基于AMESim的采油樹送入工具液壓系統仿真

程友祥，張德華，戚 昱，趙 毅(.重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶400；.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京049)

基于AMESim的采油樹送入工具液壓系統仿真

程友祥1，張德華2，戚 昱2，趙 毅2
(1.重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶401120；2.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京102249)

為了初步驗證水下采油樹送入工具的液壓缸結構設計的合理性，以及液壓元件的選型是否正確，以水下立式采油樹送入工具所需完成的動作為基礎，設計液壓系統。基于AMESim軟件進行模型搭建、參數設置與系統仿真，得出水下立式采油樹送入工具安裝時間的估計值，分析液壓系統的同步性。仿真結果表明，該液壓缸的結構設計合理，符合工作要求，而且有較好的同步性。為現場液壓系統的安裝和選型提供參考。

水下；采油樹；安裝設備；液壓系統；AMESim軟件

我國海洋油氣資源頗為豐富，是未來油氣資源增量的主力[1-2]。水下生產系統是支撐海洋油氣開發的重要組成部分，主要包括：水下采油樹、水下管匯、水下控制系統、出油管線、跨接管、水下分離設備、水下增壓設備等，采油樹是其中尤為重要的的裝置[3]。國外水下采油樹的主要生產國有美國、英國、意大利、巴西等，美國產水下采油樹的技術和產品最領先。目前，FMC、Cameron、Vetco Gray和Aker Kraemer Subsea幾家公司控制了水下采油樹約90%的全球市場份額。國內研制生產水下采油樹的公司主要有：寶雞石油機械有限責任公司、重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司、上海神開石油化工裝備股份有限公司、江蘇金石機械集團等。

對采油樹的下放安裝是鉆完井工程的重要組成部分。安裝采油樹主體時，由絞車或者鉆桿帶動采油樹下放機具，當采油樹下放到井口指定位置時，將采油樹與井口的連接裝置進行連接，測試并判斷采油樹是否和井口連接完畢。隨后，鎖緊采油樹井口的密封圈，并對采油樹密封機構進行測試，連接輸油管道[4]。

本文通過對水下立式采油樹配套工具中的采油樹安裝工具進行液壓系統的仿真，目的是建立完整可靠的液壓系統，使工具順利完成預定的動作。在已經完成對工具設計及預期動作的基礎上，結合實際工作環境的具體需求，設計出結構合理、性能穩定、控制準確的液壓控制系統。AMESim軟件因其功能齊、建模簡便等優點，在流體、機械等復雜系統仿真和分析中被廣泛采用。本文基于AMESim軟件對各液壓系統進行仿真，包括液壓回路的建立、液壓元件的選型、工作參數的選擇與設置、對仿真結果的分析。

1 采油樹送入工具的液壓系統簡述

水下采油樹送入工具用于安裝/回收水下采油樹主體，具有2種主要功能：

1) 鎖緊并承載水下采油樹。在安裝設備(鉆桿或吊機)與水下采油樹之間提供連接界面(多為鉆桿適配器或吊耳)，如圖1所示。

2) 提供液壓回路。由ROV協助，通過液壓系統鎖緊/釋放采油樹到水下井口。

a 使用鉆桿下放的采油樹送入工具

b 使用鋼絲繩下放，有導向框架的采油樹送入工具

1.1 設計基礎

1) 采油樹的主要參數。

外形尺寸(長×寬×高)

3.68 m×4.20 m×5.43 m

質量

約50 t

采油樹導向架中心與導柱之間的間距

1 828.8 mm

2) 采油樹送入工具設計參數。

采油樹送入工具壓力級別

68.94 MPa(10 000 psi)

液壓鎖定額定壓力

20.68 MPa(3 000 psi)

采油樹送入工具支承能力

2.225 MN(500 000 lbf)

額定溫度等級U-V

-18～121 ℃

1.2 液壓系統工作步驟

1) 采油樹送入工具與采油樹的連接。

啟動采油樹送入工具的液壓系統，向控制送入工具與采油樹連接的液壓腔中注入液壓油，卡爪驅動環在液壓力的作用下向下運動，驅動卡爪下端向內收縮，卡入采油樹上端的凹槽中，完成采油樹送入工具與采油樹之間的連接。如圖2所示。

1—采油樹送入工具；2—采油樹；3—連接器卡爪。圖2 送入工具與采油樹連接示意

2) 采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接。

在采油樹的送入工具上有2個液壓腔，負責控制送入工具與采油樹鎖定推桿的連接。采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接操作流程如下：

①向第1個液壓腔加壓，驅動活塞向下運動，調整推桿鎖塊的位置，使推桿鎖塊運動到與推桿凹槽相對應的位置，此時，支承板底面與推桿上端面貼合。

②推桿鎖塊達到指定位置后，向第2個液壓腔注入液壓油。同時，第1個液壓腔保持液壓力。由于支承板底面與推桿上端面貼合，推桿驅動活塞不能向下運動。因此，活塞、推桿鎖緊驅動環和固定板向上運動，推桿鎖緊驅動環驅動推桿鎖塊沿支承桿向內運動，推桿鎖塊嵌入推桿上端的凹槽中，完成采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接。

3) 采油樹與井口連接。

完成采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接后，保持第2個液壓腔的壓力，向第1個液壓腔繼續加壓。推桿驅動活塞、推桿鎖緊驅動環、固定板、支承板、推桿鎖塊和支承桿同時向下運動，帶動采油樹鎖定推桿向下運動，將采油樹鎖緊到井口上。

2 仿真模型的建立

采油樹送入工具中的液壓腔與推桿可以看作是液壓缸，根據3個不同的部分，建立3個不同的仿真模型。根據液壓系統的不同需求，基于AMESim分析軟件搭建仿真模型，并進行仿真分析。

