0 引言

近年来，随着分层注水管柱工艺技术和注水联动测调技术的发展，使得偏心分注技术和同心分注技术在国内外各大油田得到了广泛应用^[1-4]。注水管柱工艺技术由分层注水封隔器、偏心/同心配水器和注水球座组成，其工作原理是利用分层注水封隔器封堵各层位，偏心/同心配水器实现各层地质配注水量的注入，利用联动测调技术实现各层注水量的调整^[5]。注水联动测调技术主要构成有地面控制仪、井下测调仪和可调堵塞器等^[6]。注水联动测调特征为：应用井下可调堵塞器及井下测试仪器，在测调其中某一层时，不影响其他注入层的正常注入，降低层间干扰，通过地面控制仪对井下测调仪器进行控制，实现井下可调堵塞器的定位和调节；同时完成对高压注水阀的流量测量和控制，将测试和调整结合起来，实现在1次下井过程中完成各层井下层位流量测试和目标层位流量的自动配注任务^[7-10]。

目前，国内的注水联动测调工具串的起下作业主要由1根铠装电缆牵引，靠仪器串的自重下放到目的层段，同时在井下作业过程中还需克服电缆与井壁之间的摩擦阻力。因此，当井斜角稍大或井下工况稍差时，测调工具易发生坐落困难、下不进和卡井等井下事故，导致联动测调效率低下。

在大斜度井的注水联动测调过程中，由于长期注水而造成的井壁结蜡、结垢和油层返吐等井下复杂状况，在仪器串起下井筒测调水嘴过程中，易造成仪器串的起下作业困难、仪器卡井和电缆拉断等事故。由于井筒脏、结蜡、结垢和井斜角度大而造成的联动测调失败，是目前注水联动测调失败的主要技术因素^[11]。大斜度井注水联动测调用过配水器爬行器作为联动测调的管柱串输送工具，与常规联动测调管柱串相比，它克服了由于井下工况差、井斜角度大和配水器缩径台肩等因素所导致的测调仪器起下困难，并且可大幅度提高联动测调技术的应用范围和技术可靠性。

1 系统构成与参数设计 1.1 结构

注水联动测调用过配水器爬行器采用模块化单元设计，可根据井下工具负载选用单元个数，爬行器单元之间通过铰连接的形式连接成一体。单个爬行器单元的结构如图 1所示。

爬行器的构成主要有动力输出与爬行机构系统和姿态自适应调节系统。其中，动力输出与爬行机构系统主要由爬行控制电机、爬行电机锥形传动轴、爬行轮传动轴、万向传动轴、爬行棘轮、张力簧片、推杆和滚轮等部件构成；姿态自适应调节系统主要由电推杆电机、推杆、滚轮、张力簧片、弹簧、自适应弹簧、过推杆限位板以及中心杆等部件组成。

爬行器结构中，中心杆的两端分别与爬行控制电机的外壳及电推杆电机的外壳连接；爬行臂通过爬行臂连接轴与中心杆的一端连接；爬行臂上设置多个爬行棘轮，爬行棘轮沿注水管柱的轴向并排设置在爬行臂上，相邻2个爬行棘轮之间通过调节齿轮相互咬合；爬行控制电机通过爬行电机锥形传动轴、万向传动轴及爬行轮传动轴与爬行臂爬行棘轮连接；当爬行臂处于闭合状态时，爬行臂贴合于中心杆的外壁；当爬行臂处于打开状态时，各爬行臂上至少爬行棘轮与注水管柱的内壁接触；电推杆套设于中心杆外，电推杆的一端与电推杆电机连接，另一端设置有电推杆导锥斜面。

当电推杆电机驱动电推杆向爬行臂移动时，电推杆导锥斜面插入爬行臂的内侧，使爬行臂处于打开状态；自适应弹簧设置于电推杆电机与电推杆电机的外壳之间，且与电推杆电机沿注水管柱的轴向并排设置，自适应弹簧带动电推杆电机沿注水管柱的轴向移动。

