MWD探管扶正器拆卸工具的研制

劉 暢 蘭鐵坤 李 剛 郭心宇 唐德柱

（中海油田服務(wù)股份有限公司，三河 065201）

隨鉆測量儀（Measurement While Drilling，MWD）在定向鉆井作業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。該儀器可邊鉆井邊測量井斜和方位[1]。其電子線路及傳感器封裝在一個細(xì)長的銅質(zhì)圓筒內(nèi)，這部分稱為探管。其扶正器由金屬骨架注入橡膠形成，具備一定的強度和柔韌性。探管上安裝有兩個扶正器，用于保證探管居中固定在儀器環(huán)空的中軸線上。MWD探管及扶正器位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 MWD探管及扶正器

井下作業(yè)時，鉆井泥漿會經(jīng)環(huán)空長時間沖刷探管外壁及扶正器表面，泥漿固相顆粒容易沉積在扶正器和探管外壁之間的縫隙中。儀器出井后，需要拆卸扶正器進行設(shè)備維保，但由于縫隙里泥漿堵塞，導(dǎo)致扶正器拆卸十分困難[2]，而且現(xiàn)場通常使用普通工具拆卸，效率低且易損傷扶正器和探管本體。

1 扶正器原有拆卸方式調(diào)查

1.1 原有拆卸方式及優(yōu)缺點

現(xiàn)場作業(yè)拆卸探管扶正器的方式主要有4種，分別為鏈鉗擰拉、金屬棒錘擊、手工切割和機床切割。各拆卸方式的拆卸情況如下所述。

1.1.1 鏈鉗擰拉

鏈鉗擰拉的拆卸工具如圖2所示。拆卸時需要用鏈鉗夾住扶正器本體，進行邊擰轉(zhuǎn)邊向探管末端拉拽，如圖3所示。由于扶正器抱得很緊，通常需要用兩把大力鏈鉗夾咬扶正器，由兩個人合力拆卸。這種方式的拆卸工具簡單常見，但是拆卸過程費時費力、難度大，并且容易損壞扶正器表面橡膠層，如圖4所示。

圖2 鏈鉗

圖3 鏈鉗擰拉

圖4 鏈鉗拆卸效果

1.1.2 金屬棒錘擊

拆卸探管扶正器的過程中，若用鏈鉗旋轉(zhuǎn)無法擰動扶正器，通常會用扁鏟或銅棒往一端進行錘擊。拆卸工具和拆卸過程分別如圖5和圖6所示。這種拆卸方法效果不好，會嚴(yán)重?fù)p壞扶正器，如圖7所示。

圖5 錘擊工具

圖6 錘擊過程

圖7 錘擊效果

1.1.3 手工切割

當(dāng)以上兩種方法都無法將扶正器拆下來時，需要用手持切割機進行破壞性切割拆卸，拆卸工具和拆卸過程分別如圖8和圖9所示。這種拆卸方式會損壞扶正器，并且很容易切割到探管外筒，從而造成外筒損壞，如圖10所示。

圖8 手持切割機

圖9 切割過程

圖10 切割效果

1.1.4 機床切割

當(dāng)手工拆卸的效果不理想時，會將設(shè)備送到機加工廠用機床切割拆卸，如圖11所示。這種方式的切割深度精密可控，可以切開扶正器，以確保拆卸成功，而且不會損壞探管外筒，如圖12所示。但是，切割完成后扶正器會報廢，如圖13所示，同時增加了設(shè)備運輸、切割所使用的機床安裝與調(diào)試時間以及人員協(xié)調(diào)等工作，同時對場地、設(shè)備、人員的要求也大大增加，拆卸成本過高。

圖11 機床切割

圖12 機床切割過程

圖13 機床切割效果

1.2 原有拆卸方式應(yīng)用情況及成本

針對扶正器拆卸方式對各作業(yè)公司現(xiàn)場操作人員進行問卷調(diào)查，返回數(shù)據(jù)收集匯總見表1。統(tǒng)計結(jié)果表明，4種拆卸方式在不同公司都有應(yīng)用，但應(yīng)用頻次不同，其中使用鏈鉗拆卸方式的居多。原有4種拆卸方式的平均效果如下：拆卸人員至少2人，平均拆卸時間為134 min，扶正器的平均損壞率為66.7%。由此可知，原有拆卸方式耗費的時間和人力成本較高，且拆卸效果差，急需改進。

