汪興明 吳聚 唐靖然 閆麗麗 王強 陳平

摘要：近年來，在地面搭建模擬井下真實工況的鉆井試驗系統(tǒng)成為驗證和改進鉆井領域新技術、新工藝和新工具的重要研究手段。為此，介紹了國內某鉆探公司的多功能鉆井綜合試驗平臺整體結構及其液壓控制系統(tǒng)研制情況，并在現(xiàn)場進行了測試試驗。該試驗平臺的液壓控制系統(tǒng)整體方案包括俯仰系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、拉壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，能驅動試驗平臺在軌道上平穩(wěn)移動，能對試驗平臺鉆柱的轉速及扭矩進行手動和遠程控制，對試驗平臺的拉伸載荷、壓縮載荷以及橫梁起升速度進行手動和遠程控制，能手動和遠程控制模擬鉆井試驗平臺門架在0°、60°、90°（與鉛垂線夾角）工作角度的切換，可實現(xiàn)鉆桿夾緊、門架橫梁的鎖緊以及平臺底座在軌道上的鎖定。所得結論可為鉆井試驗平臺液壓控制系統(tǒng)的研發(fā)提供技術參考。

關鍵詞：鉆井；試驗平臺；液壓控制系統(tǒng)；現(xiàn)場測試

0 引 言

近年來，石油與天然氣鉆井技術發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)了大量的新技術、新工藝、新工具，在地面搭建模擬井下真實工況［1］的鉆井試驗系統(tǒng)，是國內外學者及相關研究機構驗證和改進鉆井領域新技術、新工藝和新工具的重要研究手段。

20世紀70年代起，國外科研機構針對不同的井下工況，研制了能夠高度還原井下環(huán)境的鉆井試驗平臺。美國TerraTek公司［2］研制了世界上第一臺全尺寸鉆井模擬試驗裝置［3］，該裝置可模擬上覆地層壓力207 MPa、圍壓138 MPa、孔隙壓力27.6 MPa［4］和井筒壓力137.90 MPa［2］。斯倫貝謝公司英國劍橋研究中心［5］研制了能夠模擬5 000 m井深條件的鉆井模擬試驗裝置，額定孔隙壓力和井底液柱壓力均達到69 MPa，巖石和鉆井液的額定溫度分別達到200與160 ℃。

國內對鉆井模擬測試平臺的研究起步較晚，早期的試驗設備主要是由成套的獨立設備和獨立的檢測儀表構成，1臺儀表只能對應測量1個信號，試驗過程需要大量試驗人員且無法保證同步測試，同時各種動態(tài)變化的關鍵參數(shù)測試結果只能作為參考。1989年，北京石油勘探開發(fā)科學研究院研發(fā)了國內第一臺鉆井模擬試驗裝置（型號ZM-35）［6］，可模擬井下3 500 m的壓力環(huán)境。1993年，原地礦部探礦工藝研究所研制了M150模擬井筒［7］，該模擬井筒設置有透明井段，最大模擬井底壓力達2.45 MPa、溫度達150 ℃。1994年，勝利石油管理局鉆井工藝研究院［8］采用膠囊式結構，設計了三向主應力不相等的壓力容器，研制了一種深井鉆進模擬井筒，該套試驗裝置可以模擬6 000 m井深，最高試驗溫度達220 ℃。同年，大慶油田鉆井工藝研究所［9-10］研制了模擬6 000 m井深井下工況的全尺寸鉆井綜合模擬試驗裝置，最高模擬井底溫度210 ℃、最高鉆井液溫度160 ℃、上覆巖層壓力138.6 MPa、圍壓96 MPa、孔隙壓力64.2 MPa。近幾年，國內逐漸發(fā)展了鉆井綜合試驗臺架，自動化程度相比以前越來越高。計算機已經(jīng)能全面監(jiān)控整個設備以及被測工具的運轉情況，對整個試驗過程實現(xiàn)了真正的實時監(jiān)測和控制。

