（机械工程专业论文）一种新型闸板式带压防喷密封系统的研制.pdf

摘要 通过分析国内外不压井带压作业工艺与设备的研究与应用现状，阐述了不同结构形 式的防喷器的工作原理及其密封机理。针对胜利油田高压注水井带压作业防喷密封的工 作特点，提出了一种不压井带压作业的新工艺，并研制了一套新型闸板式带压作业防喷 密封系统。 该系统采用了新型的防喷密封装置，这种装置以闸板防喷器可控柔性滑动密封副为 核心，以配套的接箍侦测器和压力平衡阀作为辅助装置，构成井口带压作业防喷密封系 统。该工艺主要是采用一对闸板防喷器通过接箍侦测器的指令信号来控制液压系统倒出 油管接箍。在该系统的关键部件闸板防喷器密封胶芯的设计上应用了相关理论，通过计 算推导确定了胶芯结构的主要参数，并对其结构采用了优化设计，经实践证明减轻了顶 部胶芯的摩擦磨损，延长了胶芯的使用寿命。 防喷器可控柔性密封的控制方式采用电液控制系统通过驱动油缸控制，通过对驱动 系统进行理论分析，得到了驱动系统的传递函数，并应用m a t l a b 软件建立了仿真模 型，并进行仿真分析，确定采用的控制系统方案的动态特性指标满足设计要求。 最后，设计了一套装置和工艺，并对可控柔性防喷密封系统进行了测试，通过测试 证明该可控柔性防喷密封系统满足了设计要求，性能有较大提升，符合胜利油田现场高 压油水井作业的需求。 关键词：闸板防喷器可控柔性闸板密封副接箍侦测器压力平衡阀 r e a r c ho na t y p eo f n e wc o r es h u t t e rb o p w a n gg a n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a n x i a n g a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h es t a t u so fr e a r c ha n da p p l i c a t i o no nt h es n u b b i n gu n i t sa n d e q u i p p m e n t sa r o u n dt h ew o r l d & i nt h eh o m e l a n d t h ea u t h o rd i s c l o s e dt h eb a s i cw o r k i n g p r i n c i p l ea n ds e a l i n gm e c h a n i s mt h e o r yo nt h ed i f f e r e n tt y p eo fb o p s t ot h es p e c i a lt r a i t s o nt h es n u b b i n gu n i to ft h ew a t e ri n je c t i o nw i t hh i g hp r e s s u r ew h e r el o c a t e di nt h es h e n g l i o i lf i e l d ，an e w w o r k i n gp r i n c i p l e so nt h es n b b i n gu n i t si sf o u n da n das e to fn e wt y p eo f c o n t r o l l a b l ec o r es h u t t e eb l o w o u tp r e v e n t e r ( b o p ) e q u i p m e n ti sd e s i g n e d an e w t y p eo ft h eb o p a n ds e a l i n ge q u i p m e n t sa r ea d o p t e do nt h es y s t e m ，t h ec o r eo ft h e s y s t e mi st h ec o n t r o l l a b l ef l e x i b i l ec o r es h u t t e r , a n dt h e s u b s y s t e m so ft h ep i p ec o u p l e d e t e c t o r sa n dt h ec o n t r o l l a b l ep r e s s u r eb a n l a n c ev a l v ea r ea s s i s t e do nt h em a i ns y s t e m t h e s y s t e m sw o r k i n gp r i n c i p l e si st h a tt h ep i p ec o u p l ei st a k e no u to ft h ew e l lb e t w e e nt h et w o s h u t t e rb o p sb yt u r n sa