测井电缆张紧装置文献综述1之欧阳体创编.docx

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测井电缆张紧装置文献综述1之欧阳体创编

中国石油大学（华东）毕业设计（论文）

时间：

2021.02.03

创作：

欧阳体

测井电缆张紧装置伺服系统设计

学生姓名：

周忍

学号：

08041532

专业班级：

机自08-5

指导教师：

张金中

2012年3月16日

第1章前言··········································································································1

1．1国内外现状·····························································································1

1．2研究目的································································································1

1．3研究意义································································································1

第2章电缆张紧装置伺服系统分析介绍··························································2

2．1电缆受力分析························································································2

2．2张紧装置介绍························································································2

2．3伺服系统分析························································································2

2．3．1伺服系统发展概况····································································3

2．3．2制动力矩的调节控制·································································4

第3章结论···········································································································7

参考文献················································································································9

第1章前言

1.1国内外张紧装置伺服系统的现状

测井是通过绝缘电缆将井下仪器或电极系，下放到钻孔中进行各种地球物理测，量并随钻孔深度进行模拟的图形显示或数字记录，最后通过数据处理和解释，达到解决各种地质问题的目的的测量方法。

在钻到设计井深深度后都必须进行测井，又称完井电测，以获得各种石油地质及工程技术资料，作为完井和开发油田的原始资料。

深度是测井资料中的一项重要数据。

但由于目前使用的数控测井仪深度系统仍存在不少问题，使得实际测井中常产生深度误差。

原因是多方面的，诸如电缆与测量轮之间因吻合不好而产生打滑，使得深度测量出现一次性误差；测量轮的周长由于磨损等原因发生变化，从而引起深度测量累积性误差；由于井下仪器遇卡和电缆跳动等原因，使测量轮来回转动引起测量误差；电缆在井内受自重、浮力、摩擦力、泥浆压力及温度变化等因素影响，导致电缆拉伸引起测量误差。

传统测井电缆的深度标定是采用标准井法完成的。

标准井内下有套管，首先，对套管进行深度标定，每一套管接箍都有一个标准深度，形成标准深度的套管井。

在此基础上，把测井电缆下放到井内，以每小时2500至3000米的速度上提电缆进行磁定位深度测井，在测井的同时，在地面上对运动的测井电缆每隔25米注上一个磁记号，并连续将整盘电缆全部注磁完毕，即完成一套电缆的深度标定。

传统测井电缆的深度标定方法需要建一口标准井，而标定过程复杂、费时。

传统测井电缆深度记号标定装置安装示意图如下

1.2张紧装置伺服系统研究目的

传统测井电缆的深度标定方法复杂、费时。

为了克服用标准井标定测井电缆的缺点采用滚筒模拟标准井对电缆进行标定。

用滚筒模拟标准井在地面标定测井电缆时，必须使电缆保持在标准井中对应深度的张力。

电缆张力只能施加于滚筒，不能直接施加于电缆，张力的变化还必须随电缆的长度变化而变化。

因此，需要研制一套模拟电缆在标准井中由于自重所产生的张力的装置及其调节控制系统。

1.3张紧装置伺服系统研究意义

测井电缆是测井获取地层信息过程中重要的配套设备，在测井过程中起到地面控制系统与井下仪器之间的信号传输及下放、提升井下仪器和标示所测地层信息深度位置的作用。

电缆通常是不能承受很大拉力的，所以张紧装置是电缆传送中不可缺少的重要组成部分，它的主要性能是：

1.保证足够的张紧力以及驱动装置依靠摩擦力传动所必须传递的摩擦牵引力，防止电缆打滑。

2.补偿塑性变形与过渡工况时电缆伸长量的变化。

由于负载变化会引起电缆长度发生变化，张紧力有变小趋势，需要张紧装置来维持电缆传送正常运行所需的最小张紧力。

测井电缆机械抗拉强度一般为50～801~N，在测井过程中，由于电缆上提速度较快，当井下仪器遇卡时，电缆张力突然变大，操作人员往往来不及采取措施，电缆就被瞬间拉断，造成仪器掉入井中和电缆报废事故。

这不但妨碍了安全生产，同时会带来严重经济损失。

为此我们需要设计一伺服系统来控制张紧装置从而达到保护电缆的目的。

第2章电缆张紧装置伺服系统分析介绍

2.1电缆受力分析

电缆自重、下井仪器的重量及其在泥浆中的浮力

（1）电缆自重设单位长度电缆的重量为，电缆长度为，则电缆的自重为

（2-1）

（2）电缆在泥浆中的浮力电缆在井内处于泥浆之中，受到泥浆的浮力作用，其浮力等于电缆所排泥浆的重量，即

（2-2）式中，为泥浆的单位体积重量；为电缆的截面积。

（2）仪器重量电缆终端悬挂着的井下仪器在泥浆中的重量为

（2-3）

式中，为仪器在空气中的重量，为仪器的体积。

电缆在井内移动时所受的阻力

（1）泥浆粘附力这种粘附力由周围泥浆粒子之间的抗剪切强度产生，可表示为

（2-4）

式中，加号表示电缆上提，减号表示电缆下放；为电缆直径；为泥浆中的动态剪切强度；为泥浆的塑性粘度，它取决于泥浆的性质；为电缆在井内的移动速度；为单位长度电缆所受到的泥浆粘附力。