2.1 送入工具與采油樹連接過程仿真模型

在采油樹送入工具與采油樹的連接過程中，液壓腔1、液壓腔2、卡爪驅動環和殼體組成1個液壓缸，如圖3中的液壓缸(序號1)。在周向上共有6個相同結構，調用AMESim中的液壓庫、信號庫、機械庫，搭建如圖3所示的仿真模型。

1—液壓缸；2—節流閥；3—換向閥；4—溢流閥；5—液壓泵；6—過濾器；7—油箱。圖3 送入工具與采油樹連接過程仿真模型

2.2 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真模型

在采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接過程中，液壓腔3、液壓腔4、活塞以及殼體可以看作是1個液壓缸，如圖4中的液壓缸(序號1)。周向上有4個相同結構，調用AMESim中的液壓庫、信號庫、機械庫，建立如圖4所示的仿真模型。

1—液壓缸；2—換向閥；3—液壓泵；4—過濾器；5—油箱；6—溢流閥。圖4 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真模型

2.3 鎖緊鎖塊過程仿真模型

在采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接過程中，還有一個將推桿鎖塊嵌入推桿上端的凹槽中的動作。此過程中，液壓腔5、推桿驅動活塞、殼體可以看作是1個液壓缸，如圖5中的液壓缸(序號1)。調用AMESim中的液壓庫、信號庫、機械庫，建立如圖5所示的仿真模型。

1—液壓缸；2—節流閥；3—換向閥；4—液壓泵；5—過濾器；6—油箱；7—溢流閥。圖5 鎖緊鎖塊過程仿真模型

3 仿真參數的設置

進入AMESim的參數模式，對仿真模型中每個元件設置所需要的參數。采油樹送入工具的液壓缸尺寸參數及工作載荷在結構設計時就已經確定；模型的全局性液壓參數，例如液體的體積模量、密度、動力黏度和工作溫度等選擇為AMESim的默認值。列出各仿真模型中的液壓缸參數，如表1～3所示。

表1 送入工具與采油樹連接過程仿真模型參數

表2 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真模型參數

表3 推動鎖塊過程參數

4 仿真結果及分析

圖6為送入工具與采油樹連接過程的仿真結果。圖中縱坐標代表輸入/輸出位移，單位m；橫坐標代表時間，單位s。從圖6可以看出：

1) 將采油樹送入工具與采油樹相連接，整個過程所需時間約為37 s。

2) 圖中曲線為6個液壓缸的6條運動曲線完全重疊，可以看出6個液壓缸可以同時驅動卡爪驅動環的運動，保證了動作的同步性。

圖7為送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程的仿真結果。圖中縱坐標代表輸入/輸出位移，單位m；橫坐標代表時間，單位s。從圖7的仿真結果可以看出：

1) 采油樹送入工具推桿向下移動，將采油樹鎖定到井口的時間約為65 s。

2) 推動采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿相連接的4個液壓缸的4條運動曲線能疊加在一起，說明液壓系統可以保證運動的同步性。

圖6 送入工具與采油樹連接過程仿真結果

圖7 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真結果

圖8為推動鎖塊過程的仿真結果。圖中縱坐標代表輸入/輸出位移，單位m；橫坐標代表時間，單位s。從圖8可以看出：

圖8 推動鎖塊過程仿真結果

1) 鎖緊過程所需的時間約為26 s，相比前兩個過程有所減少，這是因為鎖緊過程的位移和克服的摩擦力都較小。

2) 采油樹送入工具4個液壓缸的四條運動曲線重疊，說明同步性良好。

5 結論

1) 利用AMESim 軟件的強大功能，對采油樹送入工具的不同工作過程分別進行建模，合理參數設置并進行仿真，得出較為理想的液壓缸位移-時間仿真曲線，對每一步安裝過程所需時間有了初步估計。

2) 每一步安裝過程都由若干個相同液壓缸進行驅動，其位移-時間曲線在同一幅圖上能很好地疊加在一起，表明液壓系統具有較好的同步性。

3) 仿真結果表明，采油樹送入工具的液壓缸結構設計合理，符合工作需求，而且有較好的同步性。采油樹送入工具中所選的液壓系統和元件是正確的，對現場液壓系統的安裝和選型具有指導意義。

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Hydraulic System Simulation of Oil Production Tree Feeding Tool

CHENG Youxiang1，ZHANG Dehua2，QI Yu2，ZHAO Yi2
(1.ChongqingVanguardOffshorePetroleumEngineeringEquipmentCo.，Ltd.，Chongqing401120，China；2.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

In order to verify the rationality of the structure design of the hydraulic cylinder of the underwater oil tree，and the validity of hydraulic components.The hydraulic system is designed on the basis of the action of underwater vertical oil tree.Based on the AMESim software，the model building，parameter setting and system simulation are carried out，and the estimated value of the installation time of the vertical oil tree is obtained，also analyze the synchronization of hydraulic system.The simulation results show that the structure design of the hydraulic cylinder is reasonable，and it can meet the requirements of the work.And has good synchronization.Provide reference for installation and selection of hydraulic system.

underwater；Christmas tree；erecting equipment；hydraulic system；AMESim software

2017-12-03

國家工信部2013年高技術船舶(海洋裝備)科研項目(工信部聯裝[2013]41號)——水下采油樹配套工具研發；國家重點研發計劃重點專項項目(2016YFC0303700)資助

程友祥(1985-)，男，工程師，2008年畢業于哈爾濱工程大學，現從事海洋石油裝備研究及管理工作，E-mail：yxcheng@qwop-quip.com。

1001-3482(2017)03-0007-05

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.002