自动垂直钻井工具纠斜液压系统的研究.pdf
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1、Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.008自动垂直钻井工具纠斜液压系统的研究范汉铭12,陈新元1.2(1.武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430 0 8 1;2.武汉科技大学治金装备及其控制教育部重点实验室,湖北武汉430 0 8 1)摘要:对一种用于石油自动垂直钻井工具的纠斜液压系统展开研究,以实现钻具的纠斜力稳定、可变及钻具矢量纠斜效果。针对油缸压力无法调节及液压泵引起油缸压力不易稳定的问题,研究一种新型纠斜液压系统。在建立纠斜液压系统数学模型的基础上,进行了系统和油缸压力的
2、动态响应分析。仿真结果表明,新型纠斜液压系统提供的导向推力较传统系统稳定性更高,压力波动幅度更低;调节比例溢流阀的输入电流55 8 5mA,并保持比例溢流阀输人电流增量不变,钻杆转速越大,油缸压力在单位时间内的开环调节精度就越高。关键词:自动垂直钻井工具;纠斜液压系统;比例溢流阀;弹簧蓄能器中图分类号:TH137Research on Hydraulic System of Automatic Vertical Drilling Tool(1.Wuhan University of Science and Technology,School of Mechanical Automation,W
3、uhan 430081,China;2.Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Its Control,Ministry of Education,Wuhan University ofAbstract:This paper studies a kind of hydraulic system used in oil automatic vertical drilling tool,in order to realize the stable and variableinclination force of the drll tool and
4、 the vector effect of the drill tool.Aiming at the problems that the cylinder pressure cannot be adjusted andthe hydraulic pump causes the cylinder pressure is not stable,a new type of hydraulic system for correcting deviation is studied.On the basisof establishing the mathematic model of the hydrau
5、lic system,the dynamic response of the system and cylinder pressure is analyzed.Thesimulation results show that the steering thrust provided by the new system is more stable and the pressure fluctuation range is lower than thatprovided by the traditional system.Adjust the input current of the propor
6、tional relief valve from 55 85 mA,and keep the input currentincrement of the proportional relief valve unchanged.The greater the drill pipe speed,the higher the open-loop adjustment precision of thecylinder pressure in unit time.Key words:automatic vertical drilling tool;hydraulic system for deviati
