（机械电子工程专业论文）深井井下vds纠斜集成块压力响应特性的理论与实验研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 自动垂直钻井系统a a d d s 通过控制均匀分布在与钻杆相连的导向套内的三个液压纠 斜集成块的协调动作来实现主动纠斜。液压纠斜集成块由单柱塞泵、电磁阀、纠斜液压缸 以及浮动油箱等构成。在井下，纠斜集成块需承受高温、高压、强震等复杂恶劣环境，使 得纠斜集成块液压系统在井下与地面上的工作特性可能会有很大差异。因此对纠斜集成块 液压系统在井下恶劣环境下的工作特性的研究，对于保证纠斜集成块在井下的可靠工作具 有实际工程意义。 本文主要研究纠斜集成块液压系统在井下高压环境下的响应特性。首先通过分析v d s 集成块工作原理，确定影响纠斜集成块液压系统执行元件响应速度的关键在于柱塞泵的吸 油特性；其次通过建立纠斜集成块液压系统单柱塞泵的数学模型并引入环境压力因素，分 析比较了单柱塞泵在高压环境下与地面常压环境下的吸油特性的差异，以及偏心轴承转 速、油液含气量、柱塞套作用在柱塞上的摩擦力等各种因素对单柱塞泵吸油特性的影响； 再利用a m e s i m 软件对纠斜集成块的压力响应特性进行仿真分析，利用f 1 u e n t 软件对纠斜 集成块单柱塞泵的吸油过程进行流体动力学特性分析，以验证理论分析结论；最后通过开 发高压环境模拟试验台纠斜集成块压力响应计算机测试系统对纠斜集成块进行了高压环 境下工作特性的测试，实验结果与理论和仿真分析具有一致性，证明了在一定条件下，高 压环境下的液压纠斜系统具有比常压环境更快的响应速度。 关键词：纠斜集成块环境压力单柱塞泵压力响应特性 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 _ - - _ _ 一 a b s t r a c t a u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gs y s t e ma a d d sr e a l i z ea c t i v ea n t i d e v i a t i o nb yc o n t r o l l i n gm e m r e eh y d r a u l i cr e c t i f i c a t i o n i n t e g r a t e db l o c kw h i c he q u a l l yd i s t r i b u t e i nt h eg u i d es l e e v e c o l l l l e c t e dw i t ht h e 赫l lp i p e h y d r a u l i cr e c t 湎c a i i o ni n t e 伊a t e db l o c ki n c l u d eas i n g l ep l u n g e r p u m l ) ，s o l e n o i dv a l v e ，h y d r a u l i cc y l i n d e ra n daf l o a t i n go i lt a l l l ( s 砌曲t e n i n g u n d e r 粤即u i l d ， r e c t i l = i c a t i o ni n t e 霉，a t e db l o c kh a v et os u s t a i nac o h 巾1 e xa i l dh o s t i l ea ：i r o 珈 i l e n ts l l c ha sh i 粤_ h t e l l 叩耐u r e ，l l i 曲p r e s s u r ea f l ds t r o n gm o t i o n i tm a l ( ead i 行e r e n to fo p e r a t i n gc h a r a c t 舐s 廿c so f m er i ：c t i f i c a t i o ni n t e 掣a t e db l o c kh y d r a u l i cs y s t 锄u n d e r g r o u n da n do nm eg r o u n d s ot h es t u d v o nt h eo p e r a t i n gd h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c t i f i c a t i o ni n t e 霉，a t e db l o c kh y d r a 眦l i cs y s t 锄 u n d e l 可0 u n dw h e r et h ee n v i r o n m e n ti sh a r s hh a v ea c t u a le n 西n e e r i n gs i 鲥6 c 姐c e ，w h i c hc a l l e n s u r ew o r ko ft h er e c t i f i c a t i o ni n t e 嚣a t e db l o c ki nu n d e r g r o u n di sr e l i a b lv r l l i sp a p e rm a i l l l ys t l