一种微小井眼电机驱动CT牵引器控制系统技术领域
本发明涉及一种微小井眼电机驱动CT牵引器控制系统，适用于机械领域。
背景技术
虽然连续管(CT)井下作业技术在油田钻井、井、测井、完井、采油以及井下特殊作业等的应用日益广泛，但井下CT管柱与井壁的摩阻较大引，造成微小井眼CT井下作业技术不能得到有效推广应用的问题也亟待解决。研究用于克服井下CT与井壁摩阻，并牵引CT下入或取出的CT牵引器，对推动我国微小井眼连续管钻井技术发展有重要意义。
20世纪90年代后期，国外许多公司相继开发了多种水平井电缆牵引器，形成现在有代表性的牵引器产品，主要包括：丹麦Welltec公司Well Tractor轮式牵引器。挪威Maritime Well Service(MWS)公司的PowerTracAdvance轮式牵引器、PowerTracINVADER履带式牵引器，法国Schlumberger公司的MaXTRAC伸缩式牵引器、英国Sondex有限公司的Sondex轮式牵引器、ExproGroup公司的SmarTract伸缩式牵引器、美国Western Well Tool公司的Microhole Drilling Tractor伸缩式牵引器。其中仅Microhole Drilling Tractor伸缩式牵引器可用于小井眼，能进行有效的钻井液循环；其余的大都是轮式或履带式，外围尺寸较大，只适用于大直径井眼，用电缆或钢丝绳连接，工作时不能进行有效的钻井液循环。国内对井下牵引器的研究起步较晚，研究也较少，且主要集中在大直径井眼的轮式牵引器上，不适应小井眼CT的井下牵引作业要求，也没有成熟的产品投放市场。
通过对现有国内外牵引器产品分析发现，仅美国的Microhole Drilling Tractor伸缩式牵引器可用于小井眼，能进行有效的钻井液循环。其余的大都是轮式或履带式牵引器，主要存在下列缺陷：①用滚轮或履带式，整体结构不紧凑，外围尺寸较大，只适用于大直径井眼；②用电缆或钢丝绳连接，工作时不能进行有效的钻井液循环；③采用钻井液液压能进行驱动控制，液压控制管路较复杂，不能有效节省液压控制管路占据空间；④采用液压驱动和控制时，使得牵引器对井眼循环液压力依赖性较大，不利于实现自动控制；⑤支撑机构采用撑杆结构，使得牵引器最小适用井眼直径较大，不适合在小井眼中牵引作业。因此，在给出的牵引器结构基础上，研究并设计合理的CT牵引器控制系统方案，对推动CT井下作业的发展与应用具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种微小井眼电机驱动CT牵引器控制系统，牵引器利用4个伺服电机有效驱动与控制牵引器在井下牵引CT顺利下人和取出，解决了因井下连续管摩阻较大，下入和取出连续管困难等技术难题，使连续管在井下能延伸更长，从而推动我国微小井眼CT井下作业技术发展。
本发明所采用的技术方案是。
所述电机驱动CT牵引器系统总体结构包括上牵引器系统、六方中心滑管和下牵引器系统。上牵引器系统和下牵引器系统结构相同，分别套在六方中心滑管的上部和下部，安装方向相同或相反，分别起交替支撑井壁和牵引六方中心滑管的控制。上卡瓦和上卡瓦锁紧滑块加工有相互配合的倾斜面，斜面的角度能保证在上卡瓦锁紧滑块向上移动时滑动膨胀开上卡瓦；上卡瓦具有一定的弹性，能在上卡瓦锁紧滑块的作用下膨胀开，在外力消除时闭合。
所述六方中心滑管包括上六方中心滑管螺杆、上突出法兰、下六方中心滑管螺杆和下突出法兰。六方中心滑管上、下两端分别与上部连续管相连接和下部钻具组合连接。
