矯 龍

( 中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201)

隨著油氣資源的不斷深入開發(fā)，復雜地層鉆井作業(yè)出現(xiàn)的頻次越來越高[1-2]，對鉆井作業(yè)的效率提出更高的要求。傳統(tǒng)的管柱輸送作業(yè)需要多人配合完成，作業(yè)人員勞動強度大、危險性高、作業(yè)效率低，易發(fā)生人身傷亡事故，因此鉆井作業(yè)現(xiàn)場需要輸送能力強、作業(yè)高效的向鉆臺面輸送管柱的系統(tǒng)。動力貓道能有效解決管柱輸送的問題，其在國外較早投入應(yīng)用[3-4]，能在鉆井作業(yè)過程中將鉆桿、鉆鋌或套管等鉆井工具從排管架上取出并傳送到鉆臺面上；在完成鉆井作業(yè)時，又將鉆井工具從鉆臺面上回收輸送至排管架內(nèi)[5-6]。動力貓道的使用能夠縮短鉆井周期、節(jié)約人力、物力和減少頻繁搬家?guī)淼某杀?，大幅降低了鉆井的附加費用，并可減輕鉆、修井工人的勞動強度，實現(xiàn)健康、安全、環(huán)保的理念，這就要求動力貓道工作的可靠性和效率高。本文僅以動力貓道底座中的鉆柱推送機構(gòu)出現(xiàn)不同步的問題進行分析，為動力貓道的現(xiàn)場應(yīng)用、技術(shù)優(yōu)化、性能提升提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

動力貓道是集機、電、液一體化技術(shù)的產(chǎn)品，具有自動提升和下放鉆柱的功能，主要由鉆臺面、鉆柱輸送裝置、坡道、支架、液壓絞車和貓道底座等組成[7-8]，如圖1所示。

1-鉆臺面；2-鉆柱輸送裝置；3-支架；4-貓道底座；5-液壓絞車；6-坡道。

動力貓道的工作方式為：液壓排管架將鉆柱滾入貓道底座中的推送機構(gòu)(如圖2)。推送機構(gòu)布置有2組翹板，翹板分別由2只液壓缸驅(qū)動，液壓缸活塞桿伸出或縮回帶動翹板翹起或復位，翹板翹起時，推送機構(gòu)處的鉆柱在其自身重力的作用下落入鉆柱輸送裝置中。貓道底座處設(shè)有安全銷，通過移動安全銷的位置來適應(yīng)不同直徑的鉆柱[9-10]。液壓絞車通過鋼絲繩帶動鉆柱輸送裝置及輸送裝置上的鉆柱沿坡道上升到鉆臺面需要的位置處。鉆柱輸送裝置將鉆柱推送至鉆臺面小鼠洞位置處，此時頂驅(qū)接住輸送裝置推送來的鉆柱，并提升鉆柱進行鉆井作業(yè)。鉆柱下放時，將鉆井工具從鉆臺面上回收并輸送至排管架內(nèi)，工作流程與鉆柱輸送過程相反。

圖2 動力貓道推送機構(gòu)示意

2 不同步現(xiàn)象分析

某型號動力貓道在調(diào)試過程中出現(xiàn)以下情況：

1) 推送機構(gòu)的2只液壓缸活塞桿一前一后伸出，2塊翹板翹起或復位時刻不一致。使得鉆柱在落入鉆柱輸送裝置時出現(xiàn)偏斜，嚴重時鉆柱會掉落，無法進入鉆柱輸送裝置中，不僅造成后續(xù)操作無法實現(xiàn)，還存在很大的安全隱患。

2) 翹板不推送鉆柱至鉆柱輸送裝置時，2只液壓缸的活塞桿伸出速度基本同步。但是，在推送鉆柱時，2只液壓缸的活塞桿伸出速度差異很大。推送的鉆柱質(zhì)量越重，2只液壓缸活塞桿伸出速度不同步性越明顯。

