微球聚焦测井仪推靠系统运动及动力性能

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摘 要：微球聚焦测井仪推靠系统是广泛应用于石油测井领域内一种十分重要的辅助测井设备。随着新时代背景下油田的测井作业要求，对测井推靠系统机构自身的运动及动力性能提出了更严格的要求。为准确掌握微球极板在测井作业过程中的贴壁情况，保证微球聚焦测井的顺利，高效进行。现从推靠系统机构自身运动平稳性，机构初始传动角，极板推靠力等方面出发，应用闭环矢量链法建立了推靠系统的运动及动力学数学模型与物理仿真模型，通过数值计算仿真与虚拟样机仿真，对微球聚焦测井仪推靠系统的运动及动力性能进行研究，揭示推靠系统的运动及动力规律，校验所建立模型的正确性，并为推靠系统结构设计及结构参数优化提供依据。

关键词：微球聚焦测井仪;推靠系统;运动学分析;动力学仿真

中图分类号：TE 94 文献标志码：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

球聚焦測井仪是石油测井领域内一种十分重要的测井设备。微球推靠系统是安装在测井仪上，辅助微球测井仪完成井下测井任务的辅助测井设备[1]。其作用机理如下：微球推靠系统通过电机驱动，可在井下实现推靠臂的张开动作，将安装在推靠极板上的微球测试极板推送至贴靠井壁位置，并与井壁保持有一定的推靠力，以实现对地层井况参数的有效采集。测井完成后，推靠系统在电机驱动作用下，可以实现推靠臂的收拢闭合，使微球测井极板脱离井壁，并贴靠推靠主体保持聚拢状态，以便保证测井仪器整体的上提回收。近年来，国内针对测井仪推靠系统开展的理论与实践研究较多，像杨柏青对单臂推靠器的力学性能进行了探讨分析[2]。通过对推靠器进行受力分析，对影响推靠器的各因素进行分析并对其存在的理论关系进行研究，为设计出可靠的推靠系统建立了理论依据。受限于当时的技术条件，其仅仅从静力分析出发，未考虑推靠系统的动力参数，因此具有较大的局限性。王会来等关于新型测井仪推靠装置的设计和分析[3];纪新福关于推靠器中多功能连杆机构的设计及应用[4];赵斌基于MATLAB的VSP测井仪推靠机构的优化设计[5];邢家乐，刘立等应用ADAMS运动仿真平台，进行了对新型VSP仪器推靠机构的仿真与优化等;取得了丰硕的成果[6]。

上述大多是偏向于工程应用方面的研究，并且受限于当时的技术背景，并未建立系统的理论分析及优化模型，因而无法保证推靠系统的性能优越性及工作稳定性。无法准确描述测井推靠系统的运动规律和真实的运动状态，而推靠系统极板运动性能的好坏与测井数据的准确性密切相关。调研发现针对测井推靠系统机构运动平稳性，机构初始传动角，极板推靠力以及推靠系统整体的结构参数优化方面的系统性研究与工程实践还不多见。根据新时代背景下的油田测井作业要求，并且从提高测井结果的可靠性，提高测井仪器工作的有效性、减少设备的运营及维修成本、提高测井数据的准确性、稳定性方面来说，有必要从推靠系统机构运动平稳性，机构初始传动角，极板推靠力以及推靠系统整体的结构参数优化方面入手，进行深入的研究。

1 微球聚焦测井推靠系统结构模型微球聚焦测井仪推靠系统主要机构组成如图1所示。由电机带动丝杠转动，丝杠螺母副推动推力棒水平移动，推力棒上的连接杆连接推力棒与链接臂，将丝杠螺母副的直线运动传递给链接臂转化为复合运动，链接臂推动推靠内臂转动，推靠内臂带动推靠极板、推靠上臂运动，推靠极板运动到位后，通过行程限位开关控制传动系统自锁装置实施自锁，电机停转。储能弹簧作为极板辅助控制机构，在电机运转过程中进行储能，电机停机后，通过储能弹簧来控制推靠极板的微调以规避井下岩壁的磕损。

1 电机 2 联轴器 3 丝杠 4 套筒 5 丝杠螺母 6 传动系统自锁装置 7 向心球轴承组 8 推力棒 9 中接头 10 密封螺钉 11 支撑套 12 压力帽 13 套环 14 连接杆 15 链接臂 16 推靠上臂 17 推靠极板 18 极板滑槽 19 推靠内臂 20 储能弹簧 21 止推块 22 推靠主體

2 推靠系统运动学分析推靠传动装置在任意时刻的位置如图2所示。

利用矩阵解析法对机构进行运动分析，根据图示列出机构的封闭矢量位置方程。

2.1 系统的位置方程如图2所示，各杆长矢量及角度位置参数如图中标注，这样就形成由各杆矢量组成的2个封闭矢量多边形[7-9]。即封闭矢量三角形CBAC和封闭矢量四边形FEDCF.由矢量封闭三角形CBAC可得封闭矢量方程式

5 仿 真5.1 推靠系统仿真模型微球聚焦测井仪推靠系统动力学虚拟样机模型如图12所示。推靠系统是贯穿在测井仪器串中下入井内，仪器通过分布在测井仪各段的扶正器扶正，将测井仪的中轴线保持在井径中心位置。当测井仪下放到目标测试段时，通过人为控制电机作用，使得推靠系统开始工作。由于该测井仪器测试对象为裸眼井，井内岩壁未作处理，因此井内局部区域可能会存在坑、洼区块，从而造成区域井径的突变。从而就给推靠系统带来了不确定外部井径约束[21-22]。除此之外，主要约束有柱销滑槽副A在推靠主体上的移动副、柱销滑槽副F在推靠极板滑槽上的移动副，丝杠螺母的螺旋副与圆柱副以及各连接处的铰接副。

