聶云飛,吳仲華,孫浩玉,張樂(lè)啟,耿應(yīng)春

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營(yíng)257017;2.勝利石油管理局渤海鉆井一公司,山東東營(yíng)257000) *

自動(dòng)垂直鉆井執(zhí)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究

聶云飛1,吳仲華1,孫浩玉1,張樂(lè)啟2,耿應(yīng)春1

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營(yíng)257017;2.勝利石油管理局渤海鉆井一公司,山東東營(yíng)257000)*

在自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中,要求執(zhí)行系統(tǒng)能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的指令做出迅速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。由于執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通過(guò)理論模型研究的方法很難得到其準(zhǔn)確的性能參數(shù)。建立了室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng),完成了執(zhí)行系統(tǒng)工作性能的試驗(yàn)研究,得出了其壓力-上盤閥驅(qū)動(dòng)扭矩、流量-壓力、壓力-糾斜力擬合曲線和關(guān)系式,并證明了研制的執(zhí)行系統(tǒng)的工作性能符合自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的控制要求。

自動(dòng)垂直鉆井;執(zhí)行系統(tǒng);井斜;試驗(yàn)研究

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)能夠通過(guò)自身的井下控制系統(tǒng)自動(dòng)控制鉆井過(guò)程中的井斜角度保持在規(guī)定的范圍內(nèi),并具有對(duì)斜井糾斜的功能,整個(gè)控制過(guò)程無(wú)需人工干預(yù),較以前的防斜、糾斜和直井的鉆井方法更先進(jìn)[1-8],可以極大地提高工作效率,降低風(fēng)險(xiǎn)、成本。該技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的垂直鉆井技術(shù),勝利鉆井院近幾年持續(xù)開展開了自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)的研究工作,執(zhí)行系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的控制下可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)垂直鉆井功能。由于防斜執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,所建立的流體力學(xué)模型很難接近實(shí)際情況,因此單純通過(guò)理論分析的方法來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是不現(xiàn)實(shí)的。研究人員采用了室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究的方法確定了相關(guān)參數(shù),完成了防斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制工作。

1 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、延伸短接和執(zhí)行系統(tǒng)組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)是自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的“大腦”,框圖如圖2,可以根據(jù)檢測(cè)的井斜角控制下部的執(zhí)行系統(tǒng),使其產(chǎn)生一定方向和大小的糾斜力。執(zhí)行系統(tǒng)(樣機(jī)如圖3)則是自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的“四肢”,按照控制系統(tǒng)的指令工作。執(zhí)行系統(tǒng)的3個(gè)推力裝置在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)3個(gè)推力巴掌裝置外伸,推靠井壁,產(chǎn)生糾斜力?？刂葡到y(tǒng)中的控制單元根據(jù)測(cè)量單元獲得的井斜數(shù)據(jù)向扭矩發(fā)生器單元發(fā)出控制指令,控制其輸出軸按照一定的轉(zhuǎn)速相對(duì)鉆柱反轉(zhuǎn)。盤閥裝置中的上盤閥與扭矩發(fā)生器的輸出軸通過(guò)連軸器連接,隨輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。盤閥裝置的下盤閥有3個(gè)過(guò)流孔,分別與3個(gè)推力裝置的流道相通,上盤閥有1個(gè)過(guò)流孔。上盤閥在扭矩發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)下,可以控制下盤閥3個(gè)過(guò)流孔的導(dǎo)通和關(guān)閉,以此控制鉆井液的流量分配,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)對(duì)糾斜力的方向控制[9],執(zhí)行系統(tǒng)樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

圖1 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)控制框圖

圖3 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)樣機(jī)

表1 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)工作時(shí),要求執(zhí)行系統(tǒng)能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的控制指令做出迅速、準(zhǔn)確的響應(yīng),以滿足整個(gè)系統(tǒng)的控制要求,據(jù)此對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)提出了以下技術(shù)要求:

1) 驅(qū)動(dòng)盤閥裝置需要的扭矩必須小于扭矩發(fā)生器單元輸出軸的額定工作扭矩,要求驅(qū)動(dòng)扭矩均值約5 N·m,峰值<10 N·m。

2) 推力巴掌裝置能夠產(chǎn)生15～20 kN的糾斜推靠力。

3) 推力裝置能夠迅速響應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令,產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖推力,驅(qū)動(dòng)推力巴掌裝置工作。