動力貓道推送機構(gòu)液壓系統(tǒng)采用目前較先進的液壓控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)通過PID控制及負載敏感技術(shù)等實現(xiàn)對設(shè)備的柔性控制。整個系統(tǒng)較為復雜，本文僅以液壓缸推動翹板為研究對象，液壓原理圖如圖3所示。

由圖3可知，是由同一個電液比例換向閥統(tǒng)一向2只液壓缸供油。2只液壓缸的距離由現(xiàn)場液壓缸的安裝位置統(tǒng)一確定。由于地面不是很平整，導致動力貓道底座重心發(fā)生變化，2只液壓缸所提供的驅(qū)動力匹配失衡。如果液壓缸Ⅰ所受的外載荷大于液壓缸Ⅱ所受的外載荷，將使液壓缸Ⅱ活塞桿先于液壓缸Ⅰ活塞桿伸出，導致鉆柱出現(xiàn)偏斜，無法準確進入鉆柱輸送裝置。動力貓道的液壓油源是由平臺統(tǒng)一提供，2只液壓缸相距較遠，管線較長，管道流體阻力相應(yīng)增加，進一步使得2只液壓缸同步性能變差，造成隱患[11-13]。

1-伺服電機；2-液壓油箱；3-變量泵；4- 溢流閥；5-三位四通電磁換向閥； 6-左液壓鎖； 7-液壓缸Ⅰ；8-液壓缸Ⅱ；9-右液壓鎖。

3 仿真模型的建立和結(jié)果分析

根據(jù)推送機構(gòu)液壓原理圖進行建模，建模完成后按照試驗現(xiàn)場參數(shù)進行設(shè)置，并對仿真結(jié)果進行分析。在進行系統(tǒng)建模仿真之前需要做如下假設(shè)：

1) 忽略液壓控制元件的固有特性、環(huán)境溫度、管道密閉性能對液壓油的性能參數(shù)造成的影響。

2) 忽略2只液壓缸安裝精度、制造工藝的差異、液壓缸的泄露、液壓缸空氣的竄入等對仿真結(jié)果造成的影響。

設(shè)定AMESim模型系統(tǒng)參數(shù)，以液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ活塞桿伸出的位移及液壓缸大腔和小腔內(nèi)部的壓力為目標，研究動力貓道推送機構(gòu)不同步產(chǎn)生的原因[14-16]。

從以下4種工況進行分析。

1) 工況一。不考慮系統(tǒng)管路影響、不運輸鉆井作業(yè)管柱。

2) 工況二。運輸鉆井作業(yè)管柱，不考慮系統(tǒng)管路，不考慮鉆井作業(yè)管柱偏載。

3) 工況三。運輸鉆井作業(yè)管柱，考慮系統(tǒng)管路影響，不考慮鉆井作業(yè)管柱偏載。

4) 工況四。運輸鉆井作業(yè)管柱，考慮系統(tǒng)管路影響，考慮鉆井作業(yè)管柱出現(xiàn)偏載。

3.1 工況一

不考慮液壓管路的局部壓力損失和沿程壓力損失，不輸送鉆柱。工況一系統(tǒng)仿真原理如圖4所示。由于液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ活塞桿不承載，也不存在偏載。圖4中，用于液壓缸Ⅰ承載函數(shù)模擬器(元件1)值為0，液壓缸Ⅱ承載函數(shù)模擬器(元件3)值為0，偏載模擬函數(shù)器(元件2)值也為0。工況一仿真結(jié)果如圖5所示。

1-液壓缸Ⅰ承載函數(shù)模擬器；2-偏載模擬器；3-液壓缸Ⅱ承載函數(shù)模擬器；4-液壓缸Ⅱ；5-液壓缸Ⅰ

由圖5可以看出，液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ活塞桿伸出位移值完全一致，液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ大腔和小腔內(nèi)的壓力也完全一致，達到理想的同步效果。

