（管理科学与工程专业论文）井下采油工具动态检测系统技术评价.pdf

中文摘要 本论文详细介绍了井下采油工具动态检测系统的结构、功能及主要性能指 标，论述了开展井下采油工具动态检测系统技术评价的必要性，建立了技术评 价指标体系，提出了技术评价的基本思路和方法。在完成井下采油工具动态检 测系统技术评价的基础上，综合考虑设备维修的组织结构、资源配置两方面因 素，对设备维修管理模式进行了探索性研究。 首先介绍该系统可以模拟现场工况在室内进行各种井下采油工具及工艺 的检验与试验研究，具有全尺寸、高指标、多功能等特点，可以实现包括组合 工具在内的多种井下采油工具的检测和包括组合参数在内的多种采油工艺参 数的试验研究。其次，以层次分析法为基础，综合考虑技术指标、控制精度、 试验检测能力、维修管理等因素，建立了井下采油工具动态检测系统技术评价 指标体系，运用模糊综合评判法进行了技术评价。评价结果为优良，但维修管 理技术相对较弱。在设备维修管理上做了一些尝试，积极探索经济、适用、有 效的设备维修管理模式，以进一步提高井下采油工具动态检测系统的整体技术 水平。在分析论证现代设备维修管理特点及维修模式发展趋势的基础上，综合 考虑可靠性、维修性、经济性等因素，运用层次分析法对设备维修模式进行了 优化决策。确定预防维修为井下采油工具动态检测系统设备维修的优选模式， 同时利用设备维修实例分析论证了设备状态维修的可行性以及预防维修和状 态维修相结合的有效性。 关键词：技术评价层次分析法设备维修 a b s t i 己a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i o n f u n c t i o na n dm a i nc a p a b i l i t yi n d e x e so f t h ed o w n - h o l ep r o d u c t i o nt o o l sd y n a m i ct e s t i n gs y s t e m ，d i s c u s s e st h en e c e s s a r yo f t e c h n o l o g ya s s e s s m e n tf o rt h ed o w n - h o l ep r o d u c t i o nt o o l sd y n a m i ct e s t i n gs y s t e m ， s e t su pt h et e c h n o l o g ya s s e s s m e n ti n d e xs y s t e m ，b r i n g su pt h e b a s i ci d e aa n d a s s e s s m e n tm e t h o d o nt h eb a s eo ft h ec o m p l e t i o no ft e c h n o l o g ya s s e s s m e n tf o rt h e d o w n - h o l e p r o d u c t i o n t o o l sd y n a m i c t e s t i n gs y s t e m ，c o n s i d e r i n g t h e s y s t e m c o n s t r u c t i o na n dr e s o u r c ec o n f i g u r a t i o ni ng e n e r a l ，t h em a n a g e m e n tm o d eo ft h e e q u i p m e n tm a i n t e n a n c ei sr e s e a r c h e d f i r s t ，t h i ss y s t e mc a nb eu s e dt ot e s tt h ed i f f e r e n td o w n - h o l ep r o d u c t i o nt o o l s a n dt or e s e a r c hp r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e si nl a b o r a t o r yb a s e do ns i m u l a t i o no fa c t u a l p r o d u c t i o ns t a t u s a n dt h es y s t e mh a st h ef e a t u r e so ff u l ls c a l e g o o dp e r f o r m a n c ea n d m u l t i p l ef u n c t i o n s i ti sf a v o r a b l ef o rt h et e s to fm u l t i l 1 l ed o w n - h o l ep r o d u c t i o nt o o l s i n c l u d i n gc o m p o u n d i n gt o o l sa n df o rt h er e s e a r c ho fe x p e r i m e n td a t ao ft h ed i f f e r e n t p