CN102808589A - 一种电机驱动连续油管井下牵引器 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气田开发领域，涉及一种用于连续油管钻井、测井、修井工程，有助于连续油管在水平井段下入更长距离的牵引器。电机驱动连续油管井下牵引器包括上牵引器***、六方中心滑管、下牵引器***；上牵引器***包括上支撑单元、上电驱动与控制单元、上牵引单元；上牵引器***和下牵引器***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。本发明直接通过伺服步进电机来进行驱动控制，减少了利用循环液驱动时对液能的依赖性和利用循环液液压阀控制管路的复杂性，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；牵引器可适用于小井眼井下牵引作业，牵引过程中能保证正常的井下液体循环。

Description

一种电机驱动连续油管井下牵引器

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及一种用于连续油管钻井、测井、修井工程，有助于连续油管在水平井段下入更长距离的牵引器。

背景技术

由于连续油管用途非常广泛：可用来作清洗管线冲洗砂堵、清蜡、选择性酸化、气举求产、挤水泥封堵、压井、负压射孔、试井、驱替钻井液、大斜度井测井、水平井测井、完井、打捞、起下坐封膨胀式分割器、钻塞、磨削落鱼、永久性安装作为生产管、井底摄像、小经验钻井、二次钻井和加深钻井、套管开窗侧钻、油管补贴等，可以进行水平井钻井、下套管井钻井、裸眼井钻井、加深钻井、小井眼钻井、微小井眼钻井、老井开窗侧钻、欠平衡钻井以及修井、完井等作业；连续油管钻井具有低成本、低能耗、安全环保、应用范围广泛等特点，能够提高老油田、“低压、低渗、低产”三低油气藏等难动用油气藏的开发效益，尤其是在我国的非常规气藏、致密气、页岩气及煤层气等的勘探开发方面，有着广泛的应用前景。但连续油管井下作业技术存在着急需解决的问题：其一、钻井时连续油管在井眼中不旋转，下放遇阻严重，钻压施加困难。其二、连续油管井下遇阻，延伸井眼长度受限，尤其是在钻大斜度井、定向井、水平井、深井时，连续油管井下滑动遇阻问题更为严重。为解决这些问题，石油钻采行业设计了多种井下牵引器，

井下牵引器即井下爬行器，也叫井下爬行机构、井下拖拉机、井下牵引机器人、井下水力加压器、井下钻头推进器等，是一种能在井底提供牵引力的一种井下工具。井下牵引器按其运动原理可分为滚轮爬行式、履带爬行式(链轨式)和抓靠臂伸缩滑动式(步进式)三种，其中轮式出现最早，伸缩式次之，履带式最晚。牵引爬行器按其能量来源可分为连续管式(Coiled Tubing Tractor)、电缆式(Wireline Tractor)和连续管电缆混合式三种。其中连续管式牵引爬行器在其尾部连接有连续管，地面通过连续管泵入高压液体，高压液体驱动牵引爬行器内部涡轮机构，为整个牵引爬行装置提供能量。电缆式牵引爬行机构则是通过连接在其尾部电缆从地面获得能量。连续管电缆混合式牵引爬行机构则既可通过地面泵入高压液体提供能量驱动，又可以通过电缆输送电能驱动。

20世纪90年代后期，国外许多公司相继开发了能够在井下独立作业的水平井牵引装置(也就是电缆牵引器)。经过多年的发展，到目前为止，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，英国Sondex有限公司的Sondex轮式牵引器，挪威Maritime Well Service(MWS)公司的PowerTrac Advance轮式牵引器、PowerTrac INVADER履带式牵引器，英国ExproGroup公司的SmarTract伸缩式牵引器、法国Schlumberger公司的MaxTRAC伸缩式牵引器、美国Western Well Tool公司的Microhole DrillingTractor伸缩式牵引器。其中美国Western Well Tool公司的Microhole DrillingTractor伸缩式牵引器是连续油管式的靠地面高压钻井液驱动的、可用于小井眼的牵引器，工作时可保持有效地钻井液循环；其余的牵引器大都是轮式或履带式，***尺寸较大，只适用于大直径井眼，用电缆或钢丝绳连接，电驱动，牵引力较小，工作时不能进行有效的钻井液循环，一般限于测井行业的应用。

但无论是那种牵引器，对国内而言，国外都采取了严格的技术保密措施，致使国内对井下牵引器的研究还处于刚刚起步的阶段：自2002年8月，塔里木油田通过技术合作的方式，采用井下牵引器技术进行了水平井产业剖面测井的探索，取得了一定的效果。此后，国内的少数科研院所也相继开展了井下牵引器的研究，主要有中国石油大学、哈尔滨工业大学、西南石油学院、大庆石油学院、西安石油大学等，也申请了一些牵引器的专利，但这些牵引器或多或少的存在一些缺点，并且大都局限于利用循环液压进行驱动控制，没有直接用伺服步进电机进行牵引器驱动与控制的，不能较好的满足井下作业的要求。

