規(guī)律，校驗所建立模型的正確性，并為推靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微球聚焦測井儀;推靠系統(tǒng);運動學(xué)分析;動力學(xué)仿真

中圖分類號：TE 94 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：As an important logging instrument widely used in the oil logging field， with the requirements of logging operation in oilfields in the new era， the pushing system of microsphere focusing logging tool has more stringent requirements are put forward for the movement and dynamic characteristics. In order to accurately master the adherence of microsphere plates in logging operation and ensure the smooth and efficient operation of microsphere focused logging. In this paper， an mathematical model and physical simulation model of the motion and dynamics are established by using the closed-loop vector chain method from the aspects of the motion stability of the pushing mechanism， the initial transmission angle of the mechanism and the pushing force of the polar plate. Through numerical simulation and virtual prototype simulation， the motion and dynamic characteristics of push system of microsphere focused logging tool are studied， revealed the motion and dynamic law of push system， verified the correctness of the model， and the basis is provided for the structural design and structural parameter optimization of push system.Key words：microsphere focusing logging tool;push system;kinematics analysis;dynamics simulation

0 引 言

球聚焦測井儀是石油測井領(lǐng)域內(nèi)一種十分重要的測井設(shè)備。微球推靠系統(tǒng)是安裝在測井儀上，輔助微球測井儀完成井下測井任務(wù)的輔助測井設(shè)備[1]。其作用機(jī)理如下：微球推靠系統(tǒng)通過電機(jī)驅(qū)動，可在井下實現(xiàn)推靠臂的張開動作，將安裝在推靠極板上的微球測試極板推送至貼靠井壁位置，并與井壁保持有一定的推靠力，以實現(xiàn)對地層井況參數(shù)的有效采集。測井完成后，推靠系統(tǒng)在電機(jī)驅(qū)動作用下，可以實現(xiàn)推靠臂的收攏閉合，使微球測井極板脫離井壁，并貼靠推靠主體保持聚攏狀態(tài)，以便保證測井儀器整體的上提回收。近年來，國內(nèi)針對測井儀推靠系統(tǒng)開展的理論與實踐研究較多，像楊柏青對單臂推靠器的力學(xué)性能進(jìn)行了探討分析[2]。通過對推靠器進(jìn)行受力分析，對影響推靠器的各因素進(jìn)行分析并對其存在的理論關(guān)系進(jìn)行研究，為設(shè)計出可靠的推靠系統(tǒng)建立了理論依據(jù)。受限于當(dāng)時的技術(shù)條件，其僅僅從靜力分析出發(fā)，未考慮推靠系統(tǒng)的動力參數(shù)，因此具有較大的局限性。王會來等關(guān)于新型測井儀推靠裝置的設(shè)計和分析[3];紀(jì)新福關(guān)于推靠器中多功能連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用[4];趙斌基于MATLAB的VSP測井儀推靠機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[5];邢家樂，劉立等應(yīng)用ADAMS運動仿真平臺，進(jìn)行了對新型VSP儀器推靠機(jī)構(gòu)的仿真與優(yōu)化等;取得了豐碩的成果[6]。

上述大多是偏向于工程應(yīng)用方面的研究，并且受限于當(dāng)時的技術(shù)背景，并未建立系統(tǒng)的理論分析及優(yōu)化模型，因而無法保證推靠系統(tǒng)的性能優(yōu)越性及工作穩(wěn)定性。無法準(zhǔn)確描述測井推靠系統(tǒng)的運動規(guī)律和真實的運動狀態(tài)，而推靠系統(tǒng)極板運動性能的好壞與測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性密切相關(guān)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)針對測井推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運動平穩(wěn)性，機(jī)構(gòu)初始傳動角，極板推靠力以及推靠系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面的系統(tǒng)性研究與工程實踐還不多見。根據(jù)新時代背景下的油田測井作業(yè)要求，并且從提高測井結(jié)果的可靠性，提高測井儀器工作的有效性、減少設(shè)備的運營及維修成本、提高測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性方面來說，有必要從推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運動平穩(wěn)性，機(jī)構(gòu)初始傳動角，極板推靠力以及推靠系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面入手，進(jìn)行深入的研究。

1 微球聚焦測井推靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型微球聚焦測井儀推靠系統(tǒng)主要機(jī)構(gòu)組成如圖1所示。由電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母副推動推力棒水平移動，推力棒上的連接桿連接推力棒與鏈接臂，將絲杠螺母副的直線運動傳遞給鏈接臂轉(zhuǎn)化為復(fù)合運動，鏈接臂推動推靠內(nèi)臂轉(zhuǎn)動，推靠內(nèi)臂帶動推靠極板、推靠上臂運動，推靠極板運動到位后，通過行程限位開關(guān)控制傳動系統(tǒng)自鎖裝置實施自鎖，電機(jī)停轉(zhuǎn)。儲能彈簧作為極板輔助控制機(jī)構(gòu)，在電機(jī)運轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行儲能，電機(jī)停機(jī)后，通過儲能彈簧來控制推靠極板的微調(diào)以規(guī)避井下巖壁的磕損。