r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gc o m p o u n d i n gd a t a s e c o n d ，c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r s o ft e c h n o l o g y i n d e x ，c o n t r o l l i n gp r e c i s i o n , d e t e c t i o na b i l i t ya n dm a i n t e n a n c e m a n a g e m e n ti ng e n e r a l ，b a s e do nt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，w es e tu p t h e t e c h n o l o g ya s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mf o rt h ed o w n - h o l ep r o d u c t i o nt o o l sd y n a m i c t e s t i n gs y s t e ma n dm a k eaa s s e s s m e n tb yu s i n gt h ef u z z yc o m p o s i t i v ej u d g e m e n t t h e a s s e s s m e n tr e s u l ti se x c e l l e n tb u tt h em a i n t e n a n c em a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi s r e l a t i v e l yb a d i no r d e rt oi m p r o v et h ew h o l et e c h n o l o g yl e v e lo ft h ed o w n - h o l e p r o d u c t i o nt o o l sd y n a m i ct e s t i n gs y s t e m ，w ec a r r yt h r o u g ht h ea t t e m p to nt h e e q u i p m e n tm a i n t e n a n c em a n a g e m e n ta n de x p l o r et h ee c o n o m i c ，a p p r o p r i a t ea n d e f f e c t i v em o d e o nt h eb a s eo fa n a l y s i n g 廿l ec h a r a c t e r so fm o d e me q u i p m e n t m a i n t e n a n c em a n a g e m e n ta n d 也et r e n do ft h em a i n t e n a n c em o d e c o n s i d e r i n gt h e r e l i a b i l i t y , m a i n t e n a n c ea n de c o n o m y i ng e n e r a l ，w em a k et h eo p t i m a ld e c i s i o no f t h e e q u i p m e n tm a i n t e n a n c em o d eb yu s i n gt h ea n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s f i n a l l y , t h e p r e v e n t i v em a i n t e n a n c ei su s e da st h eo p t i m a lm o d eo ft h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c e a tt h es a m et i m e ，也ef e a s i b i l i t yo fe q u i p m e n ts t a t em a i n t e n a n c e ，t h ec o m b i n a t i o n v a l i d i t yo ft h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c ea n ds t a t em a i n t e n a n c ea r ed e m o n s t r a t e db y u s i n gt h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c ee x a m p l e s k e yw o r d s ： t e c h n o l o g ya s s e s s m e n t ，a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ，e