l d i e so nm er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 er e c t i f i c a t i o ni n t e 譬，a t e d b l o c kh y d r a u l i cs y s t 锄i nh i g l lp r e s s u r ec n v i r o 姗e n t f i r s t l y 伽d u 曲m ea n a l y s i so ft h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fm ev d si n t e 伊a t e db l o c k ，i td e t e r m i n et h ek e yi sm eo i la b s o r p t i o np r o p e n i e so f p l u n g e rp u m pw 1 1 i c hi m p a i rt h er e s p o n s es p e e d o ft h er e c t i f i c a t i o ni n t e 伊a t e db l o c kh y d r a u l i c s y s t e r n sa c t u a t o r ；s e c o n d l y ， t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n ta b o u t 廿1 ep l u n g e rp u m pm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er e c t i f i c a t i o n i n t e 伊a t e db l o c kh y d r a u l i cs y s t e ma n da d d i n gt h ee n v i r o n m e n t a ls t r e s sf a c t o r s ，i ta j l a l y s i sa l l d c o m p ；l r e st h ed i f f e r e n c e so ft h eo i la b s o 叩t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es i n 酉ep l u n g e rp u m pi nt h e e n v i r c i i l i n e n to fh i 曲p r e s s u r ea n dn o r m a lp r e s s u r e ，a sw e l la st h ef a c t o r s ，w l l i c hi m p a i rm eo i l a b s o r l t i o np r o p e r t i e so fm es i n 9 1 ep l u n g e rp u m p ，s u c ：ha st h es p e e do fe c c e n t r i cb e a r i n g ，m c t i o n o ft h ep l u n g e rp i s t o ns l e e v ea c t i n go nm ep l u n g e r ，o i lc o n t e n ta n do t h e r s ；t h e nu s i n gt h e a m e s i ms o r w a l et os i m u l a t ea n da n a l y s e st h ep r e s s u r er e s p o n s ed l a r a c t e r i s t i co fm e r e c t m c a t i o ni n t e 灯a t e db l o c k ， a n du s i n gt h ef l u e n ts o r w a r et om a k eaf l u i dd y i l a m i c s c h a r a c t 谢s t i c sa 1 1 a l y s i so fo i la b s o 坤t i o np r o c e s so ft h es i n g l ep l u n g e rp u m pa b o u tm e r e c t i f i c a t i o ni n t e 盯a t e db l o c k ，i no r d e rt ov 甜母t h et h e o r e t i c a la l l a l y s i sc o n c l u s i o n ；f i n a l l y m r o u 曲t h ed e v e l o d m e n to fc o m p u t e rt e s ts y s t e ma b o u tp r e s s u r er e s p o n s eo fm er e c t i f i c a t i o n i n t e 雕l t e db l o c kb a s e do ns i m u l a t i o nt e s ts t a n di nh i 曲p r