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摘 要：深井自动垂直钻井工具工作于数千米深的井下，对其上的液压导向机构的性能有较高的要求。利用仿真软件包AMEsim 对该液压导向机构进行接近于实际工况的仿真，揭示了这种液压系统的特有的性能。特别是超常环境压力下系统仿真结果表明，由于超常环境压力可改善系统的吸油性能，因而使得该系统具有适应超常环境压力的特性。对液压导向机构的理论和实验分析证明了系统仿真的有效性。
关键词：自动垂直钻井工具; 液压导向机构; 动态仿真; 超常环境压力
自动垂直钻井工具是一种带有井下闭环控制系统，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[1]。这种工具特别适用于具有高陡构造地层和深井的垂直钻探[2]，因此对于我国的油气资源开发，特别西部石油资源的开发有着很好的应用前景。虽然国外已出现如VTK[3]、PowerV[4]等比较成熟的自动垂直钻井工具，但这种技术被国外少数几家公司垄断。为了提高我国钻井业的核心竞争力，研制具有自主知识产权的自动垂直钻具是十分必要的。
1 基于AMEsim 的液压系统建模
自动垂直钻井工具的主要部件是一个通过轴承与近钻头处的钻杆相连接的导向活套。在该导向活套上对称分布着3 个导向纠斜机构，该导向机构的工作原理如图1 所示。导向活套上装有由重力加速度计构成的测斜传感器[5]和相应的控制电路，在钻具工作时，一旦测出了井眼的倾斜角及倾斜角的方位后，控制电路将给相应的纠斜机构发出指令，使该机构的电磁阀8 通电，纠斜缸6 通入高压油，使推力块7伸出顶向井壁而迫使钻头改变钻进方向，达到井下纠斜的目的。当井眼没有发生倾斜时，电磁阀断电，推力块输出力为零。图1 中的溢流阀用来调节纠斜力的大小。 （图片）
1. 油箱 2. 吸油单向阀 3. 径向柱塞泵 4. 偏心轮 5. 压油单向阀
6. 纠斜油缸 7. 推力块 8. 电磁换向阀 9. 溢流阀
图1 导向机构液压原理图 为了保证纠斜的成功，要求液压导向机构的纠斜油缸所产生的横向集中力在井下恶劣工况下也能可靠工作。因此必须研究整个液压系统的动态特性，以确保系统性能满足实际工况要求。本文利用AMEsim 对机构的液压系统进行建模与仿真分析，研究纠斜机构的压力响应特性。
AMEsim 是基于直观图形界面的工程系统高级建模仿真平台，用户可以在同一平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和分析。它已成为车辆、航空航天以及重型设备工业等行业优选的仿真平台[6]。
根据液压元件的实际结构，利用AMEsim 标准机械库、液压库和液压元件设计库(HCD)所提供的液压部件组成符合实际的液压系统仿真模型。其仿真模型见图2。（图片）
图2 AMEsim 环境下的仿真模型 比较图1 和图2，系统原理图和仿真模型的结构基本相同，原理图的元件与模型中的模块一一对应。在图2 中利用了AMEsim 的液压元件设计库(HCD)搭建系统的柱塞泵、吸油单向阀、压油单向阀、电磁换向阀和纠斜油缸等模块。由于在利用元件设计库(HCD)中的元件构造模块时可方便地引入各种非线性因素，如质量运动元件中的静摩擦、库仑摩擦、粘性摩擦等情况，使得所建仿真模型与实际系统工作特性基本一致。其他的元件可以直接从标准机械库和液压库中选取。
仿真模型的建立，关键在于元件模型结构的选择和参数设置。本液压系统仿真模型的参数都来源于液压元件实际的结构参数和实验数据，以真实反映系统的物理结构和性能。例如图1 中的偏心轮为一个套在钻杆上的偏心轴承，其运动特性可由AMEsim 的标准机械库中的凸轮机构来表示。定义凸轮转角/推杆位移关系：S=ƒ(θ), θ—凸轮转角(0)，S—推杆位移(mm)，根据实际的偏心距和钻杆的转速等参数，可得凸轮转角/推杆位移关系曲线如图3 所示。将上述关系存储为data 格式文件，可供模型仿真时使用。（图片）
图3 凸轮从动件位移与凸轮转角关系曲线 2 液压系统分析
2.1 液压系统仿真分析
1. 纠斜油缸压力动态特性仿真分析
仿真条件：电机转速为120 转/分，油源环境压力为常压，环境温度为常温，电磁换向阀一直处于通电状态。纠斜油缸压力仿真结果如图4。（图片）
图4 纠斜油缸压力仿真曲线 为解释图4 油缸压力变化情况，建立其动力学方程和流量连续性方程：（图片） 式中：Mg 为活塞(包括推力块)质量/kg; dg 为油缸无杆腔的有效直径/m ；Pg 为油缸压力/MPa； K 为复位弹簧刚度/N/m; Xg0为复位弹簧的预压缩量/m ；Xg 为油缸活塞的位移/m； Xgmax为油缸活塞处于极限位置时最大行程/m；B 为粘性阻尼系数/N·s/m；F 为纠斜油缸输出的推力/N；βe 为油液体积弹性模量/1.6×109N/m2；Qg 为进入油缸无杆腔的流量/m3；Vg0 为油缸无杆腔死腔的体积/m3；Ct 为油缸的泄漏系数/m3/(MPa·s)。
由上述方程，可得如下结论：
(1) 油缸活塞未到达极限位置时(图4 中5.9 s 前)，油泵排油阶段，由(1)和(2)式可知，油缸压力不断上升；油泵吸油阶段，压油单向阀关闭，油缸压力保持稳定。故图5.9s前油缸压力呈阶梯状上升。
(2) 油缸活塞到达极限位置时(图4 中5.9 s)，油缸无杆腔容积不变，由于油液压缩性极小，由(2)式可知油缸压力发生跳变。当油缸压力达到溢流阀设定的压力时(图4 中5.9s后)，溢流阀开启，随后油缸压力保持稳定，约为溢流阀的调定压力。由于油缸存在泄漏，压力有微小波动。