表1 現(xiàn)場4種拆卸方式統(tǒng)計分析表

2 扶正器拆卸困難原因分析

2.1 扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖14。該結(jié)構(gòu)由金屬圓筒基體加橡膠鑄件構(gòu)成，其圓筒與探管外壁接觸，橡膠鑄件與鉆鋌內(nèi)壁接觸。

圖14 扶正器內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖

由圖14可知，金屬圓筒外壁為中間厚兩端薄的流線型結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)泥漿沖刷。圓筒內(nèi)壁與探管外壁有大約0.1 mm的間隙，構(gòu)成了一段環(huán)型空間。為了阻擋高壓泥漿進入環(huán)空，在扶正器上下兩端安裝了密封圈，受扶正器壁厚限制，密封圈槽距離端點約20 mm，導(dǎo)致從密封圈到端點20 mm長的環(huán)空內(nèi)容易淤積泥漿。由于泥漿具有粘性，干結(jié)后會導(dǎo)致軸向移動摩擦力增大。另外，泥漿還具有腐蝕性，點蝕后會導(dǎo)致探管外壁和扶正器內(nèi)壁變形。

2.2 拆卸過程受力分析

以常用鏈鉗擰拉拆卸方式為例，對扶正器拆卸過程進行受力分析，分析結(jié)果如圖15所示。

圖15 扶正器拆卸受力分析圖

圖15中，F(xiàn)為拆卸作用力方向，可分解為軸向拉力F1和徑向壓力F2，而f為拆卸所受阻力。經(jīng)分析可知：

式中：f1為密封圈的摩擦力；f2為泥漿粘連力，與泥漿介質(zhì)及干結(jié)面積相關(guān)；f3為拆卸時徑向壓力F2導(dǎo)致的摩擦力。

實際測量時，總阻力超過了9 800 N。在阻力構(gòu)成中，f1、f2與拆卸過程無關(guān)，f3則與拆卸方式相關(guān)，如常用工具中鏈鉗擰拉和金屬棒錘擊都會施加徑向壓力，從而導(dǎo)致f3增大。因此，應(yīng)當(dāng)研制一種專用拆卸工具，確保使用該工具拆卸扶正器時，可施加的拆卸作用力F超過最大阻力f，并且保持拉力方向應(yīng)沿著軸向，避免產(chǎn)生徑向壓力F2，從而將阻力f3降至最小。

3 新型扶正器拆卸工具研制

3.1 設(shè)計原理

專用拆卸工具基本原理借鑒了拆卸軸承的常用工具“拉馬”[3]，其基本構(gòu)成包括手柄、螺桿和拉爪，如圖16所示。拉馬工作時，先由螺桿前端頂住被拆件（軸承）的中心軸，再由拉爪勾住軸承外沿，然后旋轉(zhuǎn)手柄，以提供螺桿前進的動力。此時中心軸受到的軸向擠壓力，會通過軸承傳遞到拉爪，再由拉爪對軸承產(chǎn)生反作用力，即與螺桿前進方向相反的拉力，當(dāng)拉力大于軸承與中心軸之間的摩擦阻力時，就可沿軸線將軸承拔出[4]。

圖16 拉馬工具

基于此，根據(jù)拉馬工作原理設(shè)計了探管扶正器拆卸工具。該工具應(yīng)當(dāng)確保最大拉力接近19 600 N，且工具自身結(jié)構(gòu)及材料強度可承受接近19 600 N的拉力。另外，設(shè)計工具組裝結(jié)構(gòu)時應(yīng)當(dāng)考慮扶正器的拆卸行程，確保在工具的使用過程中無需反復(fù)調(diào)整[5]。

3.2 拆卸工具實際結(jié)構(gòu)

該拆卸工具的整體結(jié)構(gòu)如圖17所示，按照功能可將該工具分成4個部分，分別為推舉機構(gòu)、卡緊機構(gòu)、伸縮機構(gòu)和止退機構(gòu)。