圖5 工況一仿真結(jié)果

3.2 工況二

不考慮系統(tǒng)管路上的局部壓力損失和沿程壓力損失，鉆柱載荷均勻作用于液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ。工況Ⅱ系統(tǒng)仿真原理如圖4所示。其中，液壓缸Ⅰ負載模擬函數(shù)器(元件1)值為4.0×104N，液壓缸Ⅱ負載模擬函數(shù)器(元件3)值為4.0×104N，偏載模擬函數(shù)器(元件2)值也為0。工況二仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況二仿真結(jié)果

由圖6的仿真結(jié)果可以看出，在不考慮系統(tǒng)管路影響、2只液壓缸承載均勻的工況下，液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ活塞桿伸出位移值完全一致，液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ活塞桿受到的力均為4.0×104N，液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ大腔和小腔內(nèi)的壓力也完全一致，同步效果較好。

3.3 工況三

考慮系統(tǒng)管路上的壓力損失(包括沿程壓力損失和局部壓力損失)，鉆柱載荷均勻作用于液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ載荷均勻。工況三系統(tǒng)仿真原理如圖7所示，其中，液壓缸Ⅰ負載模擬函數(shù)器(元件1)值為4.0×104N，液壓缸Ⅱ負載模擬函數(shù)器(元件3)值為4.0×104N，偏載模擬函數(shù)(元件2)值為0，管線的長度為10 m，管線內(nèi)徑20 mm。工況三仿真結(jié)果如圖8所示。

1-液壓缸Ⅰ承載函數(shù)模擬器；2-偏載模擬器；3-液壓缸Ⅱ承載函數(shù)模擬器；4-液壓缸Ⅱ；5-液壓缸Ⅰ

圖8 工況三仿真結(jié)果

由圖8仿真結(jié)果可以看出，考慮系統(tǒng)管路壓力損失、2只液壓缸承載均勻的工況下，液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ不同步現(xiàn)象比較隨機。當2只液壓缸活塞桿伸出時，液壓缸Ⅰ活塞桿超前于液壓缸Ⅱ活塞桿行程約15 mm。當2只液壓缸活塞桿縮回時，液壓缸Ⅰ活塞桿滯后于液壓缸Ⅱ活塞桿行程約20 mm。液壓缸Ⅰ小腔內(nèi)的壓力與液壓缸Ⅱ小腔內(nèi)的壓力差約為0.9 MPa，接近計算得到的管路壓力損失。

3.4 工況四

考慮系統(tǒng)管路上的壓力損失，鉆井井場不平整，鉆柱存在偏載，鉆柱載荷不均勻作用于液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ。此時又可分為鉆柱載荷偏向液壓缸Ⅰ和鉆柱載荷偏向液壓缸Ⅱ2種情況。偏載值FP最大值經(jīng)計算約為5 000 N。

1) 負載偏向液壓缸Ⅰ

考慮系統(tǒng)管路上的局部壓力損失和沿程壓力損失，鉆井工具載荷偏向液壓缸Ⅰ。系統(tǒng)仿真原理如圖7所示，其中用于液壓缸Ⅰ承載函數(shù)模擬器(元件1)值為(4.0×104+Fp)N，液壓缸Ⅱ承載函數(shù)模擬器(元件3)值為4.0×104N，偏載模擬函數(shù)器(元件2)值為5 000 N，管線的長度為10 m，管線內(nèi)徑20 mm。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 工況四(負載偏向液壓缸Ⅰ)仿真結(jié)果

由圖9可以看出，考慮系統(tǒng)管路上的壓力損失，鉆柱載荷偏向液壓缸Ⅰ的情況下，2只液壓缸不同步現(xiàn)象比較明顯，液壓缸Ⅰ運行較慢，液壓缸Ⅰ滯后于液壓缸Ⅱ伸出，2只液壓缸位移差約為20 mm，遠大于管路壓力損失對不同步造成的影響，仿真結(jié)果符合現(xiàn)場試驗結(jié)果。

