任福深，王 威，劉 曄，武 垚

（1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油 天然氣集團(tuán)公司，北京 100723；3.遼河油田 曙光工程技術(shù)處，遼寧 盤錦 124109）①

目前，我國可采油氣資源80%儲(chǔ)藏在2 000m深以內(nèi)的淺層和2 000～3 500m深的中深層，且大多數(shù)油氣田已進(jìn)入鉆采開發(fā)的中后期，因此急需大量側(cè)鉆水平井和老井挖潛的鉆井設(shè)備。齒輪齒條鉆機(jī)正是基于定向井、水平井、側(cè)鉆井等特殊井與復(fù)雜情況下淺井、中深井鉆井作業(yè)而設(shè)計(jì)的［1］。常規(guī)石油鉆機(jī)不能主動(dòng)施加任何鉆壓，若要進(jìn)行水平、定向井等鉆井作業(yè)，則必須在造斜前鉆較深的垂直井眼，以利用鉆柱的重力給鉆頭施加鉆壓，否則會(huì)存在下鉆難和下套管難的問題。另外，由于沒有足夠的鉆壓，水平段的鉆進(jìn)長(zhǎng)度也受到限制。齒輪齒條鉆機(jī)取消了傳統(tǒng)石油鉆機(jī)的絞車、游車、天車以及鉆井鋼絲繩等部件，而利用齒輪與齒條的嚙合運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)給鉆柱提供提升和下壓力［2－3］。本文針對(duì)鉆機(jī)動(dòng)力頭起升裝置的作業(yè)過程，利用AMESim平臺(tái)建立了該裝置的液壓系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖，通過研究系統(tǒng)中作業(yè)參數(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)的影響，為起升系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)的制定提供依據(jù)。

1 工作原理

動(dòng)力頭起升裝置是齒輪齒條鉆機(jī)的重要組成部分，是完成鉆機(jī)作業(yè)的核心部件，主要由液壓馬達(dá)、齒輪、齒條和井架等部分組成，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)力頭起升裝置

動(dòng)力頭起升系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，鉆柱上下作業(yè)時(shí)，齒輪與固定在井架上的齒條嚙合，帶動(dòng)動(dòng)力水龍頭沿著井架做升降運(yùn)動(dòng)。在該系統(tǒng)中，采用低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)升降齒輪的傳動(dòng)形式，省去了減速器，節(jié)約了動(dòng)力頭的使用空間，因此，鉆機(jī)在鉆井作業(yè)時(shí)，動(dòng)力頭裝置既可以提供起升鉆柱的提力，也可以給鉆柱施加設(shè)定的下壓力，實(shí)現(xiàn)鉆壓和鉆速的控制，適合定向井、水平井、側(cè)鉆水平井的鉆進(jìn)作業(yè)。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 升降系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)

根據(jù)水平井定向鉆井作業(yè)情況，初步確定的起升系統(tǒng)基本參數(shù)要求為：鉆井深度1 500m；齒輪直徑?504mm；最大起升載荷900kN；最大下壓載荷300kN；最大起升速度1.2m／s；馬達(dá)數(shù)量為4個(gè)。

2.2 升降裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選擇開式系統(tǒng)作為動(dòng)力頭起升液壓系統(tǒng)液壓油的循環(huán)方式，如圖2所示，這種循環(huán)方式相比閉式系統(tǒng)能更好地冷卻液壓油和除去雜質(zhì)。

圖2 起升系統(tǒng)液壓原理

由于處理卡鉆等事故時(shí)需求的最大起升載荷與常規(guī)作業(yè)時(shí)2倍的最大起升載荷相當(dāng)，因此，系統(tǒng)選用了2對(duì)馬達(dá)。常規(guī)作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)1對(duì)液壓馬達(dá)執(zhí)行鉆柱的升降作業(yè)；在遇到卡鉆等特殊情況時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)另外1對(duì)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力拔鉆。在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到大負(fù)載下鉆井作業(yè)時(shí)的超越負(fù)載問題，在動(dòng)力頭裝置起升液壓系統(tǒng)中增加機(jī)械強(qiáng)制同步運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)平衡回路，既在原有平衡閥的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)外泄式液控單向閥，能更好地平衡超越負(fù)載，使鉆機(jī)的起下鉆作業(yè)更加穩(wěn)定。

3 仿真分析

AMESim是一種工程系統(tǒng)高級(jí)建模和仿真平臺(tái)軟件，它具有非常直觀化的仿真平臺(tái)，可以滿足復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)建模與仿真分析，還能夠進(jìn)行系統(tǒng)（或單個(gè)原件）的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能分析。AMESim軟件的建模是采用一種圖形化的建模，并且為用戶提供了較為全面的元件應(yīng)用庫，其中有：機(jī)械庫、信號(hào)控制庫、仿真庫、液壓元件設(shè)計(jì)庫、液壓阻尼庫、氣動(dòng)庫、熱庫、冷卻系統(tǒng)庫等［4］。本文應(yīng)用機(jī)械庫、信號(hào)控制庫與液壓元件設(shè)計(jì)庫構(gòu)建了齒輪齒條鉆機(jī)動(dòng)力頭起升系統(tǒng)模型，通過不同參數(shù)條件下的仿真結(jié)果分析確定鉆機(jī)起升時(shí)的最佳速度，并且確保在該起升速度時(shí)液壓系統(tǒng)所受的沖擊最小。