目前，有關鉆井綜合試驗平臺的公開報道多聚焦于介紹平臺的功能和性能參數(shù)［11-12］。本文以國內某鉆探公司的多功能鉆井綜合試驗平臺為基礎，介紹該平臺液壓控制系統(tǒng)的研制情況，以期為相關鉆井試驗平臺液壓控制系統(tǒng)研發(fā)提供技術參考。

1 多功能鉆井綜合試驗平臺整體方案

1.1 整體平臺功能

多功能鉆井綜合試驗平臺［13］的功能是模擬不同井斜角井段的高溫高壓環(huán)境，驗證新型井下工具、鉆完井工藝技術的可行性與可靠性。其重點測試對象包括井下工具［14］、控壓鉆井技術［15］及旋轉導向工具［16］等。

多功能鉆井綜合試驗平臺現(xiàn)場試驗情況如圖1所示。一共設計了4個模擬試驗工位，其中：1號與2號試驗工位為深坑，用于實現(xiàn)控壓鉆井技術和井下工具的測試功能；3號工位是澆筑的水平水泥墩，用于水平井段導向鉆井工具與工藝的試驗；4號工位是井斜角為60°的傾斜井筒，用于模擬斜井段的井下工況。

鉆井試驗平臺停放在軌道上，通過移動底座完成在4個模擬工位之間的切換，通過改變門架傾斜方向（0°、60°、90°）模擬井下復雜的鉆井工況。

1.2 液壓系統(tǒng)功能

多功能鉆井綜合試驗平臺液壓控制系統(tǒng)是鉆井試驗平臺的核心，其系統(tǒng)與結構如圖2所示。該液壓控制系統(tǒng)應該具備以下功能：①驅動試驗平臺在軌道上平穩(wěn)移動；②手動和遠程控制試驗平臺鉆柱的轉速與扭矩；③手動和遠程控制試驗平臺的拉伸載荷、壓縮載荷以及橫梁起升速度；④手動和遠程控制模擬鉆井試驗平臺門架在0°、60°、90°（與鉛垂線夾角）工作角度的切換；⑤控制鉆桿夾緊、門架橫梁的鎖緊以及平臺底座在軌道上鎖定。

1.3 主要技術參數(shù)及性能指標

多功能鉆井綜合試驗平臺的主要技術參數(shù)及性能指標包括：①試驗平臺在軌道上水平移動距離大于20 m；②鉆桿轉速范圍為0～400 r/min，轉速的控制精度為2 r/min；③鉆具起下鉆速度范圍為0～0.1 m/s，鉆具運動的控制精度為5? mm/s；④鉆具拉壓力的范圍為0～1 000 kN，拉壓力的控制精度為1 kN。

2 液壓控制系統(tǒng)設計

2.1 整體設計方案

為實現(xiàn)多功能鉆井綜合試驗平臺的設計目標，液壓控制系統(tǒng)分為牽引系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、拉壓系統(tǒng)、俯仰系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和液壓泵站。多功能鉆井綜合試驗平臺液壓控制系統(tǒng)的液壓泵站安裝固定于地面泵站房內，液壓控制元件采用液壓閥塊集成安裝在液壓泵站和鉆井門架上，隨試驗平臺底座同步運動。泵站房與底座上的液壓控制元件之間采用柔性液壓管線連接。

2.2 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)的主要功能是驅動試驗平臺底座在軌道上平穩(wěn)移動并使之至目標工位，進而完成平臺鎖定，平臺的移動距離要求大于20 m。考慮到長行程液壓缸成本較高、可靠性低，采取2組短行程液壓缸交替分段抱緊移動方案，降低了液壓缸的行程要求。牽引抱緊液壓缸系統(tǒng)三維模型如圖3所示。

試驗平臺底座在移動滑塊的中央安裝有2組抱緊塊，抱緊塊通過液壓缸與試驗平臺連接，通過2組抱緊塊在軌道上抱緊、松開和液壓缸的伸、縮運動，最終實現(xiàn)試驗平臺底座周期性移動。