1 電機(jī) 2 聯(lián)軸器 3 絲杠 4 套筒 5 絲杠螺母 6 傳動系統(tǒng)自鎖裝置 7 向心球軸承組 8 推力棒 9 中接頭 10 密封螺釘 11 支撐套 12 壓力帽 13 套環(huán) 14 連接桿 15 鏈接臂 16 推靠上臂 17 推靠極板 18 極板滑槽 19 推靠內(nèi)臂 20 儲能彈簧 21 止推塊 22 推靠主體

2 推靠系統(tǒng)運動學(xué)分析推靠傳動裝置在任意時刻的位置如圖2所示。

利用矩陣解析法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析，根據(jù)圖示列出機(jī)構(gòu)的封閉矢量位置方程。

2.1 系統(tǒng)的位置方程如圖2所示，各桿長矢量及角度位置參數(shù)如圖中標(biāo)注，這樣就形成由各桿矢量組成的2個封閉矢量多邊形[7-9]。即封閉矢量三角形CBAC和封閉矢量四邊形FEDCF.由矢量封閉三角形CBAC可得封閉矢量方程式

5 仿 真5.1 推靠系統(tǒng)仿真模型微球聚焦測井儀推靠系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)模型如圖12所示。推靠系統(tǒng)是貫穿在測井儀器串中下入井內(nèi)，儀器通過分布在測井儀各段的扶正器扶正，將測井儀的中軸線保持在井徑中心位置。當(dāng)測井儀下放到目標(biāo)測試段時，通過人為控制電機(jī)作用，使得推靠系統(tǒng)開始工作。由于該測井儀器測試對象為裸眼井，井內(nèi)巖壁未作處理，因此井內(nèi)局部區(qū)域可能會存在坑、洼區(qū)塊，從而造成區(qū)域井徑的突變。從而就給推靠系統(tǒng)帶來了不確定外部井徑約束[21-22]。除此之外，主要約束有柱銷滑槽副A在推靠主體上的移動副、柱銷滑槽副F在推靠極板滑槽上的移動副，絲杠螺母的螺旋副與圓柱副以及各連接處的鉸接副。

5.2 推靠系統(tǒng)運動及動力學(xué)仿真

5.2.1 推靠極板位移，速度，加速度仿真曲線

5.2.2 分析討論對比實例分析獲取的推靠極板運動規(guī)律曲線圖9與虛擬仿真模擬所得到的推靠極板運動曲線圖13～15可以發(fā)現(xiàn)推靠系統(tǒng)的位移軌跡曲線基本擬合，推靠系統(tǒng)的速度及加速度曲線兩者的分析結(jié)果有較大差別。理論分析的結(jié)果基本符合虛擬仿真結(jié)果，能夠正確反映出實際的運動軌跡與趨勢，但是在推靠極板度速度及加速度的線連續(xù)性方面，理論分析存在一些不足，沒有虛擬仿真結(jié)果平滑，對于造成數(shù)理分析曲線與模擬仿真差別的原因，這里分析有以下4個方面。一是由于在數(shù)理建模過程中，為分析方便將滾珠絲杠螺母用滑塊替代（將其旋轉(zhuǎn)推進(jìn)作用直接用滑塊的水平移動來替代）、柱銷滑槽副用鉸接點替代;二是在數(shù)理模型分析過程中，對于推靠系統(tǒng)的實際井下約束工況是無法保障的，而在物理仿真模擬過程中，則是按照真實的結(jié)構(gòu)原型以及真實的工況約束進(jìn)行實際的工作擬合;三是由于仿真模擬是連續(xù)的過程，而數(shù)理模型的求解是通過過程階段分析，通過分段點的參數(shù)固定來求解各桿件參數(shù)關(guān)系，相對于方仿真模擬的連續(xù)過程，這里的分析是離散化的;四是仿真曲線中的速度、加速度是在軟件自帶的內(nèi)置函數(shù)多次迭代下取得的，已對曲線進(jìn)行了光滑處理，而實際的數(shù)理模型分析則是在推靠系統(tǒng)的全運動周期中截斷選取，參照有限元分析的微元法，保證在所取的節(jié)段上滿足可導(dǎo)，連續(xù)，然后進(jìn)行曲線的整合分析輸出的結(jié)果。因此，兩者輸出的結(jié)果在曲線上存在一定的區(qū)別度。