中国石油大学高进伟、刘猛等人在文献(高进伟，刘猛，闫相祯.水平井井下轮式自适应管道爬行器：中国)中提出了一种轮式拖动器的结构方案，并申请了实用新型专利(200520008070.8.2006-08-16，套管水平井测井牵引器变径牵引装置)；哈尔滨工业大学也研制了一款电缆轮式拖动器(唐德威，王新杰，邓宗全.水平油井检测仪器拖动器.哈尔滨工业大学学报.2007，39(9)：1395-1397)，并进行了地面试验；西安石油大学朱林、吴松平自行设计了一种轮式牵引器(朱林，吴松平.水平井测井仪器牵引爬行器的设计.新技术新工艺，2007，(12)：32-34)；辽河石油勘探局提出了具有自主知识产权的轮式牵引器(200720190260.5，套管水平井测井牵引器变径牵引装置)，并且2008年长城钻探测井公司在辽河油田的四口水平井对其研制的牵引器进行了的井下试验，还有些其他科研院所也进行了轮式牵引器相关方面的研究，但这些牵引器都有一些共同点：都是轮式牵引器，都是电缆连接无循环，都是测井、修井等牵引力不大的井下作业用牵引器，因此存在很多缺陷，主要缺陷如下：(一)轮式牵引器整体结构不紧凑，外径尺寸大，只适用于大直径井眼，不能适用于小井眼井下牵引作业，适应管径能力有限；(二)依靠电缆或钢丝绳连接的电驱动，不能有效连接连续油管靠地面液压进行驱动和实现有效的钻井液循环；(三)牵引力较小，只适用于牵引测井电缆或钢丝绳等；(四)大部分不能实现双向驱动。

大庆石油学院邵守君、常玉连提出了一种涨闸活塞式行走的伸缩式拖动器(邵守君.基于虚拟样机的石油井故障探测机器人研究.大庆石油学院硕士论文.2007：5～7)主要由电气组件、液压组件、上支撑行走组件、下支撑行走组件及探测组件组成，通过电磁换向阀对四个液压缸控制，使上、下支撑行走组件实现按要求的交替撑紧或收回，伸出与缩进，从而实现自主行进，但该牵引器存在很大的缺陷：(一)牵引力较小，理论最大值仅5000N，只适用于牵引测井电缆或钢丝绳等，无法实现牵引连续油管进行井下作业；(二)用连接电缆给电气组件供电来驱动电机使液压机构进行工作，牵引器中没有提供钻井液循环通道，无法实现作业过程中井下液体与地面的有效循环；(三)支撑***和导向轮部分采用连杆机构，使得结构不紧凑，牵引器外径较大，能适用的井眼直径范围有限(Φ90-Φ130mm)。

西南石油大学祝效华、胡志强、石昌帅等申请的(201110081197.2，连续油管爬行器及其爬行方法)连续油管爬行器及其爬行方法是由前爬行装置、控制器和后爬行装置组成，虽然是采用连续油管连接，利用地面液压装置进行驱动，但是该专利明显存在不足之处：(一)牵引部分采用上下两个牵引液缸进行牵引驱动和控制，使得牵引部分过长，支撑机构采用单液缸驱动和弹簧复位装置，使得牵引器液压管路复杂，最小适用井眼直径较大，不适合在小井眼中牵引前进；(二)由于连续油管井下作业使连续油管内循环压耗较大，采用纯液压驱动和控制，对牵引器内外压差最小值有一定要求，只有地面泵压达到一定值以后才能驱动牵引器正常工作，使得该牵引器对地面压力依赖性比较大，牵引控制不灵活；(三)只是提出用液压进行驱动控制概念，但并未给出具体的液压驱动与控制的管路实施方案；(四)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；

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电机驱动连续油管井下牵引器，其利用四个伺服电机有效的驱动与控制牵引器在井下牵引连续油管柱顺利下入和取出，解决了因井下连续油管摩阻较大，下入和取出连续油管困难等技术难题，使连续油管在井下能延伸更长。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种电机驱动连续油管井下牵引器包括上牵引器***，包括上牵引器***、六方中心滑管、下牵引器***；上牵引器***和下牵引器***分别套在六方中心滑管的上部和下部。

优选地，六方中心滑管中间有中空圆形的循环水眼、外部呈正六边形，在六方中心滑管上部与上牵引单元对应位置和下部与下牵引单元对应位置分别设有上突出法兰、下突出法兰；上六方中心滑管螺杆和下六方中心滑管螺杆分别通过螺栓装配在上突出法兰、下突出法兰上。

