（机械电子工程专业论文）超常环境压力下微型液压动力系统特性分析与研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 自动垂直钻井系统是一种导向闭环钻井控制系统，可实现井下主动纠斜、保持井壁垂 直、具有极高技术含量先进的机电液集成钻井装置。井下复杂环境下垂直钻具系统的仿真 与动力学特性分析可以帮助了解深井下纠斜机构微型液压动力系统的工作状况。 论文简要叙述了国内外自动垂直钻井技术的发展概况，简略的分析了国外自动垂直纠 斜系统动力提取的方式和我们所研制钻具的纠斜系统动力提取的方式的异同。借助 a m e s i l i l 对微型液压动力系统在超常环境压力下的动力学特性进行仿真分析，以了解这种 微型液压动力系统在深井超高压环境下的工作特点，并重点分析了导向纠斜机构中的关键 液压元件电磁换向阀的特性及其对系统动力学特性的影响。结合a m e s i m 对微型液压动力 系统的仿真数据，借助a d 蝴s 对液控导向机构对钻杆的摩擦力矩进行仿真分析，对导向 套与钻杆之间是否保持相对转动以产生驱动液控导向纠斜机构工作的动力问题进行了深 入探讨。通过实测自动垂直钻具原理样机的活套与钻杆的扭矩，对a d a m s 仿真分析及结 果进行了验证。 关键词：自动垂直钻井微型液压动力系统超常环境压力摩擦力矩a d 触s 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 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 mw a sas y s t e mo fd o w n - h o l es t e e r i n gc l o s e d l o o pd r i l l i n g 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 mc o u l dc o r r e c tw e l li n c l i n ea u t o m a t i c a l l ya n dk e e ph o l ev e r t i c a l ， w i t had r i l l i n gd e v i c eo fh i 曲t e c h n o l o g i c a lc o n t e n ta n da d v a n c e de l e c t r o - h y d r a u l i c t h e s i m u l a t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co nv e r t i c a ld r i l l i n gs y s t e mi nt h ed o w n - w e l lc o m p l e x e n v i r o n m e n tw e r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i sc o u l dh e l pu su n d e r s t a n dt h ew o r kc o n d i t i o n so f m i c r o h y d r a u l i cp o w e rs y s t e mo fd o w n w e l ls l o p ec o r r e c t i o nm e c h a n i s m t h ep a p e rh a dd i s c u s s e de x i s t i n gs t a t u sa th o m ea n da b r o a do fa u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n g t e c h n o l o g y t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h em a n n e ro fp o w e re x t r a c t i o no fa u t o m a t i cv e r t i c a ls l o p e i n c l i n a t i o ns y s t e ma b r o a da n dt h em a n n e ra b o u tp o w e re x t r a c t i o no fs l o p ec o r r e c t i o ns y s t e m d e v e l o p e db yu sh a db e e na n a l y z e db r i e f l y t h ea m e s i ms o f t w a r ew a su s e dt o s i m u l a t i o n r e s e a r c ho nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fm i c r o h y d r a u l i cp o w e rs y s t e mu n d e rs u p e m o r m a l a m b i e n tp r e s s u r e t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hh