6 結(jié) 論1）對比數(shù)理分析與仿真模擬曲線可以發(fā)現(xiàn)，拋開曲線的連續(xù)性及光滑度，單從推靠系統(tǒng)速度及加速度曲線的數(shù)值上分析，實例分析結(jié)果以及仿真結(jié)果有著相似的規(guī)律。首先從運動起始點開始，0～5 s的時段內(nèi)，仿真與數(shù)理分析的加速度曲線具有相似的變化趨勢，加速度曲線的跳動持續(xù)時間更長，幅度更大。但是，經(jīng)過這一時段之后，其加速度無論是數(shù)理分析結(jié)果亦或是虛擬仿真結(jié)果，都在圍繞0基準(zhǔn)線進(jìn)行靠攏。滿足推靠系統(tǒng)的實際工作情況。所以從整體軌跡輪廓上來看，兩者的結(jié)果是相互擬合的，驗證了推靠系統(tǒng)數(shù)理模型的合理性。

2）從推靠極板的運動特性仿真曲線中可以發(fā)現(xiàn)，其速度在整個運動過程是穩(wěn)步增加的，加速度也沒有大的跳動。而在數(shù)理模型的分析結(jié)果中，極板的速度，加速度都有較大的沖擊與跳動。說明柱銷滑槽副的連接方式，改善了推靠極板與井壁的貼靠過程，使得極板在整個推靠過程速度，加速度能夠保持平穩(wěn)，減小了極板貼靠井壁的剛性接觸為推靠系統(tǒng)帶來的沖擊與振動，延長了推靠系統(tǒng)的工作壽命，也保證了推靠系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性。證明了柱銷滑槽副對推靠系統(tǒng)運動狀態(tài)改善的有效性。

3）在推靠系統(tǒng)的工作行程內(nèi)，傳動角處于持續(xù)增大過程，但是初始傳動角較小，并且傳動角增速較慢，不利于推靠系統(tǒng)的力學(xué)性能傳遞。推靠極板的推靠力在0～10 s維穩(wěn)在較小的范圍內(nèi)，在10～15 s突變，這對于推靠系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性來說具有一定的沖擊，不利于推靠系統(tǒng)平穩(wěn)的工作。并且通過浮標(biāo)點發(fā)現(xiàn)推靠極板在貼合井壁時推靠力在211.9 N（期望推靠力240 N），未到達(dá)實際測井要求，從而可能導(dǎo)致安置于推靠極板上的微球極板不能緊密的貼合井壁，造成測井?dāng)?shù)據(jù)的失真，導(dǎo)致測井作業(yè)失效。因此，需要對推靠系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化處理，以改善其工作性能，保障測井準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 鮑忠利，于會媛，侯洪為.常見測井儀器推靠器結(jié)構(gòu)綜述[J].石油礦場機(jī)械，2010，39（5）：84-88.BAO Zhong-li，YU Hui-yuan，HOU Hong-wei.Sidewall contact device summary of common logging tool[J].Oil Field Equipment，2010，39（5）：84-88.

[2]楊柏青.單臂推靠器的力學(xué)探討[J].測井技術(shù)，1988，（5）：41-46，78.YANG Bo-qing.Mechanics in single-arm anchoring syotem[J].Well Logging Technology，1988，（5）：41-46，78.

[3]王會來，楊建璽，崔鳳奎，等.新型測井儀推靠裝置的設(shè)計和分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2009，29（2）：209-213.WANG Hui-lai，YANG Jian-xi，CUI Feng-kui，et al.Design and analysis of pushing device of a new logging instrument[J].Journal of Xi’an University of Science & Technology，2009，29（2）：209-213.

[4]紀(jì)新福.推靠器中多功能連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用[J].河南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，29（4）：46-48.JI Xin-fu.Design and practice of multifunctional linkage in propeller[J].Journal of Henan Normal University（Science and Technology Edition），2001，29（4）：46-48.

[5]趙 斌.基于MATLAB的VSP測井儀推靠機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].石油礦場機(jī)械，2008（6）：42-45.ZHAO Bin.Optimization design for VSP jogging tool of eccentering machinery based on MATLAB[J].Oil Field Equipment，2008（6）：42-45.

[6]邢家樂，劉 立.基于ADAMS的新型VSP儀器推靠機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2009，22（3）：75-78，82.XING Jia-le，LIU Li.Simulation and optimization for new type VSP logging tool eccentering machinery based on ADAMS[J].Journal of Petrochemical Universities，2009，22（3）：75-78，82.

