基于AMESim的頂驅下套管裝置補償液壓系統仿真

范效禮 王昕 朱宏武 李征

摘 要：本文自主開發了新型頂驅下套管裝置，實現對下套管過程的自動化控制，達到安全高效的目的，節約了下套管成本。設計的頂驅下套管裝置的液壓系統的性能直接影響著整個裝置功能的實施和裝置的性能。對液壓系統的性能評估和驗證設計的合理性需要進行模擬仿真。用AMESim軟件建立了頂驅下套管裝置液壓系統的模型并進行了仿真，目的是減少頂驅下套管裝置性能試驗成本，節約設計時間。用仿真的結果和理論計算值進行了分析對比，驗證了設計的液壓缸的合理性。

關鍵詞：頂驅下套管裝置;液壓系統;AMESim;仿真

Simulation of Top-drive Casing Compensation Hydraulic System Based on AMESim

Fan Xiaoli1 Wang Xin1 Ye Wei1 Zhu Hongwu2 Li Zheng2

（1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Inspection Institute of Special Equipment，Urumqi;2.College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing）

Abstract： By controlling the process of casing， a new type of top-drive casing system has reached the control targets of reducing the capitalized cost and achieved safety， high efficiency purposes. The performance of top-drive casing running hydraulic system directly influences the performance and operation of the system. Testing the performance of the system needs hydraulic simulation. Based on the software AMESim， the hydraulic system model of top-drive casing running system has been set up and simulated. The main purpose is reducing the cost of the top-drive casing running system test and saving time. The results of simulation and theoretical calculation value have been analyzed and compared. This process is required to verify the designed hydraulic cylinders to meet the requirements.

Keyword： Top-drive casing system， Hydraulic System， AMESim， Simulation

引言

頂驅下套管裝置是一種結合頂部驅動鉆井系統，用在下套管作業的集機械、液壓于一體的自動裝置。利用頂驅下套管裝置是下套管作業中未來發展的趨勢。該裝置國外主要生產商是NOV、Tesco和Weatherford，國內是北京石油機械廠[1]。由于北京石油機械廠和Tesco頂驅下套管裝置無重力補償裝置;Weatherford的卡緊力為定值易損傷套管;NOV的需要單獨設計配套的液壓和電纜管匯的缺點。新的頂驅下套管裝置的重力補償液壓系統是整個裝置中關鍵的系統，主要起到保護裝置的作用。重力補償液壓系統的液壓缸可以抵消一部分重力，從而避免上扣時損傷套管螺紋。并可以精確施加向下推力[2]。利用AMESim液壓仿真軟件對新型頂驅下套管裝置的補償液壓系統進行仿真，能檢驗設計的補償液壓系統是否合理，是否達到設計要求，大大縮短設計時間。

1.重力補償液壓系統工作原理

圖1為重力補償液壓系統在AMESim軟件中的控制圖，液壓系統的液壓源的壓力為40Mpa、流量為250ml/r的液壓油。由于頂驅下套管重力補償的液壓系統要抵消一部分重力和遇卡過程中保護裝置的作用。所以重力補償液壓系統被分為三個運動過程：重力補償過程、遇卡加壓過程和液壓缸回到原位過程。

重力補償過程：電磁換向閥3通電接通，液壓油通過減壓閥19和溢流閥18，進入電磁換向閥13，電磁換向閥13接通下位，液壓油進入液壓缸。這時活塞向下運動，活塞桿對下面加壓進行重力補償。同時電磁換向閥11上位打開，液壓油經過安全閥9、電磁換向閥11、平衡閥14和過濾器21回到油箱。

遇卡加壓過程：重力補償過程中，如果頂驅下套管遇卡相應的液壓缸所受的力增大，這時補償力也要增大。電磁換向閥13進入中位狀態，通過該電磁換向閥的油路關閉。同時，電磁換向閥8下位工作。液壓油經過減壓閥5、溢流閥6、液壓節流閥7和電磁換向閥8進入液壓缸，推動活塞向下運動使向下推力增大。液壓油經過安全閥9、電磁換向閥8、平衡閥12和過濾器21回到油箱。

液壓缸回到原位過程：電磁換向閥11下位工作，電磁換向閥13上位工作。液壓油經過減壓閥17、溢流閥16、節流閥15、電磁換向閥11和液控單向閥9進入液壓缸內，帶動活塞向上運動使活塞回到開始工作的位置。液壓油經過電磁換向閥13和過濾器21回到油箱。

