钻井中途油气层测试器推靠机构的优化设计

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1、石油机械CHINAPEFtOLEUMMACHINERY2010年第38卷第12期●设计计算钻井中途油气层测试器推靠机构的优化设计赵斌冯永仁(1．辽宁石油4~-T-大学机械工程学院2．中海油田技术服务有限公司)摘要为了设计出性能良好的钻井中途油气层测试器推靠机构，建立了推靠机构的数学模型，利用牛顿迭代法对该数学模型进行运动学分析，得出推靠机构的最佳尺寸为：水平推力6．0kN，推靠力1．5kN，AB的长度为40lllIll。将井径分成3个范围，在不同的范围内选择合适的推靠臂长度，设计出性能最优的钻井中途油气层测试器推靠机构。这样可使钻井

2、中途油气层测试器在测试过程更稳定，保证了测试的精确度。关键词油气层测试器推靠机构推靠力优化设计0引言钻井中途油气层测试器是地下勘探的复杂电子设备。它可以利用光纤传感器来探测几千米以下的油气层，具有体积小、效率高和测试精度高的优点。为了能够对地下油气层进行准确的测试，在测试过程巾，测试器应该紧紧地同定在井壁上并且不能产生任何振动，因此必须设计出性能良好的钻井图1推靠机构简图中途油气层测试器的推靠机构。该推靠机构主要由1一钻井巾途油气层测试器；2-辅助支臂、推靠臂和连杆等组成，这些部件的尺寸背乐活塞；3-连杆；4一推靠臂。对整个仪器的测

3、试精度至大重要。1．2理论模型为了研究推靠机构各个参数变化时，推靠力随l推靠机构的结构和理论模型着推靠臂转角的变化规律，建立了推靠机构的数学模型。在图1中建立坐标系统，水平方向为轴，1．1结构垂直方向为l，轴。在工作过程中图1的4点固定不推靠机构的材料为钛合金，其机构简图如图1所示。推靠臂的长度为，连杆与推靠臂连接点动，定义其坐标为(，Y)，B点和D点的坐标B，测试器与推靠臂连接点A，AB问的距离为，随机构的运动而变化，B点的Y坐标不变。定义D电动机产生的轴向推力F，推靠力为F。连杆可点的Y坐标Y为设计变量，根据推靠机构的运动以将电

4、动机的轴向推力转换为推靠臂的推靠力，起关系建立推靠机构的数学模型：到动力传递的作用。决定推靠机构性能的主要因素D=一√l一(YD+Y)(1)为：推靠臂长度、连杆长度、AB长度以及电动机的轴向推力。南于钻井中途油气层测试器_T作空间，J{一[一_二]}的限制，以上各参数都必须在一定的范围内变化，所以应该寻找优化的设计尺寸，使推靠机构的性能达到最佳状态。(2)基金项日：围家“863”计划项目“钻井[f】途油气层测试技术”(2003AA60211O)。2010年第38卷第12期赵斌等：钻井中途油气层测试器推靠机构的优化设计L(YD+Y4)

5、⋯提供的水平推力也就有一定的限制。根据现场的实y8——一y际经验，推靠力的合适值为1—2kN。为了确定水平推力的恰当值，研究当推靠臂与，55一—二：一水平方向的夹角增加时水平推力的变化规律。给定推靠机构的初始参数：在电动机的推动下，c点的√一[。+]‘(4)移动速度为1m／s，推靠力的大小为1．5kN，推靠臂的长度为370Illm。冈此，在整个模拟过程中，式中——D点的横坐标；推靠机构处于平衡状态。垂直推力的变化规律可以——点的横坐标；经过模拟计算得到，其结果如罔2所示。，，——曰点的纵坐标；——c点的横坐标；——的长度；．——推靠

6、臂的长度。当设计变量D点的纵坐标变化时，其余点的坐标会发生相应的变化。因此，推靠机构的优化设计可以通过式(1)～式(4)进行。当，J点的纵坐标增加时，推靠臂与轴的夹角也随之增大，图2水平推力随转角的变化规律推靠力的变化规律便可以计算出来。推靠臂与横轴从图2可以看到，当转角从14。增加到48。时，方向的夹角可以由下式计算得到，即水平推力不断减小。转角越大，水平推力减小的幅0=arcsinl(Y+YD)／L1l(5)度越小。因此，最后选取水平推力的最佳范围为6利用牛顿混沌分形法求解该运动学机构方程，～10kN。对于方程f()=0，具体解

7、法如下m]：从水平推力的最佳范围内选取不同的水平推力，研究当推靠臂的转角增加时，推靠力的变化情(1)构造牛顿迭代法迭代式N()，并以任意初始值开始迭代得出一个解；况。冈3给出了水平推力为6、7和10kN时推靠(2)构造N()的逆向函数h的修正迭代式力的变化规律。由图可见，在转角相同的情况下，(6)，以，为起点，能够形成一组{}收敛于排推靠力随着水平推力的减小而减小。水平推力越斥二周期的点，。大，钻井油气层测试器越稳定。推靠力越大，所需电动机的功率就越大。但钻井中途油气层测试器的苎(6)++。l==++——_=——()体积有限，所以水

8、平推力不能太大。综合以上因素，选择最佳的水平推力为6kN。式中，N()=—I一／v()J∈[0，1]。(3)在的邻域内分别选取不同的点作为牛顿迭代方法的初始点，进一步就能够求出非线性方程组的所有解。(4)将每个解代人f()=0来检查目