（2）附加摩擦力电缆在井内移动时可能与井壁接触，由此将产生附加摩擦力，它与电缆在井壁上的摩擦系数、井眼的倾斜角及电缆的重量等参数成正比，并与电缆在井内的移动速度有关。

实际上，在井内各段电缆的摩擦系数是不同的，取决于该段井壁的状况，如岩石的性质、泥饼的厚度以及不同井斜状态下电缆在井壁上所受的压力变化等，因此难以用简单的式子表示。

通常可以通过实际测试和统计找出其与这些因素之间的关系。

和均为电缆在井内移动时受到的阻力，对电缆所产生的负荷为

（2-5）

式中，为单位长度电缆所受的阻力。

同理，下井仪器在井内移动时也受到泥浆粘附力和来自井壁的摩擦力。

对电缆产生的负荷为

根据上述分析可知，测井时电缆在井口所受到的拉力为

（2-6）由上述知，悬挂在空气中并考虑来自泥浆和井壁的阻力、泥浆的浮力等因素，在井下作用于电缆上的实际平均张力为

（2-7）

比较是（2-6）和式（2-7），可得

（2-8）

2.2张紧装置介绍

实现电缆由自重所产生张力的模拟，采用连续制动的原理。

能够实现这一功能的技术有：

水制动、电磁涡流制动和气控盘式制动。

在此选用伊顿WCB辅助制动器。

伊顿辅助制动力矩是在压缩空气作用下，压紧盘组件压紧动摩擦盘所产生的摩擦力而形成的。

其制动转矩为：

（2-9）

式中，Me为盘式制动在p0压力下的制动扭矩；p0为盘刹气缸内的压力；Mr为pr为0.55MPa时产生的扭矩；pp为压力损失。

由公式（2-9）可以看出，WCB辅助制动制动力矩与制动轴的转速无关，仅与制动气缸的气压有关，且呈线性关系。

易于实现制动力矩的调节与控制。

伊顿辅助制动在制动状态下，摩擦盘长时间摩擦产生大量热量必须由冷却水腔中的冷却水流带走。

如果冷却不充分，将严重影响制动性能。

因此，伊顿制动配套和使用的关键是制动必须能够得到充分冷却。

伊顿WCB辅助制动是国内引进的美国技术，已经很好的解决了摩擦盘和摩擦片的寿命问题。

在石油钻机上的应用结果表明，其寿命达到三年，而且制动力矩稳定。

伊顿WCB辅助制动是气控制动最典型的代表，伊顿制动具有低速制动性能好，结构紧凑、体积小、质量轻等特点。

同时，气动控制方式安全性高，适用于易燃易爆的工作环境。

WCB制动器负荷试验曲线图

2.3伺服系统分析

伺服系统（Servomechanism;servo-system）：

实现输出变量精确地跟随或复现输入变量的控制系统。

包含功率放大和反馈，使得输出变量的值紧密地响应输入量值的一种自动控制系统。

伺服系统（servomechanism）是是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。

它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。

伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

又称随动系统。

在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统。

其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。

一个现代伺服系统的设计包含了机械设计、电机控制、电力电子、伺服控制、运动控制、程序设计、网络通讯协议、噪声抑制、实际应用等技术与经验，其核心技术在于整合微电子与电力电子技术实现伺服控制技术。

2.3.1伺服系统发展概况

伺服系统是自动控制系统中的一类。

它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于本世纪初。

1934年第一次提出来伺服机构（Servomechanism）这个词，随着自动控制理论的发展，到本世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。

近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进。

伺服系统方块图

从系统组成元件的性质看，有电气伺服系统，它的全部元器件由电器元件组成；有全部由液压元件组成的液压伺服系统；有不少两者相结合的电气-液压伺服系统、电气-气动伺服系统，从控制方式看，伺服系统不包括单纯的开环控制，还有闭环控制系统，开环-闭环控制系统。

伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。

最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构，PLC,专门的运动控制卡，工控机+PCI卡，以便于给伺服驱动器发送指令。

从控制方式看，伺服系统不包括单纯的开环控制，还有闭环控制系统，开环—闭环控制系统

伺服系统基本控制方式举例

2.3.2制动力矩的调节控制

a.制动力矩的调节

采用电控气动闸阀调节制动汽缸的气压实现。

b.制动力矩的控制

电控气动压力调节阀的调节动