e l pu su n d e r s t a n dt h ew o r kc h a r a c t e r i s t i co ft h i s m i c r o h y d r a u l i cp o w e rs y s t e m u n d e rd o w n w e l l s u p e r - h i g hp r e s s u r e e n v i r o n m e n t t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ek e yh y a r a u l i cc o m p o n e n t se l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea n di t se f f e c to ns y s t e m d y n a m i cw e r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o nd a t ao fm i c r o h y d r a u l i cp o w e rs y s t e mf r o ma m e s i m w a sc o n b i n e d ，a n das i m u l a t i o nr e s e a r c ho i lf r i c t i o nt o r q u eb e t w e e nh y a r a u l i cs t e e r i n g m e c h a n i s ma n dd r i l ls t r i n gh a db e e nc a r r i e do nw i t ha d a m s t h ep r o b l e mt h a tt h er e l a t i v e r o t a t i o nb e t w e e nt h es t e e r a b l es l e e v ea n dt h ed r i l ls t r i n gw a sm a i n t a i n e do rn o tt op r o d u c e d r i v i n gp o w e ro fh y d r a u l i cs t e e r i n ga n ds l o p ec o r r e c t i o nm e c h a n i s mw a si n - d e p t hd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h et o r q u eo fs l e e v ea n dd r i l ls t r i n gm e a s u r e do na u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o l s p r o t o t y p e ，t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n d r e s u l t so f a d a m sw a sv a l i d a t e d k e y w o r d s ：a u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n g , m i c r o b y d r a u l i cp o w e rs y s t e m ，s u p e m o r m a la m b i e n t p r e s s u r e ，f r i c t i o nt o r q u e ，a d a m s 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外。本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盔塾蕴e l 期：塑2 ：12 0 论文作者签名：叩打殇期：绚z ，5 - 2 0 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有。其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定。 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名 日 事毛秀 肌芈 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 井下自动垂直钻井技术国内外发展现状 1 1 1 国外发展现状 在石油钻井工程中，按并眼轨迹类型可划分为四类，即直井、定向井、水平井和斜井。 无论哪一种井型，都是希望能使钻具精确地按照设计的轨迹到达指定的目标。垂直钻井关 键在于钻一个过地面井口铅垂线且能最大限度的减小钻柱扭矩和摩阻的最优轨迹的井眼。 根据力位移模型，垂直钻井可定义为：钻头在钻压和地层力的联合作用下，位移( 力一 位移模型的z 方向) 连续不断地向垂直方向钻进的过程【m 】。但是在钻进的过程中，实钻井 眼轨迹偏离设计铅垂线是不可避免的，即通常所说的井斜，故垂直钻井技术属于井眼轨迹 控制范畴。