劉振東，張彥廷，張 偉，史明濱，王 康，黃魯蒙

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.中石化石油工程地球物理有限公司 華北分公司，鄭州 450000)①

·專(zhuān)題研究·

油缸直驅(qū)式鉆機(jī)模型自動(dòng)送鉆研究

劉振東1，張彥廷2，張 偉3，史明濱2，王 康2，黃魯蒙2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.中石化石油工程地球物理有限公司 華北分公司，鄭州 450000)①

為加快國(guó)內(nèi)油缸直驅(qū)式鉆機(jī)的研發(fā)進(jìn)程，利用三維造型軟件按比例設(shè)計(jì)了一套油缸直驅(qū)式鉆機(jī)模型及其液壓系統(tǒng)，并采用模糊PID控制技術(shù)對(duì)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真研究，取得了良好的控制效果，可以滿(mǎn)足自動(dòng)送鉆的使用要求。

鉆機(jī)；自動(dòng)送鉆；模型設(shè)計(jì)；模糊PID

液壓技術(shù)在石油鉆機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。挪威MH公司研制的Ram Rig鉆機(jī)已形成系列并批量生產(chǎn)，其負(fù)載能力1 470～9 800 kN，并利用液壓控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了恒鉆壓自動(dòng)送鉆，鉆井效率提高15～20%[1]。國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)的液壓技術(shù)與國(guó)外相比差距很大，為此，采用三維造型軟件按比例設(shè)計(jì)了一套油缸直驅(qū)式鉆機(jī)模型，并開(kāi)展了自動(dòng)送鉆控制研究。

1 油缸直驅(qū)式鉆機(jī)模型

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

油缸直驅(qū)式鉆機(jī)的原型及模型(縮放比例為1∶5)技術(shù)參數(shù)如表1。

1.2 模型鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

模型鉆機(jī)主要包括井架、底座、主油缸、頂驅(qū)、鐵鉆工和管子操作系統(tǒng)等，如圖1所示。其中主油缸為鉆機(jī)的核心執(zhí)行單元。

表1 油缸直驅(qū)式鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 油缸直驅(qū)式鉆機(jī)模型

1.3 主油缸液壓系統(tǒng)

主油缸的液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。選用EP型變量柱塞泵，可以通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整泵的輸出流量和壓力，達(dá)到降低能耗的效果；選用2個(gè)比例調(diào)速閥來(lái)控制主油缸，以滿(mǎn)足主油缸在不同工況下速度相差大的要求，并達(dá)到良好的控制精度。

圖2 主油缸液壓系統(tǒng)原理

2 自動(dòng)送鉆控制原理及方法

2.1 控制原理

自動(dòng)送鉆采用恒鉆壓方式，控制原理如圖3所示。自動(dòng)送鉆時(shí)，電磁鐵1YA、3YA、4YA和5YA通電，PLC根據(jù)主油缸1無(wú)桿腔工作壓力控制比例電磁鐵5YB的閥口開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)主油缸1的速度控制，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際鉆壓與目標(biāo)鉆壓保持基本相等。

圖3 自動(dòng)送鉆控制原理

2.2 控制方法

井底鉆壓與主油缸無(wú)桿腔壓力、有桿腔壓力和鉆具重力的關(guān)系為

WZ=(m1+m2)g+p1A1-p2A2

(1)

式中：WZ為井底對(duì)鉆頭的作用力，N；m1為主油缸活動(dòng)部件的質(zhì)量，kg；m2為鉆具質(zhì)量，kg；A1和A2分別為主油缸有桿腔、無(wú)桿腔工作面積，m2；g為重力加速度，9.8 m/s2；p1和p2分別為主油缸有桿腔、無(wú)桿腔工作壓力，Pa。

為提高系統(tǒng)控制精度，將鉆壓控制系統(tǒng)分解為三環(huán)控制系統(tǒng)[2]，如圖4所示。

由內(nèi)到外，分別為流量、速度和鉆壓控制回路。為簡(jiǎn)化算法，采用單元反饋。

圖4 自動(dòng)送鉆控制框圖

3 流量控制環(huán)設(shè)計(jì)

