范效禮 王昕 朱宏武 李征

摘 要：本文自主開發(fā)了新型頂驅(qū)下套管裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)下套管過程的自動(dòng)化控制，達(dá)到安全高效的目的，節(jié)約了下套管成本。設(shè)計(jì)的頂驅(qū)下套管裝置的液壓系統(tǒng)的性能直接影響著整個(gè)裝置功能的實(shí)施和裝置的性能。對(duì)液壓系統(tǒng)的性能評(píng)估和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性需要進(jìn)行模擬仿真。用AMESim軟件建立了頂驅(qū)下套管裝置液壓系統(tǒng)的模型并進(jìn)行了仿真，目的是減少頂驅(qū)下套管裝置性能試驗(yàn)成本，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。用仿真的結(jié)果和理論計(jì)算值進(jìn)行了分析對(duì)比，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的液壓缸的合理性。

關(guān)鍵詞：頂驅(qū)下套管裝置;液壓系統(tǒng);AMESim;仿真

Simulation of Top-drive Casing Compensation Hydraulic System Based on AMESim

Fan Xiaoli1 Wang Xin1 Ye Wei1 Zhu Hongwu2 Li Zheng2

（1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Inspection Institute of Special Equipment，Urumqi;2.College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing）

Abstract： By controlling the process of casing， a new type of top-drive casing system has reached the control targets of reducing the capitalized cost and achieved safety， high efficiency purposes. The performance of top-drive casing running hydraulic system directly influences the performance and operation of the system. Testing the performance of the system needs hydraulic simulation. Based on the software AMESim， the hydraulic system model of top-drive casing running system has been set up and simulated. The main purpose is reducing the cost of the top-drive casing running system test and saving time. The results of simulation and theoretical calculation value have been analyzed and compared. This process is required to verify the designed hydraulic cylinders to meet the requirements.

Keyword： Top-drive casing system， Hydraulic System， AMESim， Simulation

引言

頂驅(qū)下套管裝置是一種結(jié)合頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)，用在下套管作業(yè)的集機(jī)械、液壓于一體的自動(dòng)裝置。利用頂驅(qū)下套管裝置是下套管作業(yè)中未來發(fā)展的趨勢(shì)。該裝置國(guó)外主要生產(chǎn)商是NOV、Tesco和Weatherford，國(guó)內(nèi)是北京石油機(jī)械廠[1]。由于北京石油機(jī)械廠和Tesco頂驅(qū)下套管裝置無重力補(bǔ)償裝置;Weatherford的卡緊力為定值易損傷套管;NOV的需要單獨(dú)設(shè)計(jì)配套的液壓和電纜管匯的缺點(diǎn)。新的頂驅(qū)下套管裝置的重力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)是整個(gè)裝置中關(guān)鍵的系統(tǒng)，主要起到保護(hù)裝置的作用。重力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的液壓缸可以抵消一部分重力，從而避免上扣時(shí)損傷套管螺紋。并可以精確施加向下推力[2]。利用AMESim液壓仿真軟件對(duì)新型頂驅(qū)下套管裝置的補(bǔ)償液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，能檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的補(bǔ)償液壓系統(tǒng)是否合理，是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

1.重力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)工作原理

圖1為重力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)在AMESim軟件中的控制圖，液壓系統(tǒng)的液壓源的壓力為40Mpa、流量為250ml/r的液壓油。由于頂驅(qū)下套管重力補(bǔ)償?shù)囊簤合到y(tǒng)要抵消一部分重力和遇卡過程中保護(hù)裝置的作用。所以重力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)被分為三個(gè)運(yùn)動(dòng)過程：重力補(bǔ)償過程、遇卡加壓過程和液壓缸回到原位過程。

重力補(bǔ)償過程：電磁換向閥3通電接通，液壓油通過減壓閥19和溢流閥18，進(jìn)入電磁換向閥13，電磁換向閥13接通下位，液壓油進(jìn)入液壓缸。這時(shí)活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞桿對(duì)下面加壓進(jìn)行重力補(bǔ)償。同時(shí)電磁換向閥11上位打開，液壓油經(jīng)過安全閥9、電磁換向閥11、平衡閥14和過濾器21回到油箱。

遇卡加壓過程：重力補(bǔ)償過程中，如果頂驅(qū)下套管遇卡相應(yīng)的液壓缸所受的力增大，這時(shí)補(bǔ)償力也要增大。電磁換向閥13進(jìn)入中位狀態(tài)，通過該電磁換向閥的油路關(guān)閉。同時(shí)，電磁換向閥8下位工作。液壓油經(jīng)過減壓閥5、溢流閥6、液壓節(jié)流閥7和電磁換向閥8進(jìn)入液壓缸，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)使向下推力增大。液壓油經(jīng)過安全閥9、電磁換向閥8、平衡閥12和過濾器21回到油箱。

液壓缸回到原位過程：電磁換向閥11下位工作，電磁換向閥13上位工作。液壓油經(jīng)過減壓閥17、溢流閥16、節(jié)流閥15、電磁換向閥11和液控單向閥9進(jìn)入液壓缸內(nèi)，帶動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)使活塞回到開始工作的位置。液壓油經(jīng)過電磁換向閥13和過濾器21回到油箱。