优选地，上牵引器***、下牵引器***结构相同，在六方中心滑管上的安装方向相同或相反。

优选地，上牵引器***从上到下依次包括上支撑单元、上电驱动与控制单元和上牵引单元。

优选地，上支撑单元包括上卡瓦支座、上卡瓦壳体、上卡瓦、上卡瓦锁紧滑块、上卡瓦伸缩杆、上螺杆推进滑块；上卡瓦支座为轴向具有正六边形孔的圆柱体，上卡瓦支座套在六方中心滑管上并可以相对六方中心滑管作轴向滑动；在上卡瓦支座的正六边形孔的下端具有内螺纹，在上卡瓦支座底端的外部沿周向均布有三个上卡瓦支座滑孔插销总成；上卡瓦壳体为具有正六边形孔的圆柱体，上卡瓦壳体套在六方中心滑管上并可以相对六方中心滑管作轴向滑动；在上卡瓦壳体的上端具有外螺纹，上卡瓦壳体与上卡瓦支座通过螺纹连接成整体，并套在六方中心滑管上，可以相对六方中心滑管作轴向滑动；在上卡瓦壳体的中部沿圆周方向均布有三个上卡瓦壳体滑孔插销总成，上卡瓦壳体滑孔插销总成与上卡瓦支座滑孔插销总成上下对应；上卡瓦具有三个，三个上卡瓦沿上卡瓦壳体周向均匀分布，上卡瓦上端通过上卡瓦支座滑孔插销总成与上卡瓦支座连接，上卡瓦下端通过上卡瓦壳体滑孔插销总成与上卡瓦壳体相连接；上卡瓦支座滑孔和上卡瓦壳体滑孔均为长形孔，从而使得上卡瓦在张开和收缩时滑孔插销在长形孔中具有一定的轴向位移空间；上卡瓦壳体在外圆周方向均匀设有三个沿轴向的滑槽，滑槽的下端设有上卡瓦伸缩杆孔，上卡瓦伸缩杆孔的下端设置有上螺杆推进滑块空腔，上螺杆推进滑块空腔下端设有上螺杆定位孔，上螺杆定位孔下端设置上螺杆驱动转子、上卡瓦驱动电机模块、上电机固定环、上控制模块的安装空腔；三个上卡瓦锁紧滑块分别装在三个滑槽中，上卡瓦锁紧滑块的下端与上卡瓦伸缩杆相连接；上卡瓦伸缩杆装在上卡瓦伸缩杆孔中，上卡瓦伸缩杆下端与上螺杆推进滑块相连接。

优选地，上电驱动与控制单元从上到下依次包括上螺杆、上螺杆驱动转子、上卡瓦驱动电机模块、上电机固定环、上控制模块；三个上螺杆纵向定位在上卡瓦壳体的三个上螺杆定位孔中，上螺杆的上端与上螺杆推进滑块通过螺纹传动连接，上螺杆的下端与上螺杆驱动转子通过齿轮连接，上卡瓦驱动电机模块固定连接并驱动上螺杆驱动转子；上卡瓦驱动电机模块通过上电机固定环固定在上卡瓦壳体内，上螺杆、上螺杆驱动转子、上卡瓦驱动电机模块、上电机固定环和上控制模块均装在上卡瓦壳体的空腔内；上卡瓦壳体的下端设有内螺纹。

优选地，上牵引单元包括上牵引驱动电机、上牵引壳体、上牵引转子、上牵引壳体支座；上牵引壳体为上端带有六方孔的中空圆柱体，上牵引壳体可以相对六方中心滑管作轴向滑动，上牵引壳体的上端具有外螺纹、下端具有径向定位插销螺孔，上牵引壳体的上端与上卡瓦壳体的下端通过螺纹连接；上牵引壳体空腔中的上端固定上牵引驱动电机，上牵引驱动电机下端连接并驱动上牵引转子，上牵引转子内腔加工有上牵引转子螺母，上牵引转子螺母与上六方中心滑管螺杆传动连接；上牵引壳体支座为带有六方孔的中空圆柱体，上牵引壳体支座上端带有径向定位插销螺孔，上牵引壳体支座可以相对六方中心滑管作轴向滑动；上牵引壳体下端与上牵引壳体支座通过径向定位插销连接；上控制模块可通过扭矩的大小、和转数的多少对上牵引驱动电机和上卡瓦驱动电机模块进行控制。上控制模块可根据上卡瓦驱动电机模块的正反旋转方向、转速的大小、转数的多少、扭矩的大小分别对牵引器支撑***的卡瓦是张开还是闭合、卡瓦张开和闭合的速度、卡瓦张开和闭合的程度、卡瓦支撑力的大小进行控制；上控制模块可根据上牵引驱动电机的正反旋转方向、转速的大小、转数的多少、扭矩的大小分别对牵引器上牵引单元和下牵引单元向的上牵引和向下的牵引方向、牵引速度的大小、牵引位移的大小、牵引力的大小进行控制。

优选地，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，在外力消除情况下闭合。

本发明与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、每个直接通过伺服步进电机来进行驱动，减少了利用循环液驱动时对液能的依赖性，无论有无循环液能，只要能通电，都能够在井下进行牵引爬行：国内研究的牵引器主要侧重液压驱动的轮式和伸缩式，对液压依赖性较高，驱动***比较复杂；

2、直接通过伺服步进电机来进行控制，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，减少了利用循环液液压阀控制管路的复杂性，并能节省大部分液压管路占据的空间；

3、每个上牵引器总成中有三个抓紧卡瓦成轴向均布，使牵引器不容易翻转，稳定性好；

4、牵引灵活，牵引速度快：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很大程度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牵引灵活，牵引速度快；

5、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***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，本发明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；

6、牵引过程中能保证正常的井下液体循环：国内大部分牵引器是测井牵引器，工作中不能保证正常钻井液或洗井液循环，本发明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。