c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o ns e n d i n gb yt h ep i p ec o u p l ed e t e c t o r s s o m er e l a t e dt h e o r i e sa r eu s e di nt h ed e s i g n i n gp r o c e s so ft h es e a l i n gs h u t t e rp o l y m e rc o r e w h i c hi st h ec r i t i c a lc o m p o n e n t si nt h eb o p s ，t h ea u t h o rc h o o s e i n gt h em a i np a r a m e t e r sa n d o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo ft h ec o r e t h en e wd e s i g na r ep r o v e dt h a tc a nd e c r e a s et h es h u t t e r p o l y m e rc o r e ss t r i k ea n dp r o l o n gi t sl i f e t i m e t h ec o n t r o l l a b l e & f l e x i b i l er u b b e rc o r e sa r ed r i v e d b yt h eh y d r a u l i cj a rw h i c hi s c o n t r o l l e db yt h ee l e c t r i c - h y d r oc o n t r o ls y s t e m t h r o u g ha n a l y l i z i n gt h es t r u c t u r eo ft h ed r i v e s y s t e m sb yt h e o r i e s ，g u i d et h et r a n s m i s s i o nf u c t i o no ft h ed r i v es y s t e m ，a l s oe s t a b l i s h e dt h e s y s t e m ss i m u l a t em o d e la n da n a l y l i z i n gt h em o d e lt h r o u g ht h em a t l a bs o f t w a r e ，t h er e s u l t s m a k es u r et h a tt h ed r i v es y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c sm e e tt h e d e s i g n sr e q u i r e m e n t s i nt h ef i n a l ，t h ea u t h o rd e s i g n e das e to fe q u i p m e n t sa n dp r i n c i p l e sb yw h i c hc a nb eu s e d o nt e s t i n gt h es u b s y s t e m so ft h em a i ns y s t e m t h et e s tr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o l l a b l ec o r e s h u t t e rb o pc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f n o n e - p r e s s w e l lp r a t i c ei nt h es h e n g l io i lf i e l d k e yw o r d s ：c o r es h u t t e rb o p ；c o n t r o l l a b l ef l e x i b i l i t ys h u t t e rs e a l i n g ；p i p ec o u p l e d e t e c t o r s ；c o n t r o l l a b l ep r e s s u r eb a l a n c ev a l v e 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：二盈堑型! 丝煎血堕堕薹拯丝锄巧易、l 毕业院校： 生国堑塑丝薹! 墅盔2 毕业时间： 2 2 翅垒! ! 翌! 