e s s u r ee n v i m n m e n t ，i tm a l ( eat e s to f o p e r a t n 2d l a r a c t 嘶s t i c so ft h er e c t i 6 c a t i o ni n t e 簿a t e db l o c ki nh i 曲p r e s s u r ee n v i r o m e n t ，a n d s h o w st h a tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 甜l dc o m p u t e rs i m u l a t i o na r ec o n s i s t e n t s oi tp r o v e st h a t u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n ，t h eh y d r a u l i cs t m i g h t e n i n gs y s t e mh a sf a s t e rr e s p o n s es p e e du n d e rh i g h p r e s s u l ee n v i r o n m e n tc o m p a r e dw i t ht h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t k e y w o r d ：r e c t i f i c a t i o ni n t e 伊a t e db l o c k ，e n v i r o n m e n tp r e s s u r e ，s i n 舀ep l u n g e rp u m p ，p r e s s u r e r e s p o n 。j ec h a r a c t e r i s t i c 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 本课题研究意义 第一章绪论 石油是重要的能源和战略物资，它影响着国计民生和国防安戗建国6 0 年以来，我国 的石油工业从新中国成立前的近乎空白发展并壮大成为现代化的工业体系，成为国民经济 的支柱产业，为新中国的经济发展和小康社会建设做出了重大贡献。随着国内东部油田 石油产量的递减，以及国际石油价格的一路飙升，西部已成为我国越来越重要的油气战略 接替基地之一。西部地区的钻探实践经验表明，这里蕴藏着丰富的油气资源，但也存在着 很大的钻探风斟2 1 。根据我国第二次油气资源评价资料显示，西部地区的石油资源储量占 全国总石油资源储量的3 8 ，其中7 3 埋藏在深部地层，即使在浅层也普遍存在高陡构造 地层【3 】；因此，西部深井超深井提速、高陡构造地层的防斜打快成为主要的技术难点。 在高陡构造地区，为了控制井身质量，根据地质情况，可采用柔性钟摆、小钟摆、满 眼钻具、垂直钻井系统及p d c 钻头+ 动力钻具复合钻进技术、p d c 钻头+ 动力钻具+ m w d 等 方法进行防斜打快，但最有效的方法则是垂直钻井系绀到。我国石油勘探行业最近几年租 用国外b a l 【e r h u 曲e s ，s c h l u m b e r g e r 等公司的垂直钻井工具在有关油田进行了试钻，均取得 了很好的效果，但是高昂的租金价格令国内很多企业都难以承受。 为打破国外大公司的技术封锁，开发出适用于我国国情的垂直钻井工具意义相当重 要。目前，国内已有数家科研单位研究自动垂直钻井工具，在关键技术上已有所突破。中 国石油勘探开发研究院钻井所与武汉科技大学合作，于2 0 0 5 年试制成功首台石油自动垂直 钻井工具( 简称a a d d s ) 的室内原理样机。该机构的主体为一个通过偏心轴承与钻杆相连的 浮动导向套，导向套内三个可独立伸缩的导向块( 纠斜集成块) 均匀分布，每个导向块内的伸 缩装置是一套独立的液压控制系统。导向套内还装有井下微处理器和重力加速度计。重力 加速度计用来测定井眼的井斜角及方位角，井下微处理器接收重力加速度计传来的井斜信 号，经过判别处理后，向液压系统电磁阀发出控制指令，从而控制导向块的伸缩。纠斜集成 块液压系统的工作介质是液压油，但纠斜动力不是由泥浆提供而是直接取自钻柱的旋转， 由钻柱与浮动导向套之间的转速差作为凸轮旋转的动力，通过凸轮带动柱塞做往复运动完 成油泵的吸油和排油。 由于环境压力随井深变化，会达到几十兆帕甚至上百兆帕。整个液压系统都位于近钻 头导向套的狭小空问内，液压系统必需有效的平衡这种超常的环境压力。至此，研究此微 型液压系统在超常环境压力下的响应特性，了解系统在超常环境压力下的工作特点对于纠 斜液压系统的可靠运行具有极其重要的意义。本课题将通过分析纠斜集成块液压系统动力 学模型，特别是系统中单柱塞泵的数学模型，并在模型中将环境压力的因素考虑进去，再 借助a m e s i m 等软件仿真分析液压系统元件在这种超常环境压力下的特性，以及高压环境 下纠斜液压系统的实际测试实验，总结纠斜液压系统在常压与超常压环境下工作特性的差 第2 页 异，并得出超常环境压力下微型液压纠斜动力系统工作特性的规律性认识。 1 2 井下纠斜动力系统在国内外发展现状 1 2 1 国外井下纠斜动力系统发展趋势 在钻井过程中，钻具弯曲或偏倒的情况是客观存在的【4 】，进而造成钻具偏离正确油层 位置。