0 引言

水平井牵引器按照其牵引方式可分为滚轮爬行式、伸缩抓靠式及履带爬行式等3种^[1-3]。其中，滚轮爬行式是目前国内测井仪器输送过程中较为常用的牵引器种类。国内许多专家、学者在提高牵引器井下适应能力方面进行了研究。白相林^[4]对轮式牵引器进行了基础理论分析。刘清友等^[5]对Sondex牵引器进行了结构分析和工作原理分析，并详述了其应用情况。张宗仁等^[6]提出了一种可差速水平井电缆牵引器，其差速传动机构可以将电机输出的转矩分配到各驱动轮上，使牵引器两侧驱动轮可差速调节，提高了水平井轮式牵引器对井眼的适应性。周劲辉等^[7]提出了一种水平井自扶正式电缆牵引器，该牵引器具有均匀分布的3组驱动轮机构，有效缩短了牵引器整体长度，增强了水平井牵引器在大曲率井段的牵引越障能力。侯学军等^[8-9]提出了一种微小井眼连续管钻井牵引器系统，该牵引器采用电控液压回路实现牵引驱动，其柔性弯曲适应能力较强，特别适用于小井眼水平井。M.K.HASHEM等^[10-11]在文献中详述了水平井抓靠式牵引器现场应用情况，并提出了裸眼施工情况下的牵引器设计。

目前轮式牵引器越障方式单一，一般依赖于其机械结构越障，例如推靠弹簧的收缩及平行四边形支撑驱动机构等，牵引器越障动作无法有效控制和调节，这种方式一旦失效，牵引器的工作将受到很大影响，制约了水平井牵引器的现场应用。鉴于此，笔者提出一种跨越式水平井越障牵引器设计。

1 水平井牵引器越障力学研究

在实际应用中，牵引器越障时可能遇到不同大小、不同形状的障碍物，假设井壁下侧遇到一台阶型障碍物，对水平井轮式牵引器整体进行力学研究。

根据假设，牵引器的越障模型可以简化为如图 1所示的二维模型。

设标记下方驱动轮为轮1、上方驱动轮为轮2。牵引器从右向左牵引，并只有轮1单侧遇到障碍物。分别对轮1、轮2和牵引器主体进行动力学分析，3个部分之间通过作用力与反作用力、作用力矩与反作用力矩相互影响，如图 2～图 4所示。

越障模型由轮1、轮2和牵引器主体3部分的动力学平衡方程组(1)、(2)、(3)组成，

(1)

(2)

(3)

式中：T₁、T₂分别为轮1、轮2的驱动力矩；μ_t为牵引器驱动轮与管壁之间的摩擦因数；R为牵引轮半径；F_N1、F_N2、F_Np、F_Nb分别为套管对轮1、轮2、前扶正器和后扶正器的支撑力；f₁、f₂、f_p、f_b分别为轮1、轮2、前扶正器、后扶正器与套管之间的摩擦力；I_v1、I_v2、I_vp、I_vb、I_h1、I_h2、I_hp、I_hb分别为各单元部件之间在水平和垂直方向的相互作用力；S′₁、S′₂、S_b、S′_b、S_p、S′_p分别为轮1、轮2、前扶正器和后扶正器对牵引器的作用力与牵引器重心的垂线距离；P_m为牵引器整体的达朗伯惯性矩；α为轮1上支撑力F_N1与水平方向的夹角；Q_v1、Q_v2、Q_h1、Q_h2分别为各部件在水平和垂直方向上的达朗伯惯性力；P₁、P₂分别为轮1、轮2的达朗伯惯性矩；G₁、G₂、G_p、G_b、G分别为轮1、轮2、前扶正器、后扶正器和牵引器重力；

联立方程组(1)、(2)、(3)，得到：

(4)

(5)

上述模型是轮式牵引器越障过程极限状态的准平衡模型。如果驱动电机能够提供满足上式的驱动力，牵引器就可以越过障碍物。图 5表示支撑力F_N随阻力F_f和障碍高度h变化曲线。由图可以得到结论：随着越障高度和井下阻力的不断增大，牵引器所需要提供的牵引力呈类似指数形式增长，牵引器驱动力一旦达到极限值，将直接威胁牵引器安全。因此，轮式水平井牵引器的越障方式存在一定的极限。

2 跨越式水平井牵引器结构设计

针对水平井轮式牵引器越障能力存在极限的问题，笔者提出一种水平井跨越式牵引器设计，其主要结构包括探测式扶正器、牵引驱动单元和电路控制系统，如图 6所示。

2.1 探测式扶正器

探测式扶正器安装于井下牵引器的最前端，用于扶正水平井中的牵引器，并对井筒中的障碍物进行提前探测，获得的井下障碍物信息(障碍位置和尺寸等)将有助于牵引器的越障工作。