复 论文类型：博士论文 口硕士论文回 博士后研究报告 口 同等学力论文 口 徽人擗删厂 e l 期：2 0 0 9 年缈月i ，1 日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 年月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 年 年 月 月 日 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言弟一早刖i 在油田生产中，几乎所有的油层在从勘探到开发及后期的维护过程中都会受到不同 程度的损害。在中国现有的油气层保护技术中，还没有一种技术完全实现真正意义上的 油气层保护，但带压作业技术的引进，为实现真j 下意义上的油气层保护提供了可能。本 章阐述了带压作业的目的和意义，以及几年来随着开发深入，胜利油田对带压作业的需 求。通过分析国内外不压井带压作业工艺与装备的研究与应用现状，阐述了目前常用的 几种结构形式的防喷器的工作原理及其密封原理。针对目前胜利油田注水井带压作业的 特点，提出了一种带压作业防喷密封的新方法，采用可柔性闸板防喷器来作为带压作业 装置中的主要防喷密封装置，以期更适合胜利油田带压作业的现场实际情况。 1 1 开展带压作业的目的和意义 在油田的油气水井检修作业中，由于大部分油气水井内存在一定的地层压力，为保 证作业过程中的施工安全，通常首先采用不同比重的液体对油气水井进行压井，使井内 管柱液体的压力和地层压力相平衡，达到井口油气水不溢流。有时压井液比重过大或过 多，会造成地层空隙堵塞，污染地层，减小地层的渗透性，从而减少油气井的产量；对 注水井而言，会堵赛地层的吸水通道，使注水压力升高，从而使注水设备负荷增加，注 水耗能增加。而且，一旦造成地层的污染，又要对地层进行压裂和酸化施工，浪费巨大。 造成压井、压裂、酸化的恶性循环，损失更加巨大。除了压井液对地层造成污染和损害 外，大量的使用压井液还对施工环境造成污染，压井液的配制、灌注和处理也造成极大 的人力和物力的浪费。 采用带压修井作业，油气层得到很好地保护，其产能得到提高，可最大程度地利用 地下的油气资源，减少酸化、压裂等增产措施的次数，为油气田的长期开发和稳定生产 提供良好的基础。对水井而言，由于作业前它不需要停注放压，可以缩短施工周期，同 时可以免去常规作业所需压井液及配制、灌注和处理费用，减少污染，避免浪费。如果 带压修井技术得到推广，也可以减少水泥车和罐车的配备数量。所以，带压修井作业是 今后有水井作业发展的方向。 1 2 胜利油田带压修井作业的需求 目前胜利油田大部分陆上油田已进入中、后期开发阶段，油气井压力逐年降低，注 采矛盾日益突出，为了最大限度的提高其采收率，各种新工艺、新技术在油f f i 得到了广 第一章前言 泛的应用。而油气层保护技术更是引起了股份公司、各油田分公司领导及油田专家们的 高度重视，近几年来也一直把它作为石油股份公司的重点项目在进行研究和推广。随着 各油田专家对带压作业技术认识程度的不断提高，国内各个油田无论是对钻井过程、修 井过程中的油气层保护还是从施工安全、保护环境上考虑，无论是陆上油田还是滩海、 浅海油田，对带压作业均有很大的需求，其需求主要体现在以下几个方面。 在天然气气田的开发和生产过程中，对于那些物性好、压力系数较低的气井，修井 过程中的压井极易发生井漏，压井液大量侵入地层，会使粘土矿物发生膨胀和运移，从 而堵塞地层造成伤害，且气井压井作业过程中易发生井喷。而带压作业可以实现避免任 何压井液进入地层，可以真正解决气层保护问题。 目前我国低渗透油田的平均采收率约为2 1 3 ，比中高渗透油田( 4 2 8 ) 低2 1 个 百分点。这是由于低渗透油田的自身特点决定的，低渗透储层一般具有孔喉直径较小且 连通性差，胶结物的含量较高、结构复杂、原生水饱和度高、非匀质严重等特点，极易 发生粘土水化膨胀、分散、运移及水锁等，在钻井和开采过程中，容易受到污染和损害， 而且一旦受到损害，恢复十分困难。对于这种低渗透油田，目前国外的许多油公司都是 从揭开产层开始就实行全过程的欠平衡钻井、对后期的完井和修井全过程进行带压作业， 这样就可最大限度地保护油层，提高采收率。 由于古潜山的地质构造较为复杂，进行常规勘探时，由于使用了密度较高的压井液， 后期进行测井时，由于不是在原始地层状态下进行的，很可能会出现解释错误，甚至错 过了油气层，若利用带压技术进行全过程欠平衡钻井，则会最大限度地保持地层的原始 状况，从而大大降低测井解释的失误率，在后续的完井、试油和作业过程中继续使用带 压技术，则可有效的保护油气层。 胜利油田某些区块的注水井，由于渗透率低，注水一段时间后，井口注入压力上升 很快，胜利油f 日每年约有7 0 0 口油井需要实施压井或放溢流作业，这些井大部分为酸化 或者压裂投产井，油层敏感性强。如果进行常规作业，必须放压，有些井的放压不仅需 要很长时间、延长施工周期，而且放压时还会影响到周边井甚至整个区块，放完后还要 面临处理污水、解决污染等问题。而带压作业技术，就不需要放压，关井停注后可以直 接进行带压作业。