附图说明

图1为电机驱动连续油管牵引器主视示意图；

图2为电机驱动连续油管牵引器俯视示意图；

图3a为电机驱动连续油管牵引器上卡瓦张开时上半部分沿图2中A-A剖面示意图；

图3b为电机驱动连续油管牵引器上卡瓦闭合时上半部分沿图2中A-A剖面示意图；

图4为电机驱动连续油管牵引器沿图3中B-B截面示意图；

图5为电机驱动连续油管牵引器沿图3中C-C截面示意图；

图6为电机驱动连续油管牵引器沿图3中D-D截面示意图；

图7为电机驱动连续油管牵引器沿图3中E-E截面示意图；

图8为电机驱动连续油管牵引器沿图3中F-F截面示意图；

图9为电机驱动连续油管牵引器沿图3中G-G截面示意图；

图10a为电机驱动连续油管牵引器上卡瓦和下卡瓦主视示意图；

图10b为电机驱动连续油管牵引器上卡瓦和下卡瓦俯视示意图；

图11a为电机驱动连续油管牵引器下卡瓦张开时下半部分沿图2中A-A剖面示意图；

图11b为电机驱动连续油管牵引器下卡瓦闭合时下半部分沿图2中A-A剖面示意图；

图12a为电机驱动连续油管牵引器上牵引器***和下牵引器***安装方向向下主视示意图；

图12b为电机驱动连续油管牵引器上牵引器***和下牵引器***安装方向相对主视示意图；

图12c为电机驱动连续油管牵引器上牵引器***和下牵引器***安装方向向上主视示意图。

图中：1、上牵引器***，2、六方中心滑管，3、下牵引器***；11、上支撑单元，12、上电驱动与控制单元，13、上牵引单元；21、上六方中心滑管螺杆，22、上突出法兰，23、下六方中心滑管螺杆，24、下突出法兰；31、下支撑单元，32、下电驱动与控制单元，33、下牵引单元；111、上卡瓦支座，112、上卡瓦支座滑孔插销总成，113、内螺纹，114、上卡瓦壳体，115、上卡瓦，116、上卡瓦锁紧滑块，117、上卡瓦伸缩杆，118、上卡瓦壳体滑孔插销总成，119、上螺杆推进滑块；121、上螺杆，122、上螺杆驱动转子，123、上卡瓦驱动电机模块，124、上电机固定环，125、上控制模块；131、上牵引驱动电机；132、上牵引壳体，133、上牵引转子，134、上牵引转子螺母，135、上牵引壳体支座；311、下卡瓦支座，312、下卡瓦支座滑孔插销总成，313、内螺纹，314、下卡瓦壳体，315、下卡瓦，316、下卡瓦锁紧滑块，317、下卡瓦伸缩杆，318、下卡瓦壳体滑孔插销总成，319、下螺杆推进滑块；321、下螺杆，322、下螺杆驱动转子，323、下卡瓦驱动电机模块，324、下电机固定环，325、下控制模块；331、下牵引驱动电机，332、下牵引壳体，333、下牵引转子，334、下牵引转子螺母，335、下牵引壳体支座。

具体实施方式

如图1-2所示，电机驱动连续油管井下牵引器，包括上牵引器***1、六方中心滑管2、下牵引器***3；上牵引器***1和下牵引器***3分别套在六方中心滑管2的上部和下部。

如图1-3所示，六方中心滑管2中间有中空圆形的循环水眼、外部呈正六边形，在六方中心滑管上部与上牵引单元13对应位置和下部与下牵引单元33对应位置分别设有上突出法兰22、下突出法兰24；上六方中心滑管螺杆21和下六方中心滑管螺杆23分别通过螺栓装配在上突出法兰22、下突出法兰上24；六方中心滑管2上端连接井下连续油管，下端连接井底钻具组合。

如图1所示，上牵引器***1从上到下依次包括上支撑单元11、上电驱动与控制单元12和上牵引单元13。

如图1、图3、图4所示，上支撑单元11包括上卡瓦支座111、上卡瓦壳体114、上卡瓦115、上卡瓦锁紧滑块116、上卡瓦伸缩杆117、上螺杆推进滑块119；如图2、图3所示，上卡瓦支座111为轴向具有正六边形孔的圆柱体，上卡瓦支座111套在六方中心滑管2上并可以相对六方中心滑管2作轴向滑动；在上卡瓦支座111的正六边形孔的下端具有内螺纹113，在上卡瓦支座111底端的外部沿周向均布有三个上卡瓦支座滑孔插销总成112；如图3、图4所示，上卡瓦壳体114为具有正六边形孔的圆柱体，上卡瓦壳体114套在六方中心滑管2上并可以相对六方中心滑管2作轴向滑动；在上卡瓦壳体114的上端具有外螺纹，上卡瓦壳体114与上卡瓦支座111通过螺纹连接成整体，并套在六方中心滑管2上，可以相对六方中心滑管2作轴向滑动。如图2、图3、图4所示，在上卡瓦壳体114的中部沿圆周方向均布有三个上卡瓦壳体滑孔插销总成118，上卡瓦壳体滑孔插销总成118与上卡瓦支座滑孔插销总成112上下对应；上卡瓦115具有三个，三个上卡瓦115沿上卡瓦壳体周向均匀分布，上卡瓦115上端通过上卡瓦支座滑孔插销总成112与上卡瓦支座111连接，上卡瓦115下端通过上卡瓦壳体滑孔插销总成118与上卡瓦壳体114相连接；上卡瓦支座滑孔和上卡瓦壳体滑孔均为长形孔，从而使得上卡瓦115在张开和收缩时滑孔插销在长形孔中具有一定的轴向位移空间。如图3、图6、图7所示，上卡瓦壳体114在外圆周方向均匀设有三个沿轴向的滑槽，滑槽的下端设有上卡瓦伸缩杆孔，上卡瓦伸缩杆孔的下端设置有上螺杆推进滑块空腔，上螺杆推进滑块空腔下端设有上螺杆定位孔，上螺杆定位孔下端设置上螺杆驱动转子122、上卡瓦驱动电机模块123、上电机固定环124、上控制模块125的安装空腔；三个上卡瓦锁紧滑块116分别装在三个滑槽中，上卡瓦锁紧滑块116的下端与上卡瓦伸缩杆117相连接；上卡瓦伸缩杆117装在上卡瓦伸缩杆孔中，上卡瓦伸缩杆117下端与上螺杆推进滑块119相连接。