研究井眼轨迹控制技术实质上就是研究控制井斜的技术，力争使井眼上每一点 的井斜角都尽可能的小，以满足钻井工程质量要求p 刊。 垂直钻井技术可分为被动垂直钻井技术和主动垂直钻井技术。被动垂直钻井系统是指 在钻进过程中井底组合钻具只有防斜、纠斜和保直功能。主动垂直钻井系统是指钻具组合 中配备了随钻测量仪和纠斜系统，钻进时能实现随钻、随测和随纠p 硎。 近年来，随着导向钻井技术的快速发展与应用，垂直钻井技术在传统的防斜打快理论 和技术基础上取得了较大的进展。当前的主动垂直钻井技术处于自动化智能钻井的发展阶 段，自动控向垂直钻井系统是主动垂直钻井系统发展的高级阶段，通过对钻井工具的自动 控制，使钻具精确按照设计的轨迹到达指定的目标【】。在国外，随着定向井和水平井钻井 技术发展起来的导向钻井系统在垂直钻井领域的研发和应用也取得了一定的效果。 自动垂直钻井系统v d s ( v 矾i c a l 跏l l i n gs y s t 锄) 是一种井下闭环钻井系统，其能够自 动有效控制井斜，是一种保证钻头始终沿垂直方向钻进的机电液集成钻井装置1 7 j 。自动垂 直钻井技术源于联邦德国的大陆超深井科学钻探计划( k t b 计划) ，由德国国家能源部委 托美国b a l ( e rh u 曲e si n t e q 公司研制。在钻进过程中，主要解决在结晶岩石中井斜难于控 制和达到不用起下钻更换钻具组合就能实现控制井斜和方位的问题，其核心技术是井下自 动纠斜系统。采用侧向力推靠钻头的原理进行工作，依靠伸缩液压缸与井壁静态接触产生 纠斜力，直接采用钻井液( 泥浆) 的动态压差驱动液压缸，用电磁换向阀控制其动作，纠 正井斜。其缺点为在液压控制系统中直接利用泥浆作为传动介质，由于泥桨颗粒大、润滑 性能差，电磁阀、液压缸等元件易磨损、卡死，导致系统故障1 8 9 1 。 自动垂直钻井系统大大改善了垂直井段井斜角和井斜变化率控制精度，机械钻速相对 较高。适用于解决高陡构造及易井斜地区的防斜打快问题，可满足石油深井、超深井的垂 直钻进需要。该技术的应用突破了高陡构造地带防斜打快的技术瓶颈，加快了勘探开发的 进程。 后来美国b a k e rh u 曲e s 公司在此基础上经过现场使用并不断改善，发展成了真正商业 化的自动垂直钻井工具。目前国际上投入商j l k 应用的自动垂直钻井工具主要有三种：美国 第2 页武汉科技大学 硕士学位论文 b a k e rh u g h e s 公司的v e r t i t r a k 垂直钻井系统、s c h l u m b e r g e r 公司的p o w e rv 垂直钻井系统 及德国s m a r td r i l l i n g 公司的z b e 垂直钻井系统。 v e r t i t r a k 自动垂直钻井系统是美国b a k e rh u g e si n t e q 公司在v d s 基础上开发的s d d 、 a u t o t r a k 、v e r t i t r a k 中最先进的一种自动垂直钻井系统，它是综合了高性能泥浆马达 x - t r e m e 、可靠的m w d 等先进技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统。主要对纠斜 导向机构的结构、工作介质及测控系统进行了改进，系统仍采用钻井液( 泥浆) 作为驱动 能源，采用钻井液驱动内置蜗轮发电机发电驱动电动机进而驱动液压泵和给电磁阀的通断 及单片机控制系统供电。该工具最大的降斜能力可达到1 5 0 3 0 m 。通过选择欠尺寸扶正器 在钻具组合中的位置及扶正器外径的大小，可以对预期降斜率的大小进行设定，范围在 1 5 0 o 8 0 3 0 m 。 z b e 系列自动垂直钻井系统是德国s m a r td r i l l i n g 公司研制。其主体结构由连接钻头钻 柱的主轴和不旋转套和脉冲发生器组成。在不旋转套上有发电机、井斜传感器、电子测控 系统、液压控制系统、防转筋板和可伸缩导向控制块和外壳等组成。不旋转套由四条筋板 紧靠井壁随钻进沿井壁滑动。发电机是由旋转的主轴和静止的外壳之间的相对运动来驱动 的。液压控制系统的部件、传感器和电子测控系统位于导向块后面的腔室里。测量元件和 导向元件所需的电能和液压能是由发电机和液压泵提供的。 p o w e r v 系统是美国s c h l u m b e r g e r 公司在旋转导向钻井工具p o w e rd r i v e 系列产品的基 础上研发的新型自动垂直钻井系统。它采用采用p o w e r d r i v e 旋转导向钻井技术和井下闭环 的控制方式，以泥浆涡轮发电、泥浆压力作为执行机构动力源，利用钻井液( 泥浆) 的能 量产生导向块的驱动力。在钻进时会自动追踪地心引力( 自动感应井斜) ，自动设定和调 整工具侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态。 国外先进的井下自动垂直钻具均采用液压导向控制方式。获得商业应用的导向工具都 是以侧向力推靠钻头的原理进行工作，依靠液压缸与井壁动态或静态接触产生纠斜力，其 共同的特点是采用了局部液压技术，由此可见采用液压自动纠斜的导向钻具是目前的发展 趋判 】。 1 1 2 国内发展现状 目前，国内已有数家科研单位在研究自动垂直钻井系统，在关键技术上已有所突破。 