牽引系統(tǒng)單個抱緊液壓缸缸徑為90 mm、推力約134 kN（液壓缸壓力為21 MPa時）。由于液壓缸作用的力臂長度約為導軌作用點處力臂的1.5倍，單個抱緊塊對導軌的抱緊力約為液壓缸推力的1.5倍，試驗平臺底座單邊共2個液壓缸，產(chǎn)生抱緊力共約400 kN。抱緊液壓缸抱緊滑軌后，另一套牽引液壓缸能夠驅動試驗平臺底座移動。

設計試驗平臺時考慮了后期設備增加的情況，預估試驗平臺總質量約達到100 t，鋼材之間的摩擦因數(shù)取0.3，摩擦載荷約為294 kN，牽引系統(tǒng)的抱緊力大于試驗平臺底座在軌道上滑行的摩擦力，滿足試驗平臺移動的要求?？紤]液壓站的功率限制，試驗平臺移動速度應低于0.05 m/s。

由于系統(tǒng)中泵站流量相對較大，牽引油缸直徑小、試驗平臺的移動速度慢，在牽引油缸的進、出口同時設置了節(jié)流閥，用于調整牽引油缸的伸縮速度。試驗平臺底座移動到位后，采用液壓鎖和機械鎖雙重鎖定方式，保證試驗平臺底座在外力作用下穩(wěn)定。液壓鎖定采用液壓雙向鎖的鎖定方式，機械鎖鎖定方式是在地基軌道上安裝固定卡。

2.3 旋轉系統(tǒng)

旋轉系統(tǒng)的作用是通過液壓執(zhí)行器對鉆具施加扭矩，驅動鉆具旋轉，本文采用鉆具液壓馬達與動力水龍頭一體化設計方案。旋轉系統(tǒng)安裝在鉆機橫梁上，馬達轉速控制范圍為0～400 r/min，轉速控制精度為2 r/min，最大輸出扭矩為10 kN·m。液壓馬達與水龍頭一體化設計三維模型如圖4所示。

2.4 拉壓系統(tǒng)設計

拉壓系統(tǒng)是對鉆具施加鉆壓、提升或下放鉆具的液壓執(zhí)行器，采用了雙液壓缸同步伸縮的方式，通過橫梁對鉆具施加拉壓作用。

根據(jù)試驗平臺的設計要求，拉壓系統(tǒng)驅動橫梁運動的速度范圍為0.0～0.1 m/s，速度控制精度為5 mm/s，拉壓力控制范圍為0～1 000 kN，拉壓力控制精度為1 kN，拉壓油缸布置方式如圖5所示。

拉壓液壓缸外筒固定在門架橫梁上，活塞桿連接拉壓傳感器，并與門架框架基座連接，活塞桿驅動橫梁完成上下運動。

2.5 俯仰系統(tǒng)設計

門架傾斜狀態(tài)時試驗平臺如圖6所示。試驗平臺門架俯仰運動采用油缸加鉸鏈支座的方式，液壓控制系統(tǒng)通過控制電磁換向閥實現(xiàn)門架俯仰方向和傾角切換。

當試驗平臺門架處于某個傾斜或者固定角度時，若需要鎖定在該工作角度，液壓系統(tǒng)可采用機械和液壓2種方式同時鎖定，以提高試驗平臺門架在傾斜狀態(tài)的穩(wěn)定性。

考慮到鉆井模擬試驗平臺的安全性以及液壓站的功率限制，液壓缸伸縮速度應低于0.05 m/s，進油最大壓力應為31.5 MPa。多功能鉆井試驗平臺門架質量為35 t。當門架工作角度處于90°，呈水平狀態(tài)時，俯仰液壓缸的有效力臂最小，門架重心的有效力臂最大，門架起升要求俯仰液壓缸輸出力最大。

2.6 輔助系統(tǒng)設計

多功能鉆井綜合試驗平臺液壓控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)功能包括：鉆井試驗平臺井口鉆桿夾緊、門架橫梁鎖緊，上述功能都通過液壓缸伸縮實現(xiàn)。圖7為鉆桿夾緊機構原理圖。