探测式扶正器为六臂探测式扶正机构，扶正器上共有6个扶正轮均匀分布于井筒圆周方向上，每2个扶正轮之间夹角为60°，每个扶正轮均由1组扶正臂和2个压缩弹簧支撑，扶正臂与压缩弹簧通过弹簧推靠滑块和销钉进行连接。扶正轮在扶正臂和弹簧的支撑下与井壁紧密接触并存在一定弹性，当遇到井下障碍时，遇障的扶正轮会向内收缩以便适应井下环境，此时扶正轮将带动扶正臂一同内收，并通过弹簧推靠滑块进一步压缩弹簧。在扶正器接头内部安有长度传感器，用于监测扶正器接头内各压缩弹簧的长度变化。过线杆中留有过线通道，其中可放置通信信号线，用于将长度传感器测量数据传递至地面控制系统。

2.2 多节牵引机构

多节牵引机构包含多个牵引短节(图 6为3个牵引短节)，每个牵引短节中均包括驱动电机、驱动臂、驱动轮、推靠杆、推靠机构和推靠电机；单节牵引机构使用2台电机控制1组驱动轮，使得每组驱动轮可以自由伸缩并旋转，其中，推靠电机通过推靠机构和推靠杆控制驱动臂的支撑与收回，驱动电机通过传动机构控制驱动轮的正反转动；多节牵引机构在安装时互成一定角度，保证牵引机构上的驱动轮在圆周方向上均匀分布，示例中6只驱动轮分别与上述6个扶正轮一一对应，并处于同一平面内，便于在牵引过程中越过探测到的障碍。

多节牵引机构在连接时互成一定角度，牵引机构上装有6只驱动轮，6只驱动轮安装的方向与扶正器上6个扶正轮所在方向一一对应，电路筒中的电子芯片通过控制不同驱动轮的支撑与收缩，达到快速越障的目的。水平井越障牵引器以跨越的方式进行越障，越障过程迅速，越障动作可控，是一种专门应用于管径变化和井内障碍较多的水平井越障牵引器。

2.3 越障牵引器工作原理

以水平井井下遇到单一障碍物为例。跨越式水平井牵引器在井筒内前进过程中，探测式扶正器遇到井下障碍，扶正轮与障碍物接触并向井筒中心方向收缩，通过扶正臂和弹簧推靠滑块使弹簧受压收缩，长度传感器将测量弹簧的压缩量与弹簧收缩时间一并传输至电子芯片中，计算并得出障碍物的尺寸和方向。探测式扶正器如图 7所示。每一扶正轮均被标记，代表各自不同方向。

通过探测式扶正器与电路控制系统的计算，即可得知障碍物的方向和大小，从而进一步得知将要进行跨越式越障的是某一牵引机构(假设障碍物位于A牵引机构驱动轮前进方向上)。当牵引器即将遇到障碍时，首先A牵引机构的推靠电机收到反转指令，推靠电机通过支撑机构将A牵引驱动臂收回；然后B、C牵引机构将驱动臂支起，驱动轮与套管内壁紧密接触并产生一定正压力，此时B、C牵引机构的驱动电机正转，B、C牵引机构上的驱动轮同时与井壁产生相对运动，牵引器稳步前行，A牵引机构整体开始跨过障碍物；当确定A牵引机构已经跨越过障碍物后，A驱动臂重新支起，驱动轮与井壁紧密接触并旋转前行。当B、C方向上遇到较大障碍物时越障原理相同。

当A、B牵引机构驱动轮同时遇障时，电路控制系统将同时控制A、B牵引机构的驱动轮收缩，由C牵引机构提供前进动力，直至A、B牵引机构完成跨越式越障；完成越障动作后，多节牵引机构将恢复至平稳牵引状态。

3 样机试验

根据上述结构设计，对单节牵引机构进行了样品加工和室内试验。

首先将水平井牵引器样机放置于∅177.8 mm(7 in)套管入口处，对水平井牵引器进行调试，控制驱动轮上、下支起动作，并回收至牵引器主体内，避免与套管产生碰撞；然后将水平井牵引器慢慢推入∅177.8 mm套管一段距离，直至驱动轮部分完全进入套管内部，保证后续试验中驱动轮能始终在套管内有效工作。

通过控制推靠电机及控制器旋转，慢慢支起驱动轮，使驱动轮与管壁产生接触并继续撑起一小段时间，保证牵引器驱动轮与套管内壁产生一定的正压力。

通过制动器将推靠电机的输出轴锁定，迫使推靠臂提供给驱动轮的支撑力不再大幅改变。此时控制驱动电机旋转，驱动轮与管壁产生相互作用力，水平井牵引器顺利向前牵引。

4 结论

(1) 对水平井轮式牵引器越障过程进行力学分析，推导出牵引器越障方程，绘制了以障碍高度、井下阻力和牵引器提供支撑力为影响因素的越障能力图，从三者关系图中可以得出：随着障碍高度和井下阻力的不断增大，牵引器需要提供的动力不断增大，成类似指数方程形式增长，水平井轮式牵引器越障能力存在理论上限。

(2) 跨越式水平井牵引器在保持轮式牵引器运行原理不变的情况下，为其提供了一种新的越障方式。该结构设计包括探测式扶正器、多节牵引机构和电路控制系统。

(3) 牵引器的探测式扶正器可以提前探测井下障碍物的方向和大小；多节牵引器机构可实现交替牵引、跨越障碍物的越障动作。跨越式越障迅速灵活，安全可靠，提高了牵引器的越障能力，可应用于大障碍物较多以及井径变化的水平井中。