5.2 推靠系统运动及动力学仿真

5.2.1 推靠极板位移，速度，加速度仿真曲线

5.2.2 分析讨论对比实例分析获取的推靠极板运动规律曲线图9与虚拟仿真模拟所得到的推靠极板运动曲线图13～15可以发现推靠系统的位移轨迹曲线基本拟合，推靠系统的速度及加速度曲线两者的分析结果有较大差别。理论分析的结果基本符合虚拟仿真结果，能够正确反映出实际的运动轨迹与趋势，但是在推靠极板度速度及加速度的线连续性方面，理论分析存在一些不足，没有虚拟仿真结果平滑，对于造成数理分析曲线与模拟仿真差别的原因，这里分析有以下4个方面。一是由于在数理建模过程中，为分析方便将滚珠丝杠螺母用滑块替代（将其旋转推进作用直接用滑块的水平移动来替代）、柱销滑槽副用铰接点替代;二是在数理模型分析过程中，对于推靠系统的实际井下约束工况是无法保障的，而在物理仿真模拟过程中，则是按照真实的结构原型以及真实的工况约束进行实际的工作拟合;三是由于仿真模拟是连续的过程，而数理模型的求解是通过过程阶段分析，通过分段点的参数固定来求解各杆件参数关系，相对于方仿真模拟的连续过程，这里的分析是离散化的;四是仿真曲线中的速度、加速度是在软件自带的内置函数多次迭代下取得的，已对曲线进行了光滑处理，而实际的数理模型分析则是在推靠系统的全运动周期中截断选取，参照有限元分析的微元法，保证在所取的节段上满足可导，连续，然后进行曲线的整合分析输出的结果。因此，两者输出的结果在曲线上存在一定的区别度。

6 结 论1）对比数理分析与仿真模拟曲线可以发现，抛开曲线的连续性及光滑度，单从推靠系统速度及加速度曲线的数值上分析，实例分析结果以及仿真结果有着相似的规律。首先从运动起始点开始，0～5 s的时段内，仿真与数理分析的加速度曲线具有相似的变化趋势，加速度曲线的跳动持续时间更长，幅度更大。但是，经过这一时段之后，其加速度无论是数理分析结果亦或是虚拟仿真结果，都在围绕0基准线进行靠拢。满足推靠系统的实际工作情况。所以从整体轨迹轮廓上来看，两者的结果是相互拟合的，验证了推靠系统数理模型的合理性。

2）从推靠极板的运动特性仿真曲线中可以发现，其速度在整个运动过程是稳步增加的，加速度也没有大的跳动。而在数理模型的分析结果中，极板的速度，加速度都有较大的冲击与跳动。说明柱销滑槽副的连接方式，改善了推靠极板与井壁的贴靠过程，使得极板在整个推靠过程速度，加速度能够保持平稳，减小了极板贴靠井壁的刚性接触为推靠系统带来的冲击与振动，延长了推靠系统的工作寿命，也保证了推靠系统的运动平稳性。证明了柱销滑槽副对推靠系统运动状态改善的有效性。

3）在推靠系统的工作行程内，传动角处于持续增大过程，但是初始传动角较小，并且传动角增速较慢，不利于推靠系统的力学性能传递。推靠极板的推靠力在0～10 s维稳在较小的范围内，在10～15 s突变，这对于推靠系统的运动平稳性来说具有一定的冲击，不利于推靠系统平稳的工作。并且通过浮标点发现推靠极板在贴合井壁时推靠力在211.9 N（期望推靠力240 N），未到达实际测井要求，从而可能导致安置于推靠极板上的微球极板不能紧密的贴合井壁，造成测井数据的失真，导致测井作业失效。因此，需要对推靠系统传动机构进行结构改进、优化处理，以改善其工作性能，保障测井准确性。

参考文献（References）：

[1] 鲍忠利，于会媛，侯洪为.常见测井仪器推靠器结构综述[J].石油矿场机械，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]杨柏青.单臂推靠器的力学探讨[J].测井技术，1988，（5）：41-46，78.YANG Bo-qing.Mechanics in single-arm anchoring syotem[J].Well Logging Technology，1988，（5）：41-46，78.

[3]王会来，杨建玺，崔凤奎，等.新型测井仪推靠装置的设计和分析[J].西安科技大学学报，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]纪新福.推靠器中多功能连杆机构的设计及应用[J].河南师范大学学报（自然科学版），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测井仪推靠机构的优化设计[J].石油矿场机械，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]邢家乐，刘 立.基于ADAMS的新型VSP仪器推靠机构仿真与优化[J].石油化工高等学校学报，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]廖启征.连杆机构运动学几何代数求解综述[J].北京邮电大学学报，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]康辉梅，许怡赦，金 耀.伸缩臂叉装车工作装置运动学分析[J].机械设计，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]车仁炜，陆念力，周建成，等.套缸式高空作业车摆臂机构机构综合分析[J].哈尔滨工业大学学报，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 涛，孙 文.变参数四连杆机构运动及动力性能研究[J].机械设计与制造，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，韩玉强.基于MATLAB平面多杆机构的运动分析[J].机械传动，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.六杆机构运动学仿真的MATLAB实现[J].煤矿机械，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]楊开平，史耀耀，王丽平.平面六杆机构运动学仿真系统研究[J].计算机仿真，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] 金国光，秦凯旋，魏 展，等.剑杆织机柔性从动件共轭凸轮打纬机构动力学分析[J].纺织学报，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] 拓耀飞，李少宏.弹性连杆机构的动力学分析及其仿真[J].机械设计，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]吴庆鸣，贾 飞，杨 威.砌块机振动装置动力学仿真分析[J].中国机械工程，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.