具有原位测量功能的井壁取心器液压系统设计及分析

2022-04-01魏航信郭英才

西安石油大学学报（自然科学版） 2022年2期

魏航信，周莹，郭英才，李博，吴伟

(1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065； 2.中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安 710077)

引言

钻进式井壁取心器兼有撞击式井壁取心和钻井取心的优点，通过地面大功率变频驱动、井下液压传动使仪器推靠至井壁，依靠带有空心钻头的液压马达进行岩心钻取，可适用于全井段不同地层取心，对于不同硬度的岩层，取心收获率超过90%[1-3]。但是，从提取岩心到输送至地面的过程中，岩样经过撞击遭到破坏，也改变了岩样的储存环境,因此地面测量岩心相关参数并不具有参考性[3]。为了规避常规岩心测试中样品损坏而导致其丧失代表性的问题，提出井下钻取样品并在原位测量的方法，以实时获取地层真实条件下岩石物理性质。

原位测量装置，是油田勘探和开采过程中建立在液压传动技术之上的一种识别和评价油气藏的测井辅助工具。可直观地对岩心含油量、地层电性进行观察，并求取孔隙度、渗透率等储层参数[3-4]。早在20世纪50年代，电缆地层测试器技术就已经开始发展。1989年，斯伦贝谢公司推出了能够根据不同测试目的和条件选择适合的模块进行组合下井的模块式地层动态测试器[2]。利用液压模块为多探头装置提供动力，能够完成快速、准确的压力测试，一次下井完成多次取样。

目前国内还没有带原位测量装置的钻进式井壁取心器，因此设计了新型钻进式井壁取心器，实现取心与测量的功能。由于该装置通过液压驱动实现取心和测量等一系列动作，因此液压系统是仪器中必不可少的模块，并对整个仪器能否完成取心及测量任务发挥着决定性的作用。在取心器不同工况下，液压缸的输入压力、流量均不相同。原位取心器工作于井下，井深、井温、泥浆黏度、岩性等对岩心的钻取都有很大影响，这就要求液压系统各个模块能够提供平稳的压力，实现稳定的运动送进。因此，在保证仪器装置正常运行的前提下，对液压系统及动态特性进行研究具有重要的意义。

1 带有原位测量装置的钻进式井壁取心器结构及原理

钻进式井壁取心器地面控制系统通过单芯电缆或七芯电缆与井下仪器连接并给其供电，完成数据的传输和命令的发送[3]。通过井下仪器测量自然伽马或0.4 m电极进行校深[4-5]，根据油田勘探开发的要求，在目的井深停车。图1为取心器结构，由钻进系统和切换系统组成。钻进系统的工作过程为：高压液压油通过推靠液压缸2、8使推靠臂1、10张开，将仪器紧贴于井壁上，液压马达13工作带动钻头12旋转，同时，钻进液压缸7推动液压马达13伸向井壁，完成钻取岩心的任务。切换系统的工作过程为：岩心钻取完成后钻头收回，切换液压缸9带动切换模块向上运动，使探头伸入已经钻好的岩心孔中进行测量，测量完成后岩心冲针11推出，将岩心推入储心桶14中储存，推靠臂收回，完成取心及测量任务。

图1 钻进式井壁取心器及其原位测量装置结构

2 液压系统及其静动态特性分析

2.1 液压系统工作原理

受系统功率和电缆传输的限制，钻进式井壁取心器液压系统总功率必须控制在可承受的范围内[6-8]。液压系统由取心模块、切换模块、推靠模块、原位测量模块组成，如图2所示。液压能量由大泵和小泵组成的双联泵提供，执行机构由推靠液压缸1和2、钻进液压缸、切换液压缸、液压马达等组成。

工作原理如下：电机带动大泵和小泵工作，大泵输出的高压液压油分为2路。其中一路液压油为切换模块提供动力，沿图2中管路1，经过节流堵、三位四通切换缸电磁换向阀、液压锁、双向节流阀，进入切换液压缸无杆腔。当电磁换向阀处于右位时，切换液压缸带动切换模块平稳下降，实现钻头与测量探头的切换动作；另一路液压油经过马达电磁换向阀沿图2中管路2进入液压马达，带动空心钻头转动，实现钻取岩心动作。