1.2 参数设计

爬行器单元主要技术参数如下。

组装长度：0.75 m；

外径：42 mm；

总质量：15.5 kg；

工作适应温度：150 ℃；

耐压等级：21 MPa；

工作井眼/孔径范围：45~89 mm；

水平最大拉力：1.5 kN (水平工作姿态下，具有推动或牵引测调工具或电缆的能力)。

2 工作过程及原理 2.1 动力输出与爬行机构工作原理

爬行器的动力输出机构示意图如图 2所示。爬行控制电机将输出扭矩输出到爬行电机锥形传动轴，锥形传动轴与对称设置的2个万向传动轴以锥形啮合齿轮的形式连接，从而可直接将扭矩传递给万向传动轴。万向传动轴的设置可保证爬行臂在张开和闭合的工作条件下，实现扭矩的有效传递。

爬行器的爬行棘轮机构示意图如图 3所示。爬行棘轮机构有4个爬行棘轮和3个啮合齿轮。爬行棘轮外缘设置“#”字形表面硬化处理沟槽花纹，以增大爬行过程中与内管壁的摩擦阻力。左端部棘轮通过十字锥面齿轮将万向轴输入的扭矩传入棘轮组合，棘轮组合又通过啮合齿轮传递输入扭矩，从而保证每个棘轮与内管壁接触时均可提供有效的爬行力。

2.2 过配水器姿态自适应调节机构工作过程

实际工作条件下，先将测调管柱串用铠装电缆从井口下入井筒预定位置(通常是一级配水器上20~50 m)，然后启动爬行器。启动过程为：开启电推杆电机，将电推杆伸出，电推杆带锥面端将沿爬行臂的下部导轮将爬行臂开启，当爬行棘轮与内管壁接触后，电推杆的持续伸出将增大爬行棘轮与内管壁的接触正压力，当接触正压力达到预设置值后，载荷信号将从电推杆电机的载荷中反馈出来，从而完成启动过程。

爬行器的正常爬行工况姿态示意图如图 4a所示。姿态自适应过程为：当内管壁有内通径变化或通过缩径/扩径台肩时，爬行臂的张开角度将发生相应的大小变化，当爬行臂的张开角度变化时，与之相配合的电推杆锥面将随之沿管柱轴线方向做前、后移动，而电推杆电机端部设置的自适应弹簧将为爬行臂这种前、后移动提供恒定的推力，从而保证爬行器爬行过程中接触正压力始终保持不变。爬行器过配水器缩径的爬行工况姿态示意图如图 4b所示。

2.3 工作过程特点

爬行器通过在现有注水井井下智能测调仪器串的尾端进行组合加装。当所测试井的井斜角较大、井筒较脏或配水器有明显缩径，而导致仪器下入和起出困难时，可通过控制爬行器，使其带着仪器串完成测调仪的下入、起出、坐落和调节等各个动作^[12]，从而实现大斜度井注水测调工作仪器的顺利作业。爬行器的动力与控制集成到测调仪的测调电缆。爬行器可完成前进和倒退动作。

爬行器的爬行驱动和姿态支撑分别由不同的动力源独立控制，爬行由爬行控制电机驱动，姿态控制由电推杆电机控制执行^[13]。爬行控制电机根据电机负载而调整作用于爬行棘轮的爬行推动力^[14]。电推杆电机的负载则直接反映出爬行棘轮作用在油管管壁上的作用力，并可根据实时的爬行效率调整电推杆电机负载以适应井下作业工况的要求。在电缆信号故障、掉电或发生其他意外事故时，爬行壁可以在弹簧和张力簧片的作用下自行收起^[15]。爬行器单元之间的铰连接可以增强爬行器的通过能力，适应于更大狗腿度的井筒。