1-泵;2-單向閥;3-兩位兩通電磁換向閥;4，6，16，18-溢流閥;5，17，19-減壓閥;7，15-液壓節流閥;9-液控單向閥 ;8 -三位四通電磁換向閥;11，13-三位三通電磁換向閥;10-液壓缸;12，14-平衡閥;20，21-過濾器

圖1 補償液壓系統原理圖

2.重力補償液壓系統AMESim模型

根據重力補償液壓系統的原理圖，建立液壓系統AMESim模型。在建立AMESim模型時，可以忽略掉影響液壓系統較小的因素[4]。建立的AMESim模型如圖2所示。

圖2補償液壓系統的仿真模型

3.仿真結果分析

由于需要驗證補償液壓缸的尺寸設計的合理性，主要對補償液壓缸的活塞位移、活塞速度、液壓缸進口流量和液壓缸出口流量進行模擬仿真。對這四個參數進行分析來驗證設計的補償液壓缸。根據設計的要求和重力補償的要求，補償液壓系統仿真時間為30秒，取其中的5個點進行仿真值和理論值誤差分析。

補償系統的液壓缸活塞運動的位移在0～5秒是不斷穩定的增加;5～27秒期間是位移增加的趨勢變慢在27秒鐘活塞位移達到0.05m，25～30秒活塞位移沒有變化說明活塞在這個時間段停止運動并達到平衡狀態。如圖3所示。

圖3 重力補償狀態下液壓缸活塞運動的位移圖 ? ? ? ? ? 圖4重力補償狀態下液壓缸活塞的速度曲線

在0～1秒內，活塞的速度突然增加到0.0039m/s;1～25秒活塞的速度是均勻下降的加速度為恒定值;25～27秒活塞速度是一直減小的，最后減少到為零。如圖4所示。

圖5重力補償狀態下液壓缸進油口油壓曲線 ? ? ? ? ? ? ? ? 圖6重力補償狀態下液壓缸出油口油壓曲線

0～0.6秒液壓缸的進油口的流量從0變化到77.3L/min;0.6～0.7秒液壓缸的進口的流量從77.3L/min 突然變化到46.9L/min;0.7～25秒液壓缸進口的流量從46.9L/min變化到1.36L/min，25～27秒流量是從1.36 L/min減少到零。如圖5所示。

0～0.6秒液壓缸的出油口的流量從0變化到78.3L/min;0.6～25秒液壓缸的出口的流量從77.3L/min變化到46.9L/min;0.7～25秒液壓缸進口的流量從46.9L/min變化到 1.36L/min，25～27秒流量是從1.36L/min減少到零。如圖6所示。

活塞速度誤差和液壓缸進出口流量誤差分析如表1所示。

表1 補償液壓系統仿真值和理論值對比

參數 1點 2點 3點 4點 5點

活塞速度仿真值 0.00268m/s 0.00382m/s 0.00365 m/s 2.83×10-4 m/s 4.53×10-5 m/s

活塞速度理論值 0.00264 m/s 0.00379 m/s 0.00368m/s 2.8×10-4 m/s 4.47×10-5 m/s

活塞速度誤差 1.52% 0.79% 0.82% 1.07% 1.34%

液壓缸進口流量仿真值 72.9 L/min 76.7L/min 46.9 L/min 2.31 L/min 0.628 L/min

液壓缸進口流量理論值 71.8 L/min 75.5 L/min 47.6 L/min 2.28 L/min 0.620 L/min

液壓缸進口流量誤差 1.53% 1.59% 1.47% 1.32% 1.29%

液壓缸出口流量仿真值 61.9L/min 76.8L/min 72.7 L/min 2.95 L/min 0.803 L/min

液壓缸出口流量理論值 61.2 L/min 75.7 L/min 73.6 L/min 2.99 L/min 0.791 L/min

液壓缸出口流量誤差 1.14% 1.45% 1.22% 1.34% 1.51%

根據以上可知：活塞位移曲線說明了裝置在補償時一直是平穩的運行;活塞速度曲線說明裝置在補償裝置的作用下能快速反應，防止速度過快引起危險;液壓缸進出口流量曲線符合設計液壓缸的流量要求。以上說明吊補償液壓系統能快速安全補償裝置由裝置在下升套管過程中受的過載力，這說明設計的液壓缸是符合設計要求的。

4.結論

AMESim軟件具有界面直觀、操作簡單、上手快。利用AMESim軟件對液壓系統仿真減少了15%～20%的設計時間，節省了成本。驗證了設計的頂驅下套管的補償液壓液壓系統的合理性。AMESim軟件越來越多在石油機械上得到應用。

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