图2 钻进式井壁取心器及其原位测量装置液压系统

小泵为推靠模块、取心模块、原位测量模块及蓄能器提供动力[9-10]。小泵输出的高压液压油分为4路：第1路经过二位四通推靠电磁换向阀，沿图2中管路3进入推靠液压缸1和推靠液压缸2，分别驱动各自的推靠臂动作。同时，液压油还进入岩心推针，将岩心从空心钻头推入储心桶(图1中14)；第2路液压油沿图2中管路4进入原位测量模块，原位测量模块主要由减压阀、二位三通换向阀和单作用液压缸组成。高压液压油通过减压阀进入液压缸无杆腔，活塞向外运动，带动探头伸出，弹簧呈压缩状态。回油时弹簧恢复推动探头收回，无杆腔中液压油直接流回油箱；第3路液压油沿图2中管路5进入蓄能器，蓄能器作为辅助能源起到补偿泄漏、保持恒压的作用；第4路液压油,经过减压阀沿图2中管路6进入钻进控制阀，起到稳压作用。需注意，为了提高钻进稳定性，钻进液压缸还引入了大泵的液压油，其详细工作原理见2.2节。

2.2 钻进控制阀工作原理

钻进控制阀的作用是保证钻头在高速旋转过程中有足够的前进力，其结构如图3所示。它由上联接帽、阀芯、调压弹簧、下联接帽组成，是钻进系统推动钻头实现岩心钻取的主要压力控制部件。为解决由于大泵压强与小泵压强同时受井温、井深以及钻进岩层的致密度等因素影响而变化，导致反应时间滞后无法快速控制的问题[11-12]，将大泵系统压力作为控制阀输入驱动，从小泵系统中引出一路经过减压阀调节后的稳定压力作为调控压力(该压力可通过设置认为是一恒定值)[12]。当大泵压力变化时，控制阀阀芯移动，钻进控制阀出口流量q发生变化。因此，钻进油缸的进油量仅随大泵系统压力的变化而变化，使钻进速度实现快速控制。

图3 钻进控制阀结构

2.3 钻进控制阀静动态特性分析

(1)静态特性分析

如图3所示，静态时阀芯质量忽略不计，阀芯受力平衡方程为

A1p0=A2px+A3p+Fs。

(1)

式中：A1为大泵系统一侧的活塞面积，m2；p0为触发自动调节的最低大泵系统压力，Pa；A2为调节开关压力一侧的活塞面积，m2；px为减压后的小泵压力，Pa；p为小泵系统压力，Pa；A3为阀芯横截面积，m2；Fs为弹簧力，N；Fs=kΔx，k为弹簧弹性系数。

因为锥阀为薄壁小孔，因此流经阀口的压力-流量方程为

(2)

式中：Cd为流量系数，默认值0.7；ds为阀座孔直径，m；ρ为液压油密度，kg/m3；Δp为阀口液压油压差，Pa。

(2)动态特性分析

动态时，经减压阀调节的小泵压强出口压力px基本保持不变，阀芯上的受力平衡方程为

p0A1=F2+F3+FW+FS。

(3)

其中，

(4)

(5)

FW=CdCvπxdsΔpsin(2α)。

(6)

式中：F2为粘性摩擦力，N；F3为弹簧和阀芯的惯性力，N；FW为稳态液动力，N；m为弹簧和阀芯的折算质量总和，kg；B为阻尼系数；Cv为速度系数；x为阀芯位移，m；t为时间，s；α为锥阀阀芯半锥角。

将式(4)—式(6)代入式(3)得到阀芯的动态平衡方程

(7)

式(1)、(2)、(7)即为控制阀的静、动态微分方程。

2.4 切换系统升降回路存在的问题及解决方法

切换系统的作用是切换钻头和探头的位置，钻孔完成后将钻头收回，探头移动至打好的孔中，如图2中切换模块。切换液压缸活塞杆上安装作业装置，作业装置上安装钻头模块和测量模块的承载骨架。当钻头收回后，测量模块上升到作业位置对钻孔进行测量。在切换装置工作过程中，作业装置下降会造成液压缸及其所连接的部件出现时快时慢、交替产生振动爬行的现象并且伴有噪声，影响取心器的使用寿命和操作稳定性[13]。

根据工况要求，需要切换液压缸活塞杆可以停在任意指定位置[13-15]。起升工况时，液压缸无杆腔不会产生负压，故不会出现振动现象；下降工况时，液压缸无杆腔液压作用力与负值载荷的共同作用，使液压缸活塞下降速度过快，无杆腔内出现短暂失压，随之液压锁关闭，液压缸将突然停止下降[14]；而由于液压泵继续供油，液压缸无杆腔进油压力升高，使有杆腔液控单向阀重新打开，即液压锁重新开启，活塞及负载又快速下降，重复同样的动作，液压锁启闭频繁，引起液压缸的振动及爬行，给测井作业造成不利影响。