[7]廖啟征.連桿機(jī)構(gòu)運動學(xué)幾何代數(shù)求解綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報，2010，33（4）：1-11.Liao Qi-zheng.Geometry algebra method for solving the kinematics of linkage mechanisms[J].Journal of Beijing University of Posts & Telecommunications，2010，33（4）：1-11.

[8]康輝梅，許怡赦，金 耀.伸縮臂叉裝車工作裝置運動學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計，2015，32（5）：39-42.KANG Hui-mei，XU Yi-she，JIN Yao.Kinematic analysis for working device of telehandler[J].Journal of Machine Design，2015，32（5）：39-42

[9]車仁煒，陸念力，周建成，等.套缸式高空作業(yè)車擺臂機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)綜合分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，44（1）：94-97.CHE Ren-wei，LU Nian-li，ZHOU Jian-cheng，et al.Mechanism analysis of the swing arm of telescopic cylindrical type aerial platform truck[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2012，44（1）：94-97.

[10]Shiakolas P S，Koladiya D，Kebrle J.On the optimum synthesis of six-bar linkages using differential evolution and the geometric centroid of precision positions technique[J].Mechanism and Machine Theory，2005，40（3）：319-335.

[11]Simionescu P A，Smith M R.Four-and six-bar function cognates and overconstrained mechanisms[J].Mechanism & Machine Theory，2001，36（8）：913-924.

[12]任 濤，孫 文.變參數(shù)四連桿機(jī)構(gòu)運動及動力性能研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2016（6）：96-99.REN Tao，SUN Wen.Study on the kinematic and dynamic performance of variable parameter four-bar linkage mechanism[J].Machinery Design & Manufacture，2016（6）：96-99.

[13]Foster D E，Pennock G R.A study of the instantaneous centers of velocity for the 3-dof planar six-bar linkage[J].Mechanism & Machine Theory，2011，46（9）：1276-1300.

[14]梁 磊，韓玉強.基于MATLAB平面多桿機(jī)構(gòu)的運動分析[J].機(jī)械傳動，2012，36（6）：59-61，68.LIANG Lei，HAN Yu-qiang.Motion analysis of planar multi-bar linkage based on MATLAB[J].Journal of Mechanical Transmission，2012，36（6）：59-61，68.

[15]徐梓斌.六桿機(jī)構(gòu)運動學(xué)仿真的MATLAB實現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2006，27（4）：617-618.XU Zi-bin.Implementation of six-bar mechanism kinematics simulation with MATLAB[J].Coal Mine Machinery，2006，27（4）：617-618.

[16]Pennock G R，Israr A.Kinematic analysis and synthesis of an adjustable six-bar linkage[J].Mechanism & Machine Theory，2009，44（2）：306-323.

[17]楊開平，史耀耀，王麗平.平面六桿機(jī)構(gòu)運動學(xué)仿真系統(tǒng)研究[J].計算機(jī)仿真，2011，28（5）：367-370，383.YANG Kai-ping，SHI Yao-yao，WANG Li-ping.Research on planar six-bar mechanism’s kinematics simulation system[J].Computer Simulation，2011，28（5）：367-370，383.

[18] 金國光，秦凱旋，魏 展，等.劍桿織機(jī)柔性從動件共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析[J].紡織學(xué)報，2016，37（5）：137-142.JIN Guo-guang，QIN Kai-xuan，WEI Zhan，et al.Dynamic analysis of flexible follower conjugate cam beating-up mechanism in rapier loom[J].Journal of Textile Research，2016，37（5）：137-142.

[19] 拓耀飛，李少宏.彈性連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析及其仿真[J].機(jī)械設(shè)計，2016（2）：35-38.TUO Yao-fei，LI Shao-hong.Research on the dynamic analysis and simulation of elastic linkage mechanism[J].Journal of Machine Design，2016（2）：35-38.

[20]吳慶鳴，賈 飛，楊 威.砌塊機(jī)振動裝置動力學(xué)仿真分析[J].中國機(jī)械工程，2008，19（18）：2185-2188.WU Qing-ming，JIA Fei，YANG Wei.Dynamics simulation analysis of the vibration device of block forming machine[J].China Mechanical Engineering，2008，19（18）：2185-2188.

[21]Mehdigholi H，Akbarnejad S.Optimization of watt’s six-bar linkage to generate straight and parallel leg motion[J].International Journal of Advanced Robotic Systems，2008，5（5）：1515-1521.

[22]Zhao J S，Yan Z F，Ye L.Design of planar four-bar linkage with n，specified positions for a flapping wing robot[J].Mechanism & Machine Theory，2014，82（24）：33-55.