基于这种情况，出现了钟摆钻具、满眼钻具和偏轴钻具等传统防斜打直技术。但这 几种防斜技术都属于被动防斜技术，在高陡地层难以克服地层极强的自然造斜能力【5 矧。2 0 世纪8 0 年代联邦德国大陆超深井计划( k t b ) 提出能适应超深井钻探的主动防斜技术一自动 垂直钻井系统( v d s ) 【7 1 。 该设想提出以后，美国贝克休斯公司( b a l ( e rh u g e s ) 于1 9 8 8 年成功研制出垂直钻井系统 ( v d 跣经过不断的改进，v d s 系列先后经历了3 代共5 种型号的垂直钻井系统。首例样机 v d s - 1 属于最初的试验性产品，不旋转的导向套与旋转轴之间通过轴承连接，导向套四周 均匀：分布四个可以伸缩的导向块，由泥浆驱动4 个活塞控制导向块的伸出，导向块分布形 式如图1 1 所示。钻井过程中的井斜数据由传感器测量并反馈给微处理单元，微处理单元 经过计算，发出控制命令给液压阀，由液压阀驱动活塞的运动，使导向块伸缩。实际投入 应用的产品为v d s 3 和v d s 一5 。到v d s 5 中，整个垂直钻井系统中的机械、液压及电子 组件才得以严格分开，增加了系统的可靠性同时也便于维护。另外一点，v d s 一5 中采用了 井下交流发电机来代替抗高温电池，使得系统具有更好的环境适应性和更长的井下工作时 间。 导向块 图1 1 s l 导向块结构布置不意图 v d s 系列在k t b 计划中得到成功应用，但在使用过程中也出现一些不足，一个最重 要的原因是v d s 中导向块是由泥浆来驱动的，然而泥浆与普通液压介质相比，存在颗粒 含量高、润滑性能差等特点，若利用泥浆作为传动介质，纠斜液压系统中的电磁阀及柱塞 缸等液压元件容易发生卡死和磨损现象，降低了系统的可靠性。贝克休斯公司与其他公司 合作在v d s 的基础上进行了改进，并于2 0 世纪9 0 年代中期研制出新的垂直钻井装置 s d d ( s c r i g l l th o l ed n l l i n gd e v i c e ) 系统。s d d 系统与v d s 系统基本相同，但其结构形式更 为复杂一些。s d d 在液压系统方面进行了适当的改进，从电磁阀到液压缸活塞之间采用液 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 压油作为工作介质，减少了电磁阀和液压缸等液压元件的磨损情况，提高了系统的使用寿 命，除此以外s d d 中导向块的数量也由v d s 中的4 个减少为3 个【8 j 。 自从s d d 投入应用后，国际上一些其它的大公司均投入力量进行了多种类型的自动 垂直钻井系统的研究和开发，由于技术开发难度较高，目前实际投入生产的产品类型并不 多，最典型的有两种，一种是斯伦贝谢公司( s 砌u i 】m c r g e r ) 的以p o w * v 为代表的旋转式的 自动垂直钻井系统，另一种是贝克休斯公司( b a l 【c rh u 曲e s ) 的以v e r b t r d k 为代表的滑动式 的自动垂直钻井系统【9 j 。这两种自动垂直钻井系统的纠斜动力均由高压钻井液提供。 p o w * v 自动垂直钻井系统导向块主要包含一个泥浆控制阀和三个由泥浆驱动的导向 块，泥浆控制阀由上、下盘阀组成，上盘阀的旋转方向由控制轴的方位确定，下盘阀跟随 钻头一起旋转，下盘阀上的3 个圆孔分别与驱动3 个导向块的3 个液压缸相通。工作时， 井斜测量仪测量出井斜角和方位角，并将测量数据与预设工具面进行比较，控制泥浆控制 阀上盘阀，使其开口位于上井壁( 高边) ，当泥浆控制阀下盘阀的圆孔旋转到上井壁( 高边) 时，泥浆通道打开，与下盘阀的对应圆孔相通的导向块在泥浆压力下伸出推挤井壁，使得 井壁对钻头产生一个反方向的作用力，从而改变钻头钻进方向，把钻头推向正确位置。当 第一个导向块转过此位置后，泥浆将转向下一个旋转到此的第二个导向块，同样推动第二 个导向块伸出。而第一个导向块在井壁对它的按压下缩回，三个导向块成1 2 0 。周向分布， 在旋转过程中依次顺序伸出和缩回，导向块结构如图1 2 所示。 图1 2p o w e r - v 导向块结构示意图 v e 瓶t r a k 自动垂直钻井系统以钻井液驱动内置涡轮发电机给整个系统供电，同时驱动 纠斜系统液压泵。v e r t i t r a k 有两种工作模式：标准钻井方式和旋转钻井方式。井眼发生倾 斜时，v e n i t r a k 采用高性能泥浆马达x t r e m e 为钻头提供旋转动力，钻具处在滑动钻进 模式，井斜信号通过泥浆脉冲发生器传到地面，再通过单片机控制系统发出控制指令，纠 斜液压系统开始工作，驱动三个导向块中的一个或两个外伸以推靠井壁，利用井壁对导向 块的反作用力使钻杆改变钻进方向，以达到纠斜的目的。旋转钻进模式下，v e n 汀r a k 不进 行纠斜工作，三个导向块均缩回，这样可以提高机械转速。 液压系统与其它传动系统相比具有体积小，重量轻，反应迅速等特点，以上介绍的国 外先进的自动垂直钻具大多采用液压导向控制方式纠斜。近年来，在深海钻井方面，已有 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 国家开始研制采用电控系统取代液压系统以减少对环境的污剿10 1 ，目前已有一定的进展， 但离投入使用还有一段距离。 