(3) 油缸极限位置Xgmax 可通过cylinder 子模型中质量运
动元件的higher displacement limit 变量设置。
由上述分析可知油缸压力经过短暂的升压阶段，能够迅速保持稳定，波动小，符合井下纠斜要求。
2. 柱塞泵压力动态特性仿真分析
仿真条件与上面相同，其仿真结果如图5。（图片）
图5 油泵压力仿真曲线 图5 解释如下：
(1) 油泵吸油过程中，由于柱塞外伸，柱塞腔体积增大，压力降低，形成一定的真空度，在外界大气压的作用下，油液进入柱塞泵内，完成一次吸油过程。在此过程中，压油单向阀和溢流阀一直处于关闭状态，泵吸油压力始终小于外界大气，对应图5 中吸油阶段曲线约位于-0.05MPa。
(2) 油泵压油过程中，柱塞回缩，柱塞腔体积减小，由于油液压缩性很小，压力增大，吸油单向阀关闭。当溢流阀未开启时(图5 中5.9s 之前)，压力油通过压油单向阀进入油缸推动油缸活塞移动，此时油泵的压力约为压油单向阀压降与油缸无杆腔压力之和；当溢流阀开启后(图5 中5.9s 后)，压力油经溢流阀流回油箱，油泵的压力变化将主要取决于溢流阀的调压特性。
(3) 压油单向阀、溢流阀、纠斜油缸皆为弹簧质量系统，而且油液具有可压缩性，因此泵的排油压力会产生振荡。限于篇幅，具体分析此处省略。
2.2 液压系统实验
对图1 所示的系统进行实验研究，利用压力传感器分别测试纠斜油缸和柱塞泵的压力特性如图6a、b 所示。实验中电机转速由变频器调整为120 r/min，电磁阀处于通电状态。（图片）
图6a 纠斜油缸实际的压力曲线 （图片）
图6b 柱塞泵实际的压力曲线 对比图4 和图6a 以及图5 和图6b，纠斜油缸与油泵压力响应的仿真与实验基本相同。从上面的分析可知，系统仿真的结果能够反应系统真实动态特性，所建立的液压系统模型是正确和可靠的，因而可以利用所建的模型对该系统进行更深入的分析。
3 井下超常压工况仿真
在实际钻井过程中，井深每增加1 千米，其环境压力大约增加10MPa。由于垂直钻井工具常用于4、5 千米以下的深井钻探，即纠斜液压系统的环境压力多在40、50MPa 以上，因此需要了解在超常环境压力下液压系统的性能。由于受到实验条件的限制，难以模拟实际工况，因此真实条件下实验数据很难获得。但可以根据图2 所建立液压系统模型，通过仿真来观察液压系统的工作特性。
仿真条件：环境压力为50MPa。环境温度为120℃。电磁换向阀一直处于通电状态。其他的仿真参数不改变。图7为纠斜油缸压力仿真曲线，图8 为油泵压力仿真曲线。（图片）
图7 超常压条件下纠斜油缸压力特性仿真曲线 （图片）
图8 超常压条件下油泵压力特性仿真曲线 对比图4、图5 常压下的系统仿真，超常压条件下的液压系统的工作特性基本上是相同的，但由图8 可知，纠斜油缸达到稳态的时间减少，整个液压系统的响应速度有所提高。分析其主要原因，是因为吸油单向阀在吸油时的阀压降增加，这相当于增强了油泵的自吸能力。因此只要液压系统能够有效地平衡超常的环境压力，较高的环境压力对于井下液压系统的工作是有利的。
结论
对垂直钻井工具纠斜机构的液压系统进行的仿真分析和实验研究有以下结论：(1)由于考虑了液压油的可压缩性、元件的非线性特性，由AMEsim 软件所构造的液压系统模型与实际的液压系统比较接近，因此由仿真模型所得到的仿真结果是可靠的；(2)常压下的系统仿真与实验结果基本一致，说明可以用仿真模型对纠斜机构的实际工作特性进行分析；(3)超常压工况可以改善导向机构油泵的吸油性能，从而可提高其响应速度，因此该液压系统具有适应深超常环境压力的特性。
参考文献:
[1] 苏义脑, 李松林, 葛云华, 等. 自动垂直钻井工具的设计及自动控制方法[J]. 石油学报, 2001, 22(4): 87-91.
[2] 汪海阁, 苏义脑. 直井防斜打快理论研究进展[J]. 石油学报, 2004, 25(10): 86-90.
[3] Ligrone A, Oppelt J, Calderoni A, et al. The Fat Test Way to the Bottom: Straighthole Drilling Device-Drilling Concept, Design Considerations, and Field Experience [C]// Proceedings of the European Petroleum Conference. USA: Society of Petroleum Engineers, 1996: 115-126.
[4] Brusco G, Lewis P, Williams M. Drill Straight Down [J]. Oilfield Review. (S09231730), 2004, 16(3): 14-17.
[5] 刘白雁, 苏义脑, 陈新元, 等. 自动垂直钻井中的井斜动态测量理论与实验研究[J]. 石油学报, 2006, 27(4): 105-109.
[6] 付永领, 祁晓野. AMEsim 系统建模和仿真—从入门到精通[M]. 北京: 航空航天大学出版社, 2006: 1-3.
7/22/2011
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