2.7 液壓泵站設計

液壓泵站的主要功能是為多功能鉆井綜合試驗平臺液壓控制系統(tǒng)提供動力。為降低系統(tǒng)裝機容量，液壓泵站采用3泵供油。泵站三維模型如圖8所示。系統(tǒng)壓力可使用遠程比例閥控制，電機的啟動可根據(jù)需求手動或自動。

3 液壓控制系統(tǒng)校核計算

液壓控制系統(tǒng)設計要求進油腔最高壓力為31.5 MPa，回油腔壓力1 MPa，機械效率為0.92。

為明確液壓系統(tǒng)功耗與輸出特征，分別校核牽引系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、拉壓系統(tǒng)、俯仰系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)的極限工作參數(shù)與功耗，結果如表1所示。從表1可知：系統(tǒng)最大輸出力或載荷均高于系統(tǒng)所需載荷，如拉壓系統(tǒng)最大輸出載荷能力為1 400 kN（實際僅需1 000 kN），而旋轉馬達轉速為421.64 r/min（實際僅需400 r/min）；拉壓系統(tǒng)和旋轉系統(tǒng)功耗較高，最大工作參數(shù)下的功耗分別為304.35、337.68 kW。

盡管系統(tǒng)最高功耗較大，但在常規(guī)工況下工作時所需的功耗并不突出。表2為4種典型工況下的功耗。由表2可知，鉆井試驗平臺在典型工況下的功耗小于350 kW，實際功耗取決于試驗測試參數(shù)，通常所需載荷越高，速度越快，系統(tǒng)功耗越大。

4 液壓控制系統(tǒng)管路與測控軟件

4.1 液壓管路系統(tǒng)

試驗平臺液壓控制系統(tǒng)設計了液壓管路接口，連接由泵站房引出液壓管路的高壓出油端和低壓回油端。泵站引出的液壓管路及電氣連線直接連接到門架系統(tǒng)的操作控制臺，經(jīng)過操作控制臺控制閥后，被分配至鉆井試驗平臺執(zhí)行元件上。

試驗平臺設計安裝了高壓出油管線和低壓回油管線，操作控制臺與執(zhí)行元件之間采用硬管連接，并使用抗振管夾將硬管固定在平臺與門架上。針對門架俯仰、拉伸油缸、水平牽引等活動部位無法采用固定管路的問題，此方案中采用軟管連接方式。試驗平臺分支管路連接后的整體管線布局如圖9所示。

4.2 測控系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的控制量包括：牽引系統(tǒng)平臺的位置和速度、拉壓系統(tǒng)的拉壓力、旋轉系統(tǒng)的轉速。

針對牽引系統(tǒng)對平臺移動位置與速度精確控制問題，采用位移傳感器測量平臺位移，通過液壓控制系統(tǒng)計算，最終確定平臺的當前絕對位置。位移傳感器量程0～3 400 mm，輸出信號范圍為4～20 mA，PLC采樣分辨率為0.123 mm。

針對拉壓系統(tǒng)的拉壓力精確控制問題，采用拉壓力傳感器進行實時測量，經(jīng)過放大器輸出的信號范圍為4～20 mA，PLC采樣分辨率為21N。

針對旋轉系統(tǒng)轉速精確控制問題，采用量程1 000 r/min的轉速傳感器進行測量，傳感器輸出信號為每轉60脈沖，脈沖記錄丟失率0.1/%，記錄的最小轉數(shù)為1/60 r。

試驗平臺液壓控制系統(tǒng)的控制精度必須滿足測量系統(tǒng)最小采樣精度值的3倍。針對牽引系統(tǒng)，平臺速度最終控制精度為0.5～1.0 mm/s，遠高于設計要求的控制精度5 mm/s，滿足鉆井試驗平臺的控制要求。

