地層動態測試器液壓系統仿真分析

鄭 哲， 王曉冬， 王 飛， 方 璐， 韓 冬， 龔國芳， 楊華勇

(1.浙江大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310027；2.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室， 浙江 杭州 310027；3.中國石油集團測井有限公司測井技術研究院， 陜西 西安 710077；4.北京航天發射技術研究所， 北京 100076)

引言

在石油勘探與開發應用領域中，地層壓力是必須掌握的地層基礎數據之一[1-2]。中國石油集團測井有限公司自“十一五”以來，研發的模塊式地層動態測試器(Formation Dynamic Tester，FDT)包含液壓動力模塊、單探針模塊、常規取樣模塊、泵抽排模塊、流動控制模塊、光譜分析模塊等，可有效實現井下地層壓力精確測量、流體實時分析及高保真取樣，是目前少數能把測井地層評價提升到油藏評價的儀器[3-5]。其中，FDT在井下一系列動作均依賴液壓系統，如井壁支撐、大體積預測試、地層流體采樣等。因此，液壓系統性能表現的優異程度關系到能否為油藏開發方案編制及地質研究提供可信依據。但隨著工作環境極端化和設備尺寸小型化(具體參數如表1所示)，FDT液壓系統目前面臨元件多、管路復雜、布局緊湊的應用性難題[6-9]，可靠性難以得到充分保證，輕則影響測井數據準確性，重則引發儀器遇卡，延誤石油勘探進度，造成不必要的經濟損失。為避免FDT在井下作業時出現液壓系統故障，本研究利用Automation Studio仿真軟件[10-13]搭建仿真模型，預先發掘液壓系統潛在缺陷，為FDT的維護與進一步優化提供理論基礎。

表1 FDT工作參數表

1 FDT液壓系統

1.1 液壓系統組成

FDT液壓系統工作原理如圖1所示。系統動力裝置為一套潛油電機泵(由2、3組成)。為避免FDT在井下意外斷電導致探頭無法正常收回，系統設有彈簧式蓄能器6，在常開電磁閥5失電后，儲存的高壓油液可作為緊急動力源，保證井下作業高可靠性。主油路最大工作壓力由溢流閥4設定。系統控制元件為由電磁換向閥7～12組成的閥組，通過不同電信號組合來切換系統工作狀態。系統執行元件為液壓缸13～19，單向閥組20保證液壓缸作動順序。需要注意的是，常閉電磁閥21僅為模擬井下斷電工況而增設，并非FDT液壓系統中元件。

1.油箱 2.液壓泵 3.電機 4.溢流閥 5.常開電磁閥 6.蓄能器 7～12.電磁換向閥 13.隔離閥 14.平衡閥 15.預測試室 16.長支撐臂 17.短支撐臂 18.探針筒 19.過濾閥 20.單向閥組 21.常閉電磁閥

1.2 液壓系統工作原理

FDT獲取地層壓力變化需經過以下8個步驟：

(1) 潛油電機泵啟動后，常開電磁閥5切換，系統優先為蓄能器6充能；

(2) 電磁閥10、12切換，隔離閥13打開，連通設備內部流體管線，此時平衡閥14處于開啟狀態，保證流體管線壓力與地層壓力保持一致，防止因內外壓差過大造成設備損壞；

(3) 電磁閥8～10切換，平衡閥14關閉，將流體管線與外界泥漿隔斷，此時設備僅有過濾閥19處可與外界連通。同時，長支撐臂16、短支撐臂17持續作動直至接觸井壁并撐緊，探針筒18扎進井壁中。其中，單向閥組20由單向閥(上側)及彈簧式單向閥(下側)組成，即設定有開啟壓力。經過一定時間的壓力建立后，過濾閥19(與探頭18呈套管結構)收回，袒露地層流體流口，該設計有效防止泥漿等雜質將流口堵塞；

(4) 電磁閥7切換，隔離閥關閉，將流體管線截斷，減少預測試所涉及的流體管線體積，防止由于過儲效應引發的地層壓力曲線失真；

(5) 電磁閥10、12切換，預測試室15收回，造成設備內流體管線局部壓力下降，并在外界地層流體補充下逐漸恢復，該壓力變化過程由石英壓力傳感器監測記錄；

(6) 電磁閥7切換，隔離閥打開，設備內部流體管線連通，泵抽模塊及采樣模塊通過探頭抽取可信度較高的地層流體；

(7) 電磁閥8～12切換，平衡閥13、長支撐臂16、短支撐臂17、探針筒18依次收回，過濾閥19伸出，將殘留在套管內的泥漿雜質推出；

(8) 電磁閥12切換，預測試室復位，液壓系統回歸初始狀態。

2 FDT液壓系統Automation Studio建模

基于上述FDT液壓系統工作原理及功能需求，在Automation Studio軟件環境對其進行仿真研究。根據仿真動態模擬過程及液壓特性曲線，評估系統運行狀態。為提高仿真效率，對液壓系統進行合理簡化后建立如圖1所示仿真模型。其中，仿真模型中電機泵、電磁換向閥、液壓缸、蓄能器、壓力閥等元件均按照工程實際應用進行設置。同時，對仿真系統中各元件參數進行整定，設定值如表2所示。其中，液壓油黏度參數按照ASTM D2270行業標準設定[14]。引入電氣控制系統以盡可能模擬FDT在井下真實控制策略。