所述下牵引器系统主要由下支撑单元、下电驱动与控制单元及下牵引单元等组成。下控制模块可通过扭矩的大小和转数的多少对下牵引驱动电机和下卡瓦驱动电机模块进行控制。下卡瓦和下卡瓦锁紧滑块加工有相互配合的倾斜面，斜面的角度能保证在下卡瓦锁紧滑块向下移动时滑动膨胀开下卡瓦；下卡瓦具有一定的弹性，能在下卡瓦锁紧滑块的作用下膨胀开，在外力消除时闭合。
所述牵引器直接通过伺服步进电机来驱动，减少了利用循环液驱动时对液压能的依赖性，无论有无循环液压能，只要能通电，就能够在井下进行牵引爬行；国内研究的牵引器主要侧重于液压驱动的轮式和伸缩式，对液压能的依赖性较高，驱动系统比较复杂。
所述牵引器直接通过伺服步进电机来控制，包括抓紧卡瓦张开程度、抓紧力的大小，牵引爬行的距离、牵引力的大小；每个伺服步进电机直接控制一个动作，控制简单，减少了利用液压阀控制循环管路的复杂性，并能够节省大部分液压管路所占据的空间。
所述牵引器直接用伺服步进电机驱动控制，而且中间传动结构较少，使得牵引器上、下牵引的灵活性和速度快慢在很大程度上取决于伺服步进电机控制的灵活性和速度，而伺服步进电机控制相对比较方便灵活，速度控制范围大。因此，用伺服步进电机控制的牵引器控制灵活，牵引速度快。
所述牵引器可适用于小井眼井下牵引作业。国内很多牵引器的支撑系统采用连杆支撑结构或管轮式结构，使得最小适用井眼直径较大，不适用于小直径井眼牵引作业；该牵引器采用的支撑单元是斜面滑动外推卡瓦膨胀式结构，支撑部分较紧凑，可适用于较小直径的井下牵引作业。
所述牵引器在牵引过程中能保证井下液体正常循环。国内大部分牵引器是测井牵引器，工作中不能保证钻井液或洗井液正常循环，该牵引器预留内循环通道，在井下作业过程中能有效保证流体循环。
本发明的有益效果是：该牵引器直接通过伺服步进电机来驱动和控制，减少了利用循环液驱动时对液压能的依赖性和利用循环液压阀来控制管路的复杂性，节省大部分液压管路占据的空间；牵引器能双向牵引，稳定性好，牵引灵活，牵引速度快，可适用于小井眼井下牵引作业，牵引过程中能保证井下液体正常循环。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统组成示意图。
图2是本发明的系统组成剖视图。
图中：l.上牵引器系统；2.六方中心滑管；3.下牵引器系统；4.上支撑单元；5.上电驱动与控制单元；6.上牵引单元；7.下牵引单元；8.下电驱动与控制单元；9.下支撑单元；10.上卡瓦支座；11.上卡瓦支座滑孔插销总成；12.内螺纹；13.上卡瓦壳体；14.上卡瓦；15.上卡瓦锁紧滑块；16.上卡瓦伸缩杆；17.上卡瓦壳体滑孔插销总成；18.上螺杆推进滑块；19.上螺杆；20.上螺杆驱动转子；21.上卡瓦驱动电机模块；22.上电机固定环；23.上控制模块；24.上牵引驱动电机；25.上牵引壳体；26.上牵引转子；27.上牵引转子螺母；28.上六方中心滑管螺杆；29.上突出法兰；30.上牵引壳体支座；31.下牵引壳体支座；32.下突出法兰；33.下六方中心滑管螺杆；34.下牵引转子螺母；35.下牵引转子；36.下牵引壳体；37.下牵引驱动电机；38.下控制模块；39.下电机固定环；40.下卡瓦驱动电机模块；41.下螺杆驱动转子；42.下螺杆；43.下螺杆推进滑块；44.下卡瓦壳体滑孔插销总成；45.下卡瓦伸缩杆；46.下卡瓦锁紧滑块；47.下卡瓦；48.下卡瓦壳体；49.下卡瓦支座滑孔插销总成；50.下卡瓦支座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，电机驱动CT牵引器系统总体结构包括上牵引器系统、六方中心滑管和下牵引器系统。上牵引器系统和下牵引器系统结构相同，分别套在六方中心滑管的上部和下部，安装方向相同或相反，分别起交替支撑井壁和牵引六方中心滑管的控制。上卡瓦和上卡瓦锁紧滑块加工有相互配合的倾斜面，斜面的角度能保证在上卡瓦锁紧滑块向上移动时滑动膨胀开上卡瓦；上卡瓦具有一定的弹性，能在上卡瓦锁紧滑块的作用下膨胀开，在外力消除时闭合。