中国石油勘探开发研究院于8 0 年代末开展了相关理论及技术的研究，提出了一种全新的自 动垂直钻井系统a a d d s ( a u t oa n t i d e v i a t i o nd r i l l i n gs y s t e m ) 设计方案，并与武汉科技大学 合作，成功研制出国内首台石油垂直钻具室内原理实验样机，并借助于理论建模、仿真分 析和实验研究，研制出了新型导向机构的液压控制系统，通过实验证实其输出导向压力在 强振下能够保持稳定。中国地质大学( 武汉) 为配合我国的大陆科学钻探工程，于2 0 0 0 年 开展了自动垂直钻井的研究。并于2 0 0 5 年研制出首套用于地质钻探的自动垂直主动钻具原 理样机。此系统在钻具组合中配备了随钻测量和纠斜系统，能实现随钻、随测和随纠。在 此基础上，他们又利用可靠性和模糊数学理论对整个系统的可靠性进行模糊预测，希望通 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 过分析单个关键液压元件的可靠性，并设法提高其可靠性来提高整个的可靠性。 就整体水平而言，我国的自动垂直钻井技术与国外同行有较大的差距，自动垂直钻井 工具的研究在我国还属于起步阶段。研制自动垂直钻井工具，可以在许多难钻区域极好地 完成垂直钻井的任务，同时大大节约了成本，进而有效地解决我国在石油勘探中的防斜打 快问题，在此方面亟需做出更大的努力。 1 2 本课题的研究目的及意义 根据我国第二次油气资源评价资料，西部地区的石油资源量占全国总资源量的3 8 ， 其中的7 3 埋藏在深部地层，即使在浅层也普遍存在着高陡构造地层，东部地区为我国石 油的主要产区，但浅、中深部的储量都基本已探明或正在开采，可供勘探开发的5 3 亿吨 石油储量均位于深部地层，中部地区蕴藏丰富的天然气资源，但其中的5 2 埋藏在深部地 层。 油田开发难度增加，油田地质条件等因素对钻井的要求越来越高，这一形势为钻井技 术提供了巨大的压力和动力，迫使钻井技术朝深井、超深井钻探方向发展。然而，随着井 深的增加，井斜难以控制，钻井系统又处于井下高温、高压、强振的极端恶劣环境下，各 种问题出现的几率成倍增加。因此，如何解决钻井井斜问题以及克服各种可能在井下极端 恶劣环境中所发生的问题，已成为提高机械钻速、提高综合经济效益的关键。 而对于高陡构造地层以及深井的直井勘探，目前，直井的井斜控制能力严重地受到钻 压的影响，主要采用的还是一种以牺牲钻速换取质量的方法。国内外实践经验表明，采用 自动垂直钻井技术能较好的解决这个问题。但是，外商垄断此项技术，拒不出售产品，对 外只提供高额技术服务。因服务费用昂贵，难以长期大面积推广应用，而且外商服务费用 有大幅度增加趋势。只有自主研发我国的垂直钻井系统工具，才可以从根本上解决国内钻 井生产急需，并增强国际竞争力。 a a d d s 自动垂直钻井系统其核心是安装在导向套内的三组液压驱动的可控导向纠斜 装置。自动纠斜的原理并不复杂，但井下空间非常狭小，所有液压元件的尺寸必须足够小 以便能安装到导向套上的某个狭小的环形区域内，在恶劣的工作环境下，要求液控导向机 构产生足够的导向纠斜力( 通常1 0 k n 以上) ，所以纠斜装置的液压控制系统必须满足在井 下其体积是微型的，但又能产生足够大的液压动力。这使液控导向纠斜机构的研制面临着 极大的困难。本课题所开展的关于液控导向机构动力学特性的研究借助a m e s i m 对超 常环境压力下液控导向机构的动力学特性进行仿真分析，以了解这种微型液压动力系统的 工作特点；利用a d a m s 对微型液压动力系统对钻杆产生的摩擦力矩进行仿真分析，间接 了解液控导向纠斜装置能量供给是否可靠，深井下纠斜机构微型液压动力系统是否j 下常工 作等，其目的就是为了对自动垂直钻具的研制开发提供指导或借鉴。 1 3 本文的研究内容 本论文的研究内容主要有二点： 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 借助a m e s i m 对微型液压动力系统在超常环境压力下的动力学特性进行仿真分 析，以了解这种微型液压动力系统在深井超高压环境下的工作特点，分析单个关键液压元 件电磁换向阀的特性及可靠性，对系统动力学特性的影响，并设法通过提高其可靠性来提 高整个系统的可靠性，为电磁控制阀的改进与结构优化提供理论依据； ( 2 ) 由于纠斜机构动力的获取要求导向套与钻杆有一个相对转动，而导向套对钻杆产 生的摩擦力矩以及纠斜机构的油泵作用在钻杆上的摩擦力矩都会使得导向套随钻杆转动， 并有导向套随钻杆同步转动的趋势。但由于导向套凹槽的返程泥浆的作用，其流动对导向 套的冲击所产生的反向扭矩平衡了部分摩擦转矩，使导向套与钻杆之间保持相对转动。导 向套本身在井下受泥浆浮力作用，其重力被部分抵消后所产生的摩擦力矩较小，因此导向 套随钻杆转动的摩擦力矩将主要由井下液控系统油泵产生。从而可以通过测量钻杆的摩擦 力矩并与泥浆的反向扭矩比较，间接了解导向套与钻杆之间是否保持相对转动，液控导向 纠斜装置正常工作的能量供给是否可靠，深井下纠斜机构微型液压动力系统是否正常工 作。本文结合a m e s i m 对微型液压控制系统的仿真数据，借助a d a m s 对液控导向纠斜机 构对钻杆的摩擦力矩进行仿真分析，通过实测自动垂直钻具原理样机的活套与钻杆的扭 矩，对a d a m s 仿真分析及结果加以验证。 