一方面大大地节约了时间，保护了环境，另一方面避免了对受益油井 正常生产的影响。 孔隙一裂缝型或显裂缝型储层，钻井、修井过程中压井液漏失严重，污染地层。且 2 中国石油大学( 华东) - 1 2 程硕上学位论文 在钻井、修井作业过程中易发生大漏和大喷现象，易发生安全事故、造成地层破坏和环 境污染，而采用带压技术就会大大减少这类事情的发生。 另外，在滩海和海上油气田，由于对环境保护和安全措施的要求会更高，一方面由 于安全方面需要，在钻井过程中对井口的防喷措施要求会比陆上更为严格，而另一方面 由于海上环境的特殊性，对环境保护的要求也更为苛刻，这就给钻井和修井作业过程中 所用压井液的处理带来了很大的难度，同时成本也大幅度增加。而带压作业就可以大大 缓解这一矛盾，带压作业设备一套完善的防喷系统可以使钻井和修井作业的安全系数大 大提高，同时在修井过程中可以完全避免使用任何可能对地层造成伤害的压井液，所以 说海上油气田对带压作业的需求就更为迫切。 1 3 国内外带压作业工艺装备研究概况 带压修井作业是在井内有油、气、水存在压力的情况下，通过特殊的装备和特殊的 井口控制装置进行带压直接起下管柱作业的一种作业技术。不压井带压作业机是实现这 种作业技术的作业设备。带压作业技术有其独特的优势，而且该技术在国外作为一项成 熟的技术应用了近4 0 年，在美国、加拿大及南美洲，9 0 以上的油气井采用不压井作业， 每年不压井作业达4 0 0 0 5 0 0 0 井次以上，均在不关井、不压井情况下作业，大大缩短了 停产时间，提高生产效益，据有关统计资料，某些情况下采用不压井带压修井作业的费 用仅为压井修井作业费用的五分之一。 不压井带压作业机主要用于注水井、自喷井及天然气井进行常规起下作业和不动管 柱分层压裂、酸化作业及完井作业。它能有效解决作业过程中压井对油层产生的污染问 题，从而简化施工工序，提高生产效率，降低生产成本，既保护油层，又提高油气井产 量。对注水井，不压井带压作业机可以在不放喷、不泄压的情况下带压作业，既维持地 层压力稳定又保证注水连续不间断。不压井带压作业机主要的应用领域有以下几方面。 ( 1 ) 欠平衡钻井 ( 2 ) 带压起下油管、套管、或衬管 ( 3 ) 井喷时将压井封隔器下入井内 ( 4 ) 带压钻水泥塞、桥塞、或砂堵 ( 5 ) 酸化、洗井、打捞和磨铣 ( 6 ) 挤水泥、打桥塞和报废井作业 ( 7 ) 连续油管作业服务 ( 8 ) 高压注水井作业 气 第一章前肓 ( 9 ) 井控作业服务 ( 1 0 ) 热钻，冷冻服务 ( 1 1 ) 阀钻服务等许多方面 1 9 2 9 年h e r b e r tco l i s 提出了不压井带压作业这一思想，并利用一静一动双反向卡 瓦组支撑油管，通过钢丝绳和绞车控制来实现油管韵升降。最大下压力可达1 5 6 m n ，能 起下最大外径1 9 3 7 m m 的管柱。之后，还出现过链条加压的不压井带压装置。但此类设 备虽然结构简单，但需要与钻机配合使用，且安全性较差，已被淘汰。 1 9 6 0 年c i c e r o cb r o w n 发明了早期的液压不压井带压作业设备用于油管升降。由此， 不压井带压作业机可以成为独立于钻机或修井机的一套完整系统叫。该设备主要用于小直 径油管的不压井带压作业中，设备能力有限。 从7 0 年代开始液压不压井带压作业机有了很大的改进和发展，应用范围不断扩展。 带压作业设备己应用于陆地和海洋，设备实现了全液压举升，卡瓦和防喷执行机构实现 了电液远程控制。 目前不压井带压作业设备在国外发展已比较成熟，全液压不压井带压作业机占主导 地位。通常，不压井带压作业机要与井口防喷装置联合来完成带压作业任务，带压作业 井口防喷装置主要由：液压动力系统、防喷器系统、放压，平衡系统、卡瓦系统、举升系统 等组成。整个系统采用模块化设计，能够整体吊装在卡车平台上运输，连同其它辅助设 备，整套设备在抵达现场2 个小时内就可快速安装投入工作。 目前国外的带压作业设备分为两种结构方式，一种为组合式结构，如图1 - i 所示， 该设备井口密封压力达到3 5 m p a ，加压缸行程36 m ，允许起下工具串长度3 m ，通径 1 7 9 m m ；另一种为独立式结构，如图1 - 2 所示，该设备井口密封压力1 4 m p a ，加压缸行 稗26 m ，允许工具串长度l m 。 “日。“， 羲；2 li ， t 图1 - 1 组台式带压作业设备 f i gl - lc o m b i n e de q u i p m e n t sw i t hp r e s s u r e 十目石* 大学( 华东) 3 - 程砸学位论文 瑚1 - 2 独立式带压作业设备 f i 昏1 - 2 i n d e p e n d e n te q u i p m e n a w i t hp r 艘s u r e 目前短冲程的液压带压作业机最大提升力为2 6 7 0k n ，下压力为13 3 0k n 。长冲程的 最大提升力为1 3 8 0k n ，下压力为7 1 0k n 。