如图3、图8、图9所示，上电驱动与控制单元12从上到下依次包括上螺杆121、上螺杆驱动转子122、上卡瓦驱动电机模块123、上电机固定环124、上控制模块125；三个上螺杆121纵向定位在上卡瓦壳体114的三个上螺杆定位孔中，上螺杆121的上端与上螺杆推进滑块119通过螺纹传动连接，上螺杆121的下端与上螺杆驱动转子122通过齿轮连接，上卡瓦驱动电机模块123固定连接并驱动上螺杆驱动转子122；上卡瓦驱动电机模块123通过上电机固定环124固定在上卡瓦壳体内，上螺杆121、上螺杆驱动转子122、上卡瓦驱动电机模块123、上电机固定环124和上控制模块125均装在上卡瓦壳体114的空腔内。上卡瓦壳体114的下端设有内螺纹。

如图1、图3所示，上牵引单元13包括上牵引驱动电机131、上牵引壳体132、上牵引转子133、上牵引壳体支座135。

如图3、图7、图8、图9所示，上牵引壳体132为上端带有六方孔的中空圆柱体，上牵引壳体132可以相对六方中心滑管2作轴向滑动，上牵引壳体132的上端具有外螺纹、下端具有径向定位插销螺孔，上牵引壳体132的上端与上卡瓦壳体114的下端通过螺纹连接；上牵引壳体空腔中的上端固定上牵引驱动电机131，上牵引驱动电机131下端连接并驱动上牵引转子133，上牵引转子133内腔加工有上牵引转子螺母134，上牵引转子螺母134与上六方中心滑管螺杆21传动连接；上牵引壳体支座135为带有六方孔的中空圆柱体，上牵引壳体支座135上端带有与上牵引壳体132的上端径向定位插销螺孔对应的径向定位插销螺孔，上牵引壳体支座135可以相对六方中心滑管2作轴向滑动；上牵引壳体132下端与上牵引壳体支座135通过径向定位插销螺孔连接。

如图3所示，上控制模块125可通过扭矩的大小和转数的多少对上牵引驱动电机131和上卡瓦驱动电机模块123进行控制。

如图3、图10、图11所示，上卡瓦115和上卡瓦锁紧滑块116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116向上移动时滑动膨胀开上卡瓦115；上卡瓦具有一定的弹性，能在上卡瓦锁紧滑块116的作用下膨胀开，在外力消除情况下闭合。

下牵引***1与上牵引***3结构完全相同，下面做简要说明。

如图1所示，下牵引器***3从下到上依次包括上支撑单元31、下电驱动与控制单元32和下牵引单元33。

如图1、图12所示，下支撑单元31包括下卡瓦支座311、下卡瓦壳体314、下卡瓦315、下卡瓦锁紧滑块316、下卡瓦伸缩杆317、下螺杆推进滑块319。如图1、图2、图12所示，下卡瓦支座311为轴向具有正六边形孔的圆柱体，下卡瓦支座311套在六方中心滑管2上并可以相对六方中心滑管2作轴向滑动；在下卡瓦支座311的正六边形孔的上端具有内螺纹313，在下卡瓦支座311上端的外部沿周向均布有三个下卡瓦支座滑孔插销总成312。

图12所示，下卡瓦壳体314为具有正六边形孔的圆柱体，下卡瓦支座311套在六方中心滑管2上并可以相对六方中心滑管2作轴向滑动；在下卡瓦壳体314的下端具有外螺纹，下卡瓦壳体314与下卡瓦支座311通过螺纹连接成整体，并套在六方中心滑管2上，可以相对六方中心滑管2作轴向滑动。

图12所示，在下卡瓦壳体314的中部沿圆周方向均布有三个下卡瓦壳体滑孔插销总成318，下卡瓦壳体滑孔插销总成318与下卡瓦支座滑孔插销总成312上下对应；下卡瓦315具有三个，三个下卡瓦315沿下卡瓦壳体周向均匀分布，下卡瓦315下端通过下卡瓦支座滑孔插销总成312与下卡瓦支座311连接，下卡瓦315上端通过下卡瓦壳体滑孔插销总成318与下卡瓦壳体314相连接；下卡瓦支座滑孔和下卡瓦壳体滑孔均为长形孔，以使得下卡瓦315在张开和收缩时滑孔插销在长形孔中具有一定的轴向位移空间。