q u i p m e n tm a i n t e n a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫蓥盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鹏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 岳乓 签字日期：怿7 月j 日 签字日期： y 多年7 月多同 第一章技术评价概述 1 1 技术评价的内容 第一章技术评价概述 现代化技术是一个巨大而又复杂的系统，在社会化的大生产中，技术功能 与作用的有效发挥受许多条件的制约，既有自身条件的限制，又受外在环境的 影晌；同时，技术作用的后果又有各种可能，既有对社会和经济的直接后果， 又有间接的后果，既有对社会和生态的积极结果，又有消极的影响。为了正确 发挥技术功能、促进技术的发展，在对技术进行研究、开发、引进和推广的过 程中，必须对技术进行科学的评价和选择。 自1 9 6 6 年美国人提出技术评价( t e c h n o l o g ya s s e s s m e n t ，t a ) 概念以来， 技术评价的理论和方法研究很快受到各国政府和研究人员的普遍重视。技术评 价作为一项政策性研究，被广泛应用于制定政策和规划、评估和决定科学研究 项目开发经营和管理等过程中。经过近4 0 年的发展，技术评价的内容和方法也 在不断发生变化，其理论体系在实践中也不断得到完善。通过技术评价可以识 别技术机会，进行有效的技术选择，从而制定合理的科技政策。我国目前的经 济发展态势强调科技是第一生产力，开展技术评价具有非常重要的意义。但是， 我国目前所进行的技术评价，从研究对象上说，还局限于大型工程项目。对于 以技术进步为特征的技术改造项目更有必要进行技术评价，既有利于项目自身 的发展，也可为同行业的同类项目提供决策依据“2 1 。 技术评价的范围有广义和狭义之分，广义的技术评价范围包括重大技术对 社会、经济、环境等方面产生的影响；狭义的技术评价范围只限于技术应用给 企业带来的影响。本文对并下采油工具动态检测系统进行的技术评价属于狭义 技术评价，主要论证工艺技术的先进性、技术指标的先进性、系统的试验检测 能力、工艺设备的可靠性及设备维修管理模式的决策。 第一章技术评价概述 1 2 技术评价的原则 1 技术的先进性原则 项目采用的技术必须是先进技术，在国内或国外处于先进水平。项目技术 部分应是吸取了国外引进的先进技术或国内开发研究推广的新技术在内，通过 项目的投资活动使企业的检测水平、工艺水平、装备水平有明显的提高，达到 国内外已经普遍达到的技术水平o 。 ( 1 ) 技术先进性表现在检测水平上，应是在检测指标、检测精度、检测能 力等方面更优越； ( 2 ) 技术先进性表现在工艺水平上，应是能够保证检测质量、稳定性好、 满足油田不断发展的采油工艺试验检测的需要； ( 3 ) 技术先进性表现在装备水平上，应是把技术专利包括在设备装备内， 装备的自动控制程度及性能可靠性是衡量装备水平高低的标准之一。 2 技术的适用性原则 项目采用的技术必须符合企业的实际，只有这样的技术在企业才能发挥有 效的作用。 ( 1 ) 采用的技术要符合企业的资源条件。不能照搬国外的工艺技术，而要 经过实际考察企业的资源条件和配套条件； ( 2 ) 采用的技术先进复杂程度，要考虑企业人员的素质和管理水平的接受 可能性。如果缺乏必要数量的专业技术人员或技术培训工作跟不上，可能直接 影响先进试验检测系统的安装及使用： ( 3 ) 采用的技术要体现经济合理性。对于影响试验检测性能质量的关键部 分，技术手段和水平的要求必须要严。 3 技术的安全可靠性原则 ( 1 ) 采用的技术必须是可靠的技术、成熟的技术，不能把科研试验、未解 决的技术难题放到项目投资中去解决： 第一章技术评价概述 ( 2 ) 采用的技术必须是安全的技术， 的影响。生产过程中产生的有毒的废气、 排放标准。 1 3 技术评价的方法 不能给操作人员及周围环境带来不利 废液、废渣要有处理措施，达到安全 对于井下采油工具动态检测系统的技术评价，在进行定性说明的同时，更 重要的是要采用定量评价方法进行评价，既要进行技术先进性评价，还要结合 设备的可靠性及维修管理模式的选择进行评价，这样才能使技术评价既科学， 又具有说服力”。因此，本论文以层次分析法为基础，建立了技术评价指标体 系，运用模糊综合评判法对井下采油工具动态检测系统进行了综合技术评价， 根据评价结果对设备维修管理模式进行了优化决策，并对适应性和可行性进行 了分析论证。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 21井下采油工具动态检测系统的建立 2 1 1 研究内容 建立井下采油工具动态检测系统，目的是在室内建设一套全尺寸、高性能 的综合模拟试验检测系统，采用计算机技术、现代传感器技术、自动控制技术、 图像处理技术的集成手段，实现井下采油工具多参数、高精度、动态的检测， 满足不同规格、型号的井下采油工具、修井工具的钻、铣、磨试验，封隔器的 水力、机械、旋转式坐封、解封试验，封隔器胶筒、告瓦滑脱试验，套管大修 工具的解卡、打捞、切割、造扣试验和套管应力检测试验的要求，在模拟现场 油水井作业工况条件下，验证以上工具、工艺的工作性能、受力情况。