TRHW爬行器井下儀故障分析與解決

潘明宇，姚勁松，潘為之

(中國石油集團測井有限公司吉林分公司 吉林 松原 138000)

0 引 言

隨著水平井鉆井技術(shù)的不斷提高，水平井?dāng)?shù)量越來越多。與直井相比，水平井具有泄油面積大，開采效果好的特點，在油田勘探開發(fā)中具有明顯優(yōu)勢。目前水平井測井施工工藝主要有以下三種傳輸方式。

鉆具傳輸[1]：需要與井隊配合，使電纜和鉆具下放同步，一旦不同步會出現(xiàn)兩種情況：一是絞車電纜下放過快，鉆具下放慢，電纜打結(jié)；二是鉆具下放快，拉伸電纜甚至拉斷電纜。

油管傳輸：需要采油作業(yè)隊配合，傳輸時間較長，測井成本較高，不能時時監(jiān)測測井資料，在地面采集有時無數(shù)據(jù)或丟部分數(shù)據(jù)，耽誤測井時間。

爬行器傳輸：與前面兩種水平井測井工藝相比，不需要其他作業(yè)隊配合，縮短了占井時間，提高了測井時效，而且安全可靠，是目前使用較多的水平井測試工藝[2]。

爬行器井下儀在國內(nèi)各大油田都有廣泛應(yīng)用，去年僅在長慶油田一個項目部使用頻次就達到千口井左右。由于其性價比高，通常是甲方必選的測井施工工藝。維修人員通過對爬行器工作原理的學(xué)習(xí)，在維修過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，可以為爬行器在井下順利工作提供可靠保障。

1 爬行器組成及工作原理簡介

1.1 爬行器地面儀組成及工作原理

TRHW爬行器主要包括地面系統(tǒng)和井下儀兩部分。地面控制系統(tǒng)由計算機、TDK直流電源、調(diào)制解調(diào)板、網(wǎng)絡(luò)Lan接口板、主控制板組成。地面系統(tǒng)如圖1所示，其中TDK直流電源作為爬行器井下儀的供電電源，可以人工手動調(diào)節(jié)，也可以通過計算機程控。計算機通過modem將控制指令發(fā)往井下儀器，可以對程控直流電源發(fā)出電壓調(diào)節(jié)指令，設(shè)定電流最大限定值，也可以接收井下儀器上傳數(shù)據(jù)，接收程控直流電源返回的工作電壓、工作電流等參數(shù)。

圖1 爬行器地面系統(tǒng)框圖

1.2 爬行器井下儀組成及工作原理

爬行器井下儀包括電子線路、推靠短節(jié)、驅(qū)動短節(jié)(一般3節(jié))、扶正器短節(jié)(一般4節(jié))、穩(wěn)壓短節(jié)[2]，爬行器井下儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。測井時井下儀器連接順序一般為：馬龍頭+旋轉(zhuǎn)+扶正器1#+爬行器線路+扶正器2#+爬行器驅(qū)動短節(jié)+扶正器3#+測井儀器+扶正器4#。測井儀器可配接常規(guī)三樣儀器(三參數(shù)+伽馬+磁定位+聲幅變密度)，也可配接偶極子、補償中子、八扇區(qū)聲波變密度等儀器[3]。

圖2 爬行器井下儀結(jié)構(gòu)示意圖

首先爬行器的電路短節(jié)與地面系統(tǒng)建立通訊后，接收執(zhí)行地面下發(fā)的電磁閥關(guān)閉命令，由推靠短節(jié)的液壓泵提供動力從油箱抽油，泵入活塞缸體并推動活塞驅(qū)動撐臂撐開(壓力大小由地面控制)。其次地面下發(fā)命令啟動驅(qū)動短節(jié)內(nèi)部三相電機帶動傳動機構(gòu)使爬行輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的方向和轉(zhuǎn)速均由地面軟件控制。儀器支撐臂撐開后，多余的液壓油進入穩(wěn)壓短節(jié)，穩(wěn)壓短節(jié)作用主要減少儀器受溫度、井液壓力等因素的影響，保持內(nèi)部液壓系統(tǒng)的壓力基本穩(wěn)定。扶正器短節(jié)主要保證儀器在井下套管內(nèi)居中，減少儀器在爬行過程中與套管的摩擦力。

