【2017年整理】井下牵引器研究进展.docVIP

PAGE \* MERGEFORMAT12 井下牵引器研究进展 摘要：井下牵引器也称之为井下爬行器，是当前水平井测井的主要传输工具，且逐渐向微小井眼钻井和井下作业等应用方面发展。在海洋石油开发中为了更高的效率，牵引器也得到了广泛的应用。恶劣的地层条件对牵引器的性能提出很高的要求，国内现在没有成熟的高水平的产品。研究国外先进的相对较成熟的产品，对我国研究出更高效率、更高可靠性的井下牵引器将有很大的帮助。 关键词：牵引器；测井；微小井眼；井下； 随着水平井数量的增加以及对水平井开发的高采收率综合效益的认识，国内外都开始了水平井牵引器的研究。水平井牵引器依靠自身带有的机电液系统提供动力，具有长度小、质量轻、运输方便、操作简单，输送准确等优点。它的出现大大降低了钻井、测井等井下作业成本。水平井牵引器根据其驱动方式的不同又分为伸缩(爬行)式水平井牵引器、轮式水平井牵引器、高压射流反冲式水平井牵引器和螺旋桨推进式水平井牵引器。水平井牵引器技术在国外发展较早，20世纪90年代后期，国外许多公司相继开发了能够在井下独立作业的水平井牵引器，目前已经有了商品化的产品，在众多产品中，以Statoil、MaritimeWellService(MWS)和Welltec3家公司联合开发的轮式水平井牵引器、SmarTract公司的伸缩式水平井牵引器和Sondex有限公司的Sondex水平井牵引器最为突出。国内水平井测井技术尚处于初级阶段，水平井牵引器技术运用还不是很成熟，测井市场有较大的发展空间。 1 井下牵引器国内外发展现状 1991年，日本NippondensoCo.Ltd公司的研究实验室开发了一种叠层压电执行器微型管道机器人[1]，如图1所示。机器人的直径仅为5.5mm，自重1g，适用于8mm管径（包括弯管），移动速度为10mm/s。 图1 叠层电压执行器微型管道机器人外形与原理 1993年，美国卡内基—梅隆大学研制出一种主动内窥检查蠕动式微机器人[2]，它由导向机构、骨架和橡胶管组成，骨架能够在刚性和柔性之间转换，橡胶管有一定硬度且能沿着骨架移动。 1994年，日本东京工业大学的IwaoHayashi等研制了一种仿蚯蚓式微型管内机器人[3]。该机器人为气囊驱动，可以模仿蚯蚓运动，如图2所示，该机器人包括三个驱动单元，每个单元由一个柔性微型驱动器和四个铰链结构组成，通过主体分段的产生轴向的伸缩运动来实现移动。 图2 仿蚯蚓式微型管内机器人移动原理 1995年美国加州理工大学的A.B.Slatkin等研制了一种仿蚯蚓运动式的管内机器人[4]。该系统以压缩气体为动力源，驱动器采用橡胶气囊，并分为伸缩驱动器和夹紧驱动器。夹紧驱动器如气球状，可沿管道径向膨胀并贴紧倡导内壁给系统提供支撑力；伸缩驱动器位于夹紧驱动器之间，可以沿管道轴向交替伸缩使得机器人如蚯蚓般运动，其系统结构如图3所示。 图3 仿蚯蚓式气囊伸缩驱驱动动器管内机器 1996年意大利的P.Dario等和比利时Leuven大学的J.Peirs等合作研发了一种仿尺蠖式具有自推进能力的内窥镜系统[5]。该系统由机器人本体、控制系统和微型检测及操作手三部分组成。系统的本体运动部分为三个气囊驱动器，其中一个气囊驱动器产生轴向伸缩运动以推进机器人，另外两个气囊驱动器径向膨胀使得机器人与肠道夹紧以产生摩擦力，系统驱动气体、检查及控制信号均通过管形线缆云外部系统相连，其结构及运动方式如图4所示。该系统整体直径为18mm，运动为仿尺蠖运动，收缩时长50mm，伸长时为80mm。 图4 气囊驱动管内机器人结构及运动方式 1996年，Statoil、MaritimeWellService(MWS)与Welltec3家公司开始联合开发的Welletc轮式水平井牵引器试验成功，并在北海等地投入使用。 2000年，SmarTract公司于推出Smartract伸缩式水平井牵引器。 在国内方面，中国石油大学、哈尔滨工业大学、西南石油大学、大庆石油学院、西安石油大学等少数科研院所在做井下牵引器的研究。 上海交通大学研制的小口径管道内蠕动式移动机器人，它是模仿昆虫在地面爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。上海交通大学还开发出用SMA(形状记忆合金)驱动的可在软管内移动的蠕动式微小机器人[6]。 上海大学研制出了电磁驱动的腿足式管内移动微小机器人[7]。 西北工业大学研制出了在电致伸缩陶瓷致动条件下，借助电流变技术实现蠕动的微小机器人[8]。 2井下牵引器的结构原理和分类 2.1牵引器的作用原理 井下牵引器要实现移动，主要包括3个主要结构。前后支撑机构和伸缩机构。运动原理如图5所示。图5(a)为初始状态，两个单向机构的支撑臂撑开压紧管壁。然后伸缩驱动机构展开，此时支撑机构1锁止，前面的支撑机构2解锁，伸缩机构做伸出运动，支撑机构2被