自動垂直鉆井執行系統試驗研究

聶云飛,吳仲華,孫浩玉,張樂啟,耿應春

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營257017;2.勝利石油管理局渤海鉆井一公司,山東東營257000) *

自動垂直鉆井執行系統試驗研究

聶云飛1,吳仲華1,孫浩玉1,張樂啟2,耿應春1

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營257017;2.勝利石油管理局渤海鉆井一公司,山東東營257000)*

在自動垂直鉆井系統中,要求執行系統能夠對控制系統的指令做出迅速、準確的響應。由于執行系統的結構復雜,通過理論模型研究的方法很難得到其準確的性能參數。建立了室內模擬試驗系統,完成了執行系統工作性能的試驗研究,得出了其壓力-上盤閥驅動扭矩、流量-壓力、壓力-糾斜力擬合曲線和關系式,并證明了研制的執行系統的工作性能符合自動垂直鉆井系統的控制要求。

自動垂直鉆井;執行系統;井斜;試驗研究

自動垂直鉆井系統能夠通過自身的井下控制系統自動控制鉆井過程中的井斜角度保持在規定的范圍內,并具有對斜井糾斜的功能,整個控制過程無需人工干預,較以前的防斜、糾斜和直井的鉆井方法更先進[1-8],可以極大地提高工作效率,降低風險、成本。該技術是目前世界上最先進的垂直鉆井技術,勝利鉆井院近幾年持續開展開了自動垂直鉆井技術的研究工作,執行系統在控制系統的控制下可以實現自動垂直鉆井功能。由于防斜執行系統的結構較復雜,所建立的流體力學模型很難接近實際情況,因此單純通過理論分析的方法來設計和優化其系統結構是不現實的。研究人員采用了室內模擬試驗研究的方法確定了相關參數,完成了防斜執行機構的研制工作。

1 自動垂直鉆井系統結構和原理

自動垂直鉆井系統主要由控制系統、延伸短接和執行系統組成,結構如圖1所示?？刂葡到y是自動垂直鉆井系統的“大腦”,框圖如圖2,可以根據檢測的井斜角控制下部的執行系統,使其產生一定方向和大小的糾斜力。執行系統(樣機如圖3)則是自動垂直鉆井系統的“四肢”,按照控制系統的指令工作。執行系統的3個推力裝置在鉆井液的驅動下推動3個推力巴掌裝置外伸,推靠井壁,產生糾斜力?？刂葡到y中的控制單元根據測量單元獲得的井斜數據向扭矩發生器單元發出控制指令,控制其輸出軸按照一定的轉速相對鉆柱反轉。盤閥裝置中的上盤閥與扭矩發生器的輸出軸通過連軸器連接,隨輸出軸一起轉動。盤閥裝置的下盤閥有3個過流孔,分別與3個推力裝置的流道相通,上盤閥有1個過流孔。上盤閥在扭矩發生器的驅動下,可以控制下盤閥3個過流孔的導通和關閉,以此控制鉆井液的流量分配,從而實現自動垂直鉆井系統對糾斜力的方向控制[9],執行系統樣機結構參數如表1。

圖1 自動垂直鉆井系統結構示意

圖2 自動垂直鉆井系統控制框圖

圖3 自動垂直鉆井系統執行系統樣機

表1 自動垂直鉆井系統執行系統樣機結構參數

2 室內試驗系統設計

自動垂直鉆井系統工作時,要求執行系統能夠對控制系統的控制指令做出迅速、準確的響應,以滿足整個系統的控制要求,據此對執行系統提出了以下技術要求:

1) 驅動盤閥裝置需要的扭矩必須小于扭矩發生器單元輸出軸的額定工作扭矩,要求驅動扭矩均值約5 N·m,峰值<10 N·m。

2) 推力巴掌裝置能夠產生15～20 kN的糾斜推靠力。

3) 推力裝置能夠迅速響應控制系統發出的指令,產生相應的脈沖推力,驅動推力巴掌裝置工作。

4) 執行系統的額定工作壓降控制在4.0～5.5 MPa,活塞噴嘴分流量控制在6 L/s以內。

根據上述技術要求設計了如圖4的試驗系統,模擬自動垂直鉆井系統的井下工作狀況。離心泵揚程550 m,排量250 m3/h,配90 kW電機。測量儀表參數如表2。

圖4 室內試驗系統原理

表2 測量儀表參數

盤閥驅動電機為直流調速電機,通過16∶1的減速器減速后與上盤閥連接。使上盤閥可以在0～250 r/min內無級調速,轉速傳感器(為旋轉編碼器)直接與電機的尾部輸出軸(高速軸)連接,因此能夠測量的上盤閥最小轉角為0.037 5°。

3 試驗結果

3.1 推力裝置推力

推力裝置是執行系統推力產生的力源,為了滿足控制系統的需要,流體在盤閥裝置的控制下驅動3個推力裝置發出相位角相差120°的脈沖力(試驗結果如圖5所示),通過疊加后可以在一定的方向上產生一個糾斜合力,并最終通過推力巴掌裝置作用在井壁上。

