試論螺桿鉆具試驗臺工作流程的技術優化

(西南石油大學 四川 成都 610500)

試論螺桿鉆具試驗臺工作流程的技術優化

張誠羅鰲

(西南石油大學四川成都610500)

螺桿鉆具是在石油現場開采以及特殊工藝作業中相當重要的鉆井工具之一，其性能水平受到生產單位及使用者的高度重視。隨著科學技術的不斷進步，有關螺桿鉆具性能測試試驗臺的創新發展也成為未來趨勢。在充分考慮螺桿鉆具機械性能的基礎上，采用智能電氣控制技術、計算機虛擬技術以及現代通信技術實現自動檢測，對螺桿鉆具的試驗系統進行技術層面的優化完善，成為目前螺桿鉆具試驗臺達到高精度實時性工作要求的重要技術手段。

螺桿鉆具；試驗臺；性能測試；工作流程

傳統螺桿鉆具手工測試，面臨著人員要求高、操作工藝繁瑣、試驗時間長、精確度不高等問題。隨著科學技術的不斷發展以及鉆井開采提速的現實需求，螺桿鉆具的性能要求以及檢驗試驗工作也不斷更新發展。為滿足試驗臺性能測試高頻率、高精度、實時性、可靠性的要求。在充分考慮螺桿鉆具機械性能的基礎上，采用智能電氣控制技術、計算機虛擬技術以及現代通信技術實現自動檢測，對螺桿鉆具的試驗系統進行技術層面的優化完善，成為目前螺桿鉆具試驗臺達到高精度實時性工作要求的重要技術手段。

一、螺桿鉆具的工作特性

螺桿鉆具也就是定排量馬達(PDM)，屬于容積式井下水力鉆具，由旁通閥總成，馬達總成，萬向軸總成，傳動軸總成組成。螺桿鉆具的工作特性曲線圖習慣以壓差Δp=(p1-p2)為橫坐標進行繪制。

理想狀況下，螺桿鉆具的輸出扭矩(T)與馬達承受壓力差Δp成正比，輸出轉速(n)與輸入循環流量成正比，只要控制地面上壓力數值及循環介質的流量，就能夠使鉆具在井下的輸出轉矩M及輸出轉速n保持穩定。實際情況下，螺桿馬達作為機械設備，部件之間存在著一定的機械損失和水力損失，比如轉子與定子之間存在摩擦阻力，密封腔之間存在泄漏，傳動軸存在能量損耗等等。因此，螺桿鉆具的工作實際參數與理想參數之間存在差異，這就是機械效率ηm和水力效率ηv導致的真正總效率η：η=ηmηv。

因此，螺桿鉆具實際輸出鉆速n受水力效率ηv的影響，隨著△p的增大，n會不斷降低，實際輸出鉆速與理想狀況下的差值△n，主要是由于在△p作用下，馬達定子橡膠襯套變形而導致。輸出轉矩M隨著△p的增大而增大，表明螺桿鉆具的荷載能力依舊穩定。當鉆頭阻力增大時，△p增大，為克服阻力矩馬達轉矩M也隨之增大，引起轉速隨之降低，當△p增大到臨界值△pc時，鉆頭轉速為零制動，出現n=0的狀況，此時轉矩M達到最大值Mmax，稱為制動力矩。

二、螺桿鉆具試驗臺組成系統及試驗原理

螺桿鉆具試驗臺主要包括動力系統、加載系統，循環系統，數據處理系統。通過模擬螺桿鉆具井下作業實際狀況，對其性能進行測試時。一方向對鉆具提供壓力，輸入循環介質，使之正常工作；一方面模擬鉆頭井底工作時的阻力，通過電磁剎車加載，對鉆具動力輸出端施加不同的扭矩載荷。

實驗開始后，根據既定的頻率，對數據進行采集，測試出鉆具在不同扭矩載荷下穩定工作的輸入壓力、輸出壓力、輸出扭矩、輸出鉆速、循環流量、入口循環物質溫度等參數。再通過數據處理軟件，對參數進行分析處理后，總結出該螺桿鉆具的性能參數值和工作特性曲線，并形成實驗報告。

由此，可以看出螺桿鉆具試驗臺的試驗操作具有流程復雜、試驗時間長、對智能化技術依賴性高的特點。

三、螺桿鉆具試驗臺的技術優化

采用智能電氣控制技術、計算機虛擬技術以及現代通信技術實現自動檢測，對螺桿鉆具的試驗系統進行優化，是目前螺桿鉆具試驗臺達到高精度實時性工作要求的新型檢測方法，其中數據的采集、處理與管理是技術優化的主要關注點。

(一)以工控機為核心的分布式數據采集系統

以工控機為核心的分布式數據管理系統，包括工控機、數據采集器、智能傳感器以及電動調節閥等組成部分，在螺桿鉆具性能測試中，利用計算機和多通道高速數據采集器，自動完成數據采集與存儲。為減少采樣通道誤差影響，使用采樣通道標定以及數據標度變換，來提高系統工作過程中的抗干擾能力，保證數據的準確性和穩定性。

(二)基于LabWindows/CVI的數據分析軟件

基于LabWindows/CVI的數據分析軟件面向對象進行編程設計，采用獨立的模塊組成系統，能夠對螺桿鉆具性能參數進行自動分析。采用多線程技術，自動對壓力、流量、轉速、扭矩、溫度等信號完成實時采集和參數計算，采用Activex技術進行數據的處理和輸出。將數據信息的采集、處理和管理形成協調的工作系統，使得螺桿鉆具性能試驗操作簡便，試驗效率提高。

(三)基于模糊PID自適應控制的自動控調節算法

在系統對壓力和流量實施控制時，壓力變化、流量變化分別對控制回路內環定位閥造成影響，造成壓力和流量處于變化的不確定的狀態。由于壓力和流量相互作用，控制對象往往出現不確定和非線性的關系，此時采用不變的PID參數，壓力和流量控制就會出現失效，無法實現自動平穩的目標。采用模糊PID自適應控制，能夠提高調節和控制效率。模糊PID自適應控制根據單位階躍響應圖，對系統動態信息的特征進行識別，并自動進行推理，完成在線參數的自識別、自調整，在控制對象表現出不穩定特性時保證控制穩定。

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張誠，男，漢族，學生，本科，螺桿鉆具，西南石油大學。