1-泵;2-單向閥;3-兩位兩通電磁換向閥;4，6，16，18-溢流閥;5，17，19-減壓閥;7，15-液壓節(jié)流閥;9-液控單向閥 ;8 -三位四通電磁換向閥;11，13-三位三通電磁換向閥;10-液壓缸;12，14-平衡閥;20，21-過濾器

圖1 補(bǔ)償液壓系統(tǒng)原理圖

2.重力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)AMESim模型

根據(jù)重力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的原理圖，建立液壓系統(tǒng)AMESim模型。在建立AMESim模型時(shí)，可以忽略掉影響液壓系統(tǒng)較小的因素[4]。建立的AMESim模型如圖2所示。

圖2補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的仿真模型

3.仿真結(jié)果分析

由于需要驗(yàn)證補(bǔ)償液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)的合理性，主要對(duì)補(bǔ)償液壓缸的活塞位移、活塞速度、液壓缸進(jìn)口流量和液壓缸出口流量進(jìn)行模擬仿真。對(duì)這四個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的補(bǔ)償液壓缸。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和重力補(bǔ)償?shù)囊?，補(bǔ)償液壓系統(tǒng)仿真時(shí)間為30秒，取其中的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行仿真值和理論值誤差分析。

補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的位移在0～5秒是不斷穩(wěn)定的增加;5～27秒期間是位移增加的趨勢(shì)變慢在27秒鐘活塞位移達(dá)到0.05m，25～30秒活塞位移沒有變化說明活塞在這個(gè)時(shí)間段停止運(yùn)動(dòng)并達(dá)到平衡狀態(tài)。如圖3所示。

圖3 重力補(bǔ)償狀態(tài)下液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的位移圖 ? ? ? ? ? 圖4重力補(bǔ)償狀態(tài)下液壓缸活塞的速度曲線

在0～1秒內(nèi)，活塞的速度突然增加到0.0039m/s;1～25秒活塞的速度是均勻下降的加速度為恒定值;25～27秒活塞速度是一直減小的，最后減少到為零。如圖4所示。

圖5重力補(bǔ)償狀態(tài)下液壓缸進(jìn)油口油壓曲線 ? ? ? ? ? ? ? ? 圖6重力補(bǔ)償狀態(tài)下液壓缸出油口油壓曲線

0～0.6秒液壓缸的進(jìn)油口的流量從0變化到77.3L/min;0.6～0.7秒液壓缸的進(jìn)口的流量從77.3L/min 突然變化到46.9L/min;0.7～25秒液壓缸進(jìn)口的流量從46.9L/min變化到1.36L/min，25～27秒流量是從1.36 L/min減少到零。如圖5所示。

0～0.6秒液壓缸的出油口的流量從0變化到78.3L/min;0.6～25秒液壓缸的出口的流量從77.3L/min變化到46.9L/min;0.7～25秒液壓缸進(jìn)口的流量從46.9L/min變化到 1.36L/min，25～27秒流量是從1.36L/min減少到零。如圖6所示。

活塞速度誤差和液壓缸進(jìn)出口流量誤差分析如表1所示。

表1 補(bǔ)償液壓系統(tǒng)仿真值和理論值對(duì)比

參數(shù) 1點(diǎn) 2點(diǎn) 3點(diǎn) 4點(diǎn) 5點(diǎn)

活塞速度仿真值 0.00268m/s 0.00382m/s 0.00365 m/s 2.83×10-4 m/s 4.53×10-5 m/s

活塞速度理論值 0.00264 m/s 0.00379 m/s 0.00368m/s 2.8×10-4 m/s 4.47×10-5 m/s

活塞速度誤差 1.52% 0.79% 0.82% 1.07% 1.34%

液壓缸進(jìn)口流量仿真值 72.9 L/min 76.7L/min 46.9 L/min 2.31 L/min 0.628 L/min

液壓缸進(jìn)口流量理論值 71.8 L/min 75.5 L/min 47.6 L/min 2.28 L/min 0.620 L/min

液壓缸進(jìn)口流量誤差 1.53% 1.59% 1.47% 1.32% 1.29%

液壓缸出口流量仿真值 61.9L/min 76.8L/min 72.7 L/min 2.95 L/min 0.803 L/min

液壓缸出口流量理論值 61.2 L/min 75.7 L/min 73.6 L/min 2.99 L/min 0.791 L/min

液壓缸出口流量誤差 1.14% 1.45% 1.22% 1.34% 1.51%

根據(jù)以上可知：活塞位移曲線說明了裝置在補(bǔ)償時(shí)一直是平穩(wěn)的運(yùn)行;活塞速度曲線說明裝置在補(bǔ)償裝置的作用下能快速反應(yīng)，防止速度過快引起危險(xiǎn);液壓缸進(jìn)出口流量曲線符合設(shè)計(jì)液壓缸的流量要求。以上說明吊補(bǔ)償液壓系統(tǒng)能快速安全補(bǔ)償裝置由裝置在下升套管過程中受的過載力，這說明設(shè)計(jì)的液壓缸是符合設(shè)計(jì)要求的。

4.結(jié)論

AMESim軟件具有界面直觀、操作簡(jiǎn)單、上手快。利用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)仿真減少了15%～20%的設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)省了成本。驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的頂驅(qū)下套管的補(bǔ)償液壓液壓系統(tǒng)的合理性。AMESim軟件越來越多在石油機(jī)械上得到應(yīng)用。

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