基于AMESim的齒輪齒條鉆機動力頭起升裝置液壓系統仿真分析

任福深，王 威，劉 曄，武 垚

（1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油 天然氣集團公司，北京 100723；3.遼河油田 曙光工程技術處，遼寧 盤錦 124109）①

目前，我國可采油氣資源80%儲藏在2 000m深以內的淺層和2 000～3 500m深的中深層，且大多數油氣田已進入鉆采開發的中后期，因此急需大量側鉆水平井和老井挖潛的鉆井設備。齒輪齒條鉆機正是基于定向井、水平井、側鉆井等特殊井與復雜情況下淺井、中深井鉆井作業而設計的［1］。常規石油鉆機不能主動施加任何鉆壓，若要進行水平、定向井等鉆井作業，則必須在造斜前鉆較深的垂直井眼，以利用鉆柱的重力給鉆頭施加鉆壓，否則會存在下鉆難和下套管難的問題。另外，由于沒有足夠的鉆壓，水平段的鉆進長度也受到限制。齒輪齒條鉆機取消了傳統石油鉆機的絞車、游車、天車以及鉆井鋼絲繩等部件，而利用齒輪與齒條的嚙合運動，主動給鉆柱提供提升和下壓力［2－3］。本文針對鉆機動力頭起升裝置的作業過程，利用AMESim平臺建立了該裝置的液壓系統原理結構圖，通過研究系統中作業參數對液壓系統的影響，為起升系統作業參數的制定提供依據。

1 工作原理

動力頭起升裝置是齒輪齒條鉆機的重要組成部分，是完成鉆機作業的核心部件，主要由液壓馬達、齒輪、齒條和井架等部分組成，結構原理如圖1所示。

圖1 動力頭起升裝置

動力頭起升系統采用液壓馬達驅動，鉆柱上下作業時，齒輪與固定在井架上的齒條嚙合，帶動動力水龍頭沿著井架做升降運動。在該系統中，采用低速大扭矩液壓馬達直接驅動升降齒輪的傳動形式，省去了減速器，節約了動力頭的使用空間，因此，鉆機在鉆井作業時，動力頭裝置既可以提供起升鉆柱的提力，也可以給鉆柱施加設定的下壓力，實現鉆壓和鉆速的控制，適合定向井、水平井、側鉆水平井的鉆進作業。

2 液壓系統設計

2.1 升降系統作業參數

根據水平井定向鉆井作業情況，初步確定的起升系統基本參數要求為：鉆井深度1 500m；齒輪直徑?504mm；最大起升載荷900kN；最大下壓載荷300kN；最大起升速度1.2m／s；馬達數量為4個。

2.2 升降裝置液壓系統設計

選擇開式系統作為動力頭起升液壓系統液壓油的循環方式，如圖2所示，這種循環方式相比閉式系統能更好地冷卻液壓油和除去雜質。

圖2 起升系統液壓原理

由于處理卡鉆等事故時需求的最大起升載荷與常規作業時2倍的最大起升載荷相當，因此，系統選用了2對馬達。常規作業時，啟動1對液壓馬達執行鉆柱的升降作業；在遇到卡鉆等特殊情況時，同時啟動另外1對液壓馬達實現強力拔鉆。在液壓系統設計時，考慮到大負載下鉆井作業時的超越負載問題，在動力頭裝置起升液壓系統中增加機械強制同步運動的液壓馬達平衡回路，既在原有平衡閥的基礎上增加了4個外泄式液控單向閥，能更好地平衡超越負載，使鉆機的起下鉆作業更加穩定。

3 仿真分析

AMESim是一種工程系統高級建模和仿真平臺軟件，它具有非常直觀化的仿真平臺，可以滿足復雜的多學科領域系統建模與仿真分析，還能夠進行系統（或單個原件）的穩定性與動態性能分析。AMESim軟件的建模是采用一種圖形化的建模，并且為用戶提供了較為全面的元件應用庫，其中有：機械庫、信號控制庫、仿真庫、液壓元件設計庫、液壓阻尼庫、氣動庫、熱庫、冷卻系統庫等［4］。本文應用機械庫、信號控制庫與液壓元件設計庫構建了齒輪齒條鉆機動力頭起升系統模型，通過不同參數條件下的仿真結果分析確定鉆機起升時的最佳速度，并且確保在該起升速度時液壓系統所受的沖擊最小。