可完成最大外径2 4 4 5 m m 管柱的起下作业， 经过改进在某些情况下亦可用于起下外径5 0 8 0 r m n 的套管。液压不压井修井机一般在游 动卡瓦上配有一个转盘，由空心液压马达驱动，最大扭矩可达8 6 7 7 k nm 。改装用于不压 井钻井时转盘的最大扭矩已达4 7 4 i q 32 3 5 m p a , 根据公式( 2 1 9 ) 平面部分的密封比压：q = 3 7 5m p a q 3 = 3 5 m p a 因此，按上述参数设计时能保证密封，此时需要的液控压力吼可根据式g 。= 钐和 ( 3 - 2 0 ) 求出得吼= 8 6 m p a ，由此可见，当液控压力为8 6 m p a 时，即可密封井口压力为3 5 m p a 井压，故所设计的闸板胶芯满足使用要求。 2 9 第二章带压作业p j - ：j 、，茹工作性能及可控柔性密封理论分析 相对于胶芯前端部的密封形式，顶部胶芯的工况及受力状况要比前部胶芯好很多， 其密封结构参数也比较简单，采用同样的方法即可容易的确定，经过计算，当顶部胶芯 自计算厚度为乙= 3 m m ，截面宽为b d = 2 0 r a m ，压缩量为= 1 5 m m 时，得到 q d = 3 8 5 m p a q 3 = 3 5 m p a ，由此顶部胶芯也可保证密封。 2 5 本章小结 本章采用无限长矩形橡胶板的双向大变形理论，利用力与变形近似关系的基础上， 通过过考虑橡胶板因压缩后厚度减小而使形状因素增大的量，得出了橡胶板受压缩后发 生大变形时，力与变形的关系，通过合理选取胶芯结构参数，计算出胶芯的密封比压， 保证密封要求。 经过研究和分析，密封胶芯采用聚合物耐磨环与橡胶硫化为一体的结构形式，胶芯 中的耐磨环一方面承担油管与橡胶的接触压力，另一方面还配合橡胶实现密封，采用这 种结构形式的胶芯可以大大减少闸板密封副端部橡胶的磨损量，延长了密封副的使用寿 命。 3 0 中国石i 毕东) 丁程硕士学位论文 第三章可控柔性密封建模与仿真分析 针对高压注水井带压作业防喷密封的工作特点，提出了一种不压井带压作业的新工 艺，根据这种工艺特点的需要，采用电液控制系统使闸板防喷器可控柔性密封副在密封 状态与非密封状态之间来回切换，使油管接箍正常通过。当防喷器工作时，由闸板防喷 器的液压缸来驱动和控制固连在闸板总成的可控柔性密封胶芯的运动，并对密封胶芯施 加足够的作用力，以此来保证对油管的密封要求。液压缸作为驱动件，其动态特性对可 控柔性密封副影响很大，因此有必要对液压缸建模来分析和检验整个控制系统动态特性。 3 1 驱动液压缸控制模型 液压动力执行机构是三位四通阀控制的非对称液压缸，如图3 1 所示。 图3 - 1 三位四通阀控制非对称液压缸 f i g 3 1a s y m m e t r i ch y d r a u l i cc y l i n d e rc o n t r o l e db yt h r e ef o u r - w a yv a l v e 3 1 。l 滑阀的负载流量方程 假定： 1 ) 阀为理想四通阀，四个节流窗口是匹配和对称的。 2 ) 节流窗口的流动为紊流，液压油在阀中不可压缩。 3 ) 阀具有理想的响应能力，即对应于阀芯位移和压降的变化，相应的流量变化能瞬 间发生。 4 ) 供油压力b 恒定，回油压力为零。 由阀的节流方程得： 3 1 第三章“：莱性密封建模j 仿真分析 q = ，莎鬲 2 = c d 赋。跖 由于液压缸为非对称液压缸，故引入系数口定义为： 负载压降p 。为： 负载流量定义： 口= = p x - p l ：= p 1 a l = p a 1 + p 2 a 2 1 p l2p l 一一p 2 口 绕= 半 将式( 3 1 ) ，( 3 - 2 ) ，( 3 - 3 ) 式带入( 3 4 ) 式得： 鱿= c a c o x 。c 口+ t ，丢 i 知矿一丢c d 僦，c 口+ t ， 零开口四边滑阀增量形式的线性化流量方程为： ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) q l = k 。x ，一k f p 比较式( 3 - 5 ) 和( 3 6 ) 可得： l 巧= 三1 c 以，( 甜1 ) 1 c r 万( p s 礓) 卜丢嗽c 叶，以pa 3 口+ i ( p , - p l ) 志 3 1 2 液压缸连续性方程 假定： 1 ) 所有连接管道内的摩擦损失、流体质量影响和管道动态忽略不记。 2 ) 液压缸每个工作腔内各处压力相同，油液温度和容积弹性模数为常数 3 ) 液压缸的内、外泄漏为层流流动。 此时，可压缩流体的连续性方程可表示为 3 2 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 中国石i 仨：r j ( 华东) 工程硕仁学位论文 ”缆= 警+ 万yi a p 式中：v 所取控制腔的体积，m 3 q 入一流进控制腔的总流量，m 3 s ； q 苗一流出控制腔的总流量，m 3 s ； 腔室本身变化的流量，即活塞运动所需流量可表示为 d v 彳锄 一= 一 d l d l 彳活塞有效面积，m 2 x p - 活塞位移，m 。 