蔡春雷，成向陽，邢雪陽，李建波，唐振

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東東營257061;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司天津人力資源服務分公司，天津300452)

粒子沖擊鉆井技術(shù)是在常規(guī)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進機械破巖的同時，結(jié)合鉆井液中的硬質(zhì)鋼顆粒對地層高頻沖蝕，輔助機械鉆進，大幅度提高機械鉆速，是一種提高硬地層勘探開發(fā)效率的高效破巖鉆井方法［1－2］。

粒子沖擊鉆井系統(tǒng)主要包括3 個組成部分: 粒子注入系統(tǒng)、粒子回收系統(tǒng)和PID 鉆頭。

注入系統(tǒng)是安裝在泥漿泵和立管之間的獨立單元，通過三通連接到兩者之間的高壓管線上，其功能是將粒子注入到高壓鉆井液中。由于鉆井過程的連續(xù)性，如何實現(xiàn)粒子鉆井過程中粒子穩(wěn)定、均勻、連續(xù)、可控的注入對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要［3］。

粒子注入系統(tǒng)通過螺旋輸送機的轉(zhuǎn)動將粒子注入至高壓鉆井液管線中，實現(xiàn)粒子的持續(xù)、穩(wěn)定注入?，F(xiàn)有的傳動和控制螺旋輸送機的方法多為電機驅(qū)動，基本可以滿足注入功能，但是由于高壓罐和螺旋輸送機之間結(jié)構(gòu)連接緊湊，空間狹小，電機的安裝比較復雜、易產(chǎn)生振動及功耗較大等問題，均會影響螺桿轉(zhuǎn)速及輸送量的精確控制。為了解決上述問題，文中提出采用液壓動力系統(tǒng)控制螺旋輸送機，液壓控制機構(gòu)比較輕便，具有體積小、安裝簡單、可控性強等優(yōu)點，能實現(xiàn)粒子均勻、穩(wěn)定、可控輸出。

1 粒子沖擊鉆井液壓動力控制系統(tǒng)工藝設計

1.1 液壓驅(qū)動粒子注入工藝流程

粒子注入裝置采用液壓馬達驅(qū)動螺旋輸送機螺旋推進的方式注入鋼粒，工作原理如圖1 所示。

圖1 注入裝置工作原理圖

工作原理: 液壓動力控制系統(tǒng)通過控制液壓馬達帶動螺旋輸送機6 旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，同時鋼粒在自重條件下從高壓罐5 底部落入螺旋槽，隨著螺旋轉(zhuǎn)子繞水平軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，粒子在螺旋的推動下向前移動，到達出料口7 時鋼粒在自重條件下排出。螺旋注入裝置可以均勻、連續(xù)地向高壓鉆井液中注入鋼粒，并且可通過改變轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)注入量。

1.2 液壓系統(tǒng)的組成

設計采用開式液壓系統(tǒng)，柱塞泵通過電機將油箱中的液壓油吸出，具有一定壓力和流量的液壓油沿著油路管線輸送至液壓馬達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸帶動螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)，液壓馬達的液壓油沿著回路管線返回至油箱內(nèi)。比例控制閥通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓油的流量來調(diào)節(jié)馬達的轉(zhuǎn)速，當檢測的粒子注入量不符合要求時，根據(jù)需要來增大或減小螺桿的轉(zhuǎn)速。其特點是泵從油箱吸油進入油路，液壓油完成工作后返回油箱，結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的散熱、潤滑性能，成本低［4］。

2 液壓動力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

2.1 液壓系統(tǒng)設計

2.1.1 油源系統(tǒng)設計

該液壓系統(tǒng)用于給螺旋輸送機提供源動力，主要由防爆電機、柱塞泵、液壓馬達、電磁溢流閥、單向閥、壓力補償器，非標油路塊、風冷卻器、過濾器及電控制柜等元器件組成。

液壓系統(tǒng)設計如圖2 所示: 柱塞泵6 由防爆電機7 驅(qū)動，從油箱1 中吸去的液壓油經(jīng)過吸油濾清器5過濾后進入柱塞泵6，泵出口壓力可通過電磁溢流閥21 調(diào)定，并由壓力表11 顯示，回油直接流入油箱1中; 油泵輸出的高壓液壓油通過高壓管路過濾器10與非標油路塊15 相連，調(diào)節(jié)壓力補償器12 和比例換向閥13 確保系統(tǒng)內(nèi)壓力和流量的穩(wěn)定，通過電磁換向閥14 和疊加式制動閥16 可實現(xiàn)液壓馬達17 的正反轉(zhuǎn)，同時可減少馬達運轉(zhuǎn)時的慣性作用; 回油系統(tǒng)的液壓油經(jīng)過疊加式制動閥16 和電磁換向閥14，匯聚到非標油路塊15，然后經(jīng)風冷卻器18 降溫，最后回流到油箱1，完成工作循環(huán)。