表2 Automation Studio仿真參數設置

3 Automation Studio仿真

對1.2節中描述的FDT不同工況進行仿真，Automation Studio系統仿真模型如圖2所示。忽略電機泵的啟動時間，仿真時間由電氣控制系統調定。假設各執行元件初始狀態不受外界干擾，且同步效果良好。選取液壓泵和各執行元件作為數據采集對象，并將仿真數據進行預處理，獲得仿真曲線。

圖2 Automation Studio系統仿真模型

3.1 泵出口壓力監測

在FDT下井測試過程中，憑借其內置的壓力補償裝置可將油箱壓力提升至所處地層壓力，即各執行元件中連通油箱側壓力等同于地層壓力。因此，在仿真分析過程中可短暫性忽略外負載，即系統壓力保持在較低值。當系統狀態切換至步驟3時，系統壓力會逐漸上升至單向閥組壓力設定值(19.3 MPa)。由于在后續步驟4～6中，系統工作狀態會切換為壓力預測試與地層流體取樣， 此時系統壓力將取決于當前執行元件外負載，而其值遠小于單向閥組設定值，因此造成如圖3所示的泵壓急劇下降。該現象會導致支撐臂失穩，進而危及到FDT井下作業可靠性，如圖4所示中短支撐臂在行程穩定后出現的波動?？紤]到FDT在測量地層壓力時需保證設備相對井眼姿態穩定，即各支撐臂無桿腔側應保持高壓。因此，在FDT內部安裝體積允許范圍內，可于支撐臂無桿腔側入口交匯處增設單向閥組，其結構參照單向閥組20。

圖3 FDT泵出口壓力曲線

圖4 長、短支撐臂行程曲線

3.2 執行元件運動狀態監測

如上文所述，各執行元件需以嚴格先后次序輔助完成FDT地層壓力測量，且對運動狀態穩定性具有一定要求。根據仿真結果分析，各執行元件都存在著不同程度的浮動。如圖5所示，隔離閥、探針筒及平衡閥在行程穩定后出現波動，與其理想工作狀態(即維持穩定位置)相違背。分析其主要原因在于部分工作狀態下執行元件活塞兩側壓力相同，而壓力作用面積有差異。即使考慮真實管路中存在的沿程損失等現象，壓力作用面積的差異仍會促使浮動產生。為避免此類現象發生，考慮在各執行元件有桿腔一側增設節流口以提供回油液阻。

圖5 FDT隔離閥、探針筒及平衡閥行程曲線

3.3 管線壓力監測

在仿真過程中，部分油液管路會出現負壓現象。如圖6所示中過濾閥19有桿腔側。分析其流量走向可知，由于支撐臂在作動過程中流量走向不穩定，導致過濾閥有桿腔側部分油液通過單向閥組20流入支撐臂管路部分。負壓會造成油液中氣體析出，氣泡的高速破裂及彈性模量降低會引發過濾閥在探針筒中的異常抖動，加劇配合表面磨損。此外，負壓意味著局部油液缺失，易造成過濾閥內配合表面快速磨損，最終演變為內泄漏嚴重。面對預期外的油液走向，可將單向閥組中單向閥(上側)替換為預壓力較小的彈簧式單向閥，目的是保證即使在其他執行元件浮動時，過濾閥有桿腔側油液無法建立足夠壓力打開單向閥組。

圖6 FDT油液管路負壓現象

系統中憋壓現象會導致元件及其連通管路產生嚴重泄漏，引發異常工況。如圖7預測試室15有桿腔側回油管路被電磁換向閥12隔斷，導致油路壓力局部上升直至活塞兩側作用力穩定，造成其活塞發生圖8所示的往復抖動。此外，反復憋壓會大大降低元器件壽命，不利于液壓系統長期服役，尤其應用于極端井下環境。針對憋壓現象，本研究對FDT工作狀態切換邏輯進行調整，將1.2節中所述步驟7和步驟8同時操作，不僅可以有效避免憋壓現象，也精簡井下操作邏輯，提高測井效率。

圖7 FDT油液管路憋壓現象

圖8 FDT預測試室行程曲線

4 結論

基于Automation Studio強大的建模、仿真功能，對FDT液壓系統進行了仿真分析，能夠清晰地觀測到系統內各元件動態特性變化，包括泵出口壓力及執行元件的運動特征。通過仿真分析可以得到以下結論：

(1)功行賞泵出口壓力會在切換系統工況時出現間歇性下降，而重新建立系統壓力會造成支撐臂間歇性失穩；

(2) 部分執行元件出現不同程度的浮動，導致系統穩定性降低，尤其在面臨井下極端環境時；

(3) 液壓系統部分管線存在壓力異常狀態，易引發異常工況。本研究對上述潛在缺陷提出相應液壓系統優化方案，如為執行元件無桿腔側增設節流口，調整系統狀態切換邏輯等，旨在進一步提升液壓系統穩定性，更好服役于井下極端環境。