吳寶影，王 文，姚金志，崔學(xué)廣，萬(wàn)亞旗

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng) 257061)

動(dòng)態(tài)高壓下隨鉆測(cè)井儀器活塞式壓力平衡裝置

吳寶影1，王 文1，姚金志2，崔學(xué)廣1，萬(wàn)亞旗2

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng) 257061)

鉆井液的壓力隨鉆井深度的變化而動(dòng)態(tài)變化，對(duì)采集鉆井液的隨鉆測(cè)井儀器提出了適應(yīng)動(dòng)態(tài)、寬范圍、高壓力工作條件的嚴(yán)苛要求.針對(duì)這些要求，設(shè)計(jì)了一種新型的活塞式壓力平衡裝置.首先通過(guò)仿真，從理論上論證了裝置的工作原理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，然后對(duì)研制的活塞式壓力平衡裝置展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠使隨鉆測(cè)井儀器自動(dòng)適應(yīng)工作壓力的動(dòng)態(tài)變化，降低了系統(tǒng)功耗，提高了其密封性.

隨鉆測(cè)井；動(dòng)態(tài)高壓；壓力平衡；密封

0 引 言

隨鉆測(cè)井儀器通常采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力源對(duì)幾千米以下的地層油氣信息進(jìn)行檢測(cè)，在整個(gè)的測(cè)井過(guò)程中，要求保證其內(nèi)部油壓總是高于外部鉆井液壓力，否則鉆井液將滲入到液壓系統(tǒng)內(nèi)部從而影響儀器的正常運(yùn)行.為解決此問(wèn)題，需要構(gòu)建相應(yīng)的基礎(chǔ)壓力自供給裝置用來(lái)增大測(cè)井儀器液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力，采用壓力平衡的方法可保證系統(tǒng)內(nèi)部油壓大于外部鉆井液壓力.

目前，常用的壓力補(bǔ)償器有金屬薄膜式、波紋管式和皮囊式等類(lèi)型[1].陳恩偉等[2]對(duì)活塞式壓力平衡裝置進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，總結(jié)了活塞式壓力平衡裝置的設(shè)計(jì)原則；黃豪彩等[3]設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)活塞式結(jié)構(gòu)的壓力平衡裝置，對(duì)海洋氣密采集器進(jìn)行壓力平衡；廖勝軍等[4]設(shè)計(jì)了一種可檢測(cè)位移的測(cè)井井下儀器壓力平衡活塞.

隨鉆測(cè)井儀器的工作環(huán)境復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：工作溫度達(dá)100 ℃以上；工作壓力達(dá)幾十兆帕；工作壓力變化范圍寬；地層中含有多種酸堿介質(zhì)等[5-7].工作條件的復(fù)雜性對(duì)測(cè)井儀器提出了較高的要求，包括耐高溫、抗高壓、高密封性等.為此，本文設(shè)計(jì)了一種活塞式壓力平衡裝置，可自適應(yīng)調(diào)整儀器內(nèi)部壓力，保證儀器的內(nèi)外壓力平衡.

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1—缸筒；2—活塞；3—彈簧；4—活塞桿.圖1 活塞式壓力平衡裝置原理圖

1.1 工作原理

活塞式壓力平衡裝置的工作原理如圖1所示.活塞式壓力平衡裝置主要由缸筒、活塞、彈簧和活塞桿等部件組成.缸筒的內(nèi)部有可以移動(dòng)的活塞，活塞的右端設(shè)有彈簧，液壓油壓力增大時(shí)，活塞右移；液壓油壓力減小時(shí)，活塞左移，從而使內(nèi)部液壓油的壓力與外部鉆井液的壓力達(dá)到平衡.

在壓力平衡裝置下井工作前，往缸筒內(nèi)注油，以保證彈簧處于預(yù)壓縮狀態(tài).彈簧預(yù)壓縮后，儀器下井工作，外部鉆井液通過(guò)導(dǎo)流接頭上的鉆井液入口進(jìn)入缸筒內(nèi)，推動(dòng)活塞左移壓縮液壓油，從而提高液壓油的壓力.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)井儀器井下工作的環(huán)境為高溫高壓，液壓油的體積隨溫度和壓力的變化而變化.其中，平衡活塞是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組件，通過(guò)在液壓缸內(nèi)的移動(dòng)來(lái)平衡外部的高壓環(huán)境[8].平衡活塞的結(jié)構(gòu)由活塞和彈簧組成，考慮到尺寸限制，初設(shè)缸筒的外徑不大于100 mm，考慮到缸筒與儀器外筒之間要留有環(huán)空流下行鉆井液，參考工程系列用液壓缸內(nèi)徑參數(shù)，選擇內(nèi)徑為63 mm的液壓缸，液壓缸外徑為76 mm，活塞外徑為63 mm，導(dǎo)流管外徑為28 mm.初始注油時(shí)，液壓油的壓力比外界壓力大0.1 MPa.通過(guò)計(jì)算可得到彈簧的剛度k=2.08 N/mm，自由高度H=492 mm.