如图12所示，下卡瓦壳体314在外圆周方向均匀设有三个沿轴向的滑槽，在滑槽的上端设有下卡瓦伸缩杆孔，下卡瓦伸缩杆孔的上端设置有下螺杆推进滑块316空腔，下螺杆推进滑块空腔上端设有下螺杆定位孔，下螺杆定位孔的上端设置下螺杆驱动转子322、下卡瓦驱动电机模块323、下电机固定环324、下控制模块325安装空腔；三个下卡瓦锁紧滑块316分别装在三个滑槽中，下卡瓦锁紧滑块316的上端与下卡瓦伸缩杆317相连接；下卡瓦伸缩杆317装在下卡瓦伸缩杆孔中，下卡瓦伸缩杆317上端与下螺杆推进滑块319相连接。

如图2、图12所示，下电驱动与控制单元32从下到上依次包括下螺杆321、下螺杆驱动转子322、下卡瓦驱动电机模块323、下电机固定环324、下控制模块325；三个下螺杆321纵向定位在下卡瓦壳体314的三个下螺杆定位孔中，下螺杆321的下端与下螺杆推进滑块319通过螺纹传动连接，下螺杆321的上端与下螺杆驱动转子322通过齿轮连接，下卡瓦驱动电机模块323固定连接并驱动下螺杆驱动转子322；下卡瓦驱动电机模块323通过下电机固定环324固定在下卡瓦壳体内，下螺杆321、下螺杆驱动转子322、下卡瓦驱动电机模块323、下电机固定环324和下控制模块325均装在下卡瓦壳体314的空腔内。

如图1、图2、图12所示，下牵引单元33包括下牵引驱动电机331、下牵引壳体332、下牵引转子333、下牵引壳体支座335。

如图12所示，下牵引壳体332为下端带有六方孔的中空圆柱体，下牵引壳体332的下端具有外螺纹、上端具有内螺纹，下牵引壳体332可以相对六方中心滑管2作轴向滑动；下牵引壳体332的下端与下卡瓦壳体314的上端通过螺纹连接；下牵引壳体空腔中的下端固定下牵引驱动电机331，下牵引驱动电机331上端连接并驱动下牵引转子333，下牵引转子333内腔加工有下牵引转子螺母334，下牵引转子螺母334与下六方中心滑管螺杆23传动连接；下牵引壳体支座335为带有六方孔的中空圆柱体，下牵引壳体支座335的上端带有径向定位插销螺孔，下牵引壳体支座335可以相对六方中心滑管2作轴向滑动；下牵引壳体332上端与下牵引壳体支座335通过径向定位插销连接。

如图12所示，下控制模块325可通过扭矩的大小和转数的多少对下牵引驱动电机331和下卡瓦驱动电机模块323进行控制。

如图10、图11所示，下卡瓦315和下卡瓦锁紧滑块316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316向下移动时滑动膨胀开下卡瓦315；下卡瓦具有一定的弹性，能在下卡瓦锁紧滑块316的作用下膨胀开，在外力消除情况下闭合。

本发明的电机驱动连续油管井下牵引器的运动状态可由地面输入指令分别对上控制模块125和下控制模块325进行控制，其控制原理如下：

(一)、上牵引器***1控制原理：上控制模块125接收到地面信号后，可驱动上卡瓦驱动电机模块123正转或反转，带动上螺杆驱动转子122和上螺杆121正转或反转，通过上螺杆121与上螺杆推进滑块119的螺杆滑块机构推动螺杆推进滑块119前进或后退，螺杆推进滑块119通过上卡瓦伸缩杆117推动上卡瓦锁紧滑块116前进或后退，当卡瓦锁紧滑块116前进时，通过斜锥面外推上卡瓦115发生弹性变形，并沿上卡瓦支座滑孔和上卡瓦壳体滑孔滑动，使其张开抓紧井壁，张紧力的大小可以通过驱动电机模块123的扭矩来控制，张开的程度可由上卡瓦驱动电机模块123转动的圈数和角度来控制；当卡瓦锁紧滑块116后退时，卡瓦锁紧滑块116与上卡瓦115的斜锥面离开，外推力消失，上卡瓦115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125接收到地面信号后，同时控制上牵引驱动电机131正转或反转、带动上牵引转子133和上牵引转子螺母134正转或反转，通过六方中心滑管2上的上六方中心滑管螺杆21机构，推动上牵引器***1沿六方中心滑管2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131的输出扭矩、转数和正反转来控制。

(二)、下牵引器***3控制原理：下控制模块325接收到地面信号后，可驱动下卡瓦驱动电机模块323正转或反转，带动下螺杆驱动转子322和下螺杆321正转或反转，通过螺杆321与上螺杆推进滑块319的螺杆滑块机构推动螺杆推进滑块319前进或后退，螺杆推进滑块319通过下卡瓦伸缩杆317推动下卡瓦锁紧滑块316前进或后退，当卡瓦锁紧滑块316前进时，通过斜锥面外推下卡瓦315发生弹性变形，并沿下卡瓦支座滑孔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323的扭矩来控制，张开的程度可由下卡瓦驱动电机模块323转动的圈数和角度来控制；当卡瓦锁紧滑块下316后退时，下卡瓦锁紧滑块316与下卡瓦315的斜锥面离开，外推力消失，下卡瓦315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325接收到地面信号后，同时控制下牵引驱动电机331正转或反转、带动下牵引转子333和下牵引转子螺母334正转或反转，通过六方中心滑管2上的上六方中心滑管螺杆21机构，推动下牵引器***3沿六方中心滑管2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331的输出扭矩、转数和正反转来控制。

