自动垂直钻井系统执行机构性能模拟试验

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1、石油机械2011年第39卷第4期CHINAPETR0LEUMMACHINERY●试验研究自动垂直钻井系统执行机构性能模拟试验孙浩玉，聂云飞吴仲华(1．中国石油大学(华东)机电工程学院2．胜利石油管理局钻井工艺研究院)摘要为了实现自动垂直钻井功能，要求执行机构能够对控制系统的指令做出迅速、准确的响应。由于执行机构的结构复杂，通过理论模型研究的方法很难得到其准确的性能参数。因此，建立了室内模拟研究系统，完成了对执行机构工作性能的试验研究，得出了其压力一上盘阀驱动扭矩、流量．压力、压力．纠斜力的拟合曲线方程，为自动垂直钻井系统现场试验提供了选择技术参数的依据。试验结果还表明，研制的执行机

2、构的工作性能符合自动垂直钻井系统的控制要求。关键词自动垂直钻井执行机构井斜模拟试验执行机构的3个推力装置在钻井液的驱动下推动推0引言力巴掌装置外伸，推靠井壁，产生纠斜力。控制系统中的控制单元根据测量单元获得的井斜数据向扭自动垂直钻井系统能够通过自身的井下控制系矩发生器单元发出控制指令，控制其输出轴按照一统自动控制钻井过程中的井斜角，使其保持在一定定的转速相对钻柱反转。盘阀装置中的上盘阀与扭的范围内，并具有对斜井纠斜的功能，整个控制过矩发生器的输出轴通过联轴器连接，随输出轴一起程无需人工干预，较以往的防斜、纠斜和直井的钻转动。盘阀装置的下盘阀有3个过流孔，分别与3井方法更先进，可以大

3、大提高工作效率，降低钻井个推力装置的流道相通，上盘阀有1个过流孔。上风险和成本。盘阀在扭矩发生器的驱动下，可以控制下盘阀3个胜利石油管理局钻井工艺研究院近年来持续开过流孔的导通和关闭，以此控制钻井液的流量分展了自动垂直钻井技术的研究工作。执行机构在控配，从而实现自动垂直钻井系统对纠斜力的方向控制系统的控制下，可以实现自动垂直钻井系统的垂制⋯。执行机构样机结构参数如下：本体最大外直钻井功能。由于执行机构的结构较复杂，所建立径300mm，上部连接螺纹997mm，最大推靠外径的流体力学模型很难接近实际情况，所以单纯通过322mm，推靠巴掌数为3。理论分析的方法来设计和优化其系统结构是不现

4、实的。为此，研究人员采用室内模拟试验研究的方法，最终完成了执行机构的研制工作。1自动垂直钻井系统图1自动垂直钻井系统控制示意图自动垂直钻井系统主要由控制系统、延伸短节和执行机构组成，如图1所示。其中控制系统是自动垂直钻井系统的“大脑”，可以根据检测的井斜角控制下部的执行机构，使其产生一定方向和大小的纠斜力。执行机构(样机见图2)则是自动垂直钻井系统的“四肢”，按照控制系统的指令工作。图2执行机构样机基金项目：国家“863”计划项目“捷联式自动垂直钻井系统工程样机研制”(2009AA093501)一2一石油机械2011年第39卷第4期2执行机构的室内试验系统设计3执行机构室内试验2．

5、1技术要求3．1推力装置试验研究自动垂直钻井系统工作时，要求执行机构能够推力装置是执行机构推力产生的力源，为了满对控制系统的控制指令做出迅速、准确的响应，以足控制系统的需要，流体在盘阀装置的控制下驱动满足整个系统的控制要求，据此对执行机构提出了3个推力装置发出相位角相差120。的脉冲力，通过以下技术要求：叠加后可以在一定的方向上产生一个纠斜合力，并(1)驱动盘阀装置需要的扭矩必须小于扭矩最终通过推力巴掌装置作用在井壁上。发生器单元输出轴的额定工作扭矩，要求驱动扭矩试验中，执行机构入口压力5MPa，转速81均值5N·m左右，峰值小于10N·m；r／min时，纠斜推力可达15kN左右，

6、见图4。从(2)推力巴掌装置能够产生15—20kN的纠图中可以看出，推力最大值为15433N，脉冲推力斜推靠力；动态响应性较理想，上升和下降沿在20ms左右。(3)推力装置能够迅速响应控制系统发出的指1514令，产生相应的脉冲推力，驱动推力巴掌装置工作；12(4)执行机构的额定工作压降控制在4．0～三1()-5．5MPa，活塞喷嘴分流量控制在6L／s以内。鞋862．2试验系统4按照上述技术要求，模拟自动垂直钻井系统的2井下工作状况设计了相应的室内试验系统，如图3图4推力一时间曲线所示。试验系统中，离心泵排出口处安装了1个指3．2盘阀装置扭矩试验分析针压力表，目的是方便操作者通过开关

7、阀门调节泵试验中，测量了上盘阀的空载驱动扭矩，如图出口压力。5所示。空载测量时压力、排量均为0，转速253r／min时，得到空载扭矩值Vo=1．319N·m。3·22．5冒2．0‘z1．5＼善O．5—0．2图5时间．空载扭矩曲线图3试验系统示意图针对执行机构的不同人口压力，通过对上盘阀1一水箱；2一离心泵；3、l3一压力表；4一主阀门；的转速进行调节，测得了相应的上盘阀驱动扭矩5一数据采集系统；6一转速传感器；7一盘阀驱(均值)。详细情况如图6所示。从图中可以看出，动