比例調(diào)速閥原理如圖5所示[3]。

圖5 比例調(diào)速閥原理

流量控制框圖如圖6所示。圖6中Ka為流量-電流比例系數(shù)，I為電流，D(s)為比例電磁鐵傳遞函數(shù)，x為閥芯位移，L(s)為從x到調(diào)速閥流量的傳遞函數(shù)。

圖6 流量環(huán)控制框圖

3.1 比例電磁鐵傳遞函數(shù)

比例電磁鐵的輸出力動(dòng)態(tài)特性為

(2)

式中：KFi為電流力增益，N/A；fM為電磁滯回力，N；τd為純延遲時(shí)間，s；Fr為庫(kù)侖摩擦力，N。

比例電磁鐵的位移動(dòng)態(tài)特性為

(3)

式中：m、Ks、c分別為等效質(zhì)量、彈簧剛度和阻尼系數(shù)。

對(duì)式(2)、(3)進(jìn)行拉氏變換，并取Fr=0，fM=0，τd=0，得：

(4)

取KFi=175 N/A，m=0.5 kg，Ks=800 N/m，c=500 N·s/m，則比例電磁鐵傳遞函數(shù)為

(5)

3.2 位移-流量傳遞函數(shù)

(6)

3.3 流量環(huán)傳遞函數(shù)

由式(5)、(6)可得流量控制的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

流量環(huán)閉環(huán)采用PID控制方法。

4 速度控制環(huán)設(shè)計(jì)

4.1 油液連續(xù)性方程

主油缸無(wú)桿腔液壓油的連續(xù)性方程[4]為

(8)

式中：v為主油缸活塞速度，m/s；q為無(wú)桿腔流量，m3/s；βe為液壓油體積彈性模量，Pa；Vc為無(wú)桿腔容積，m3；Cip為主油缸內(nèi)部泄露系數(shù)，m5/(N·s)。

4.2 活塞動(dòng)力平衡方程

主油缸活塞運(yùn)動(dòng)的力平衡方程[5]為

(m1+m2)g+p1A1-p2A2-WZ-f=

(9)

式中：WZ為鉆壓設(shè)定值，N；f為鉆柱所受到的浮力和摩擦力，N；k1和k2分別為油液、鉆柱彈簧剛度，N/m；B1和B2分別為主油缸活塞和井筒中鉆柱的黏性阻尼系數(shù)，kg/s；y為主油缸活塞位移，m。

對(duì)式(8)、(9)進(jìn)行拉氏變換，得：

(10)

4.3 流量-速度傳遞函數(shù)

在自動(dòng)送鉆過(guò)程中，難以準(zhǔn)確測(cè)得F(s)的變化規(guī)律，所以取F(s)=0；當(dāng)送鉆速度與鉆進(jìn)速度相近時(shí)，鉆具變形很小，取k1=k2=0；由于鉆進(jìn)加速度很小，頂驅(qū)和鉆具的加速度對(duì)其影響很小，流量-速度傳遞函數(shù)為

(11)

(12)

4.4 速度環(huán)傳遞函數(shù)

速度環(huán)控制框圖如圖7所示。圖7中為Kb速度-流量系數(shù)，Gv(s)為流量-速度傳遞函數(shù)。

圖7 速度環(huán)控制方框圖

5 鉆壓控制環(huán)設(shè)計(jì)

目前廣泛采用的鉆壓與鉆進(jìn)速度之間的表達(dá)式為修正楊格模式[6]。

(13)

式中：v為鉆進(jìn)速度；K1為巖石可鉆性系數(shù)；M為門(mén)限鉆壓；Cp為壓差影響系數(shù)；CH為水力參數(shù)影響系數(shù)；C2為鉆頭牙齒磨損系數(shù)；n為鉆柱轉(zhuǎn)速；h為鉆頭牙齒磨損量。

v(s)=KWZ(s)-KM(s)

(14)