由此，液压缸进油腔的流量连续性方程为： g 吲p ! - - p 2 ，鲁+ 丢鲁 同理，液压缸回油腔的流量连续性方程为： c 妒( p l - p 2 ，一一致一彳：鲁+ 丢等 式中：o l 一流入液压缸的流量( m 3 s ) q 2 一流入液压缸的流量( m 3 s ) 只一液压缸进油腔压力( n m 2 ) 只一液压缸进油腔压力( n m 2 ) c 。一液压缸内泄露系数( m 5 ( n s ) ) c 二一液压缸外泄露系数( m 5 ( n s ) ) k 一由阀到液压缸进油腔的总容积( m 3 ) 一液压缸回油腔到阀的总容积( m 3 ) 屏一统综合弹性模量，包括液体及结构刚度影响n m 3 两式相减为： q 也观c 垆c e l p 2 ，+ c e p p 2 + c ”锄等+ 丢鲁一去警 令杉= k + ， 由于活塞在液压缸中间位置，由式( 3 - 2 ) 有： 3 3 ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) l2 ) 第三章也“柔性密封建模与仿真分析 巧= 南k 坎= 六 将式( 3 1 3 ) 带入( 3 1 2 ) 并进一步整理得： ( 3 1 3 ) q + q ，划旷c 一：v - - ! c 竺蚴州川，) d x _ _ l p 一唑竺二盘生 q + q 2 ：2 旷寸p ：) 州t 州z 西+ 盂葫i l ( 3 1 4 ) 整理得： 石c 印t p = 志 ( 3 - 1 5 ) 由式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 、( 3 1 4 ) 整理得： 统= 彳p 百d x p + c 妒仇+ 万v 8 百d p l ( 3 - 1 6 ) 其中： 彳，：掣兰 c 垆= 2 c 妒 以= 熹杉= 2 v , 彳。一活塞平均有效面积； c , p 一液压缸总泄露系数； 3 1 3 液压缸负载的力平衡方程 忽略库仑摩擦等非线性负载，忽略油液的质量，根据牛顿第二定律可得活塞推力与 惯性力、阻尼力，弹簧力及外负载摩擦力作用情况下的力平衡方程 f g = a 。p i - a 2 p 2 = a l p l = ，丁d 2 x p + pi d x p + p + 瓦( 3 - 1 7 ) m bk x ，f + p 了+ p + 瓦 以l “f 式中 m ，一活塞及负载的总质量( k g ) ； b 。一活塞及负载的粘性阻尼系数( n s m ) ： k 一负载的弹簧刚度( n m ) ： 譬 中国石油火学( 华东) 工程硕：十：学位论文 e 一作用在活塞及闸板总成与壳体的总摩擦力( n ) ； c 一液压缸在油压作用时产生的驱动力( n ) ； 3 2 阀控液压缸的传递函数方块图及传递函数 3 2 1 阀控缸的传递函数方块图 式( 3 6 ) 、( 3 1 6 ) 、( 3 1 7 ) 是阀控液压缸的三个基本方程。即阀的负载流量方程， 液压缸的流量连续性方程，液压缸出力与负载的力平衡方程式中有关物理量都是指从各 自初始条件下的变化量。这三个方程就确定了阀控液压缸的动态特性。 基本方程的拉普拉斯变换式为： q l ( s ) = k q x ，( s ) 一k p ( s ) ( 3 - 1 8 ) 鱿( s ) = a q s x r ( 卅( q + 毋跏小) 。1 仇= - j 了( m , s 2 + b ，s + k 蹦x pd + 去仇 ( 3 - 2 0 ) 由式( 3 1 8 ) 、( 3 1 9 ) 、( 3 2 0 ) 可画出阀控液压缸的传递函数方快图，如图3 2 所示。 a 表示前向通路为负载流量至液压缸的位移，即位移由流量算出。b 表示前向通路为负载 压降至液压缸的位移，即位移由负载压降算出。 ( a ) ( b ) 图3 - 2 阀控液压缸方块图 f i g 3 2 b l o c kd i a g r a mo fh y d r a u l i cc y l i n d e rc o n t r o l e db yv a l v e s 3 2 2 阀控缸的传递函数 由于阀控缸的三个基本方程都是线性方程式，图3 2 方块图也具有线性特通过 解方程式或上面方块图的运算能够求出x p ( s ) l x ，( s ) 以及x 。( s ) e ( s ) ，分别如下 3 5 第三章可控柔性密封建模与仿真分析 x ，( 引一 k q a p =-。-。-_-一 删券s3+了mikce+砑bpvi”了bpkce+砑kv,)s+了kkcea4 危么p 2p 24 孱彳p 。 么p 4 尾彳p 彳p 2 阀控缸总的响应输出x p ( s ) 是关于阀开口变化x ，( s ) 输入及任意外负载变化f l ( s ) 输入 的线性叠加。