3.1 建立模型

為了模擬鉆機(jī)的正常起升作業(yè)，在AMESim軟件的草圖模式下，根據(jù)起升系統(tǒng)液壓原理元件應(yīng)用庫所提供的元件，建立了如圖3所示的鉆機(jī)動(dòng)力頭起升裝置的系統(tǒng)模型。

系統(tǒng)中將齒輪與齒條的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)等效為滑輪的升降運(yùn)動(dòng)，鉆柱載荷由左、右2個(gè)物理模型進(jìn)行模擬，動(dòng)力仍由2個(gè)液壓馬達(dá)分別提供，為了方便分析，采用恒流源作為系統(tǒng)的液壓源，按1 500m的鉆進(jìn)深度，設(shè)定了如表1所示的起升系統(tǒng)模型參數(shù)。

圖3 動(dòng)力頭起升裝置液壓系統(tǒng)模型

表1 液壓起升系統(tǒng)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果與分析

完成系統(tǒng)建模和參數(shù)設(shè)定后，在仿真模式中將仿真精度設(shè)為0.01s，仿真時(shí)間為3s，按照以上設(shè)定參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 鉆柱起升速度

圖5 恒流源出口壓力曲線

由圖4可以看出：鉆機(jī)在開始起升時(shí)，動(dòng)力頭裝置液壓系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)較為激烈的振蕩，隨后震蕩逐漸衰減，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；鉆機(jī)起升速度的調(diào)整時(shí)間約為0.7s，起升速度的最大值約為0.29m／s，穩(wěn)定起升速度為0.18m／s，鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置所受沖擊較大。由圖5可以看出：液壓系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定輸出的時(shí)間約為2.8s，恒流源出口壓力最大約為35 MPa（系統(tǒng)調(diào)定壓力35MPa），液壓系統(tǒng)所受到的沖擊較大，調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。

下面通過改變系統(tǒng)中元件的參數(shù)，分析不同參數(shù)對(duì)鉆機(jī)起升速度和液壓系統(tǒng)的影響。

1）改變恒流源輸出流量 分別設(shè)定系統(tǒng)中恒流源的輸出流量為：200、300、400、500、600L／min。鉆機(jī)起升速度仿真分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同輸出流量下鉆柱起升速度

由圖6可以看出：鉆機(jī)起升速度在0.09m／s時(shí)，振蕩調(diào)整時(shí)間約0.8s，但是它的最大超調(diào)值較??；鉆機(jī)起升速度在0.26m／s時(shí)，雖然振蕩調(diào)整時(shí)間少，但是在0.5s左右會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)壓力過大，導(dǎo)致起升速度重新出現(xiàn)振蕩，且它的最大超調(diào)值較大；只有鉆柱起升速度在0.13m／s時(shí)，振蕩調(diào)整時(shí)間和最大超調(diào)值最為合適，且不會(huì)引起系統(tǒng)壓力在某一時(shí)間過大。通過以上分析可知：鉆機(jī)在正常起升時(shí)，起升速度過大或過小都不合理，要根據(jù)鉆井作業(yè)的具體工況和鉆機(jī)液壓系統(tǒng)來確定鉆機(jī)的最佳起升速度。

2）改變質(zhì)量塊的粘滯阻尼 分別設(shè)定左、右2個(gè)質(zhì)量塊的粘滯阻尼為：30 000、50 000、70 000 N／（m·s），為了方便觀察，重新進(jìn)入仿真模式，將仿真精度設(shè)定為0.1s，仿真時(shí)間為6s。恒流源的出口壓力仿真分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出：粘滯阻尼在70 000N／（m·s）時(shí)，液壓系統(tǒng)振蕩調(diào)整時(shí)間為2s，出口壓力最大值約為14MPa，相比其他2組曲線，該組仿真結(jié)果對(duì)液壓系統(tǒng)的沖擊更小，振蕩調(diào)整時(shí)間也短。因此，在鉆井作業(yè)中，可以通過適當(dāng)增加鉆井流體粘度，進(jìn)而增大鉆柱在鉆井液中所受的粘滯阻尼［5－7］，以提高鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖7 液壓系統(tǒng)恒流源出口壓力

4 結(jié)論

1）在AMESim模式下，根據(jù)起升系統(tǒng)液壓原理，利用元件應(yīng)用庫所提供的元件建立了的齒輪齒條鉆機(jī)動(dòng)力頭起升裝置的液壓系統(tǒng)模型。

2）應(yīng)用AMESim軟件對(duì)鉆機(jī)起升作業(yè)進(jìn)行了仿真與分析，研究了液壓系統(tǒng)恒流源輸出流量和粘滯阻尼的變化對(duì)整個(gè)動(dòng)力頭起升系統(tǒng)的影響，為起升系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)的制定提供了依據(jù)。

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