在工具 下井之前，就能对其机械性能和工艺性能进行检测，使下井工具的质量和性能 有一个可靠的保证。为分层开采和油水井套管大修工具、工艺的研究、优化设 计及产品质量检测提供试验条件，检测项目及技术指标见表2 - 1 。 计及产品质量检测提供试验条件，检测项目及技术指标见表2 - 1 。 表2 - 检测项目及技术指标 序号 项目名称测试范围测量精度调节误差 超调量重复性误差 l 上提力( 0 ，5 - - ；0 0 0 ) k n0 5 1 5 2 下压力( 0 5 3 0 0 ) k n0 5 1 5 3正、反扭矩( o 5 1 0 ) k n m琥1 5 0 5 ( 3 次) 4 转速0 1 2 0 r r i n0 5 1 5 5 行程 0 4 m o 5 1 5 6 满载行程 0 25 m o 5 1 4 - 5 7 流体流量0 3 0 0 m d0 黜1 士5 8流体压力0 2 0 m p a0 2 5 1 5 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 2 1 2 技术关键及解决途径 1 全尺寸、高指标、多功能的并下采油工具动态检测系统 该系统的主要功能是在模拟现场工况的条件下，进行各种工具、工艺的试 验。为满足全尺寸需求，主机系统下部为一根全长的石油套管，上部为加载及 装卸工具的四柱框架结构。为满足加载需要( 上提力1 0 0 0 k n ，下压力3 0 0 k n ， 正反扭矩1 0k n m ) ，主机框架必须具有足够的强度和刚度。因此主机系统在总 体结构的设计上，采用了封闭式框架结构。试验井架的顶板、固定平台、两侧 平台和四根导向柱组成框架结构，游动平台、两侧液压缸与固定平台形成封闭 受力结构。试验时加在工具上的载荷可转化为封闭框架所受内力。对主要受力 部件进行了严格校核，以满足各种试验的需要。为与动力水龙头配用，主机系 统采用了中空的动力输出轴，通过中空轴实现循环液的循环，扩大了试验范围。 动力输出轴与试验工件通过钻杆扣连接，强度高、连接简便。为了实现对不同 规格井筒的模拟，主机系统采用可更换的模拟试验井筒，试验套管最大长度9 m ， 套管规范巾1 0 1 珊一q ：) 2 4 4 m m ，最多可设3 个旁通管。方卡头连接着试验套管， 通过固定平台上的专用导轨与整体试验装置相连接，便于试验井筒的更换。 2 采用模糊神经控制算法，提高液压系统施加载荷的精度 井下采油工具的性能检测都是要在一定的载荷条件下进行的，否则就失去了 检测的意义。载荷施加的准确与否，直接影响检测的结果。因此，精确地控制施 加载荷的大小，成为系统设计的关键环节。该系统的加载功能是通过液压系统实 现的，液压系统的控制主要表现在对液压系统输出功率的控制。液压系统采用的 是变量泵和比例阀复合控制方式。这种方式优点是功率控制简单、效率高、输出 与负载无关。在控制软件中，针对液压系统的特点，应用模糊控制及神经元网络 理论，研制了模糊神经控制算法，有效解决了液压系统控制中的非线性问题，消 除了系统振荡，提高了控制精度，保证了系统在检测过程中精确地施加载荷。为 保证液压系统安全运行，在系统硬件及软件中还采用了连锁技术，一是解决了工 作状态切换时系统容易产生不稳定现象的问题：二是解决了系统运动部件的限位 问题。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 3 采用液缸同步伺服技术解决游动平台平稳运行问题 游动平台的上下运行需要两侧液缸驱动，系统的拉、压力就是通过两侧加 载液缸实现的，由于液缸、主机系统机械结构件、液压管线等在制作、安装中 不可避免地会产生一定的偏差。因此，即使加在两侧液缸中的流量、压力相等， 两侧液缸也会产生运动的不同步现象。在工作中如果两侧液缸运动不同步，将 导致游动平台发生倾斜，轻则出现卡阻现象，严重影响测试精度，妨碍工作的 正常运行，重则对试验台架造成损害。为解决两侧液缸同步问题，在控制系统 中设计了套液缸同步伺服系统。应用水平角度测量系统，通过测量游动平台 倾角的变化来间接测量两侧液缸的位移差。在执行部分使用两个比例调速阀， 通过位移差信号控制阀门的开启量，改变两侧液缸的移动速度，从而达到两侧 液缸同步的目的。此外，从机械结构设计上采取了强制约束游动平台在运动中 不发生倾斜的措施，在游动平台的上下平面各设置4 个铰支座，套装在导向柱 上，保证游动平台在沿导向柱上下运行时，不会发生大角度的倾斜。 4 适用于井下采油工具试验研究的多参数、动态综合检测与控制 在井下采油工具检测过程中需要同步加载，载荷的变化形式模拟了工具在 实际使用过程中的工况，检测的参数反映了工具性能。根据实际工况，需要在 载荷保持恒定、逐渐增加、逐渐减少、突然增加、突然减少、增加减少交替等 多种情况下，对工具的多项参数进行检测。特别是在钻、铣、磨试验中，要求 系统具有钻进随动功能，保持恒定的钻压和转速，即保持载荷不变。在现场施 工过程中是通过管柱自重来提供钻压的，而该系统是通过液缸来提供钻压模拟 环境。因此，只有游动平台在保持一定钻压的同时，具有随动的功能，才能保 持载荷不变，并且随动的控制和调节可以调节钻压的大小。为满足这一要求， 在液压系统中设计了两个小通径的比例节流阀，安装在回油管路上，通过电控 方式调节，实现游动平台在保持一定钻压的同时，具有随动的功能。 