1 2 ：国内发展现状 国内7 0 年代以后逐步开展防斜理论的研究，中国石油勘探开发研究院的苏义脑院士提 出了井下控制工程学的概念，把工程控制论和航天制导技术引入了钻井工程，于上世纪9 0 年代开始了对自动垂直钻井技术的理论研究，并主持了一些实验样机的研发工作【1 1 12 1 。此 后，国内一些高校和科研单位也开展了相应的研究工作。中国石油勘探开发研究院钻井所 与武汉科技大学合作，于2 0 0 5 年试制成功首台石油自动垂直钻井工具( 简称a a d d s ) 的室 内原理样机，并通过理论建模、仿真分析和实验研究，研制出了新型的导向机构纠斜液压 控制系统，由三个纠斜液压集成块的配合动作来执行纠斜任务。： 1 3 深水液压系统研究现状 1 3 1 水下高温高压环境下液压系统设计要求 ：在深水钻井作业中，随着水深的不断增加，液压系统各个元件承受的外部压力和温度会 随之：耆加。高温高压环境下不仅会使液压油的性质会发生变化，而且会对液压元件的工作 特性造成一定的影响。如何解决外部高温高压环境对液压系统的影响是深水液压系统设计 的关键问题。 液压油介质随着压力的升高，体积会不断缩小，随着温度的增加，其黏度不断减少。 因此在选择液压油时应尽量选择弹性模量较大，黏度指数较高的液压油才能满足深水液压 系统能够在较宽的温度及压力范围内工f 常工作的要求。航空液压油以其良好的压力及温度 特性在钻井液压油介质中得到了广泛的应用。 环境温度对液压元器件也存在一定的影响：由于热胀冷缩的原因，温度变化将会使阀 芯阀体问隙发生变化。在设计液压阀时一般选择膨胀系数相近的材料来制作阀体和阀芯， 这样就能降低因温度变化引起的配合间隙的变化量，从而确保在较宽的温度变化范围内阀 芯与阀体的间隙密封能够起密封作用而且不至于卡死，有效提高液压阀在较宽温度变化范 围内二二作的稳定性和可靠性i l 引。在选用各个液压阀的密封件时也要遵循耐高压、耐高温、 耐磨、耐腐蚀等原则，特别是油泵处的动密封是液压系统中极易发生泄漏的部位。 在水下高压环境下会导致外界环境压力远远大于液压系统内部油液压力，因为深水液 压系统中一般会采用封闭式油箱把液压系统与周围环境隔离u 3 1 ，这就会使得纠斜液压系统 导向块无法克服外界环境压力而不能j 下常伸出。v e n i t r a k 和z b e 自动垂直钻井t 具的纠 斜液压系统是与泥浆隔离的，而导向块采用伞形结构，其导向筋板的内外表面均作用有泥 浆压力，因此井下环境压力对这类钻具的液压系统的影响不大。在p o w e 卜v 自动垂直钻井 系统中，导向块是在泥浆压力作用下伸出“拍击”井壁来进行纠斜的，外界环境压力增加 还会加快导向块的伸出，提高纠斜效率，更不会出现上述问题。但在自动垂直钻井工具 武汉科技大学硕士学篁笙奎。 ：笙! 蔓 ( 灿岫d s ) 纠斜液压系统中导向块采用推力块结构，若水下环境压力远远高于液压系统内部 油液压力时，会使得导向块受到较大的阻力难以正常伸出，进而导致油泵吸油困难，因此 需考虑对环境压力进行自动补偿。 1 3 2 水下作业工具压力补偿研究 ， 国内关于水下作业工具的压力补偿做了大量的研究。下面介绍一种典型的深水液压动 力源压力补偿器。其主要原理为：补偿器采用允许一定量弹性变形的薄壁容器，补偿器的 出口与油箱相联，补偿器内部充满液压油。当补偿器的外壳受到水压力的作用时，外壳会 产生一定量的弹性变形，将此压力传递给内部的液压油，根据液体的不可压缩性，补偿器 内部的压力与外部水压力p n 相等，而油箱是与补偿器相连通的，因此油箱内部的压力也是 与外界的水压力相同。这样不论多大深度，油箱内部压力总与外部水压力相等，油箱壳体 所受到的内外压差为零，实现了对不同水深水压力的自动补偿【1 4 1 。油箱压力得到了补偿， 那么整个液压系统所受的外部水压力也就得到了自动补偿。在实际的液压动力源中( 油箱结 构见图1 3 ) ，通常采用弹性元件作用在补偿器上，使系统内部压力p o 始终略大于外部海水 压力，这样可以改善泵的吸入条件，有利于泵的平衡运行。补偿器内部压力为外部水压力 和弹簧预压力之和，即p o = p n + p t 。补偿器不仅要补偿外部水压力，还要补偿系统的容积变 化，确定补偿器的工作容积是动力源压力补偿器设计需要解决的关键问题。补偿器的工作 容积由以下因素决定：随压力和温度变化而产生的液压油体积的变化量；随压力和温 度变化产生的气体体积变化；液体系统泄漏油液体积；系统工作时需要补偿的体积( 如 有杆油缸的体积变化) ；随压力和温度变化产生的补偿器工作容积的变化。因此在补偿器 的设计中应满足工作容积要大于以上体积变化量之和。 篆| | | 善j | | | * 0i _ 潲 z _ 曼- 几_ 。：v - 、 油箱 p n p t 图1 3 油箱结构图 在自动垂直钻井工具( a a d d s ) 纠斜液压系统中动力源是采用皮囊式油箱对外部环境 压力进行自动补偿，通过皮囊的弹性变形将外界环境压力传递给内部的液压油，从而有效 平衡液压系统内外压差。 1 4a a d d s 自动垂直钻具纠斜液压系统井下工作特性研究进展 为研究纠斜液压系统在井下的工作特性，并对纠斜液压系统进行改进和完善，武汉科 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 技大学钻井控制实验室做了以下工作：通过仿真和实验分析并结合实际情况对各个液压 阀的复位弹簧刚度和阀口极限位移进行优化设计，从而确定合理的弹簧刚度以及阀口极限 位移。