论文各章节内容安排如下： 第一章主要介绍国内外自动垂直钻井技术的发展现状。 第二章是将国外先进的自动垂直钻具纠斜系统动力提取方式与a a d d s 的进行了简要 的比较，着重介绍了a a d d s 液控导向纠斜装置的结构和微型液压动力系统的工作原理。 第三章从工程角度并借助a m e s i m 软件对超常环境压力下微型液压动力系统的动力 学特性进行仿真分析，并着重探讨液控导向纠斜机构的可控性，并对超常环境压力下微型 液压动力系统中柱塞泵的动力学特性做一定的分析。 第四章是借助a d a m s 对纠斜动力提取机构建模，结合a m e s i m 对微型液压动力系统 的仿真数据，对液控导向纠斜机构对钻杆的摩擦力矩进行仿真分析。 第五章对钻杆摩擦扭矩进行实验测量和分析，对以上a d a m s 的仿真分析及结果加以 验证。 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 1 0 2 ) 的资助和支持，在此由衷的表示感谢。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 第二章自动垂直钻井系统结构及工作原理 2 1 国外自动垂直钻具结构及纠斜系统动力提取方式 自动垂直钻井系统是一种导向闭环钻井控制系统，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的机电液集成钻井装置。国外研发了很多不同种类的自动垂 直钻井系统，虽结构组成有一定的差异，但基本功能却是相似的。 从功能上看，该系统主要由测斜、信号传输、控制、钻具纠斜四个基本单元组成。测 斜单元用于测量井斜角与井斜相对方位角等参数；信号传输单元是将测量到的参数信息传 送到控制中心，并接受控制指令；控制单元对测量到的参数进行处理和比较，检测实际倾 角与垂直度的偏差，然后发出控制指令驱动纠斜机构：钻具纠斜单元按控制指令动作，给 出一个适当的合力矢量推靠井壁高边，产生纠斜力以纠正井斜，保持钻具向垂直方向钻进。 从机械构成上看，自动垂直钻井系统主要由底部钻具一导向活套( 包括液控导向纠斜子系 统和测量控制子系统) 组成。 自动垂直钻井系统其核心大多是安装在导向套内的一组液压驱动的可控导向纠斜装 置，而能使该可控纠斜装置正常工作的基本条件是能量供给可靠。国外自动垂直钻井工具 的可控导向纠斜机构的纠斜动力是由高压钻井液( 泥桨) 提供( z b e 除外) ，但形式上各 有所不同。 v e r t i t r a k 自动垂直钻具是以钻井液驱动内置蜗轮发电机系统发电为整个纠斜系统提供 能量。由蜗轮发电机驱动电动机进而驱动液压泵以提供纠斜机构液压控制系统的液压能。 蜗轮发电机并同时为电磁阀的通断及单片机控制系统的电路供电。其结构如图2 1 ( a ) 所示。 z b e 自动垂直钻具以安装在不旋转套上发电机为整个纠斜系统提供能量。发电机是由 旋转的主轴为转子、静止的外套为定子进行发电。由发电机驱动电动机进而驱动液压泵为 纠斜机构液压控制系统提供液压能。发电机同时还为电磁阀及测量元件供电。其结构如图 2 1 ( b ) 所示。 p o w e rv 自动垂直钻具是以泥浆压力作为执行机构动力源，直接利用泥浆作为传动介 质，利用钻井液( 泥浆) 的内外压差产生导向块的驱动力。系统采用钻井液驱动泥浆涡轮 发电机发电为测量元件供电。其结构如图2 1 ( c ) 所示。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( a ) v e r l i t r a k 垂直钻j 系统( b ) z b e 女直钻什系统( 0 p o w 口v 垂直钻抖系统纠惦* 2 i 国外不同种类垂直钻具结构 国外先进的井下自动垂直钻具大多采用液压导向控制方式，如z b e 垂直钻井系统。 液压控制系统是其重要组成部分，主要由四个活塞缸和液压控制阀组成，都均匀布置在静 止的导向套内侧四周，由电磁换向阀分别控制相应的导向活塞以控制导向块的伸缩。z b e 自动垂直钻具导向原理示意罔如2 2 所示。 图2 2z b e 自动垂直系统导向原理示意图 2 2 a a d d s 自动垂直钻具结构及其纠斜系统动力提取方式 我们所研制的自动垂直钻具，简称为a a d d s ，它主要包括不旋转的导向套，有一 中心轴穿过导向套，把钻头与旋转的钻杆连接起来带动钻头旋转钻进。导向套与中心轴 之f b 通过轴承连接，使导向套保持相对静止。其在结构、纠斜动力提取等方面都与国外所 研制的有所不同， 要表现为： ( 1 ) 在钻具近钻头处安装有偏心轮及浮动导向套，产生转速差，并使内 敞式微型柱塞 壤的牲塞作往复运动，将旋转钻具的机械能转换为液压能，实现了井下能量可靠供给。因 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 系统的纠斜动力是从旋转钻杆上提取，所以其必要条件是导向套与钻杆之间保持相对转 动。 z b e 垂直钻具纠斜系统是直接由发电机供能，由旋转的主轴和静止的外壳之间的相对 运动来发电，驱动电动机再驱动液压泵提供液压系统的液压能。a a d d s 纠斜动力是从旋 转钻杆上提取。要求导向套与钻杆间有一个相对转速差，导致偏心轮推动柱塞泵的柱塞作 往复运动，将旋转钻杆的机械能转换为液压能。 ( 2 ) 只有三组导向纠斜机构径向分布于导向套内，图2 3 为导向套结构示意图，提供了 另外一种液压控制系统，导向套上均匀分布了三个凹槽用于导通返程泥浆。 通过理论分析，只需要三个纠斜液压缸进行动作组合，就可产生不同方向的纠斜力， 实现任意方位井眼轨迹精确控制。对比于z b e 垂直钻井系统导向纠斜装置( 图2 2 ) 其结 构相对简单，制造成本较低，但其控制方法相对就要复杂些。 二号导向块 导向块 三号导问块 2 3 导向套横截面结构示意图 由于纠斜机构动力的获取要求导向套与钻杆有一个相对转动，而导向套对钻杆产生的 摩擦力矩以及纠斜机构的油泵作用在钻杆上的摩擦力矩都会使得导向套随钻杆转动，并有 导向套随钻杆同步转动的趋势。但由于导向套凹槽的返程泥浆的作用，其流动对导向套的 冲击所产生的反向扭矩平衡了部分摩擦转矩，使导向套与钻杆之间可以保持相对转动。 2 3 液控导向纠斜装置结构及微型液压动力系统工作原理 自动垂直钻井系统的导向纠斜机构是该工具的执行机构，是实现系统导向和纠斜功能 的重要组成部分。在近钻头的导向套内均匀安装着三个导向纠斜机构，每个导向纠斜机构 都是一套完整的微型液压动力系统，包括柱塞泵、液压缸、电磁阀等。在钻杆其相应位置 上安装着一个偏心轴承，其结构示意图如图2 4 所示。当钻杆转动时，由于泥浆的作用， 导向套与钻杆保持着相对转动，导向套内圆周布置的单径向柱塞泵通过偏心轴承从旋转钻 杆上提取机械能，转换成微型液压动力系统的油液压力能，形成高压油源。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 箱2 单向嘲3 径向柱摩4 偏。轴承5m 油单向 6 纠斜油缸7 推山块8 一位一通电磁换向阀9 流阀 图2 5 导向纠斜机构液压原理图 微型液压动力系统工作原理：当钻轩与导向套存在转速差时，偏心轴承将钻丰t 动力传 递到径向柱塞泵与复位弹簧力叠加，推动柱塞泵活塞作往复运动。柱塞外伸时，泵的容积 增大形成负压，打开吸油单向阀，从油箱吸入低压油；柱塞收缩时，采的容积减小，形 成高压( 但未达到溢流阀的调定握力) ，推，l ：压油单向阀，将高压油送入纠斜液压缸无杆 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 腔和二位二通电磁换向阀的进油口。此时若井下微处理器收到了重力加速度计检测的井眼 倾斜信号，经判断分析后发出控制指令，使电磁换向阀通电，则纠斜液压缸活塞在高压油 作用下伸出，项向井壁，产生纠斜力，使钻具向垂直方向钻进。当井眼轨迹正确后，井下 微处理器发出控制信号，使电磁换向阀断电，液压油通过磁换向阀打开的阀口回到油箱， 纠斜液压缸无杆腔无压力，液压缸活塞在复位弹簧作用下复位，纠斜过程结束时。系统中 溢流阀的调定压力是用来调节导向块纠斜力的大小。 2 a 本章小结 本章将国外先进的自动垂直钻具纠斜系统动力提取方式与a a d d s 的进行了简要的比 较，再对a a d d s 液控导向纠斜装置的结构和微型液压动力系统的工作原理进行了简略的分 析。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章超常环境压力下微型液压动力系统特性分析 虽然如前所述实现井下自动纠斜的原理并不复杂，但困难的是这种装置所工作的环境 十分特殊：( 1 ) 井下空间非常狭小，所有液压元件的尺寸必须足够小以便能安装到导向套上 的某个狭小的环形区域内；( 2 ) 系统的环境压力随并深变化，从数十兆帕到上百兆帕不等； ( 3 ) 系统必须承受钻头破岩时所产生的强烈的震动；( 4 ) 8 q 斜所需的能量在井下获取( 即使携 带也是十分有限的，如干电池) 等。在上述特殊环境下，要求液控导向机构产生足够的导 向纠斜力( 通常1 0 k n 以上) ，以及足够的响应速度，并保证钻进过程中该纠斜力的稳定性。 本章借助a m e s i m 对超常环境压力下液控导向机构的动力学特性进行仿真分析，以了解这 种微型液压动力系统的工作特点。结合理论和仿真分析，探讨该导向纠斜机构在不同工况 下的动力学特性，特别是机构中的控制元件微型电磁换向阀的特性对系统动力学特性的影 响。本章还对超常环境压力下系统中柱塞泵的动力学特性做了一定的分析。 3 1 微型液压动力系统中电磁换向阀的工作原理 工作于井下自动纠斜系统中的微型液压动力系统液压原理图，如第二章图2 5 所示。 二位二通电磁换向阀是系统的控制元件，其阀芯结构如图3 1 所示( 它也是a m e s i m 提供 的用于对这种阀进行仿真的结构模型) 。通电时电磁铁产生电磁力使阀芯吸合，则阀口关 闭，柱塞泵输出的压力油( 工作压力由溢流阀调定) 进入纠斜油缸，推力块伸出并顶向井 壁；不通电时，电磁力消失，电磁阀阀芯在压力油作用下离开阀口，油泵出来的油直接流 回油箱，同时推力块在复位弹簧的作用下缩回。 图3 1 电磁换向阀阀芯结构示意图 图3 1 中尸为电磁阀的出口压力，m p a ；x 为阀芯位移即开口度，m ；m x 为阀芯质量， 埏；q 为通过电磁阀的流量，1 m i n ；a 口为过流面积，m 2 ；以为球阀阀芯直径，m ；喀为阀 口直径，m 。 导向纠斜机构工作时，电磁换向阀的接通和断开由井下控制系统根据井眼的倾斜情况 来确定，而驱动电磁铁动作的电流则是由携带到井下的干电池提供。