2 爬行器故障現(xiàn)象判斷分析

2.1 機械故障

爬行器在打壓撐臂后，長時間使用會導(dǎo)致受力部位受損，主要涉及各類齒輪、軸承、銷子等機械部件。

2.1.1 故障1

爬行器在水平段爬行50 m后，電流增大無法爬行。檢查發(fā)現(xiàn)，第一驅(qū)動輪半支撐狀態(tài)，爬行輪沒有完全收回。拆卸驅(qū)動輪轉(zhuǎn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)爬行輪磨損嚴重，內(nèi)部小星齒及固定柱損壞，軸承損壞，爬行輪磨損狀況如圖3所示。更換磨損爬行輪及內(nèi)部星齒后，軸承后驅(qū)動輪開收自如，三節(jié)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)正常。

圖3 爬行輪磨損狀況圖

原因分析：個別小隊接觸爬行器時間短，對爬行器操作流程不熟悉。在剛使用時沒有安裝4#滾輪扶正器，并在爬行器爬行時打壓至8 MPa，導(dǎo)致爬行器推動測井儀器爬行時，摩擦阻力增大，其中第一驅(qū)動輪承受的阻力最大，超出其承力范圍，電機電流增大，第一驅(qū)動傳動機構(gòu)受損嚴重。

解決辦法：及時與小隊操作人員溝通。正常爬行時加壓4～5 MPa。遇到阻力或障礙物時，適當(dāng)降低壓力，增大電壓，增加驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速?；蛘叻聪蝌?qū)動一段距離后再正向爬行，不要讓爬行器滿負荷受力。

2.1.2 故障2

爬行器下到目的層后電流增大，無法建立通訊。檢查發(fā)現(xiàn)，2#扶正器灌入泥漿，導(dǎo)致23芯(與1#扶正器2，5，6供電芯連接)絕緣降低，供電后供電芯與儀器外殼短路，使電流增大，出現(xiàn)高壓打火痕跡。

原因分析：2#扶正器由頂絲頂住滾珠入溝槽固定貫通線絕緣密封，2#扶正器密封設(shè)計如圖4所示。這種設(shè)計密封段存在相對運動，造成密封圈破損導(dǎo)致泥漿進入內(nèi)部貫通線，使絕緣降低，加電后電流增大。

圖4 2#扶正器密封設(shè)計

解決辦法：建議廠家重新設(shè)計或者修改密封結(jié)構(gòu)。儀修人員每次都要檢查扶正器貫通線各芯之間和各芯與地之間絕緣(大于500 MΩ),發(fā)現(xiàn)問題及時維修。

2.1.3 故障3

地面配接爬行器時電流大。檢查發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓短節(jié)內(nèi)補碟簧連接處有拆卸痕跡，并有漏油現(xiàn)象。用數(shù)字表測量穩(wěn)壓短節(jié)1～7芯對地電阻只有幾歐。拆卸后發(fā)現(xiàn)貫通線擰勁破損，與外殼短路電流增大。重新更換穩(wěn)壓短節(jié)貫通線并注油后，爬行器工作正常。

原因分析：小隊對爬行器機械結(jié)構(gòu)不熟悉，配接時誤操作。

解決辦法：儀修人員及時提醒小隊井口人員安裝的注意事項。在穩(wěn)壓短節(jié)連接處增加警示標(biāo)志(纏高壓膠，纏繞扎帶等)，以后沒有出現(xiàn)同樣錯誤。

2.2 電路故障

爬行器井下儀電路主要包括TR1控制板，TR2通訊板，TR3電機控制板，TR4電機驅(qū)動板，TR5電壓控制板，TR6電纜控制板，TR7低壓電源板，TR8電磁閥50V電壓板，TR9電磁閥35V電壓板，共9塊板。另外，每個驅(qū)動短節(jié)包括TR3和TR4板。

2.2.1 故障1

爬行器井下儀供電時電流大于100 mA(正常供電20～30 mA)。檢查電路發(fā)現(xiàn)，TR4板有1個MOS場效應(yīng)管外觀發(fā)黑積碳，如圖5所示。用數(shù)字表檢測發(fā)現(xiàn)，MOS場效應(yīng)管柵極、漏極、源極之間短路，MOS場效應(yīng)管燒壞。

圖5 TR4板MOS管外觀發(fā)黑積碳

原因分析：一是TR4板共有6個MOS管，排列緊湊，散熱不好；二是MOS管與骨架之間僅用一塊云母墊片做絕緣處理，絕緣程度不夠。當(dāng)云母片產(chǎn)生裂縫或被擊穿就會燒毀MOS管。