1.3 密封性設(shè)計(jì)

活塞式壓力平衡裝置作為隨鉆測(cè)井儀器的部件，由于缸筒內(nèi)平衡活塞兩側(cè)充滿不同的介質(zhì)，活塞一端為液壓油，另一端為鉆井液與井下鉆井液的混合物(其具有腐蝕性)，因此對(duì)密封圈的密封性能要求較高[9].選擇密封圈時(shí)，需要考慮在不同介質(zhì)中密封圈的密封能力和材料的耐腐蝕性.本裝置中平衡活塞的設(shè)計(jì)采用雙道密封，密封圈的材料為氟橡膠，活塞的內(nèi)外均采用格萊圈和Y型圈進(jìn)行密封.格萊圈為雙向密封圈，廣泛應(yīng)用于動(dòng)密封，Y型圈為唇型密封，具有唇緣，唇緣尖部緊貼密封面阻止泄漏，密封效果較好，唇緣刃口可以刮除殘留在液壓缸壁上的鉆井液從而減小密封圈的摩擦力，更有利于發(fā)揮密封圈的工作效能.

2 仿真分析與研究

采用AMESim軟件[10-11]構(gòu)建活塞式壓力平衡裝置的仿真模型并進(jìn)行仿真.仿真模型如圖2所示.仿真模型主要包括：

1)1個(gè)帶有復(fù)位彈簧的單杠液壓缸來(lái)模擬液壓缸的彈簧側(cè)；

2)1個(gè)單桿缸來(lái)模擬液壓缸的無(wú)彈簧側(cè)；

3)1個(gè)質(zhì)量塊來(lái)模擬活塞的位移；

4)1個(gè)液壓源來(lái)模擬鉆井液壓力；

5)2個(gè)可變?nèi)莘e元件來(lái)模擬兩個(gè)液壓缸內(nèi)的容積變化.

在AMESim仿真時(shí)，對(duì)活塞式壓力平衡裝置參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)如表1所示.

圖2 活塞式壓力平衡裝置仿真模型

表1 活塞式壓力平衡裝置相關(guān)仿真參數(shù)

名稱(chēng)參數(shù)無(wú)彈簧液壓缸預(yù)設(shè)壓力/MPa0.1彈簧彈性模量/(N/mm)2.08彈簧預(yù)壓縮量/mm120液壓源輸入壓力/MPa(線性)0～60溢流閥設(shè)定值/MPa65活塞直徑/mm63活塞桿直徑/mm28

AMESim的仿真系統(tǒng)曲線如圖3所示.在整個(gè)仿真過(guò)程中，彈簧側(cè)壓力由0 MPa線性變化到60 MPa，用以模擬活塞式壓力平衡裝置下井時(shí)壓力的動(dòng)態(tài)變化，最后將壓力穩(wěn)定在60 MPa.

從仿真的曲線圖中選取4個(gè)點(diǎn)，4個(gè)點(diǎn)的壓力值分別如圖3(a)—(d)所示.由圖3(a)中可知，無(wú)彈簧側(cè)的預(yù)設(shè)壓力為0.1 MPa，彈簧側(cè)的預(yù)設(shè)壓力為0 MPa.在整個(gè)仿真運(yùn)行過(guò)程中的壓力值變化情況如圖3(b)—(d)所示，由圖3(b)—(d)可知，隨彈簧側(cè)壓力不斷地增大，無(wú)彈簧側(cè)壓力隨之增大，當(dāng)彈簧側(cè)壓力穩(wěn)定后，無(wú)彈簧側(cè)壓力也維持穩(wěn)定.無(wú)彈簧側(cè)液壓缸的壓力始終大于有彈簧側(cè)液壓缸的壓力，兩側(cè)的壓力差約為0.1 MPa.

圖3 不同時(shí)刻下兩側(cè)壓力變化對(duì)比圖

圖4 活塞位移曲線

活塞的位移曲線如圖4所示，液壓源的壓力值發(fā)生變化的同時(shí)活塞的隨之發(fā)生移動(dòng)，在液壓源的壓力穩(wěn)定之后活塞也保持穩(wěn)定.由圖4的曲線可知，活塞向無(wú)彈簧側(cè)移動(dòng)，位移為9 mm.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證活塞式壓力平衡裝置方案的可行性與結(jié)構(gòu)的有效性，開(kāi)展了裝置設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究.設(shè)計(jì)并加工了活塞式壓力平衡裝置，主要包括導(dǎo)流接頭、導(dǎo)流管、彈簧、活塞、缸筒和注油接頭等主要部件，其二維結(jié)構(gòu)如圖5所示.為了驗(yàn)證活塞式壓力平衡裝置效果，設(shè)計(jì)了液壓原理系統(tǒng)并搭建了一套相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，液壓原理如圖6所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示.