爬行器可根据井下工况、测调管柱串负载和井筒阻力优化匹配爬行器单元配置，实现了测调工具串配置的灵活有效性。若发生测调控制系统故障、电缆故障或掉电等意外事故，爬行臂自行收回，可通过测调电缆直接将测调工具串提拉起出井筒而不会造成测调管柱卡井事故。

3 行驶力学分析 3.1 爬行器在油管中的行驶力学分析

爬行器在稳速前行过程中，根据力的平衡条件可以建立式(1) 的平衡方程^[16]。

(1)

式中：∑F_T为总驱动力，N；∑f为行驶阻力之和，N；F为爬行器的拖拽力，N。

爬行器在油管行进过程中，爬行控制电机的驱动扭矩经爬行电机锥形传动轴传递给万向传动轴，经万向传动轴输出到爬行棘轮上。系统受力示意图如图 5所示。

由爬行器的受力可得平衡方程(2)。

(2)

式中:T_M为爬行控制电机驱动轴的转矩，N·m；r_M为爬行控制电机驱动轴的转矩半径，m；k为传动系统效率；f为与管壁接触棘轮所受的摩擦阻力，N；T为爬行器负载，N；N_q为爬行臂上滚轮所受锥面的支持力，N；β为爬行臂张开角度，(°)。

3.2 爬行器在过水嘴处的行驶力学分析

当爬行器通过配水器水嘴缩径时，系统受力示意图如图 6所示。此时，爬行棘轮与管壁的接触点发生了变化，且运行中爬行棘轮与接触点的相对位置始终处于变化之中，直至爬行器完全通过配水器缩径。

由图 6可得如下平衡方程：

(3)

式中:N为棘轮接触点处所受的正压力，N；α为棘轮进入角角度，(°)。

随着爬行器的进入，棘轮进入角α将逐渐缩小，接触点正压力N将逐渐增大，从而通过导锥面和弹簧的配合压缩弹簧，改变了爬行棘轮与管壁接触的几个相对关系，完成姿态的自适应过程。在这个过程中，爬行控制驱动电机的输出功率没有发生变化，因而可使整个配水联动测调管柱串在有效驱动力不变的情况下，使爬行器通过配水器缩径部位。

3.3 爬行仿真分析

利用运动仿真软件对爬行器单元进行运动特性分析，研究其从平滑油管内管壁通过配水器缩径台肩的运动特性参数。“#”字形表面硬化处理沟槽花纹与油管内管壁/缩径的摩擦因数设置为0.25，电推杆锥面与爬行臂滚轮的动摩擦因数设置为0.05。

图 7所示为电推杆锥面发生位移变化时，爬行棘轮所受到的正压力和爬行器单元拉力的仿真曲线。

由仿真曲线可知，随着电推杆的逐渐伸出，AB区间内，爬行棘轮与电推杆锥面接触，棘轮所受正压力呈近线性增大，而此过程中棘轮与油管内管壁无接触，未产生有效拉力。BC区间内，爬行棘轮与油管内管壁接触，在姿态自适应弹簧的作用下，棘轮正压力和拉力迅速增加至某一定值后而趋于稳定。

4 结论

(1) 通过对过配水器爬行器爬行机构的设计，采用简单齿轮配合万向轴的设计，具有扭矩传递稳定可靠，传动效率高和系统稳定性好的特性；采用单爬行壁多爬行棘轮的设置，提高了爬行器过缩径台肩的通过能力和恶劣井况下的通过适应能力；采用导锥与弹簧的配合设计，实现了井下复杂工况下的姿态自适应特性。

(2) 可根据井下工况、测调管柱串负载和井筒阻力优化匹配爬行器单元配置，实现了测调工具串配置的灵活有效性。

(3) 若发生测调控制系统故障、电缆故障或掉电等意外事故，爬行臂自行收回，可通过测调电缆直接将测调工具串提拉起出井筒而不会造成测调管柱卡井事故。