圖17 拆卸工具整體結(jié)構(gòu)

3.2.1 推舉機構(gòu)

推舉機構(gòu)能夠提供軸向推力，其核心部件是塔式千斤頂，推力能夠達(dá)到19 600 N，推舉行程為326 mm。與千斤頂配套的加工件是固定底座。經(jīng)底座固定后，千斤頂可橫向使用，搖轉(zhuǎn)手柄后，即可提供軸向推力[6]。

3.2.2 卡緊機構(gòu)

卡緊機構(gòu)按照扶正器外形輪廓設(shè)計，采用三爪卡盤結(jié)構(gòu)。夾緊時，可通過旋轉(zhuǎn)卡盤螺栓使三爪張開或閉合，以調(diào)整夾持直徑大小，從而牢固卡緊扶正器。

3.2.3 伸縮機構(gòu)

因為千斤頂?shù)男谐逃邢?，并且扶正器距離探管頂端的位置不固定，因此拉桿臂長度應(yīng)當(dāng)可調(diào)整，以便于現(xiàn)場應(yīng)用[7]。該機構(gòu)借鑒了伸縮魚竿的原理將拉桿設(shè)計成粗細(xì)兩段，其中粗段是中空的圓形伸縮筒，細(xì)段是斜齒形棘桿，棘桿的長度即為整個拉桿臂可調(diào)整的距離。為了確保受力方向不偏斜，在拉桿中部位置有一個四方形支座，以保證探管居中。

3.2.4 止退機構(gòu)

止退機構(gòu)通過棘桿與棘爪的配合快速固定拉桿長度[8]。棘桿上的鋸形斜齒向伸出側(cè)傾斜，棘爪與斜齒朝向相同，以便于卡住斜齒。當(dāng)棘爪抬起時，棘桿才能伸出，而棘桿回縮時，相鄰的斜齒背面可自動頂開棘爪。

3.3 工具使用方式

使用工具時，先將三爪卡盤固定到待拆卸的扶正器上，使探管從工具中心穿過，并保證端面與千斤頂接觸，然后壓動千斤頂，以推動探管端面。此時，通過拉桿和卡盤會對扶正器產(chǎn)生軸向的反作用力，當(dāng)該作用力大于總阻力時，即可拔動扶正器。當(dāng)扶正器移動距離達(dá)到千斤頂行程末端時，需要縮回千斤頂，并調(diào)整棘桿的伸出長度，使探管端面再次與千斤頂接觸，然后壓動千斤頂繼續(xù)拉拔扶正器，直至拆除。該工具經(jīng)過加工、裝配、調(diào)試、制作完成后進行了車間測試，如圖18所示。車間測試證明，該工具使用效果良好，大大縮短了扶正器拆卸時間，且未發(fā)生拆卸損壞。

圖18 工具車間應(yīng)用效果

4 推廣及應(yīng)用情況

工具定型后進行了推廣應(yīng)用，2019年10月至2019年12月，將該工具推廣至各作業(yè)公司，反饋情況見表2。

由表2可見，該工具推廣使用后，探管扶正器平均拆卸時間由原來的134 min縮短到了13 min，平均參與拆卸人員減少到了1人，扶正器平均損壞率由66.70%降為了0%。

表2 各作業(yè)公司工具應(yīng)用效果調(diào)查統(tǒng)計表

5 結(jié)語

新型MWD探管扶正器拆卸工具可滿足現(xiàn)場客戶作業(yè)需求，實現(xiàn)降本增效，且具備可觀的經(jīng)濟效益。該工具既可應(yīng)用于本公司自研探管扶正器的拆卸，也可適用于行業(yè)內(nèi)同類設(shè)備，具有良好的推廣價值。近幾年的實際應(yīng)用表明，新型MWD探管扶正器拆卸工具在作業(yè)現(xiàn)場推廣后，解決了現(xiàn)場人員長期面臨的技術(shù)困難，大大提高了工作效率，并且降低了人員勞動強度，消除了原來工作方式的手部、臉部傷害風(fēng)險。另外，由無損拆卸節(jié)約的物料成本和減少拆卸時間節(jié)約的工時成本，年均費用約77萬元。