建立该液压系统高压环境下的仿真模型对各个液压元件的在高压环境下的工作特 性进行了研究，得出高压环境能够改善柱塞泵的吸油特性，使得纠斜液压缸在高压环境下 具有比常压环境下更快的响应速度。模拟井下振动环境对液压纠斜集成块进行振动实 验，实验结果表明在震动环境下纠斜液压系统能够可靠工作且纠斜液压缸的稳态压力在振 动前后均能保持稳定，压力波动较小，符合纠斜的要求。 这些研究在一定程度上揭示了纠斜集成块液压系统在井下的工作特性，为液压系统的 设计和优化提供了依据，但还存在一些不足，主要有以下几个方面： ( 1 ) 未考虑液压油中所含空气量对液压系统响应特性的影响，就增大环境压力对液压系 统响应速度和变化过程的影响进行深入的分析。 l ：2 ) 由于条件的限制未对液压纠斜集成块进行井下高压环境下工作特性的实验研究，因 此亟需开发高压环境模拟实验台对纠斜集成块的高压特性进行实验研究对仿真结果进行 验证说明。 1 3 ) 对液压纠斜集成块的振动实验中，振动台无法达到5 0 9 的振动加速度，需开发出更 能模拟井下强震环境的振动台对液压纠斜集成块在强震环境下的工作特性进行研究。 1 5 本文的研究内容 针对导向纠斜机构井下恶劣的工作环境，本文着重探讨自动垂直钻井系统( v d s ) 纠斜 集成块在井下超常环境压力作用下的工作特性，分析系统中哪些因素或元件易受到环境压 力的影响，特别是在超常环境压力下影响集成块液压系统的压力响应速度和变化过程的相 关因素，揭示常规液压系统在超常环境压力下可能存在的异常特性，并开发高压环境模拟 实验台及高压环境下v d s 纠斜集成块液压系统工作特性的测试系统，对v d s 纠斜集成块 进行实际环境压力作用下的实验分析。 本文通过理论建模、仿真分析以及实验测试的研究方法对v d s 纠斜集成块在井下超常 环境压力作用下的工作特性进行了深入的研究。论文的主要内容安排如下： 第一章主要介绍本课题的研究意义及井下纠斜动力系统在国内外的发展现状。 第二章首先介绍v d s 纠斜集成块工作原理并确定压力响应的关键在于柱塞泵的吸油 过程，通过建立v d s 纠斜集成块液压系统单柱塞泵的数学模型分析其压力响应特性，探 讨单柱塞泵在高压环境下与地面常压环境下的吸油特性有何不同之处，并分析偏心轴承转 速、油液含气量、柱塞套作用在柱塞上的摩擦力等各种因素对单柱塞泵吸油特性的影响。 第三章利用c f d 软件f 1 u e n t 对柱塞泵吸油单向阀容腔的内部流场进行数值仿真，从 而对单柱塞泵的吸油过程进行流体动力学特性分析，再利用a m e s i m 软件建立v d s 纠斜 集成块液压系统仿真模型，通过设置不同的环境压力及偏心轴承的不同转速，对v d s 纠 斜集成块的单柱塞泵及相应的压力响应进行分析。通过这些分析验证第二章的相应理论分 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 析的有关结论。 第四章建立高压环境模拟试验台并研制开发相应的测试系统，通过该试验系统获取 v d s 集成块液压系统真实的响应数据，以检验理论与仿真分析结果。 第五章总结全文，指出本文所做的研究工作的具体内容和研究中的不足之处，及对实 际工作的指导意义。 本论文所展开的研究工作是国家自然科学基金项目“液控导向的自动垂直钻井工具的 理论与技术( n o 5 0 5 7 4 0 7 0 ) ”、国家8 6 3 重大专项“自动垂直钻井技术( 2 0 0 6 a a 0 6 a l0 2 ) ”国家 自然科学基金项目“自动垂直钻井导向液压系统设计理论及技术”( 5 1 1 7 5 3 8 6 ) 的资助和支 持，在此由衷的表示感谢。 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 第二章v d s 纠斜集成块单柱塞泵数学模型及压力响应特性分析 2 1 纠斜集成块液压系统工作原理 7 纠斜集成块液压原理如图2 1 所示。其工作原理为：转杆旋转时带动与钻杆相连的偏 心轴承4 同步旋转，进而推动柱塞泵3 的柱塞作往复运动，钻杆每旋转一周，柱塞往复运 动一次，完成一次吸油和排油过程。钻杆连续转动，油泵不断的向系统输出压力油，为纠 斜液压系统提供动力。钻具工作时，一旦检测到井眼倾斜信号，井下微处理器就会发出控 制指令，使二位二通电磁换向阀8 得电，油液经排油单向阀5 进入纠斜液压缸6 ，使纠斜 活塞伸出并顶向井壁强迫钻头改变钻进方向，以达到纠斜的目的。纠斜结束时，电磁阀接 收到控制信号而断电，排油阀排出的液压油通过电磁阀流回油箱，液压缸活塞也会在复位 弹簧的作用下缩回。 1 油箱2 吸油单向阀3 径向柱塞泵4 偏心轴承5 压油单向嘲 6 纠斜液压缸7 推力块8 二位二通l u 磁换向阈9 溢流阀 图2 1 纠斜集成块的液压系统图 柱塞泵吸油和排油交替进行，不考虑油液压缩性和泄漏，吸入的油液体积和排出的油 液体积相等。纠斜过程中排出的油液进入纠斜缸，直至溢流。可见，影响活塞响应速度的 关键在于吸油阶段。在井下工作时，整个液压系统置于超常环境压力下，在保证各液压元 件在井下正常工作的前提下，单柱塞泵的吸油特性可能会受到环境压力的影响。