3.1 建立模型

為了模擬鉆機的正常起升作業，在AMESim軟件的草圖模式下，根據起升系統液壓原理元件應用庫所提供的元件，建立了如圖3所示的鉆機動力頭起升裝置的系統模型。

系統中將齒輪與齒條的嚙合轉動等效為滑輪的升降運動，鉆柱載荷由左、右2個物理模型進行模擬，動力仍由2個液壓馬達分別提供，為了方便分析，采用恒流源作為系統的液壓源，按1 500m的鉆進深度，設定了如表1所示的起升系統模型參數。

圖3 動力頭起升裝置液壓系統模型

表1 液壓起升系統參數

3.2 仿真結果與分析

完成系統建模和參數設定后，在仿真模式中將仿真精度設為0.01s，仿真時間為3s，按照以上設定參數進行系統仿真，結果如圖4～5所示。

圖4 鉆柱起升速度

圖5 恒流源出口壓力曲線

由圖4可以看出：鉆機在開始起升時，動力頭裝置液壓系統會出現較為激烈的振蕩，隨后震蕩逐漸衰減，系統趨于穩定運動狀態；鉆機起升速度的調整時間約為0.7s，起升速度的最大值約為0.29m／s，穩定起升速度為0.18m／s，鉆機動力頭裝置所受沖擊較大。由圖5可以看出：液壓系統達到穩定輸出的時間約為2.8s，恒流源出口壓力最大約為35 MPa（系統調定壓力35MPa），液壓系統所受到的沖擊較大，調整時間較長。

下面通過改變系統中元件的參數，分析不同參數對鉆機起升速度和液壓系統的影響。

1）改變恒流源輸出流量 分別設定系統中恒流源的輸出流量為：200、300、400、500、600L／min。鉆機起升速度仿真分析結果如圖6所示。

圖6 不同輸出流量下鉆柱起升速度

由圖6可以看出：鉆機起升速度在0.09m／s時，振蕩調整時間約0.8s，但是它的最大超調值較??；鉆機起升速度在0.26m／s時，雖然振蕩調整時間少，但是在0.5s左右會出現系統壓力過大，導致起升速度重新出現振蕩，且它的最大超調值較大；只有鉆柱起升速度在0.13m／s時，振蕩調整時間和最大超調值最為合適，且不會引起系統壓力在某一時間過大。通過以上分析可知：鉆機在正常起升時，起升速度過大或過小都不合理，要根據鉆井作業的具體工況和鉆機液壓系統來確定鉆機的最佳起升速度。

2）改變質量塊的粘滯阻尼 分別設定左、右2個質量塊的粘滯阻尼為：30 000、50 000、70 000 N／（m·s），為了方便觀察，重新進入仿真模式，將仿真精度設定為0.1s，仿真時間為6s。恒流源的出口壓力仿真分析結果如圖7所示。

由圖7可以看出：粘滯阻尼在70 000N／（m·s）時，液壓系統振蕩調整時間為2s，出口壓力最大值約為14MPa，相比其他2組曲線，該組仿真結果對液壓系統的沖擊更小，振蕩調整時間也短。因此，在鉆井作業中，可以通過適當增加鉆井流體粘度，進而增大鉆柱在鉆井液中所受的粘滯阻尼［5－7］，以提高鉆機液壓系統的穩定性。

圖7 液壓系統恒流源出口壓力

4 結論

1）在AMESim模式下，根據起升系統液壓原理，利用元件應用庫所提供的元件建立了的齒輪齒條鉆機動力頭起升裝置的液壓系統模型。

2）應用AMESim軟件對鉆機起升作業進行了仿真與分析，研究了液壓系統恒流源輸出流量和粘滯阻尼的變化對整個動力頭起升系統的影響，為起升系統作業參數的制定提供了依據。

［1］陸 勤，蔡 全，顏 剛，等.ZJ70L型鉆機動力系統技術改造方案［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：77－80.

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［3］樊敦秋，崔希君，曹宇光.自升式平臺齒輪齒條升降系統受力分析［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：27－30.

［4］付永領，祁曉野.Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊［K］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［5］李子豐，李敬元，趙金海，等.鉆井流體粘度對鉆柱縱向振動的影響［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2008，30（2）：135－137

［6］吳少博，程學亮，李治淼.流體作用下鉆柱運動狀態試驗研究［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：37－42.

［7］于桂杰，殷有財，肖文生.頂驅鉆井柔性鉆柱動力學特性分析［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：1－5.