由于电池储存的能量 有限，因此要求电磁阀的驱动电流尽可能小，但同时又必须保证纠斜油缸能够产生足够的 纠斜力，这就要求对系统的结构及相关参数进行合理的设计。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 3 2 微型液压动力系统的动力学模型及特性分析 导向纠斜机构在井下工作时分为两种工况，即纠斜工况和复位工况，以下对这两种工 况下液控导向机构的动力学特性分别进行分析。 3 2 1 纠斜工况 此时电磁阀通电，在阀口可靠关闭的前提下，纠斜油缸活塞的运动可分为三个阶段( 设 纠斜缸回油压力为0 ，且忽略压油单向阀上的压力损失) ： ( 1 ) 启动阶段( o - p - p o ) 设由纠斜缸复位弹簧的预压缩量产生的作用在活塞端部的弹性力为f o ( 单位n ) ，且 碱喙( l x x g 为弹簧预压缩量，m ；砖为复位弹簧刚度，n m ) ，则由局决定的纠斜缸的启 动压力为p of o a ( 彳为纠斜缸无杆腔的工作面积，m 2 ) 。在此阶段因油缸压力( 即油泵输 出压力，m p a ) 小于尸d ，所以观察不到活塞的运动。即 工窖= 0 ( o p p o )( 3 1 ) 式中为纠斜缸活塞的位移，m 。 ( 2 ) 运动阶段( p o p - p m a x ) 当油压逐渐升高超过疡时，纠斜缸的活塞将逐渐伸出，在活塞头上的推力块项到“井 壁”之前，活塞移动的阻力将主要来自于油缸复位弹簧的推力。此时纠斜缸的动力学特性 由下式表示 m g 夏g + a 咚+ 后g x g = a ( p 一只)( r p 嗽) ( 3 2 ) 式中，为活塞( 包括推力块) 质量，k g ；厶似为油缸活塞顶到“井壁时油缸的压力， m p a ，该压力由溢流阀调定；c 为油缸等效粘性阻尼系数，n s m 2 。 ( 3 ) 纠斜阶段( 似) 当推力块顶到“井壁”后，活塞停止移动( 设此时活塞位移为x 名) 。由于油缸无杆腔 的工作容积不再增加，因而会导致油压p 迅速增加直到溢流阀开启，该开启压力r 由下式 确定： 只= 尘丝+b(ox；xg。)a 华+ r k 刮 。3 式中，f 阳f 分别为设计要求的导向纠斜机构产生的纠斜力和实际的纠斜力，n ； 锄为活 塞最大位移，m 。即溢流阀的开启压力只由要求的纠斜力聊活塞行程最大时的弹簧力决定， 且，呀，以下称r 为纠斜油缸的额定压力。此阶段纠斜缸油压p 的变化由( 3 4 ) 式决定： q = 彳屯+ c t p + 见v - - v - - p ( 3 4 ) 2此2麓11习31 竺泵输出的流量使得纠斜缸内的压力迅速上升，直到溢流阀硫 曲线2 ，鬻篡篓蒜器篙篡苫的仿真c 三篡：嚣：黧； ( a ) 仿真 图3 2 液控导向机构的压力响应过程( b ) 实验 莩舞薰豢黧一 五+ 吱+ 欠吒+ 吨) = 。 ( 尸o ) ( 3 5 ) 满足麦昙鬈图3 j 以及( 3 3 ) 式可钒液控导向纠斜机构的纠斜力和电磁阀的电磁力应 存少也咳= 乞 n 6 ， 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 式中，乃为电磁阀的电磁力，n ；磊为电磁阀阀口的通径，m 。( 3 6 ) 式表明电磁阀通电 要能够可靠关闭，由电磁力所决定的电磁阀所能关断的最大压力必须不小于纠斜缸的额定 压力。由于( 3 6 ) 式中纠斜缸的工作面积彳取的是钻具结构所允许的极限值，因此当丹给 定时只能通过调整以使( 3 6 ) 式成立。 设n 为电磁阀所应提供的压力( 瞄) ，则由( 3 6 ) 式可得 以- ( 割三 ( 3 7 ) 由( 3 7 ) 式确定的磊也就确定了电磁阀阀1 2 1 的通径，由于阀芯位移极小( 1 0 的数量级) ， 则电磁阀在断电后阀口所通过的流量可表示为如下形式 仄i 幺- - c , 耐，x ，f 竺二 ( 3 8 ) y 尸 式中，q 为通过电磁阀的流量，n 1 3 s ；白为阀的等效流量系数，其与孔1 2 1 形式有关；x 为阀芯的最大位移，m ；p 为油液密度，k g m 3 ；p 为电磁阀的压降，m p a 。 ( 3 8 ) 式中p = 尸，在活塞回到原位后，应有o = q ，即( 3 8 ) 式决定了在电磁阀断电 时油泵的输出压力。由图3 1 可知，油泵的输出流量q 在油泵柱塞缸的工作面积确定后，仅 与钻杆和柱塞的相对转速有关，设9 为对应的最大转速下的油泵输出的峰值流量，与9 对 应的电磁阀前的压力为r ，则为了保证电磁阀断电时纠斜缸活塞不伸出，应满足 只昂 ( 3 9 ) ( 3 6 ) 、( 3 9 ) 式限制了电磁阀通径盔的选择范围，减小磊有利于提高岛但会增加r ， 在空间尺寸结构极其受限的情况下，选择合适的盔是非常困难的。在对样机实验时也确实 发生过电磁阀未通电而推力块自动伸出的现象。 以上分析还没有考虑系统中的溢流阀，吸、排油单向阀等元件的流量一压力特性及相 应的动力学特性，由于这些液压元件都属于质量弹簧阻尼系统，并且相互耦合，而油泵 的流量又随钻杆的转动作周期性的变化，因此整个液控导向机构是一个复杂的多参数耦合 的非线性流体动力学系统，液控导向机构的可控性分析应当建立在对整个系统的动态响应 综合分析的基础上，而这可借助于a m e s i m 仿真来实现。 3 4 超常环境压力下微型液压动力系统动力学仿真分析 虽然构成微型液压动力系统的各个液压元件并不复杂，并且对每个元件分别建模也不 困难，但由于各元件的响应是相互耦合的，因而导致机构整体的数学模型非常复杂，且参 数众多，很难通过解析分析得出有效的结论。