4) 執(zhí)行系統(tǒng)的額定工作壓降控制在4.0～5.5 MPa,活塞噴嘴分流量控制在6 L/s以內(nèi)。

根據(jù)上述技術(shù)要求設(shè)計(jì)了如圖4的試驗(yàn)系統(tǒng),模擬自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的井下工作狀況。離心泵揚(yáng)程550 m,排量250 m3/h,配90 kW電機(jī)。測(cè)量?jī)x表參數(shù)如表2。

圖4 室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)原理

表2 測(cè)量?jī)x表參數(shù)

盤閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流調(diào)速電機(jī),通過(guò)16∶1的減速器減速后與上盤閥連接。使上盤閥可以在0～250 r/min內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速,轉(zhuǎn)速傳感器(為旋轉(zhuǎn)編碼器)直接與電機(jī)的尾部輸出軸(高速軸)連接,因此能夠測(cè)量的上盤閥最小轉(zhuǎn)角為0.037 5°。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 推力裝置推力

推力裝置是執(zhí)行系統(tǒng)推力產(chǎn)生的力源,為了滿足控制系統(tǒng)的需要,流體在盤閥裝置的控制下驅(qū)動(dòng)3個(gè)推力裝置發(fā)出相位角相差120°的脈沖力(試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示),通過(guò)疊加后可以在一定的方向上產(chǎn)生一個(gè)糾斜合力,并最終通過(guò)推力巴掌裝置作用在井壁上。

圖5 相位差120°的脈沖力

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,執(zhí)行系統(tǒng)入口壓力5 MPa,轉(zhuǎn)速81 r/min時(shí),糾斜推力可以達(dá)到15 kN左右,如圖6所示,從圖中可以看出脈沖推力動(dòng)態(tài)響應(yīng)性較理想,上升和下降沿在20 ms左右。

3.2 盤閥裝置扭矩

首先測(cè)量了上盤閥的空載驅(qū)動(dòng)扭矩,如圖7?？蛰d測(cè)量時(shí)壓力、排量均為零,轉(zhuǎn)速253 r/min時(shí),得到空載扭矩值為

圖6 推力-時(shí)間曲線

針對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)的不同入口壓力,通過(guò)對(duì)上盤閥的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),測(cè)得了相應(yīng)的上盤閥驅(qū)動(dòng)扭矩(均值),如圖8所示?？梢钥闯?相同壓力情況下,轉(zhuǎn)速的變化對(duì)上盤閥驅(qū)動(dòng)扭矩的影響很小,因此在研究盤閥的性能時(shí)把重點(diǎn)放在了壓力對(duì)上盤閥驅(qū)動(dòng)扭矩的影響方面。

圖7 空載時(shí)間-扭矩曲線

圖8 不同壓力下的轉(zhuǎn)速-扭矩試驗(yàn)曲線

圖9是以5 MPa,轉(zhuǎn)速81 r/min時(shí)的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的上盤閥的壓力-扭矩試驗(yàn)曲線,線性擬合得到的方程為

式中,T為上盤閥驅(qū)動(dòng)扭矩,N·m;p為執(zhí)行系統(tǒng)入口壓力,MPa。

擬合得到的線性方程中的截距為 T′0=2.591 4 N·m,與實(shí)際測(cè)量的空載平均扭矩值 T0=1.31 N·m有差距。根據(jù)試驗(yàn)的情況分析,主要是由于試驗(yàn)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動(dòng)和盤閥旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的水流沖擊力的變化造成了扭矩波動(dòng),最終導(dǎo)致了上盤閥驅(qū)動(dòng)扭矩的波動(dòng)劇烈,從而造成了這種差距。從試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)看,如果減去空載扭矩,上盤閥的驅(qū)動(dòng)扭矩均值能夠降到5 N·m以下,可以滿足設(shè)計(jì)方案中的技術(shù)要求。

圖9 壓力-扭矩試驗(yàn)曲線

3.3 執(zhí)行系統(tǒng)流量和活塞推力

圖10是以5 MPa,轉(zhuǎn)速80～90 r/min時(shí)的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的上盤閥的流量-壓力試驗(yàn)曲線,線性擬合得到的方程[10]為