2) 負載偏向液壓缸Ⅱ

考慮系統(tǒng)管路上的局部壓力損失和沿程壓力損失，鉆井工具載荷偏向液壓缸Ⅱ。仿真原理如圖7所示，其中液壓缸Ⅰ負載模擬函數(shù)(元件1)值為(4.0×104-Fp)N，液壓缸Ⅱ負載模擬函數(shù)(元件3)值為(4.0×104+Fp)N，偏載模擬函數(shù)(元件2)值為5 000 N，管線的長度為10 m，管線內(nèi)徑20mm。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 工況四(負載偏向液壓缸Ⅱ)仿真結(jié)果

由圖10可以看出，考慮系統(tǒng)管路上的壓力損失，鉆井作業(yè)工具載荷偏向液壓缸Ⅱ的情況下，2只液壓缸不同步現(xiàn)象比較明顯，液壓缸Ⅰ運行較快，液壓缸Ⅰ快于液壓缸Ⅱ伸出，2只液壓缸位移差約為22 mm。該因素的影響大于管路壓力損失對不同步造成的影響。同樣的工況下，經(jīng)過2次偏載分析可知，油缸Ⅱ偏載相對油缸Ⅰ偏載不同步更嚴重。

4 改進方案與應(yīng)用效果

4.1 改進方案

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)管路布置和鉆柱偏載對2只液壓缸同步都有影響，但是管路的影響很小，負載偏載影響非常明顯。為了解決2只液壓缸不同步現(xiàn)象，采用的方法是增大滯后液壓缸前面節(jié)流閥的開度，或者減小超前液壓缸前面的節(jié)流閥的開度，通過動力貓道主控臺特種算法來實時調(diào)節(jié)2只液壓缸的受力，使其同步運動。批處理運行是以不同的一組參數(shù)對系列仿真進行初始化，這些仿真運行是按順序進行的[17]。使用批處理功能來尋求節(jié)流閥合適的開度，從而避免或降低2只液壓缸不同步的影響。

1) 增大滯后液壓缸前面的節(jié)流閥開度。

批處理滯后液壓缸(圖7中液壓缸Ⅱ)活塞腔和桿腔前面的節(jié)流閥開度。取其開度為K=1.0、1.5、1.6、 1.7、 1.8。衡量2只液壓缸間的位移差絕對值,得到2只液缸位移差結(jié)果如圖11所示。

圖11 增大滯后液壓缸批處理結(jié)果

從圖11可以看出，增大滯后液壓缸前面的節(jié)流閥開度,修正同步偏差效果不明顯。

2) 減小超前液壓缸活塞腔和桿腔前端的節(jié)流閥開度。

批處理超前液壓缸(圖7中液壓缸Ⅰ)活塞腔和桿腔前面的節(jié)流閥開度。取其開度為K=0.5、0.6、0.7、0.8、1.0。衡量2只液壓缸間的位移差絕對值，得到2只液缸位移差結(jié)果如圖12所示。

圖12 減小超前液壓缸批處理結(jié)果

從圖12可以看出，液壓缸伸長工況下，液壓缸位移差隨著K的減小而減??；液壓缸縮回工況下，液壓缸位移差隨著K的減小而增大。從結(jié)果來看，選擇液壓缸伸縮工況對位移差影響適中的K=0.6較合適。

4.2 應(yīng)用效果

根據(jù)仿真模型提供的參數(shù)，調(diào)整圖7中液壓缸Ⅰ前面的節(jié)流閥開度值為K=0.6時，同步性能達到預期效果。

5 結(jié)論

1) 分析了動力貓道推送機構(gòu)的液壓系統(tǒng)及液壓缸不同步的原因，并建立了4種工況的仿真模型。得出了液壓管路布置和載荷偏載是影響2只液壓缸不同步的主要因素。

2) 通過對動力貓道工作過程中推送機構(gòu)不同步狀況進行研究，使用AMESim仿真工具建立仿真模型，進行仿真分析，提出了合理的解決方案。

3) 根據(jù)仿真模型提供的數(shù)據(jù)，調(diào)整超前液壓缸前面的節(jié)流閥開度值K=0.6時，達到了良好的預期使用效果。