7、on correction;proportional relief valve;spring accumulator0引言20世纪以来,人类社会对石油资源需求不断增长,自动垂直钻井工具在石油资源的勘探和开发领域中起到了至关重要的作用。自动垂直钻井工具主要由电子测控系统和纠斜液压系统组成,是一种井下闭环的控制系统,可实现井下主动纠斜,保持井壁垂直,具有极高技术含量的先进钻井工具。目前国内外现有的纠斜液压系统主要分为钻井液压差式、电机驱动式和电控收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 9基金项目:国家自然科学基金(5117 538 6)作者简介:范汉铭(1997-),男,湖北钟祥人,硕士研究生,主要
8、研究方向为自动垂钻液压系统的设计。文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 0 47-0 5FAN Han-ming,CHEN Xin-yuanl.Science and Technology,Wuhan 430081,China)液压式。这3种纠斜液压系统极大地推动了石油钻井装备行业的发展,但各自又存在一定的局限性。例如,钻井液压差式产生的导向力易受钻井泵的排量、钻井液性能和钻头喷嘴尺寸等因素的影响;电机驱动式产生的导向力不足、稳定性较不理想;对比钻井液压差式和电机驱动式,电控液压式的导向力控制精度较高、持续且稳定。但是,目前已有的电控液压式纠斜液压系统
9、(图1)还存在以下不足:(1)导向力的矢量控制法是目前自动垂直钻井工具主流纠斜方法之一,而传统纠斜液压系统所采用电磁开关阀无法调节油缸推力大小,故不能实现自动垂直钻井工具全方位的纠斜作业;(2)传统纠斜液压系统的液压泵依靠单柱塞和套置在钻杆上的偏心轴承工作,泵腔吸、排油各半周,导47液压气动与密封/2 0 2 4年第1期致纠斜液压系统供油不连续,油缸压力稳定较为困难。因此,本研究在传统纠斜液压系统的基础上进行了改进,研究一种新型纠斜液压系统。6M8立即向纠斜液压系统发出指令,比例溢流阀通电,液控阀上端油压低于弹簧力(即为油缸最大压力),阀芯不移动,油缸与油箱不连通,油缸压力逐渐升高。通过在线调
10、节比例溢流阀的输入电压,改变阀芯的电磁力,控制阀芯的开口,从而调节油缸的压力大小。当油缸需要收回时,调节比例溢流阀的输入电压,使油缸压力高于或等于液控阀的弹簧力,液控阀阀芯向下移动,油缸与油箱连通,无杆腔油液逐渐流回油箱,油缸在弹簧的作用下收回。9(2)2纠斜液压系统建模与仿真32.1纠斜液压系统数学模型24山11.油箱2.吸油单向阀3.液压泵4.钻杆与偏心轴承5.排油单向阀6.油缸7.推力块8.电磁阀9.溢流阀图1传统纠斜液压系统原理图1412131098专71.油箱2.吸油单向阀3.液压泵4.钻杆5偏心轴承6.排油单向阀7.溢流阀8.液控阀9.比例溢流阀10.单向阀11、12.节流阀13.
11、弹簧蓄能器14.油缸15.推力块图2 新型纠斜液压系统原理图1纠斜液压系统的优化与原理自动垂直钻井工具的主要部件是一个通过偏心轴承与近钻头处的钻杆相连的导向活套,导向活套上均匀分布着3个纠斜机构,该新型纠斜机构的液压系统原理如图2 所示,由油箱、吸/排油单向阀、液压泵、溢流阀、比例溢流阀、液控阀、节流阀、弹簧蓄能器和油缸组成全封闭液压系统。本纠斜液压系统较传统纠斜系统的基础上增加了比例溢流阀、弹簧蓄能器、液控阀、节流阀和单向阀。当井眼发生倾斜时,电子测控单元48由于本项目组前人和学者已对纠斜液压系统的吸、排单向阀、溢流阀等元件进行了数学模型分析,因此本节仅对液压系统的新增元件进行分析,并建立各
12、自的动力学方程和流量方程。1)比例溢流阀的数学模型比例溢流阀主要功能为在线调节油缸的压力值。该比例溢流阀由先导阀、主阀、节流阀和比例电磁铁组成,且主阀的阀口与油缸并联,建立流量特性方程与动力学方程。节流口R和R2流量方程为:TdR2(p-Pi)Qv=Ca:465山1(1)PTdR2QC24先导阀与主阀的流量方程:Qv=CqTD,yiVprsinQ4=C.TDay2psin先导阀与主阀动力学方程:dy2Pi A,=mi:2+Fg+kely2Pidt?dtdpA,-P2A2=m2:d2+h.(+yi)+dt?dtkiey2p式中,Ca,C。节流口与阀口的流量系数dR1,dr2节流口R,和R,的直径
13、p一油液密度y1,2主阀与先导阀的阀口D,Da一先导阀座和主阀下端口的直径2(P2-P1)P2P2(4)P(5)(6)(3)(12)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024,一一先导阀和主阀的半锥角油缸动力学方程:AI,A,主阀下腔和上腔有效作用面积Td?d.(Pg-p.)-kg(xgo+xgm.A,一一先导阀有效作用面积gm,m一一先导阀和主阀等效质量k,x,一主阀上腔弹簧刚度和预压缩量kel,kie2一先导阀和主阀口液动力刚度2)弹簧蓄能器的数学模型弹簧蓄能器主要功能是减缓油缸压力的波动幅度,提高油缸压力的稳定性。蓄能器与节流阀、单向阀串联,并与油缸并联。
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