5 基于局域网的井下采油工具动态检测系统的测量与控制 ( 1 ) 在中心实验室范围内建立局域网，采用一台配置较高的机型作为服务 器，配置工业级微机作为工作站，服务器操作系统为w i n d o w sn ts e r v e r4 0 ， 6 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 并设置为网络中的主域控制器，工作站操作系统为w i n d o w s 9 8 。 ( 2 ) 测控软件由主测控程序和辅助测控程序组成，分别完成各自的数据采 集和处理工作，并实现测控数据的传递。程序设计采用多线程实现数据的及时 处理，并引入同步机制，实现数据麸享，避免测控程序在数据采集和控制过程 中出现的硬件冲突。 ( 3 ) 在数据库程序设计中，一次完整的工具试验对应着一个独立的数据库， 以避免多次试验数据的相互影响，采用客户服务器机制，提高测控数据的可靠 性。可以通过输入关键字或检验编号对数据库进行查询。 ( 4 ) 考虑到大部分试验的程序、参数具有不可确定性，所以采用按设定值 单步控制的方式，而且为了配合现场的实际情况，系统设计要具有较好的人机 对话功能，以便了解工作状态以及在发生事故时进行人工干预等。 ( 5 ) 为了提高抗干扰能力，传感器的输出是经变送器、屏蔽电缆、数据采 集单元、调理、变换，然后进入计算机。由计算机输出的控制信号也采用类似 的过程送给被控制设备。此外，变送器采用模块式结构。 基于局域网的计算机测控系统为井下采油工具动态检测系统提供了良好的 软硬件平台，满足了检测系统应用的需求。 2 1 3 完成情况 井下采油工具动态检测系统主要由主机系统、液压系统、计算机测控系统 三个部分组成。集拉、压、扭及循环液供给等功能为一体。实现了在地面上全 尺寸模拟井下实际工况，对井下采油工具、大修工具及工艺进行检测及综合试 验研究，达到了设计指标及功能要求。 主机系统集工具的加载、旋转和试验液循环于一体，由全尺寸试验井架、 底座、钢结构操作平台等组成。试验井架分为上下两层，下层高9 m 、上层高7 m ， 中间为钢结构操作平台相隔。其中固定平台自重1 2 0 0 0 k g ，游动平台自重9 0 0 0 k g 。 游动平台总成采用中空动力输出轴的型式，该结构在保证具有上提下放工具和 管柱、施加拉压载荷、实现正反旋转和施加扭矩功能的同时，还可与动力水龙 头配用，扩大了试验范围。工具或管柱的上提、下放动作，可经由天车起吊， 直接通过中空动力轴放入或提出井简，简化了操作程序等功能。 液压系统为主机系统的动力源。主机系统的上提、下放和旋转动作以及拉、 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 压、扭的载荷均由液压系统提供。同时为了满足试验的需要，液压系统还能够 实现主机系统的手动和自动控制的要求，在计算机管理下，通过比例调节的方 式，实现动作的平稳性要求和加载的均匀性要求。液压系统额定工作压力2 2 k l p a ， 最大工作压力4 0 m p a 。两台液压泵向系统输出动力。为保证液缸在某一个固定位 置上能够较长时间保持保压定位，系统增加了一个补油系统，使液缸下腔保持 较长时间的恒定压力，从而实现保压定位的作用。 计算机测控系统由传感器及变送装置、数据采集及控i j i o 接口、计算机系 统及测控工具软件、液压系统控制台、场景监视系统等组成。传感器及其变送 装置、数据采集接口构成测控系统的测量部分；控制接口和液压系统控制箱构 成测控系统的控制部分，性能指标见表2 2 。 表2 - 2 测控系统性能指标 模拟量输入3 2 路 检测精度 0 5 模拟量输出8 路应力应变检测精度 1 数字量输入 3 2 路 控制精度 1 数字量输出 3 2 路 计算机测控系统主要有自动检测、自动控制、显示操作、安全报警、数据 分析、自动手动控制、记录报表等功能。具有运行可靠，操作简便，功能完善 等优势，具有易扩充，易与通用系统交换数据，控制、管理兼用，单机联网均 可运行等特点，并为用户提供良好的软件开发环境。测控软件采用全动态、多 窗口仿真界面，应用模糊理论及神经元网络理论研制完成。应力应变测试仪是 实时测量套管应力应变的专用仪器。检测点数为4 0 0 点，其精度和速度优于一般 的应力应变巡检仪。 2 1 4 实施效果 井下采油工具动态检测系统的研究完成，为油田井下采油工具由室内试验 研究中间模拟试验生产现场考核和应用提供了试验手段，同时为开展 井下采油工具产品质量检测，控制不合格产品进入油田市场，提供了必要的手 段和依据。 该系统可用于不同规格、型号的井下采油工具、修并工具的钻、铣、磨试 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 验，封隔器的水力、机械、旋转式坐封、解封试验，封隔器胶筒、卡瓦滑脱试 验，套管大修工具的解卡、打捞、切割、造扣试验和套管应力测试试验等，在 模拟现场油水井作业工况下，验证以上工具、工艺的工作性能、受力情况，为 分层开采和油水井套管大修工具、工艺的研究、优化设计及产品检验提供试验 条件。 目前，该系统作为大庆油田采油工艺检验中心的主要检测设备，顺利地完 成了几十种不同类型井下采油工具的性能试验检测，并为井下采油工具的研究 与设计部门提供了有效的试验手段和一批有实际应用价值的试验数据。 