下面将借 助液压流体力学理论建立柱塞泵吸油过程的动力学模型，在模型中将环境压力的因素考虑 进去，对柱塞泵的吸油特性进行研究，并分析偏心轴承转速、液压油中含气量、吸油单向 阀阀盘的爿降过程及柱塞所受摩擦力等因素对对柱塞泵吸油特性的影响。 武汉科技大学硕士学位论文第9 里 l - _ - 一 2 2 吸油单向阀的数学模型 单柱塞油泵所用的吸油单向阀结构如图2 2 所示，它主要由孔径为喀的阀座、直径为 以的球形阀芯和刚度为颤的复位弹簧组成。设阀的进、出口压力分别为蹦环境压力) 、b ( 柱 塞泵入口压力) 。 2 2 1 吸油单向阀的动力学方程 以 图2 2 单向阀结构图 如图2 2 所示，吸油单向阀阀芯受弹簧力、单向阀进出口油液压差对阀芯产生的力和 阀芯运动时的惯性力，其动力学方程如式2 1 所示。 峨一0 以一足，( 工p + x p o ) = 埘d 戈p ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，以为钢球与阀口反对应的受压面积，且么，= 蒯；：劫d 为弹簧的预压缩量，聊d 叶 为阀芯运动质量。稳态时阀开口最大“芦如) ，( 2 1 ) 式则变为 k 只皿一t ( x ，一+ 。) = 厶 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，五为油液压力通过阀芯作用在阀座上的推力。当弘o 时，由( 2 2 ) 式可确定阀开 口最大所需的最小压降 只。= 足，( 工p 。+ x p o ) 爿， ( 2 3 ) 2 2 2 吸油单向阀的流量方程 通过阀隙爿。的流量 q ，= 旯a o ( 2 4 ) 式中五为等效过流断面收缩系数。阀隙面积彳d 为以d 为母线的圆台的侧表面面积，由于阀 芯位移很小，因此么i 也可近似为母线为昂直径为以的圆柱侧表面面积。 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 田恻u 敝体阴能量半衡万程( 伯努利方程) 鲁+ 丢托= 鲁+ 芸+ z ：“， _ p g三gp g j z g 式中z l 、之分别为阀口前后的液面高度，y l 、也为阀口前后的液体流速， 后流体压力，则流经阀口的液体能量损失 警+ 筹蝎一z o 由于z 。z o ，v 。，所以 ( 2 5 ) p l 、恳为阀口前 ( 2 6 ) 矗。丝( 2 7 ) 油液流经阀口的局部能量损失k 由两部分组成，其一为油液进入阀隙时截面收缩造成 的能量损失矗：= 鼻黑，其二为油液离开阀隙时截面扩大造成的能量损失矗：= 最差。因 z gz 2 此有 。： ：+ 比：候+ 邑) 要：f 尊 ( 2 8 ) z gz g 由( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式，可得 飞= 后乎 由( 2 4 ) 、( 2 9 ) 式得吸油单向阀的流量方程为 q = q a 。 舯_ 居黼效流量舭 2 3 吸油过程柱塞泵的数学模型 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 按柱塞与偏心轴承的接触状态，柱塞的受力存在以下三种情况，而且在柱塞的整个运 动过程中不一定是单一的某一种情况，这几种情况有可能会交替存在。以柱塞的下始点为 原点，柱塞开始伸出为初始状态。 ( n 柱塞与偏心轴承紧密接触，且存在相互作用力，柱塞运动简图如图2 3 所示。 则柱塞随钻杆d 转动所产生的位移 x = 月+ s c o s 妒一( 尺一s ) = s ( 1 + c o s 妒)( 2 1 1 ) 武汉科技大学顾士学位论文 式( 2 1 1 ) 中，伊= 缈f 为偏心轴承转过角度，其中为偏心轴承转速， 为偏心距，求导得柱塞速度为 j = 一s 缈s i i l 纠 再对式( 2 1 2 ) 求导得柱塞加速度 第1 1 页 尺为偏心轴承半径，s ( 2 1 2 ) 戈= 一s 缈2 c o s 刎( 2 1 3 ) ( 说明：在以下分析柱塞运动速度及流量大小时，为不失一般性，可不考虑以上两式中的负 号。) 柱塞上的复位弹簧的推力需克服柱塞运动过程中所受的摩擦力( 主要由密封圈产生) 、 惯性力等阻力，还有一部分推力作用在偏心轴承上，柱塞的动力学方程如下： k ( f o + z ) 一z 一( r e ) 彳p 一日= ，放= 一朋s 缈2 c o s f ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中，左边第一项即为柱塞复位弹簧的推力r ，南为柱塞在下始点时复位弹簧的预压 缩量，x 为柱塞位移；石为柱塞套作用在柱塞上的摩擦力；( 碑炜为外界环境压力与柱塞 腔压力作用在柱塞上产生的力，其中4 ：孚岛为柱塞直径；乃为偏心轴承对柱塞的作 用力：m 为柱塞质量。 占 图2 3 吸油行程柱塞运动简图 在保证柱塞上腔不产生真空的前提下，由( 2 1 2 ) 式，油泵吸入的流量应为 绯= 彳p 文= 爿p s 国s i n f 鳞。 ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 中，q 删= 彳，s 彩为柱塞泵吸入的最大流量( 发生在柱塞伸出行程的5 0 处) 。 ( 2 ) 柱塞与凸轮接触，无相互作用力 此种情况下，柱塞的位移如式( 2 1 1 ) 所示，流量方程如式( 2 1 5 ) 所示，柱塞动力学方程 应为 第1 2 页 武汉科教大学硕士学位论文 k ，( f 0 + x ) 一z 一( r 一0 ) 4 ，= ，竹芏= 一m s 2c o s 肼 ( 2 1 6 ) ( 3 ) 柱塞与凸轮无接触 这种情况下，柱塞的位移x s ( 1 + c o s 纠) ，即油泵柱塞不能跟随偏心轴承的运动，这 将导致油泵吸油不充分，实际情况中应尽量避免这种情况的发生，其所带来的问题将在下 节进行分析。7 2 4 油泵吸油特性分析 为保证流量的连续性，正常工作时吸油单向阀的流量应该等于柱塞泵的瞬时流量，即 绋= ! 烈这里忽略单向阀阀芯运动时产生的附加流量，其对柱塞泵吸油特性的影响将在下节 进行分析) 。则由式( 2 1 0 ) 、( 2 1 5 ) 可得吸油单向阀的压降p 为 廿舟。= 氧笔半卜皈 仁 式( 2 1 7 ) 中蛾= 詈( 乏詈 为单向阀输出最大流量绋用所需要的压降( 发生在柱塞伸出行程 的5 0 处) 。 又由式( 2 1 4 ) 可得作用在柱塞上的压降为 尸= r e = ( k ( 如+ 工) 一z 一冗+ 肌勋2 c o s 刎) 彳， ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中，丝。= ( k ，( f o + 工) 一六) 爿。为确保柱塞吸入最大流量( 发生在柱塞伸出行程的5 0 处，此处柱塞惯性力为o ) 时柱塞上的最小压降( 设乃一0 ，即柱塞泵运动的第二种情况) 。 吸油单向阀的最大开启压力蛾删较小( 约0 0 5 m p a ) ，由q 朋= 彳，s 彩可知系统正常工作 的最大流量与钻杆转速痈关，因此吸油单向阀在通过最大流量时的压降蛾。有可能超过 峨。，甚至大于0 1 m p a 。由于在地面上的环境压力仅为一个大气压，因此当钻杆转速较高 时，单向阀开口量达到最大时的压降又不可能超过0 1 m p a ，这就使得柱塞在伸出时有可能 由于不能吸入所需要的足够流量而不能跟随偏心轴承运动，并产生以下问题： 1 7 1 ) 由于不能提供在钻具快速旋转时纠斜机构所需要的足够流量，使得纠斜响应速度降 低，影响纠斜效果； i7 2 ) 由于油泵柱塞不能紧贴偏心轴承，就会导致柱塞与偏心轴承之间产生撞击以及滑动 摩擦，该摩擦力将使柱塞因受到一个径向力而产生轻微弯曲导致柱塞密封受到影响，从而 易使泥浆混入柱塞泵中，并加剧柱塞磨损，影响泵的工作性能和寿命。 但如果提高环境压力p o ，则由( 2 1 8 ) 式和蝇。表达式可知，此时只要提高柱塞复位弹 簧的刚度眨或预压缩量f o ，就可以为阀的最大流量提供所需压降。由于井下工作时的环境 压力：通常都在1 0 m p 龟以上，因此井下的高压环境对柱塞泵的吸油是有促进作用的。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 2 5 液压油中的含气量对吸油过程的影响 受尺寸结构限制，纠斜集成块中的浮动油箱所能容纳的液压油较少，而集成块装配时 又很难完全排除块内的空气，因此系统液压油中的含气量是比较高的( 在以上模型中未考虑 空气的影响) 。由于液压油中的空气在低压时会分离，这就会降低油泵柱塞腔中的真空度， 因此在地面使用时常常难以保证吸油单向阀正常工作所需要的压降。但井下的环境压力会 超过液压油中空气分离或释放压力，空气会融于油液中，因此在井下高压环境下液压油中 所含空气不会对泵的吸油特性造成影响。在第三章对纠斜液压系统的a m e s i m 仿真分析中 可以说明这个问题。 2 6 单向阀阀芯运动时产生的附加流量对柱塞泵吸油特性的影响 吸油行程( 0 0 妒1 8 0 0 ) 开始时，柱塞开始伸出，吸油单向阀阀芯开启会产生一定的附 加流量；吸油行程结束排油行程( 1 8 0 0 妒3 6 叻开始时，柱塞开始退回，排油单向阀开启 时也会产生一定的附加流量。下面将通过公式推导来分析单向阀阀芯运动时产生的附加流 量对柱塞泵吸油特性的影响。 2 6 1 吸油行程( 0 0 伊1 8 0 0 ) 在以下推导中假设( 实际系统中也是满足的) ( 1 ) 柱塞的复位弹簧力足够大，使得柱塞能够克服摩擦力跟随偏心轴承运动； ( 2 ) 柱塞等处的外部泄漏可忽略不计。 吸油行程开始时，柱塞在复位弹簧作用下伸出所吸入的瞬时流量q 口，为吸油单向阀阀 隙流量g 和吸油单向阀阀芯运动所产生的附加流量之和，但在前面的分析中均假设为 绋= g 。 1 式( 2 1 5 ) 中绯= 么p j = 彳p s 缈s i n 刎，其中彳，= 咒d ；为柱塞工作面积；式( 2 1 0 ) 中 q = g a ，取4 = 蚋 由( 2 1 ) 式得k 一。) 等产，考虑到阀芯位移 昂很j 、，口j 迎似认为放、徊早l 司| f j i l 明崖降( 尸0 。昂) 为常数，即慨也) 2 昧l ，凼此( 2 1 0 ) 式司改写 为 q = 巴毗等咆工p ( 2 1 9 ) 由式( 2 1 5 ) 、式( 2 1 9 ) 及绋= g 可得阀芯位移 矿等等 亿2 。， 和阍蕊谏序 第1 4 页 武汉科技大学硕士学位论文 彳。了国2c o s 丘玎 2 l i 一 ( 2 2 1 ) 若考虑阀芯移动所产生的附加流量，则柱塞的瞬时流量应为 绯= q + 4 毛( 2 2 2 )