由于鉆井過(guò)程中，在各種擾動(dòng)因素影響下很多參數(shù)難以測(cè)量，系數(shù)不斷變化；同時(shí)M(s)也在不斷變化，無(wú)法得到確切的狀態(tài)方程，為此采用模糊控制。

鉆壓環(huán)控制框圖如圖8所示。模糊控制器采用單變量二維模糊控制器。

圖8 鉆壓環(huán)控制框圖

5.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

取鉆壓誤差e的基本論域?yàn)閇-4，+4]N；ec的基本論域?yàn)閇-16，+16]N/s。在自動(dòng)送鉆過(guò)程中只能實(shí)現(xiàn)單向的加速和減速，所以u(píng)的論域是非對(duì)稱(chēng)的。取主油缸的速度變化范圍為[0，0.002 25]m/s，為便于計(jì)算，采用增量式，取值[-0.000 4，+0.000 4] m/s。

將e和ec的模糊論域量化為13檔，u的模糊論域量化為15檔。為提高控制精度，設(shè)定e的隸屬度函數(shù)在零值附近比較集中；解模糊方法采用最大隸屬度法，模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則[2]

5.2 模糊控制系統(tǒng)仿真

控制系統(tǒng)仿真框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)仿真框圖

流量環(huán)取Kp=600，tI=0.2，tD=0.02；速度環(huán)取Kp=0.8，Ki=0.025；壓力環(huán)1/K為6.35×105N·s/m，M為85 N，WZ為1 650 N。系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)

由圖10可見(jiàn)：系統(tǒng)未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)誤差為0.31%，調(diào)整時(shí)間為0.32 s，能夠快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并保持，滿(mǎn)足自動(dòng)送鉆控制要求。

6 結(jié)論

1) 利用三維造型軟件按比例設(shè)計(jì)了一套油缸直驅(qū)式石油鉆機(jī)模型，并完成了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2) 針對(duì)該鉆機(jī)油缸直驅(qū)式的特點(diǎn)，建立了自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；采用模糊PID控制技術(shù)對(duì)流量環(huán)、速度環(huán)和壓力環(huán)通過(guò)Simulink進(jìn)行了仿真，取得了理想的控制效果，為油缸直驅(qū)式鉆機(jī)的研制及其自動(dòng)送鉆控制提供了一定的技術(shù)參考。

[1] 張連山．國(guó)外液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的新進(jìn)展[J].石油機(jī)械，2000，28(2)：52-54.

[2] 高巖．石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆智能控制系統(tǒng)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[3] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐．實(shí)用電液比例技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1993.

[4] 李永堂，雷步芳，高雨茁．液壓系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5] 李延龍．液壓驅(qū)動(dòng)柱塞泵比例控制若干問(wèn)題的研究[D].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2006.

[6] 郭學(xué)增．最優(yōu)化鉆井理論基礎(chǔ)與計(jì)算[M].北京：石油工業(yè)出版，1987.

Automatic Drill Research of Hydro-cylinder Direct-drive Rig Model

LIU Zhendong1，ZHANG Yanting2，ZHANG Wei3，SHI Mingbin2，WANG Kang2，HUANG Lumeng2

(1.Petroleum Industry Training Center,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;3.HuabeiBranch,SinopecGeophysicalCorporation,Zhengzhou450000,China)

In order to speed up the research process of hydro-cylinder direct-drive rig in domestic，a 3D modeling software is used to design a set of hydro-cylinder direct-drive rig model，to design the hydraulic system，and fuzzy PID control technology is used to design automatic drilling control system，the simulation shows the result is good，and can satisfy the requirement of automatic drilling.

rig；automatic drilling；model design；fuzzy PID

1001-3482(2016)12-0001-05

2016-06-06

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M592269)；青島市博士后資助項(xiàng)目(2015253)

劉振東(1982-)，男，山東單縣人，工程師，博士研究生，主要從事陸地和海洋石油鉆井裝備的研發(fā)工作，E-mail：liuzd28@upc.edu.cn。

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.001