2 1 5 经济效益 井下采油工具动态检测系统的研究与应用，实现了在地面上建立仿真的试 验系统，模拟井下恶劣的工艺环境，采用动态检测技术，对井下采油工具的性 能进行检测，保证了工具的质量，对油田的安全生产、下井工具的优化设计、 采油工艺理论与技术的基础研究和应用研究，以及石油工业的发展都具有非常 重要的意义。 大庆油田有油水井4 7 0 0 0 口，每年新增钻井为2 3 0 0 多口，每年用到的井下 采油工具有近十万套件。利用该系统对井下采油工具进行仿真检测，可以在很 大程度上保证井下采油工具质量和工作可靠性，延长使用寿命，提高生产效率， 从而降低油田开发的投资费用，提高国民经济产值。如果以抽检比例3 计算， 每年抽检的工具数量约为3 0 0 0 件，每件工具的检测费为8 0 0 1 0 0 0 元，总抽检 费约为2 5 0 3 0 0 万元。大庆油田每年井下采油工具作业约2 万次，油田每年因 为工具质量问题，重复作业次数为1 0 0 2 0 0 次，经该系统检测后，可减少重复 作业次数，每年节省作业费用约为5 0 01 0 0 0 万元。 2 2 井下采油工具动态检测系统的功能 井下采油工具动态检测系统主要由主机系统、液压系统、计算机测控系统 三部分组成。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 2 2 1 主机系统的功能 主机系统集井下采油工具的加载、旋转和试验液循环于一体，采用可更换 套管。该系统为框架式结构，分为上下两层，下层高9 m ，上层高7 m 。中部以主 机系统固定平台分界，如图2 - 1 所示。 动 图2 - 1 主机系统结构示意图 第= 章井下采油工具动态检测系统介绍 主机系统中部为固定平台。该平台为主机系统核心的支撑和受力部件。结 构如图2 2 所示。试验井口坐落在该平台上。该件总重约1 2 0 0 0 k g ，铸钢材料。 其俯视图中部为一开口形式。方卡头连接着试验井筒就是通过开口的专用导轨 与整体试验装置相连接的。 卜推拉小液缸2 一固定平台3 一平台4 一滑动导轨5 一方卡头 图2 - 2 固定平台结构示意图 上层结构主要实现试验时各种井下采油工具的上提、下放和正、反旋转动 作，提供上拉、下压和正、反扭矩的载荷。基本结构为游动平台总成、两侧平 台、4 根导向柱与主机系统中部固定平台总成组成的框架结构。工作时，上拉、 下压、扭转载荷均由上层结构承担。为了与油田常用的动力水龙头配用，扩大 试验系统的功能和试验的范围，游动平台总成采用中空动力输出轴的型式。该 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 结构在保证具有上提下放工具和管柱的动作、施加拉压载荷、实现正反转动和 施加扭矩功能的同时，还可与动力水龙头配用，扩大了试验应用范围。 下层结构主要提供模拟井筒试验环境。试验套管最长9 m ，套管规范中l o l m m 一中2 4 4 m m ，设3 个旁通管。由底座、4 根支撑立柱与主机系统的固定平台总成 组成框架结构。 2 2 2 液压系统的功能 1 液压系统概述 液压系统为主机系统的动力源。主机系统的上提、下放和旋转动作以及拉、 压、扭的载荷均由液压系统提供。同时为了满足试验的需要，液压系统还能够 实现主机系统的手动和自动控制的要求，在计算机管理下，通过比例调节的方 式，实现动作的平稳性要求和加载的均匀性要求。 2 液压系统设计及说明 液压系统分为游动平台总成的升降及拉压载荷部分，旋转及扭矩载荷部分， 小液缸推拉井筒总成部分。 第一和第二部分可以单独或同时工作且互不干扰，第三部分为辅助动作， 在前两部分同时工作或相互独立动作时，第三部分不产生动作。 为达到以上要求，在第一、二部分的动力配置上，采用了分泵方案，即a 泵提供液缸动力，b 泵提供液压马达动力。两泵各自具有独立的泵源系统，各自 的动作也分别由备系统独立实现控制和调节。第三部分则通过适当的调压装置 和节流装置与变量泵匹配实现。同时，在设计上考虑了两泵的互相切换问题， 双泵工作时系统可实现设计的最高要求，同时达到设计的最高指标，亦可实现 低参数要求；单泵工作时的输出可满足低参数要求。 3 液压系统的组成及功能 液压系统由升降系统、旋转系统、小液缸推拉系统、液压站以及液桥同步 调整模块、蓄能器保压定位模块、钻进随动保持模块和控制器模块等部份组成， 如图2 3 所示。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 l 一压力表2 一液缸3 一单向阀4 一比例流量控制阀5 一压力继电器6 一蓄能器7 一锥 式换向阀8 一小液缸9 一双单向节流阀1 0 一电磁换向阀1 1 一压力传感器1 2 一比例流 量控制阀1 3 一精过滤器1 4 - - 空气滤清器1 5 - - 主电机1 6 一联轴器1 7 一球阀1 8 一主油 箱1 9 一过滤器2 0 - - 液位器2 1 变量泵2 2 一多级压力控制阀2 3 - - 单向阀2 4 - - 比例压 力控制阀2 5 一比例流量控制阀2 6 一压力表2 7 一电磁换向阀2 8 一液马达2 9 - - 放气阀 3 0 一液控单向阀3 l 一压力表开关 图2 - 3 液压系统原理图 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 ( 1 ) 升降系统 升降系统由一台液压泵和两台液缸组成。