则 x p cs，=三毛喜三雪三：j-：ij；孝；三；萎主委i兰三三c 3 2 2 ， 式中k 为总的流量- 压力系数，恕。= 红+ g ，上式中分子的第一项为给定输入量下的 活塞速度；第二项为因负载作用而引起的速度降低。特征式即分母中的第一项表示惯性 力变化引起的压缩性流量所产生的油缸速度变化的动态特性；第二项表示惯性、粘性、 油的压缩性共同作用下的油缸速度变化的动态特征；第三项是表示粘性力、弹簧力、油 的压缩性共同作用下的油缸速度变化的动态特性；第四项表示弹簧负载和泄漏作用的油 缸速度的变化程度。总之，总响应方程中的特征式表征输出关于输入的动态过渡过程。 3 3 控制系统的仿真 3 3 1 控制系统的仿真模型图 将上节推导出的阀控液压缸执行机构的传递函数代入到整个系统中，建立系统的控 制模型，系统的方块图如图3 3 所示。 防喷系统的主要设计参数如下： a 1 2 0 0 1 7 7 m z ，a 2 = 0 0 0 3 8 m 2 ，p e = 7 1 0 5 n m ，只= 2 0 m p a ，置2 1 2 m p a ，m ，= 6 0 k g ， 杉2 0 0 0 4 1 l m 3 ，f l = 1 2 0 n ，b 。= 1 0 0 n s m ，k = 5 0 0 0 n m ，s = o 0 8 m ，k 。= 0 0 0 5 3 6 中固石油大学( 华东) t 程硕上学位论文 图3 - 3 电液比例位置系统方块图 f i g 3 - 3b l o c kd i a g r a mo fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o ns y s t e m k i 为放大器增益( m v ) ；k r 为传感器反馈增益( v m ) ； 应用m a t l a b 仿真软件，带入防喷系统的主要设计参数可以得到相应控制系统的仿 真模型，如图3 4 所示。 囤 g a m 2 图3 4 控制系统仿真模型图 f i g 3 4s i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e m 3 3 2 仿真结果及分析 运行i 幺仿真软件， f f , j 到仿真结果如图3 5 所示。 ( a ) 有干扰外负载( b ) 无干扰外负载 图3 5 控制系统仿真仿真结果 f i g 3 - 5s i m u l a t i o nr e s u l t so fc o n t r o ls y s t e m 由仿真结果可知，在没有干扰外负载的的情况下，和有无有弹性载荷时，上升时间 均为0 0 8 s ，调整时i 日j 为0 3 5s ，超调量为1 5 ，位置精度误差分别为0 0 0 1 和0 0 0 2 ，如 图3 5 ( a ) 所示；有干扰外负载和没有弹性负载的情况下，上升时间是0 1 3s ，调整时间 3 7 第三章可控柔性密封建模与仿真分析 为0 3 7s ，超调量为2 5 ，位置精度为0 0 0 1 ；有干扰外负载和弹性负载的情况下，上升 时间为o 0 9s ，调整时问为o 3 7s ，超调量为1 4 ，位置精度为0 0 0 5 ，如图3 5 ( b ) 所 示。 根据上述仿真数据可知，此控制系统稳定，动特性能好，满足设计要求。 3 4 本章小结 本章应用零开口滑阀的增量形式导出了滑阀的负载流量方程；根据理想状况下可压 缩流体的流量平衡方程推导出了液压缸的流量连续性方程；根据外负载力平衡方程，推 导出了液压缸负载的力平衡方程。并由此推导出了阀控液压缸的传递函数，为整个电液 控制系统模型的建立及仿真打下了基础。 应用m a t l a b 软件对整个控制系统进行了仿真，仿真分析结果表明该控制系统的动 态特性等性能指标符合设计要求。 中国石秸l 大焉( 华东) 丁麓靳 十：学 立论文 第四章带压作业防喷密封系统试验研究 带压作业设备防喷系统的研究开发是一项投资大，安全性要求高的项目。为了进一 步验证胶芯结构参数的合理性和使用性能的好坏，以及进一步可靠、经济地开发带压作 业的相关技术和设备，必须建立带压作业防喷装置性能试验系统，对设计样品进行相关 的检验。 4 1 带压作业试验系统设计 4 1 1 试验系统组成 带压作业试验系统组成原理如图4 1 所示，主要包括：井口防喷密封装置，起升装 置，管柱接箍探测装置，压力平衡装置，高压流体循环系统，液压动力系统，液压控制 系统，试验台基础装置，数据采集与控制系统等系统。 图4 - l 液压控制带压作业试验系统组成 f i g 4 1c o m p o n e n t so fu n d e rp e r s s u r eo p e r a t i o nt e s ts y s t e mc o n t r o l e db yh y d r a l i c 井口防喷装置由上、下两个闸板防喷器组成。闸板防喷器是防喷系统的中心部件， 主要完成对油管柱的可控柔性密封。