考慮大流量比例閥的響應滯后，拉壓系統(tǒng)拉壓力控制精度為采樣精度的10倍，即630 N，滿足設計要求精度（1 kN）。

由以上分析可知，選用的傳感器精度滿足對控制量的控制需求。在此基礎上，研制多功能鉆井綜合試驗平臺系統(tǒng)軟件，人機交互界面如圖10所示。

5 現(xiàn)場試驗

2019年，在中國石油川慶鉆探有限公司鉆采工藝研究院開展現(xiàn)場測試工作。

5.1 俯仰系統(tǒng)測試

俯仰系統(tǒng)主要功能是調節(jié)門架工作角度，實現(xiàn)0°、60°和90°共3個不同工作角度的切換。

工作時，俯仰液壓系統(tǒng)控制門架由90°向0°或由0°向90°運動，其中60°定位由門架底部60°定位銷孔完成機械鎖定，0°定位由門架底部0°定位銷孔定位?，F(xiàn)場具體試驗情況如圖11所示。

5.2 拉壓系統(tǒng)測試

拉壓系統(tǒng)主要功能是控制門架橫梁起降，同時給鉆具施加拉壓載荷。系統(tǒng)工作時，通過電子手柄控制門架橫梁起升或下放，也可以通過測控系統(tǒng)軟件自動控制?，F(xiàn)場測試結果表明，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)手動操作和遠程控制拉伸載荷、壓縮載荷以及橫梁起升速度。拉壓系統(tǒng)測試現(xiàn)場如圖12所示。

5.3 牽引系統(tǒng)測試

水平牽引系統(tǒng)主要功能是移動試驗平臺到不同的工位。系統(tǒng)工作時，首先，抱緊液壓缸執(zhí)行軌道鎖緊動作；然后，通過控制牽引液壓缸執(zhí)行平臺的拉動或推動動作，當牽引液壓缸完成動作后，松開抱緊液壓缸，通過牽引液壓缸恢復牽引行程；最后，重復執(zhí)行上述動作即可實現(xiàn)平臺的移動。

6 結 論

（1）設計了一套多功能鉆井綜合試驗平臺液壓控制系統(tǒng)整體方案。該方案包括俯仰系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、拉壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，采用3泵并聯(lián)集中供液的方式。全面論證了子系統(tǒng)的合理性，通過計算分析了系統(tǒng)工作載荷、動作速度、功耗等核心技術指標。

（2）通過管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及操作臺的研制、安裝和聯(lián)合調試，驗證了液控系統(tǒng)牽引、拉壓和俯仰等功能，滿足多功能鉆井綜合試驗平臺液壓控制系統(tǒng)的設計要求。

（3）多功能鉆井綜合試驗平臺液壓控制系統(tǒng)能完成以下控制功能：驅動試驗平臺在軌道上平穩(wěn)移動；對試驗平臺鉆柱的轉速及扭矩進行手動和遠程控制；對試驗平臺的拉伸載荷、壓縮載荷及橫梁起升速度進行手動和遠程控制；對模擬鉆井試驗平臺門架在0°、60°、90°（與鉛垂線夾角）工作角度時的切換等進行手動和遠程控制；能實現(xiàn)鉆桿夾緊、門架橫梁鎖緊以及平臺底座在軌道上鎖定。

參考文獻：

［1］劉清友，汪興明，徐濤．考慮瞬態(tài)溫度場的水平井水力沖砂臨界排量［J］．西南交通大學學報，2014，49（6）：1123-1129．

LIU Q Y，WANG X M，XU T.Critical discharge flow of sand cleaning fluid considering transient temperature effect of horizontal well［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2014，49（6）： 1123-1129.

［2］西德尼·格林．全尺寸深井鉆井模擬裝置對鉆井技術發(fā)展的影響［J］．石油鉆探技術，2011，39（3）：1-5．

GREEN S.Full-scale deep well drilling simulation［J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（3）： 1-5.

［3］楊立芹．全尺寸鉆井井底壓力模擬裝置的研究［D］．杭州：浙江大學，2002．

YANG L Q.Research on bottomhole pressure for full-scale drilling simulator［D］.Hangzhou： Zhejiang University，2002.