1—導(dǎo)流接頭；2—導(dǎo)流管；3—彈簧；4—活塞；5—缸蓋；6—溢流口；7—泥漿口；8—注油口.圖5 活塞式壓力平衡裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6 液壓原理圖

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)啟動(dòng)電動(dòng)液壓泵站的電機(jī)往缸筒的彈簧側(cè)注入液壓油，觀察壓力表的變化，待壓力表穩(wěn)定后關(guān)閉截止閥并關(guān)閉電機(jī)；

2)啟動(dòng)手提式電動(dòng)試壓泵的電機(jī)往缸筒的有彈簧側(cè)注鉆井液，壓力表的壓力變化到預(yù)設(shè)的范圍時(shí)關(guān)閉截止閥并關(guān)閉電機(jī)；

3)觀察壓力表上不同時(shí)刻的數(shù)值并記錄，檢查活塞缸兩側(cè)的泄漏情況.

實(shí)驗(yàn)得到的無(wú)彈簧側(cè)壓力和彈簧側(cè)壓力如表2所示.

表2 液壓缸兩側(cè)壓力值

圖8 壓力表數(shù)值變化情況

根據(jù)表2中液壓缸彈簧側(cè)和無(wú)彈簧側(cè)密閉容腔內(nèi)液壓油的壓力變化繪制的曲線如圖8所示.由圖8可知，彈簧側(cè)壓力始終高于無(wú)彈簧側(cè)壓力，即液壓油側(cè)的壓力始終大于鉆井液側(cè)壓力.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，觀察液壓缸筒內(nèi)的液壓油和鉆井液，沒(méi)有發(fā)生明顯泄露現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的壓力平衡裝置有效地平衡了外部鉆井液的壓力，并且保證了液壓系統(tǒng)油腔的壓力大于鉆井液腔的壓力，選用的密封圈防止了鉆井液和液壓油之間的明顯泄漏.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)測(cè)井儀器處于井下動(dòng)態(tài)高溫高壓等工作條件的要求，設(shè)計(jì)了一種活塞式壓力平衡裝置，通過(guò)平衡活塞的原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓油側(cè)的增壓.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，裝置能夠自適應(yīng)地對(duì)液壓油進(jìn)行增壓，平衡儀器外部壓力，且裝置有較好的密封性.為隨鉆測(cè)井儀器的液壓系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)高壓條件下可靠、長(zhǎng)時(shí)間工作提供了一種有效的解決方案.

[1] 畢華壯,歐陽(yáng)洋.井下儀器的壓力平衡及補(bǔ)償設(shè)計(jì)[J].聲學(xué)與電子工程,2004(3):36-37.

[2] 陳恩偉,楊歷,曹永友,等.活塞式水下力傳感器壓力平衡裝置力學(xué)特性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2016,27(13):1710-1715.

[3] 黃豪彩,楊燦軍,楊群慧,等.基于壓力自適應(yīng)平衡的深海氣密采水系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(12):148-154.

[4] 廖勝軍,侯洪為,張志剛,等.一種測(cè)井井下儀器壓力平衡活塞:202141427[P].2012-02-08[2016-11-14].

[5] DANIEL P J, SMUK S, TAHERIAN R, et al. Fluid Expansion in Mud Gas Logging:US8939021B2[P]. 2015-01-27[2016-11-14].

[6] 原宏壯,陸大衛(wèi),張辛耘,等.測(cè)井技術(shù)新進(jìn)展綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2005,20(3):786-795.

[7] 張辛耘,王敬農(nóng),郭彥軍.隨鉆測(cè)井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[J].測(cè)井技術(shù),2006,30(1):10-15.

[8] 趙旻昕.石油測(cè)井儀器的耐高壓設(shè)計(jì)[J].石油儀器,2009,23(2):12-14.

[9] 張?jiān)茊?深?；钊綁毫ζ胶庋b置密封結(jié)構(gòu)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2014.

[10] 袁士豪,殷晨波,劉世豪.基于AMESim的平衡閥動(dòng)態(tài)性能分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(8):273-280.

[11] JIN B Q, CHEN D B, CHENG H. Research on Joint Simulation and Modeling of Electro-Hydraulic Position Servo System Based on Simulink and AMESim[J]. Applied Mechanics & Materials, 2011,120:563-566.

APistonPressureBalanceDeviceofDynamicHigh-pressureCondition

WU Baoying1, WANG Wen1, YAO Jinzhi2, CUI Xueguang1, WAN Yaqi2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China; 2.SinopecVictoryPetroleumEngineeringGeologicalLoggingCompany,DongyingShandong257061,China)

The pressure of drilling fluid will dynamically change following the variation of drilling depth. Accordingly, there is a strong demand that logging while drilling(LWD) tool should adapt to dynamic and high pressure condition. To meet these requirements, a new type of piston pressure balancing device(PPBD) has been designed. It can adaptively change the pressure and reduce the power consumption of system. Firstly, the operating principle and machine construction of PPBD are introduced in this paper. Then, through simulation analysis with the AMESim software, the feasibility of operating principle and machine construction are verified. Finally, experiments were carried out with PPBD. The results show that PPBD can meet the request that balancing pressure and sealing.

logging while drilling; dynamic high pressure; pressure balancing; seal

TH137

A

1001-9146(2017)05-0068-04

10.13954/j.cnki.hdu.2017.05.013

2016-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275465)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LZ16E050001)

吳寶影(1993-)，男，浙江溫州人，碩士研究生，機(jī)電液一體化.通信作者：王文教授，E-mail：wangwn@hdu.edu.cn.