式中,p為執(zhí)行系統(tǒng)入口壓力,MPa;Q為排量,L/s。

圖10 流體壓力-流量試驗(yàn)曲線

擬合曲線的方程截距為-0.041 8 L/s。實(shí)際的情況是將流程的旁通閥門全開,使執(zhí)行系統(tǒng)的入口排量為零,此時(shí)壓力為零,二者對(duì)比來(lái)看,擬合的曲線方程還是很接近實(shí)際情況的。

圖11是以5 MPa,轉(zhuǎn)速80～90 r/min時(shí)的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的壓力-糾斜力(最大值)試驗(yàn)曲線,線性擬合得到的方程為

式中,F為糾斜力(最大值),N;p為執(zhí)行系統(tǒng)入口壓力,MPa。

圖11 壓力-糾斜力(最大值)試驗(yàn)曲線

擬合曲線的方程截距是4 099.8 N。試驗(yàn)時(shí),為了保證活塞能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng),采用彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu),給活塞預(yù)壓了4 000 N左右的回復(fù)力,二者對(duì)比,擬合的曲線方程還是很接近實(shí)際情況的。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)試驗(yàn)分析研究,得出了自動(dòng)垂直鉆井執(zhí)行系統(tǒng)活塞產(chǎn)生的脈沖糾斜力隨盤閥轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律和脈沖糾斜力的作用區(qū)域、順序。

2) 試驗(yàn)得到了壓力-上盤閥驅(qū)動(dòng)扭矩、流量-壓力、糾斜力(最大值)值擬合曲線方程,為自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了技術(shù)參數(shù)選擇依據(jù)。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的工作性能,能夠滿足整個(gè)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的控制要求。

[1] 孫銘新,韓來(lái)聚,李作會(huì).靜態(tài)偏置推靠鉆頭式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)介紹[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2003,32(3):4-7.

[2] 韓來(lái)聚,王瑞和,劉新華,等1調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)控制原理及性能分析[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,28(5):40-60.

[3] 李 琪,杜春文,張紹槐1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井軌跡控制理論及應(yīng)用技術(shù)研究[J].石油學(xué)報(bào),2005,26(4):97-1011

[4] 閆文輝,彭 勇,張紹槐1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研制原理[J].石油學(xué)報(bào),2005,26(5):94-971

[5] 閆文輝,彭 勇,施紅勛1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具液壓分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鉆采工藝,2005,28(5):69-721

[6] 李軍強(qiáng),武學(xué)堯,彭 勇,等1調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井鉆井工具控制閥力學(xué)模型及仿真分析[J].天然氣工業(yè), 2005,25(6):52-551

[7] 孫召紅,房 軍,盛利民,等1井底鉆壓扭矩傳感器設(shè)計(jì)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(4):65-681

[8] 彭 勇,閆文輝,李健博1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向力優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油鉆探技術(shù),2006,34(2):10-141

[9] 閆文輝,彭 勇.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].天然氣工業(yè),2006,26(11):70-72.

[10] 張 健,范鳳英.分注井水嘴直徑選擇的研究與應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2004,33(增刊):60-63.

Experimental Study on Execution System of Automatic Vertical Drilling System

NIE Yun-fei1,WU Zhong-hua1,SUN Hao-yu1,ZHANG Le-qi2,GENG Ying-chun1
(1.Drilling Technology Research Institute,S hengli Petroleum A dministration,Dongying257017,China; 2.Bohai No.1Drilling Company,Shengli Petroleum A dministration,Dongying257000,China)

The developed execution system is the key unit of automatic vertical drilling system.The execution system should make a quick and accurate response to the command of the controlling system for achieving the automatic vertical drilling function.The accurate operating performance parameter can not be obtained by theoretical model study,because the complicated structure of the execution system.Therefore,a lab simulated system was built and experimental study was conducted on execution system operating performance.The match lines and equations of pressure-up valve driving torque,flow rate-pressure,pressure-restoring force were experimentally studied.The operating performance of execution system meets the control demand of automatic vertical drilling system.

automatic vertical drilling;execution system;well inclination;experimental study

1001-3482(2011)05-0021-04

TE921.207

A

2010-11-10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2009AA093501)資助

聶云飛(1975-),男,山東廣饒人,工程師,碩士,2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究生院機(jī)械電子工程專業(yè),目前從事石油鉆井工具方面的研究工作,E-mail:nyfnyf2004@163.com。