解決辦法：在云母片與骨架之間再加3M膠帶加強絕緣，并在骨架上加上散熱器或散熱硅膠墊。

2.2.2 故障2

打壓短節(jié)電機不工作，爬行器無法撐臂。

原因分析：TR3板是電機控制電路。地面軟件通過CAN總線和CPU建立通訊，CPU接收地面下發(fā)命令給三相功率驅(qū)動IR2233芯片產(chǎn)生三相電壓U、V、W控制電機轉(zhuǎn)速，TR3板電機控制框圖如圖6所示。

圖6 TR3板電機控制框圖

IR2133/IR2135/IR2233/IR2235 系列驅(qū)動芯片是專為高電壓、高速度的功率 MOSFET 和 IGBT 而設(shè)計的[4]。該系列驅(qū)動芯片內(nèi)部集成了互相獨立的3組半橋驅(qū)動電路,可對上下橋臂提供死區(qū)時間,特別適合于三相電源變換等方面的應(yīng)用。

檢查時首先去掉TR3板，用電機專用檢查連線直接連接電機，(注意軟件上要點擊打壓，不能點擊轉(zhuǎn)動)，電機正常轉(zhuǎn)動，說明TR3板有問題。更換TR3板后，電機工作正常，打壓正常(注：不同驅(qū)動短節(jié)TR3 板要用跳線對電路板進行驅(qū)動編號設(shè)置，具體見說明書)

2.2.3 故障3

爬行器地面與井下無法建立通訊。

原因分析：首先用示波器測試地面下發(fā)的FSK調(diào)制信號正常，說明是井下儀有問題。爬行器井下儀電路框圖如圖7所示。地面下發(fā)的調(diào)制命令首先到達TR2板，經(jīng)TR2板解調(diào)后發(fā)送給TR1控制板，TR1控制板經(jīng)CAN總線把命令發(fā)送給打壓短節(jié)和驅(qū)動短節(jié)。更換TR1板、TR2板后，通訊仍然建立不上。檢測電源板TR2板的VCC5V電源只有0.3 V。VCC5V電源來自TR7板+8 V、+16 V電源變換。用數(shù)字表檢查TR7板+8 V、+16 V的電源輸出只有0.5 V左右。更換TR7板后，+8 V、+16 V電源有輸出，仍然無通訊。后來檢測TR4板+12 V電壓時發(fā)現(xiàn)，電源只有0.1 V電壓。判斷是+12 V電源短路引起故障。更換TR4板，通訊正常，爬行器工作正常。

圖7 爬行器井下儀電路框圖

2.2.4 故障4

爬行器爬行到井底，與井下聲波變密度儀器纜芯切換異常，無法測井。

原因分析：TR6板控制纜芯切換。爬行器與推送的儀器復(fù)用七芯電纜。爬行器與儀器纜芯切換見圖8。

圖8 爬行器與儀器纜芯切換圖

爬行器工作時1芯和4芯不供電，繼電器無供電，常閉觸點將纜芯2、5、6并聯(lián)給爬行器供電，3芯是爬行器的通訊線。爬行器將測井儀器推送到工作點后，停止爬行器工作。供電1芯和4芯AC180V，通過變壓器降壓后整流輸出24VDC，此電源給繼電器供電，繼電器觸點切換爬行器的上下端的7根纜芯全部貫通，進行聲波變密度或其他儀器測井。

首先判斷TR6板發(fā)生故障，更換TR6板后，纜芯切換正常。進一步檢查發(fā)現(xiàn)，TR6板整流橋二極管開焊導(dǎo)致繼電器無輸入電壓，重新焊接二極管后工作正常。

3 結(jié)束語

爬行器在長慶油田使用頻率很高，不僅輔助聲波變密度測量水泥膠結(jié)，而且可以補測其他測井參數(shù)及水平井射孔等。但由于其自身電路功率大、發(fā)熱高，易導(dǎo)致元器件燒毀；且爬行輪相關(guān)機械裝置若未及時保養(yǎng)或使用時間過長也會導(dǎo)致機械故障頻出。通過總結(jié)維修經(jīng)驗，對爬行器井下儀提出如下建議：

1)爬行輪、大小錐齒、軸承等關(guān)鍵機械傳動裝置必須及時保養(yǎng)，否則磨損嚴重有可能導(dǎo)致爬行失敗。

2)TR4板的6個MOS管距離太近，很難保證良好的散熱?？紤]到儀器空間比較充足，建議重新設(shè)計骨架結(jié)構(gòu)，使MOS管之間距離更合理，以達到更好的散熱保護作用。

3)2#扶正器頂絲與滾珠結(jié)構(gòu)設(shè)計存在相對運動，易損傷密封圈導(dǎo)致儀器進水，建議改成固定模式，更好地保證絕緣。