(三)、上控制模块125和下控制模块325彼此之间相互联系，根据工作过程的先后顺序的不同，上控制模块125和下控制模块325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。

(四)、利用六方中心滑管2的外部六方形阻碍六方中心滑管2绕轴线旋转的反作用形成轴向牵引力原理：除上螺杆驱动转子122、上牵引转子133可相对六方中心滑管2作轴线转动外，上牵引器***1，六方中心滑管2，下牵引器***3都不能绕六方中心滑管2轴线转动，只能沿轴线滑动，原因如下：当上牵引驱动电机131带动上牵引转子133绕六方中心滑管2轴线旋转时，上牵引转子133驱动上牵引转子螺母134转动，上牵引转子螺母134带动上六方中心滑管螺杆21运动，由于上六方中心滑管2外部是六方的，使得上六方中心滑管2同上牵引驱动电机131，上牵引壳体132，上牵引壳体支座135，下卡瓦支座311，上卡瓦壳体114，上卡瓦115等在绕轴线旋转上是一个整体，阻碍了上六方中心滑管2上的牵引转子螺母134旋转，阻碍的反作用对上六方中心滑管螺杆21产生轴向推力，牵引六方中心滑管2相对卡瓦做轴线运动；相反，如果上六方中心滑管2是圆的，上六方中心滑管2就会随上牵引转子螺母134的驱动而旋转，上牵引转子螺母134对上六方中心滑管螺杆21的轴向推力无法形成，牵引器就失去沿轴线牵引的功能。

(五)、内置8芯电缆完成输电和有线信号传输功能：一般上控制模块125和下控制模块325的供电有三种方式，一种是连续油管内置8芯电缆，既可以完成输电，又可以实现有线信号传输；二是连续油管管壁外埋电缆，但这样相对较少；三是连续油管外配置多芯电缆，完成输电功能和信号传输功能；本发明可以采用内置8芯电缆完成输电和有线信号传输功能。

本发明的电机驱动连续油管井下牵引器的工作过程如下：

(一)、初始状态：上支撑单元11和下支撑单元31都处于张开抓紧井壁，上牵引器***1处在六方中心滑管2的最上端，下牵引器***3处在六方中心滑管2的最下端。

(二)、上支撑单元11收缩离开井壁，下支撑单元31仍处于张开抓紧井壁状态；上牵引单元13和下牵引单元33不动。

(三)、上牵引单元13牵引上牵引器***1相对六方中心滑管2向下移动一个上牵引转子螺母134的距离；同时下牵引单元33牵引六方中心滑管2和上牵引器***1相对与井壁固定的下支撑单元31向下移动一个下牵引转子螺母334的距离；上牵引器***1相当于沿井壁向下移动了一个上牵引转子螺母134长度和一个下牵引转子螺母334的长度之和的距离，六方中心滑管2相当于向井下移动了一个上牵引转子螺母134长度的距离。

(四)、上支撑单元11张开抓紧井壁，下支撑单元31仍处于张开抓紧井壁状态；上牵引单元13和下牵引单元33不动。

(五)、上支撑单元11张开抓紧井壁，下支撑单元31收缩离开井壁；

(六)、下牵引单元33牵引下牵引器***3相对六方中心滑管2向下移动一个下牵引转子螺母334的距离；同时上牵引单元13牵引六方中心滑管2和下牵引器***3相对与井壁固定的上支撑单元11向下移动一个上牵引转子螺母134的距离；下牵引器***3相当于沿井壁向下移动了一个上牵引转子螺母134长度和一个下牵引转子螺母334的长度之和的距离，六方中心滑管2相当于向井下移动了一个下牵引转子螺母334长度的距离。

(七)、上支撑单元11仍处于张开抓紧井壁状态，下支撑单元31张开抓紧井壁，牵引器恢复到(一)初始状态。

按“(一)→(二)→(三)→(四)→(五)→(六)→(七)→(一)”的顺序依次往复运动，可使牵引器不断的牵引连续油管柱向井下爬行，下入连续油管；反之“(七)→(六)→(五)→(四)→(三)→(二)→(一)→(七)”的顺序往复运动，可使牵引器不断的牵引连续油管柱向井上爬行，取出连续油管。

上牵引器***、下牵引器***结构相同，在六方中心滑管上的安装方向相同或相反：既可以如图1所示安装，也可以如图12a，12b，12c安装。

Claims (10)

1.一种电机驱动连续油管井下牵引器，包括上牵引器***、六方中心滑管、下牵引器***；其特征在于：上牵引器***和下牵引器***分别套在六方中心滑管的上部和下部。

2.根据权利要求1所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：上牵引器***、下牵引器***结构相同；上牵引器***、下牵引器***在六方中心滑管上的安装方向相同或相反。

3.根据权利要求1-2所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：六方中心滑管中间有中空圆形的循环水眼、外部呈正六边形，在六方中心滑管上部与上牵引单元对应位置和下部与下牵引单元对应位置分别设有上突出法兰、下突出法兰；上六方中心滑管螺杆和下六方中心滑管螺杆分别通过螺栓装配在上突出法兰、下突出法兰上。