［4］焦洪柱．鉆井井底壓力環(huán)境試驗裝置控制系統(tǒng)的研制［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007．

JIAO H Z.The control system development of test unit in downhole drilling pressure environment［D］.Harbin： Harbin Institute of Technology，2007.

［5］COOPER G A，PELTIER B.Advanced techniques for laboratory full-scale drilling tests［C］∥IADC/SPE Drilling Conference.Dallas，Texas： IADC/SPE，1986： SPE 14783-MS.

［6］周惠恕，廖衍智，李少池，等．ZM-35型鉆井模擬試驗裝置的研制［Z］．北京：中國石油天然氣總公司石油勘探開發(fā)科學研究院，2000．

ZHOU H S，LIAO Y Z，LI S C，et al.Development of ZM-35 drilling simulation test device［Z］.Beijing： Research Institute of Petroleum Exploration and Development of China National Petroleum Corporation，2000.

［7］周策，王宣篤．M150模擬井筒介紹［J］．探礦工程，1993（3）：16．

ZHOU C，WANG X D.Introduction of M150 wellbore simulator［J］.Exploration Engineering，1993（3）： 16.

［8］陳直中，李洪乾，袁鮮花．深井鉆進模擬井筒研究［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），1994（5）：52-53，56．

CHEN Z Z，LI H Q，YUAN X H.Study on simulated wellbore for deep drilling［J］.Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling），1994（5）： 52-53，56.

［9］王述德，張愛林．鉆井全尺寸綜合模擬試驗裝置的原理及井架部分結構分析［J］．大慶石油學院學報，1994，18（2）：53-59．

WANG S D，ZHANG A L.The principle of a full-scale integrated analogue drilling test device and the structural analysis of the mast［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，1994，18（2）： 53-59.

［10］周英操．鉆井模擬試驗裝置的研究［D］．北京：中國石油大學（北京），2000．

ZHOU Y C.Research on drilling simulation test device［D］.Beijing： China University of Petroleum （Beijing），2000.

［11］HUANG M X，WANG Y，LIU B L，et al.Development of downhole motor drilling test platform［J］.Procedia Engineering，2014，73： 71-77.

［12］王宴濱，高德利，房軍．全尺寸隔水管在復雜應力狀態(tài)下的力學特性試驗研究［J］．實驗力學，2014，29（5）：620-626．

WANG Y B，GAO D L，F(xiàn)ANG J.Experimental study of mechanical properties of full size marine riser in complex stress state［J］.Journal of Experimental Mechanics，2014，29（5）： 620-626.

［13］田家林，楊志，付傳紅，等．多功能鉆井綜合實驗平臺鉆機載荷平衡新方法［J］．機械強度，2015，37（4）：657-663．

TIAN J L，YANG Z，F(xiàn)U C H，et al.New balance method of drilling rig load of multifunctional drilling comprehensive experiment platform［J］.Journal of Mechanical Strength，2015，37（4）： 657-663.

［14］汪興明．水平井扭矩離合鉆井工具研制及減阻性能評價［D］．成都：西南石油大學，2017．

WANG X M.Development of torque clutch drilling tool and evaluation of drag reduction performance［D］.Chengdu： Southwest Petroleum University，2017.

［15］王江帥，李軍，任美鵬，等．控壓鉆井條件下漏層位置判別新方法［J］．石油機械，2020，48（9）：15-19．

WANG J S，LI J，REN M P，et al.A new method for identifying the location of loss zones under managed pressure drilling［J］.China Petroleum Machinery，2020，48（9）： 15-19.

［16］耿艷峰，宋志勇，王偉亮，等．動態(tài)指向式旋轉導向鉆井工具面角的動態(tài)測量［J］．中國慣性技術學報，2020，28（3）：323-329．

GENG Y F，SONG Z Y，WANG W L，et al.Dynamic toolface measurement for dynamic point-the-bit rotary steerable drilling tool［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2020，28（3）： 323-329.