圖2 液壓系統(tǒng)設計圖

2.1.2 主要技術(shù)參數(shù)設計

液壓系統(tǒng)的流量決定馬達輸出轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)壓力決定馬達輸出扭矩。因此，為滿足工況，需對系統(tǒng)的流量、壓力進行計算設計［5－6］。

(1) 油路系統(tǒng)額定壓力pn設計

液壓泵工作的最大壓力pMax為:

式中: p1為液壓馬達的最大工作壓力，25 MPa;

∑Δp 為液壓泵出口到液壓馬達入口間總的管路損失。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，管路進出口有調(diào)節(jié)閥，取∑Δp= 0.2 MPa。

則可得液壓泵的最大工作壓力為pMax= 25.2 MPa?？紤]到系統(tǒng)的動態(tài)波動及壓力貯備，確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應滿足pn≥1.25pMax，因此選泵的額定壓力pn=31.5 MPa。

(2) 油路系統(tǒng)額定流量Qn設計

式中: Nn為液壓馬達的最大輸出轉(zhuǎn)速，100 r/min;

Vn為液壓馬達的額定排量，594 mL/r。

計算得油路系統(tǒng)額定流量Qn=59.4 L/min，綜合考慮，選泵的額定流量Qn=60 L/min。

2.2 液壓動力系統(tǒng)設計

該液壓動力系統(tǒng)作用于機筒內(nèi)壓力達25 MPa 的螺旋輸送機，要求能平穩(wěn)地輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。正常工作時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于防爆電機和柱塞泵等動力設備以及控制閥門開關(guān)的穩(wěn)定性與連續(xù)性［7］。

(1) 確定供油方式

因為系統(tǒng)為中高壓系統(tǒng)，一般型號的齒輪泵壓力不足，且效率低?？紤]到液壓馬達工作時負載較大，扭矩、速度可調(diào)節(jié)，從節(jié)能角度減少發(fā)熱考慮，泵源系統(tǒng)宜選用效率高的軸向柱塞泵供油。

(2) 調(diào)速方式

根據(jù)馬達工作時對低速性能和速度負載的特性有一定要求的特點，采用軸向柱塞泵和調(diào)節(jié)閥組成的容積塞泵節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小的特點。

(3) 方向控制

此系統(tǒng)采用單向閥和電磁換向閥來控制馬達輸出正、反轉(zhuǎn)，回路上安裝疊加式制動閥，能緩解馬達啟動或停止時的慣性，減小振動。

整套系統(tǒng)共有3 條管路，進、出油的2 條主油管和泄油管1 條，通過改變油路方向來控制馬達輸出的正、反轉(zhuǎn)，泄油管路將多余的油流回油箱。防爆電機作為此系統(tǒng)直接動力源，功率選用18.5 kW，柱塞泵作為直接壓力源，選用額定排量40 mL/r，額定壓力31.5 MPa; 液壓馬達作為執(zhí)行機構(gòu)，選用最大輸出轉(zhuǎn)速100 r/min，額定轉(zhuǎn)矩1 500 N·m; 電磁換向閥、電磁溢流閥、壓力補償器等控制閥門可用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各類壓力、流量、方向等，也用于實現(xiàn)過載保護［8］。

2.3 冷卻系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)中功率損失大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，導致油溫上升使效率下降，同時也將加速惡化油的性能，容易引起泄漏，使系統(tǒng)難以正常工作，故應對液壓系統(tǒng)的熱平衡進行核算和分析，并設計適當?shù)睦鋮s方式。

此液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，一部分通過油箱和管路、元件表面散發(fā)到大氣中，另一部分由冷卻裝置冷卻回流到油箱。綜合分析和核算熱平衡，冷卻方式易采用溫控冷卻和電動機自帶風扇冷卻，此冷卻系統(tǒng)采用額定轉(zhuǎn)速為1 360 r/min、功率為80 W 的風扇。由于溫控冷卻系統(tǒng)的風扇轉(zhuǎn)速隨著液壓系統(tǒng)的油溫升高而加快，當油溫降低到某一值時，風扇可以不轉(zhuǎn)或低速運轉(zhuǎn)，故達到了節(jié)能和降噪的目的。

3 液壓動力控制系統(tǒng)室內(nèi)實驗與現(xiàn)場試驗研究

3.1 室內(nèi)實驗

3.1.1 實驗內(nèi)容、目的

此次室內(nèi)試驗于2013年7月在中國石油大學(華東) 高壓水射流實驗室進行，主要進行液壓系統(tǒng)在工作條件下的單項調(diào)整實驗(輸出扭矩、轉(zhuǎn)速等)和負載實驗，驗證液壓動力系統(tǒng)裝置的可靠性、可控性以及驅(qū)動注入裝置能否實現(xiàn)粒子連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的輸出。

3.1.2 實驗儀器、材料

實驗選用如圖3 所示的液壓動力工作站1 臺，螺旋輸送機1 臺，支架1 臺，進、出料口堵頭各1 個，水泵1 個，水箱1 個，打壓機1 個，清水，壓力傳感器1 臺，壓力顯示儀表1 臺，轉(zhuǎn)速傳感器1 臺，轉(zhuǎn)速顯示儀表1 臺，扭矩傳感器1 臺，扭矩顯示儀表1臺等。