六方中心滑管包括上六方中心滑管螺杆、上突出法兰、下六方中心滑管螺杆和下突出法兰。六方中心滑管上、下两端分别与上部连续管相连接和下部钻具组合连接。
下牵引器系统主要由下支撑单元、下电驱动与控制单元及下牵引单元等组成。下控制模块可通过扭矩的大小和转数的多少对下牵引驱动电机和下卡瓦驱动电机模块进行控制。下卡瓦和下卡瓦锁紧滑块加工有相互配合的倾斜面，斜面的角度能保证在下卡瓦锁紧滑块向下移动时滑动膨胀开下卡瓦；下卡瓦具有一定的弹性，能在下卡瓦锁紧滑块的作用下膨胀开，在外力消除时闭合。
一般对牵引器的上控制模块和下控制模块的强电和信号传输有3种方式，一种是连续管内置8芯电缆，既可以完成输电，又可以实现有线信号传输；二是连续管管壁外埋电缆，但这种传输方式相对较少；三是连续管外配置多芯电缆，完成输电功能和信号传输功能。针对井眼直径较小的特性，该电驱动牵引器采用的是内置8芯电缆完成输电和有线信号传输功能。其运动状态可由地面输入指令分别对上控制模块和下控制模块进行控制。
上控制模块接收到地面信号后，可驱动上卡瓦驱动电机模块正转或反转，带动上螺杆驱动转子和上螺杆正转或反转，通过上螺杆与上螺杆推进滑块的螺杆滑块机构推动螺杆推进滑块前进或后退，螺杆推进滑块通过上卡瓦伸缩杆推动上卡瓦锁紧滑块前进或后退，当卡瓦锁紧滑块前进时，通过斜锥面外推上卡瓦发生弹性变形，并沿上卡瓦支座滑孔和上卡瓦壳体滑孑L滑动，使其张开抓紧井壁，张紧力的大小可以通过驱动电机模块的扭矩来控制，张开的程度可由上卡瓦驱动电机模块转动的圈数和角度来控制；当卡瓦锁紧滑块后退时，卡瓦锁紧滑块与上卡瓦的斜锥面离开，外推力消失，上卡瓦在自身弹性与井壁挤压力的作用下收缩到最小外径状态。上控制模块接收到地面信号后，同时控制上牵引驱动电机正转或反转、带动上牵引转子和上牵引转子螺母正转或反转，通过六方中心滑管上的上六方中心滑管螺杆机构，推动上牵引器系统沿六方中心滑管向上或向下做相对滑动，完成牵引功能，其牵引力的大小、位移和方向可分别由上牵引驱动电机的输出扭矩、转数和正反转来控制。
下控制模块接收到地面信号后，可驱动下卡瓦驱动电机模块正转或反转，带动下螺杆驱动转子和下螺杆正转或反转，通过螺杆与上螺杆推进滑块的螺杆滑块机构推动螺杆推进滑块前进或后退，螺杆推进滑块通过下卡瓦伸缩杆推动下卡瓦锁紧滑块前进或后退，当卡瓦锁紧滑块前进时，通过斜锥面外推下卡瓦发生弹性变形，并沿下卡瓦支座滑孑L和下卡瓦壳体滑孔滑动，使其张开抓紧井壁，张紧力的大小可以通过驱动电机模块的扭矩来控制，张开的程度可由下卡瓦驱动电机模块转动的圈数和角度来控制；当卡瓦锁紧滑块下后退时，下卡瓦锁紧滑块与下卡瓦的斜锥面离开，外推力消失，下卡瓦在自身弹性与井壁挤压力的作用下收缩到最小外径状态。下控制模块接收到地面信号后，同时控制下牵引驱动电机正转或反转、带动下牵引转子和下牵引转子螺母正转或反转，通过六方中心滑管上的上六方中心滑管螺杆机构，推动下牵引器系统沿六方中心滑管向上或向下做相对滑动，完成牵引功能，其牵引力的大小、位移和方向可分别由下牵引驱动电机的输出扭矩、转数和正反转来控制。上控制模块和下控制模块之间相互联系，根据工作过程先后顺序的不同，上控制模块和下控制模块对各个电机模块的控制存在相位差，保证牵引器工作的顺利进行。