4.根据权利要求1-3所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：上牵引器***从上到下依次包括上支撑单元、上电驱动与控制单元和上牵引单元。

5.根据权利要求1-4所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：上支撑单元包括上卡瓦支座、上卡瓦壳体、上卡瓦、上卡瓦锁紧滑块、上卡瓦伸缩杆、上螺杆推进滑块；上卡瓦支座为轴向具有正六边形孔的圆柱体，上卡瓦支座套在六方中心滑管上并可以相对六方中心滑管作轴向滑动；在上卡瓦支座的正六边形孔的下端具有内螺纹，在上卡瓦支座底端的外部沿周向均布有三个上卡瓦支座滑孔插销总成；上卡瓦壳体为具有正六边形孔的圆柱体，上卡瓦壳体套在六方中心滑管上并可以相对六方中心滑管作轴向滑动；在上卡瓦壳体的上端具有外螺纹，上卡瓦壳体与上卡瓦支座通过螺纹连接成整体，并套在六方中心滑管上，可以相对六方中心滑管作轴向滑动；在上卡瓦壳体的中部沿圆周方向均布有三个上卡瓦壳体滑孔插销总成，上卡瓦壳体滑孔插销总成与上卡瓦支座滑孔插销总成上下对应；上卡瓦具有三个，三个上卡瓦沿上卡瓦壳体周向均匀分布，上卡瓦上端通过上卡瓦支座滑孔插销总成与上卡瓦支座连接，上卡瓦下端通过上卡瓦壳体滑孔插销总成与上卡瓦壳体相连接；上卡瓦支座滑孔和上卡瓦壳体滑孔均为长形孔，从而使得上卡瓦在张开和收缩时滑孔插销在长形孔中具有一定的轴向位移空间；上卡瓦壳体在外圆周方向均匀设有三个沿轴向的滑槽，滑槽的下端设有上卡瓦伸缩杆孔，上卡瓦伸缩杆孔的下端设置有上螺杆推进滑块空腔，上螺杆推进滑块空腔下端设有上螺杆定位孔，上螺杆定位孔下端设置上螺杆驱动转子、上卡瓦驱动电机模块、上电机固定环、上控制模块的安装空腔；三个上卡瓦锁紧滑块分别装在三个滑槽中，上卡瓦锁紧滑块的下端与上卡瓦伸缩杆相连接；上卡瓦伸缩杆装在上卡瓦伸缩杆孔中，上卡瓦伸缩杆下端与上螺杆推进滑块相连接。

6.根据权利要求1-5所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：上电驱动与控制单元从上到下依次包括上螺杆、上螺杆驱动转子、上卡瓦驱动电机模块、上电机固定环、上控制模块；三个上螺杆纵向定位在上卡瓦壳体的三个上螺杆定位孔中，上螺杆的上端与上螺杆推进滑块通过螺纹传动连接，上螺杆的下端与上螺杆驱动转子通过齿轮连接，上卡瓦驱动电机模块固定连接并驱动上螺杆驱动转子；上卡瓦驱动电机模块通过上电机固定环固定在上卡瓦壳体内，上螺杆、上螺杆驱动转子、上卡瓦驱动电机模块、上电机固定环和上控制模块均装在上卡瓦壳体的空腔内；上卡瓦壳体的下端设有内螺纹。

7.根据权利要求1-6所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：上牵引单元包括上牵引驱动电机、上牵引壳体、上牵引转子、上牵引壳体支座；上牵引壳体为上端带有六方孔的中空圆柱体，上牵引壳体可以相对六方中心滑管作轴向滑动，上牵引壳体的上端具有外螺纹、下端具有径向定位插销螺孔，上牵引壳体的上端与上卡瓦壳体的下端通过螺纹连接；上牵引壳体空腔中的上端固定上牵引驱动电机，上牵引驱动电机下端连接并驱动上牵引转子，上牵引转子内腔加工有上牵引转子螺母，上转子螺母与上六方中心滑管螺杆传动连接；上牵引壳体支座为带有六方孔的中空圆柱体，上牵引壳体支座上端带有径向定位插销螺孔，上牵引壳体支座可以相对六方中心滑管作轴向滑动；上牵引壳体下端与上牵引壳体支座通过径向定位插销连接；上控制模块可通过正反旋转方向、转速的大小、转数的多少、扭矩的大小对上牵引驱动电机和上卡瓦驱动电机模块进行控制。

8.根据权利要求1-7所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：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，在外力消除情况下闭合。

9.根据权利要求1-8所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：上控制模块通过对上卡瓦驱动电机的正反旋转方向、转速的大小、转数的多少、扭矩的大小进行控制，进而分别对牵引器支撑***的卡瓦是张开还是闭合、卡瓦张开和闭合的速度、卡瓦张开和闭合的程度、卡瓦支撑力的大小进行控制；上控制模块可通过对上牵引驱动电机的正反旋转方向、转速的大小、转数的多少、扭矩的大小进行控制，进而分别对牵引器上牵引单元和下牵引单元的向上和向下的牵引方向、牵引速度的大小、牵引位移的大小、牵引力的大小进行控制。

10.根据权利要求1-9所述的电机驱动连续油管井下牵引器，其特征在于：根据工作过程的先后顺序的不同，上控制模块对上牵引驱动电机、上卡瓦驱动电机模块的控制存在相位差。

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