液缸的壳体座在主机系统的固定 平台上，杆端连接在游动平台底面，当液压泵通过电磁换向阀向液缸壳程供油 时，系统可使游动平台上升或旌加拉载荷；当液压泵通过电磁换向阀向液缸杆 程供油时，系统可使游动平台下降或施加压载荷。 ( 2 ) 旋转系统 旋转系统由一台液压泵和两台液压马达组成。两台液压马达对称地安装在 游动平台中空动力轴两侧，通过减速齿轮驱动中空动力轴。当液压泵通过电磁 换向阀向液压马达供油时，可驱动中空动力轴正向或反向旋转，输出扭矩载荷。 ( 3 ) 小液缸推拉系统 小液缸推拉系统是一个辅助系统，其目的是为了在更换井筒总成时，提供 一个推方卡头的动作，以便将原井筒拆换下来：或提供一个拉方卡头的动作， 以便将要试验的井筒拉入烈试验位置。 ( 4 ) 液压站的组成 液压站主要由液压油箱、电机和液压泵、阀组、过滤装置等组成，是液压 系统的中枢。如图2 4 所示。 ( 5 ) 液桥同步调整模块 在这种全尺寸、大载荷系统中。两侧液缸的同步精度是系统能否正常工作 的关键。本系统采用高精度比例阀构成液流调整桥路，采用高精度传感器及智 能控制器构成反馈控制系统，使两侧液缸具有较高的同步精度。 ( 6 ) 蓄能器保压定位模块 为保证液缸在某一个固定位置上能够较长时间保持保压定位，设计了补油系 统，即增加了一个蓄能器及有关阀件，其原理是当液缸升至某一个高度停止不动 时，与液缸连接的一个单向减压阀会打开，由蓄能器向液缸的下腔补油，从而减 少液缸和管线阀门的泄漏造成的压力下降，使液缸下腔保持较长时间的恒定压 力，从而实现保压定位的作用。 ( 7 ) 钻进随动保持模块 为保证系统满足磨铣和钻进试验的随动要求，在系统中设计两个小通径比 例节流阀，安装在回油油路上，通过电控方式调节，以使游动平台在保持一定 钻压的同时，具有随动的功能。并且随动的控制和调节可以决定钻压的大小。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 击油缸方向水平井方向 卜电控柜2 一电动机3 一液压泵4 一高压球阀5 一吸油过滤器6 一单向阀7 一油箱 8 一阀汇组合9 一回油过滤器 图2 _ 4 液压站组成示意图 ( 8 ) 控制器模块 采用电动控制方式，即以弱电方式操作，执行机构以电动方式操作液压系 统动作，完全避免了采用液动方式( 操作台与液压站之间以多根控制油管线相 连) 而引起的跑冒滴漏现象较多，高压运行时管线震动噪音大，控制台位置不 可移动等诸多弊病。操作更为简便，提高控制精度和安全可靠性。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 2 2 3 计算机测控系统的功能 1 测控系统概述 计算机测控系统的主要作用是对其他两个系统的监控、受试工具试验信号 的传感测量、记录存储、分析处理和结果显示输出，以及整个井下采油工具试 验系统和现场场景的实时监视。 该系统的设计是在保证系统运行稳定、安全可靠的基础上，实现系统的多功 能。测控系统以运行专用软件的中央计算机子系统为核心，通过各种专项传感 测试装置采集试验信号，然后加以分析处理。通过反馈控制机构与主机系统、 液压系统相连，实现闭环控制。测控系统的场景监视系统可以对试验现场场景 和试验进程进行全面监视和记录。 为了确保系统运行稳定、安全可靠，除选择可靠性高的工业控制用计算机 系统和专用设备外，在系统结构设计中采用专门的措施，如配置手动备用控制、 显示设备。即使计算机自动控制失灵，操作人员仍可对试验装置进行手动操作。 在试验装置的所有重要部位都设置了报警连锁装置，以确保其安全可靠运行。 2 测控系统设计及说明 ( 1 ) 自动检测 可以实现井下采油工具的上提力、下压力，游动平台运行，正反转速，正、 反扭矩，套管的应力、应变等数值进行自动检测，还能完成游动平台的上升、 下降，马达的正转、反转，系统控制的自动、手动状态，液压系统的状态( 如 泵的起停、油位的变化等) 等状态量的自动检测。同时，还能对高压模拟试验 液循环系统中的试验流体的压力、流量等参数进行自动检测。 ( 2 ) 自动控制 可以实现对井下采油工具的上提力、下压力，游动平台运行，马达转速等 参数进行自动控制，并可自动控制液缸的上升、下降，马达的正转、反转等状 态量。 ( 3 ) 显示操作 采用表格、曲线、趋势图、模拟工艺流程图等多种形式显示实时检测数据。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 通过键盘可以对画面进行切换，对系统参数进行修改，对控制参数进行设定， 还可以对检索的边界条件进行键入。应用先进的软件开发工具开发的全动态、 多窗口仿真界面，显示画面丰富、直观，操作简单、方便，易于掌握。 ( 4 ) 自动、手动转换 采用自动、手动、软手动三种方式对系统进行控制，控制方式之间可以实 现无扰动切换。 ( 5 ) 报警连锁 设置报警限和安全限。当相应参数达到报警限时，进行声光报警；当达到 安全限时连锁停机，保证系统的安全运行。可对报警量进行统计和存档，可以 在任何时候查询报警的参数名称，报警时间，报警时的实测值等。 ( 6 ) 数据处理 在采集数据时进行输入处理，对实时数据进行处理、记录，建立实时数据 库和历史数据库，对采集的数据、键入的命令等进行管理。