圖3 液壓動力控制系統(tǒng)室內(nèi)實驗

3.1.3 實驗方法步驟

(1) 檢查液壓動力系統(tǒng)，確定裝置完好;

(2) 設備連接，安裝傳感器，進料口堵頭上的加壓孔、卸壓孔均敞開。從加壓孔加水，至兩孔都有水溢出，加壓孔連接加壓管線，用手壓泵打壓至卸壓孔有水溢出，關(guān)手壓泵保壓閥門，再安裝卸壓孔堵頭;

(3) 打開手壓泵保壓閥，用手壓泵開始加壓，以5 MPa 梯度加壓，各壓力值下保壓運轉(zhuǎn)10 min，至30 MPa;

(4) 開啟液壓泵站，緩慢調(diào)節(jié)液壓馬達轉(zhuǎn)速至50 r/min，運轉(zhuǎn)10 min; 記錄各機筒壓力下的液壓泵站輸出扭矩值，并觀察液壓部件和連接處滲漏狀況及有無異響;

(5) 卸壓至25 MPa，保持機筒內(nèi)壓力恒定，以10 r/min 梯度調(diào)節(jié)馬達輸出轉(zhuǎn)速，各轉(zhuǎn)速值下保速運轉(zhuǎn)10 min 至100 r/min，記錄各轉(zhuǎn)速值下的液壓泵站輸出扭矩值，并觀察液壓部件和連接處滲漏狀況及有無異響;

(6) 實驗結(jié)束，停機，打開保壓閥，拆卸壓孔堵頭卸壓。

3.1.4 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

如圖4、5 所示: 在轉(zhuǎn)速恒定條件下，隨著機筒內(nèi)工作介質(zhì)壓力的提高，液壓馬達的輸出扭矩和輸出功率都增加。這是由于隨著壓力的增加，旋轉(zhuǎn)密封圈的收縮量增大，其抱緊螺桿軸的力也增大，導致螺桿的工作扭矩和功率增大。

圖4 輸出扭矩與機筒壓力關(guān)系圖(50 r/min)

圖5 輸出功率與機筒壓力關(guān)系圖(50 r/min)

如圖6、7 所示: 在介質(zhì)壓力恒定時，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，液壓馬達的輸出功率增加，但其輸出扭矩保持不變，說明在恒定介質(zhì)壓力時，輸送機的負載一定，其所需扭矩也一定。

圖6 輸出扭矩與螺桿轉(zhuǎn)速關(guān)系圖(25 MPa)

圖7 輸出功率與螺桿轉(zhuǎn)速關(guān)系圖(25 MPa)

在實驗過程中，輸送機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，未見明顯震動和異響狀況，各液壓管路及接頭連接處未見明顯滲漏。因此，設計的液壓動力系統(tǒng)有效地解決了粒子注入系統(tǒng)連續(xù)、平穩(wěn)注入的難題。

3.2 現(xiàn)場試驗情況

該液壓動力裝置于2013年8月在川慶鉆探龍崗022-H7 井進行了粒子鉆井系統(tǒng)現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場試驗情況如圖8 所示。

圖8 粒子注入裝置現(xiàn)場應用情況

試驗過程中，井深為2 730 ～2 957 m 的直井段，地層為須家河組須五段，泥漿泵排量26 L/s，泵壓19.7 MPa，粒子注入量7.7 t，鉆壓(18 ～20)×104N，輸出扭矩5.0 ～5.5 N·m，液壓工作站壓力5 ～10 MPa，馬達轉(zhuǎn)速30 ～60 r/min，粒子注入時間1.5 h。

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明: 該裝置可以順利實現(xiàn)粒子在高壓介質(zhì)中的可控量注入，通過調(diào)節(jié)液壓站系統(tǒng)的流量來控制馬達轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力來控制馬達輸出扭矩，初步實現(xiàn)了粒子鉆井液壓動力控制裝置的預期功能，為粒子鉆井技術(shù)的推廣應用奠定了基礎。

4 結(jié)論與建議

通過理論設計及室內(nèi)實驗、現(xiàn)場試驗分析，研究了用于驅(qū)動粒子沖擊鉆井注入裝置的液壓動力裝置，主要結(jié)論如下:

(1) 設計出1 套額定扭矩1 500 N·m、額定排量60 L/min、額定壓力16 MPa、額定轉(zhuǎn)速100 r/min的液壓動力控制系統(tǒng)裝置;

(2) 試驗結(jié)果表明: 液壓動力系統(tǒng)能輸出平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速和扭矩，實現(xiàn)了均勻、穩(wěn)定、可控注入鋼粒的要求;

(3) 該裝置簡單易裝、經(jīng)濟節(jié)能、安全可控，易于鉆井現(xiàn)場的應用，為粒子鉆井技術(shù)提高深部耐磨硬地層機械鉆速提供了動力控制設備支持。

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