它由两个开关密封闸板，两个驱动控制液压缸，壳 体，密封组件等组成。 起升装置主要由两个长冲程液压缸并附之固定油管的游动卡瓦，包含液压缸2 只， 起升横梁、支撑横梁、架子等，用于带压状态下起升和压入油管柱。 3 9 第四章带胝作业防喷密封系统试验研究 管柱接箍探测装置由上、下两个接箍探测器组成，接箍探测器主要作用是实现管柱 接箍或其他井下工具到达井口时的位置检测和发信，为闸板防喷器的开关控制提供信息。 压力平衡装置包括上、下两个液压控制阀和一个平衡短节。平衡短节主要用来连接 两个控制阀与防喷器的密封腔体。下控制阀用来实现下闸板防喷器打开时上、下腔体间 的压力平衡和压力缓冲；上控制阀用来实现上闸板防喷器打开时密封腔体的卸压平衡和 压力缓冲。 带压作业试验台高压液体循环系统主要由高压流体发生装置，即高压柱塞泵、高压 控制阀、储水箱和高压管汇组成。它是为高压油水井带压作业试验模拟高压油水井中液 体工况。 液压动力系统，包括液压泵站、溢流阀、电磁阀等控制阀组、高压管线，主要作用 是提供工作所需的压力油，主要由可靠性较高的液压变量泵、限压阀和各类液压辅助元 件组成。 液压控制阀组包括各种所需的压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等，其作用是 接受控制信号，从而控制执行元件按要求完成各种动作。 试验台基础装置是该试验系统的重要基础，主要包括底座平台、盲板法兰、井口大 四通、支撑横梁和一些联接部件。 数据采集与控制系统：采用s i e m e n ss 7 2 0 0 型p l c 作为系统的控制器，输入信号 由接近开关、压力继电器产生，输出主要控制电磁阀的电磁铁的通断，从而控制执行机 构的动作。通过分析带压作业试验台的控制流程、信号的输入、输出关系，再通过分析 系统的工艺要求和工作步骤，画出作业工艺图，根据工艺图进行p l c 控制程序的设计。 4 1 2 带压作业试验系统液压系统设计 图4 2 所示为带压作业试验系统的液压系统原理图，整个液压系统由液压泵站和五 个执行单元组成。1 、2 单元表示电磁先导液压控制的高压水循环系统的控制阀，其中l 为卸压平衡控制元件，2 为高压平衡控制元件；3 、4 单元表示电液换向阀控制的闸板防 喷器密封副的驱动液压缸，其中3 为上闸板防喷器，4 为下闸板防喷器；5 单元表示电液 换向阀控制的起升液压缸装置，其中两个液压缸刚性连接实现同步，上升油路中安装一 个液控单向阀，主要作用是实现液压缸下行时的平衡。 中廷瓤油 学( 鬻寨) 啊野醑+ ：剃芷澈 图4 - 2 带压作业试验系统液压原理图 f i g 4 - 2h y d r a u l i cd i a g r a mo fu n d e rp e r s s u r eo p e r a t i o nt e s ts y s t e m 4 1 2 1 起升液压缸工作参数确定 根据给定的带压作业系统工作参数，确定起升系统所控制的油管受井中液体最大作 用压力为2 1 m p a 。系统试验时的工作油管直径为7 3m m ，所以计算得出井中液体对油管 的最大作用力为8 8 k n 。根据s y 标准，井控设备液压系统最低额定工作压力为8 5 m p a ， 因此可以选用2 只活塞直径d = 10 0 m m ，活塞杆直径d = 5 5 m m 的液压缸，计算得到总拉力 为9 3k n ，总推力为1 3 3k n ；完全能够带压驱动和控制试验工作油管的起升和下放。 试验系统要求液压缸起升和下放油管的速度在0 1 m 0 2 m s 之间，而且下放速度快于 起升速度。计算得到液压系统工作流量为q = 9 4l m i n 1 3 2l m i n 。 4 1 2 2 液压泵的选择 泵的最大工作压力p p 由下式计算 乞只- t - a p ( 4 - 1 ) 式中只为液压缸最大工作压力；p 为总的管路损失。 根据a p i 标准，井控设备的液压系统额定工作压力为8 5 1 0 5 m p a ，取肚= ( o 5 1 5 ) m p a ，选择只为9 5 m p a 。 液压泵的输出流量应为 q p k ( q ) ( 4 2 ) 式中k 为系统泄漏系数，- - g t n k = 1 1 1 3 ；( 9 ) 为系统要求液压源所应输出的 流量，这里取k = i 2 ，所以液压泵输出流量为q 。= 1 2 2l m i n 一1 4 5l m i n 。 根据以上求得的己和绯值，选择齿轮泵，排量1 4 5l m i n ，额定压力1 0m p a ，最高压力 1 2 5m p a 如额定转速1 4 5 0r m i n 。选择转速为1 4 5 0r m i n 的电动机通过离合器直接驱动。 4 l 第 章带雎作业防喷密封系统试验研究 412 3 闸板防喷器密封液压缸参数 根据闸板防喷器的结构设计需要，选取驱动液压缸内径( 活塞直径) d = 1 5 0 r a m ，活 塞杆直径d = 8 0 m m 。液压缸工作压力为85m p a ，计算得到闸板开