可以进行统计分析 和相关分析，并给出统计表格、统计曲线、相关曲线等。 ( 7 ) 结果输出 对系统处理的试验数据及结果以图形和表格的形式输出。可以给出检测参 数报表、绘制多种曲线。对于应力应变测试，可以绘制出不同角度的垂直剖面 图和不同位置的水平剖面图，能够给出不同点的应力或应变相对于载荷变化的 变化趋势图等。 3 ，测控系统的组成及功能 测控系统主要由传感器及变送装置、数据采集及控制i o 接1 2 1 、计算机系 统及测控工具软件、液压系统控制台、场景监视系统等组成。传感器及变送装 置、数据采集接1 3 构成测控系统的测量部分；控制接口和液压系统控制台构成 测控系统的控制部分。基本结构如图2 - 5 所示。 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 中爽计算帆系统 l 应 力 襄 _ 横拟信号奔 集 屏艇屯鳗 打印帆 绘圈仪 彀撂聚集及控制接口 屏蔽电鹱 l 变i女器l 屏蔽屯蝗 屏艇屯攫屏蔽电蝗 厂蔓= 1 雠户l 罕i 套管应力应变 模拟测量信号 散宇检测信号横拟控制信号数字 空制信号 升提自 蜂转动 隽旁年 向向动 图2 - 5 测控系统结构示意图 1一 被控设备 口- 魏 散 漉体流量流体压力 扭矩 转速及转角 拉压力 位棒及速度 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 ( 1 ) 传感器及变送装置 传感器用于试验装置试验过程中产生的各项信号的拾取与变换，获得相应 的电信号( 电压、电流等) 。这些传感信号一般都比较微弱，并与各种干扰混杂 在一起。与传感器配套的变送装置的主要作用，一是与传感器一起构成测试回 路( 如电桥) ，二是对传感信号进行放大、滤波、补偿等预处理，三是将其变换 为适合通过电缆远距离传送的电流信号( 如4 2 0 m h 信号) ，送给计算机系统的 i o 接口。 试验装置产生的信号可分为两大类，一类是模拟量，另一类是数字量。模 拟量包括了如下几个工具试验最终要得到的重要试验参数： 拉、压力 拉、压力测试传感器用来测量在对受试工具的拉、压试验时工具承受的拉、 压力。均采用轴向应变式传感器，与主机系统拉、压力的设计指标相对应，拉 力测试量程为o 1 0 0 0 k n ，压力测试量程为o 3 0 0 k n ，精度均为o 5 。 转速与转角 测量钻杆旋转试验时的转速的传感器为高分辨率光电码盘，测试量程o 1 2 0 r m i n ，精度为0 5 。同时，此光电码盘可以钡9 量钻杆的旋转角度。 扭矩 扭矩传感器用来测试工具扭转试验时产生的正反扭矩，测试量程为0 5 l o k n m ，精度为1 。采用应变片式传感器。 升降行程、运行速度 主机系统游动平台的升降行程及运行速度的检测由一组超声位移传感器实 现。行程测量量程为o 4 m ，速度量程为o 3 m m i n ，测量精度为o 5 。以上 模拟量信号经变送装置变换后，经电缆传送到与中央计算机相连的模拟i o 接 口( a d 接口) 。 套管应力应变 在进行卡瓦类封隔器坐封试验时，需要获得胶筒、卡瓦承受的应力和产生 的应变的分布，但直接测量很困难。通过测量套管表面因胶筒、卡瓦的挤压而 出现的应力、应变，可以间接给出胶筒、卡瓦本身的应力、应变情况。套管应 力、应变传感器是由分布在套管表面高度为2 m 的被测区域内的4 0 0 片应变片构 成，应变片分为2 0 圈，每圈2 0 片，圈间距约为l o o m m ，形成4 0 0 个测试点，每 第二章井下采油工具动态检测系统介绍 点都可测得沿套管轴向和径向两方向的应力、应变。 在试验装置运行过程中，还必须检测另一类信号，即数字量信号，其中包 括游动平台升降的方向信号、钻杆旋转的正、反方向信号、被控参量手动或自 动控制的状态信号以及系统工作异常报警信号等。这些信号被传送到与中央计 算机相连的数字i o 接口。 在试验装置运行过程中，游动平台的运行状态对试验结果影响很大，如其 运行出现卡阻现象，有可能对试验台架造成损害。在运动过程中的平衡状态由 一套差动式电容角度传感器检测，其输出信号提供给测控系统，作为控制试验 台架两侧液压缸的压力与流量参数、使其运行精确同步的参考信号，确保游动 平台运行平稳，保证测试精度。 ( 2 ) 数据采集及控制i o 接口 数据采集及控制i o 接口的作用是外部信号与计算机系统之间的一层可控 硬件界面。i o 接口按功能可分为三类，一类是模拟数字转换器( a d ) ，是一 种模拟输入接口，将外部模拟输入信号变换为数字信号；另一类为数字模拟转 换器( d a ) ，是一种输出接口，将计算机输出的数字信号转换为模拟信号，用 于对主机系统、液压系统中的某些执行机构做模拟控制；第三类为数字i o 接 口板，可同时作为数字输入输出接口，用于将外部被测数字信号输入计算机和 对主机系统、液压系统中的某些执行机构做数字控制。 数据采集及控制i o 接口中包含了必要的信号调理器和变送器，将通过屏 蔽电缆远传过来的标准电流信号转换为电压信号再输入a d ，或者将通过d a 接 口输出的模拟电压控制信号变换为被控设备要求的信号形式，再传送给被控设 各。 ( 3 ) 计算机系统及测控工具软件 硬件构成 中央计算机系统的硬件环境包括一台奔腾服务器和由一台奔腾微机系