而对于这种复杂的非线性流体动力学系统， 借助仿真软件进行仿真分析则是目前一种常用的方法。 3 4 1a m e s i m 液压系统仿真模型的创建 a m e s i m ( a d v a n c e dm o d e l l i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o n so fe n g i n e e r i n gs y s t e m s ) 是一 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 种用于工程系统建模和仿真的高级仿真软件，其基于物理模型的图形化建模方式可使用户 非常快捷地构造起自己的仿真模型。特别是该软件的机械、液压元件库的内容十分丰富， 而且用户还可以方便地用软件提供的最小元素组建自己需要的元部件，进而构成复杂的仿 真系统，且在构造液压系统的仿真模型时，液压管路、油液特性等因素都可以包括进去， 因此a m e s i m t 常适合液压系统的动态仿真，其所得到的仿真结果与实际响应非常接近( 参 见图3 2 ) 。 图3 3 为所构造的液控导向机构a m e s i m 仿真模型，其与图2 5 的微型液压控制系统是对 应的。以下重点分析液控导向纠斜机构的可控性问题。 液压缸 图3 3 液控导向机构a m e s i m 仿真模型 3 4 2 超常环境压力下微型液压动力系统仿真分析 实验中所用的电磁阀在1 0 0 0 c 所能提供的电磁力为5 2 n ( 对应的工作气隙即开口度， 即x 为1 5 x 1 0 4 m ) ，要求电磁阀通电关断的压力不小于7 8 m p a ，由此确定的电磁阀的通径为 9 2 1 0 - 4 m 。现在的问题是当电磁阀断电时，为保证电磁阀压降不大于p o ( 0 2 0 3m p a ) ， 其所能通过的最大流量是多少? 图3 4 是环境压力为3 0 m p a ，环境温度为1 0 0 0 c ，钻杆与柱塞的相对转速为6 0 r m i n 时， 系统的仿真曲线。图中系统启动3 秒后电磁阀通电，2 0 秒后电磁阀断电。由图可知，电磁 阀通电后其关断压力差为7 8 m p a ( 图3 4 ( a ) ) ；断电后活塞能回到原位( 图3 。4 ( b ) ) ；在电磁 阀断电瞬间纠斜缸和油泵的流量都由电磁阀流回油箱( 图3 4 ( c ) ) ，此时电磁阀的最大流量 约1 9 l m i n ( 油泵输出的最大流量仅为0 2 9l m i n ) 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 n l ( a ) 纠斜缸无杆腔压力 ( ”纠斜缸活塞位移 01 02 03 04 0 ( c ) 电磁阀流量 图3 4 液控导向机构的动力学仿真( 3 0 m p a 、6 0r m i n ) 将相对转速提高至u 1 2 0r m i n 时，系统的仿真曲线如图3 5 所示。与图3 4 相比，电磁阀断 电时阀前压力差为7 7 6 m p a 与岛相近( 图3 4 ( a ) ) ，由于相对转速的提高，油泵柱塞速度增加， 柱塞泵的排油流量增大，纠斜油缸活塞达到极限位置时间减少( 图3 4 ( a ) 、图3 5 ( a ) ) ，在电 磁阀断电后，纠斜油缸活塞基本能回到原位，但保持有一个约o 0 0 2 m 的微小位移咯，并伴 有微小振动( 图3 5 ( b ) ) 。 0 o a n n a b n a a z l l n n n 第1 6 页武汉科技大学 硕士学位论文 01 02 03 04 05 0 ( a ) 纠斜缸无杆腔压力 m 01 02 03 04 05 0 ( b ) 纠斜缸活塞位移 u m i n 01 dz 03 04 u5 0 ( c ) 电磁阀流量 图3 5 液控导向机构的动力学仿真( 3 0 m a 、1 2 0f f m i n ) 进一步仿真和实验表明，在不改变系统参数的前提下，继续提高钻杆转速，推力块就 会在电磁阀断电时自动伸出而导致液控导向机构失控。当相对转速提高到1 8 0 r m i n 时，电 磁阀通电前，液压缸活塞有位移输出，电磁阀通电关断后，油缸活塞回不到原位，仿真位 移娩约为0 0 1 2 m 。因此当钻杆转速较高时应当取较小排量的油泵，以限制通过液控导向机 构电磁阀的流量。 n a a 0 0 0 0 0 0 0 2 1 1 o 0 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 为方便比较异同，当环境压力为3 0 m p a ，系统在不同相对转速下各参数的变化如表3 1 所示。 表3 1 不同转速下参数的变化o o m l a ) 相对转液压缸活塞达到极柱塞泵输出最大流电磁阀断电后油缸 电磁阀断电后油 速( r m i l l ) 限位移时间( s ) 量流量( l r a i n )活塞稳态位移( m )缸稳态压力( m p a ) 6 09 6 80 2 90 - - 0 0 0 0 43 0 1 5 1 2 08 1 70 3 40 0 0 1 5 - 4 ) 0 0 2 3 3 0 2 l 3 4 3 常压环境下微型液压动力系统仿真分析 不改变系统其它参数，将