圖5 相位差120°的脈沖力

實際試驗過程中,執行系統入口壓力5 MPa,轉速81 r/min時,糾斜推力可以達到15 kN左右,如圖6所示,從圖中可以看出脈沖推力動態響應性較理想,上升和下降沿在20 ms左右。

3.2 盤閥裝置扭矩

首先測量了上盤閥的空載驅動扭矩,如圖7?？蛰d測量時壓力、排量均為零,轉速253 r/min時,得到空載扭矩值為

圖6 推力-時間曲線

針對執行系統的不同入口壓力,通過對上盤閥的轉速進行調節,測得了相應的上盤閥驅動扭矩(均值),如圖8所示?？梢钥闯?相同壓力情況下,轉速的變化對上盤閥驅動扭矩的影響很小,因此在研究盤閥的性能時把重點放在了壓力對上盤閥驅動扭矩的影響方面。

圖7 空載時間-扭矩曲線

圖8 不同壓力下的轉速-扭矩試驗曲線

圖9是以5 MPa,轉速81 r/min時的室內試驗數據繪出的上盤閥的壓力-扭矩試驗曲線,線性擬合得到的方程為

式中,T為上盤閥驅動扭矩,N·m;p為執行系統入口壓力,MPa。

擬合得到的線性方程中的截距為 T′0=2.591 4 N·m,與實際測量的空載平均扭矩值 T0=1.31 N·m有差距。根據試驗的情況分析,主要是由于試驗時整個系統的強烈振動和盤閥旋轉時受到的水流沖擊力的變化造成了扭矩波動,最終導致了上盤閥驅動扭矩的波動劇烈,從而造成了這種差距。從試驗的測量結果來看,如果減去空載扭矩,上盤閥的驅動扭矩均值能夠降到5 N·m以下,可以滿足設計方案中的技術要求。

圖9 壓力-扭矩試驗曲線

3.3 執行系統流量和活塞推力

圖10是以5 MPa,轉速80～90 r/min時的室內試驗數據繪出的上盤閥的流量-壓力試驗曲線,線性擬合得到的方程[10]為

式中,p為執行系統入口壓力,MPa;Q為排量,L/s。

圖10 流體壓力-流量試驗曲線

擬合曲線的方程截距為-0.041 8 L/s。實際的情況是將流程的旁通閥門全開,使執行系統的入口排量為零,此時壓力為零,二者對比來看,擬合的曲線方程還是很接近實際情況的。

圖11是以5 MPa,轉速80～90 r/min時的室內試驗數據繪出的壓力-糾斜力(最大值)試驗曲線,線性擬合得到的方程為

式中,F為糾斜力(最大值),N;p為執行系統入口壓力,MPa。

圖11 壓力-糾斜力(最大值)試驗曲線

擬合曲線的方程截距是4 099.8 N。試驗時,為了保證活塞能夠往復運動,采用彈簧復位機構,給活塞預壓了4 000 N左右的回復力,二者對比,擬合的曲線方程還是很接近實際情況的。

4 結論

1) 通過試驗分析研究,得出了自動垂直鉆井執行系統活塞產生的脈沖糾斜力隨盤閥轉角變化的規律和脈沖糾斜力的作用區域、順序。

2) 試驗得到了壓力-上盤閥驅動扭矩、流量-壓力、糾斜力(最大值)值擬合曲線方程,為自動垂直鉆井系統現場試驗提供了技術參數選擇依據。

3) 試驗結果表明執行系統具有良好的工作性能,能夠滿足整個自動垂直鉆井系統的控制要求。

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Experimental Study on Execution System of Automatic Vertical Drilling System

NIE Yun-fei1,WU Zhong-hua1,SUN Hao-yu1,ZHANG Le-qi2,GENG Ying-chun1
(1.Drilling Technology Research Institute,S hengli Petroleum A dministration,Dongying257017,China; 2.Bohai No.1Drilling Company,Shengli Petroleum A dministration,Dongying257000,China)

The developed execution system is the key unit of automatic vertical drilling system.The execution system should make a quick and accurate response to the command of the controlling system for achieving the automatic vertical drilling function.The accurate operating performance parameter can not be obtained by theoretical model study,because the complicated structure of the execution system.Therefore,a lab simulated system was built and experimental study was conducted on execution system operating performance.The match lines and equations of pressure-up valve driving torque,flow rate-pressure,pressure-restoring force were experimentally studied.The operating performance of execution system meets the control demand of automatic vertical drilling system.

automatic vertical drilling;execution system;well inclination;experimental study

1001-3482(2011)05-0021-04

TE921.207

A

2010-11-10

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2009AA093501)資助

聶云飛(1975-),男,山東廣饒人,工程師,碩士,2005年畢業于中國石油大學(華東)研究生院機械電子工程專業,目前從事石油鉆井工具方面的研究工作,E-mail:nyfnyf2004@163.com。