为消除振动和爬行现象，确保液压杆匀速平稳地下降，同时可在中位锁紧，在液压缸有杆腔前加装安全阀，液压缸无杆腔前加装双向节流阀，在换向阀前加装叠加式溢流阀。工作原理为：双向节流阀可使液压缸在克服负载时通过单向阀正常缩回，而在伸出时先经过节流阀把液压缸无杆腔液压锁前端的油压降低，使负值负载引起的失速下落得到限制，从而使系统开启液压缸无杆腔液压锁的压力降低，此压力小于系统为克服负载而设定的压力，通过叠加式溢流阀对此压力进行二次限定[16-18]。在液压缸有杆腔前加装安全阀可以有效避免由于液控阻塞而造成有杆腔压力过大出现活塞震碎现象。

2.5 切换系统分析

活塞前进行程和后退行程的负载压力不同。相同负载下，液压缸入口处的压力降ΔpA比通过出口处的压力降ΔpB大β2倍，β为活塞面积与环形面积之比。

活塞的受力平衡方程为

(ps-ΔpA)A1=ΔpBA2+pLA2；

(8)

(ps-β2ΔpB)βA2=ΔpBA2+pLβA1。

(9)

式中：ΔpA为换向阀入口压力降，Pa；ΔpB为换向阀出口压力降，Pa；ps为液压缸供油压力，Pa；pL为负载压力，Pa；A1为切换液压缸无杆腔面积，m2；A2为液压缸有杆腔面积，m2。

最大流量

(10)

向下运动最大速度

(11)

其中，A1=1.385×10-3m2。同理，上升行程时最大流量qAmax2=5.93 L/min，vmax2=0.072 m/s。

3 AMESim建模及动态特性仿真分析

AMESim是法国IMAGINE公司推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件[19]。可用于液压、液压管路、液压元件设计、液压阻力等系统工程的建模与仿真[20]。根据新型钻进式井壁取心器的结构及工作原理，利用AMESim软件建立的仿真模型如图4所示。建模过程中，推靠液压缸、钻进控制阀和溢流阀均采用HCD(Hydraulic component design)库中模块搭建，其余元件从Mechanical和Hydraulic库中选取。

图4 新型钻进式井壁取心器系统模型

3.1 液压系统模型建立及关键部件参数设置

根据钻进式井壁取心器的工作原理，设定AMESim各主要模块的参数，见表1，其他参数保持默认。

表1 模型主要元件参数设置值

3.2 动态特性仿真与分析

(1)钻进回路仿真分析

通过仿真钻进控制阀的控制输入信号(大泵输入压力、小泵输入压力)、液压马达输入压力、钻进液压缸位移信号，反映钻头可靠地实现钻进动作。仿真时间50 s，仿真步长设置为0.01 s，仿真结果如图5所示。

电机开启后，大泵和小泵开始工作，当马达电磁换向阀输入电流信号时(图5(a))，换向至左位，液压马达带动钻头转动，输出转矩不小于2.5 N·m。为防止液压马达卡钻，其前进力需大于650 N。图5(b)为液压马达输入压力变化曲线，可以看出，0～10 s内，液压马达没有接触到井壁，处于无负载的空转状态，此时压力为2.02 MPa，10 s以后，液压马达钻头接触到井壁，由于负载转矩的上升，系统压力迅速上升到3.97 MPa。

由于岩石的硬度不同，液压马达负载大小不同，其输入压力不同，反馈到钻进控制阀的输入压力不同，控制阀阀芯在弹簧弹力、经过调节后小泵压力的平衡作用下动作，调整阀的开口大小。图5(c)所示钻进过程中小泵输出至钻进液压缸进油腔压力随岩石硬度变化曲线，0～6 s时，压力从0线性增加至0.79 MPa，6～10 s时压力为0.79 MPa维持不变，10～22 s时压力从0.79 MPa线性增加至2.83 MPa，22～39 s时压力稳定在2.87 MPa不变，39～40 s时压力从2.87 MPa线性增加至6.3 MPa，40 s以后压力为6.3 MPa。控制阀阀芯曲线如图5(d)所示，0～6 s阀口未开启，阀芯位移为0。6～10 s阀芯开启0.000 2 m，液压油进入钻进液压缸使钻头贴近井壁。10～22 s系统由空载状态转化为带载状态，此时控制阀阀芯位移为0，即阀口为关闭状态，控制缸活塞停止运动。22～39 s系统压力不断增加，当系统压力增加到溢流阀开启压力，使钻进控制阀重新打开，阀芯位移为0.002 m，39～50 s阀芯位移为0.006 m，在钻进液压缸负载的作用下，系统压力迅速上升，并使控制缸活塞运动到位。图5(e)为钻进液压缸活塞杆位移曲线，0～10 s为钻进液压缸将钻头推出仪器0.029 m,钻头空转靠近井壁。23～50 s钻进缸推动钻头向前运动0.15 m，空心钻头完成钻取岩心过程。因此可以看出，钻进控制阀能够为取心器提供足够的推进力，带动液压马达完成取心任务。

图5 钻进液压回路曲线

(2)切换系统升降回路仿真分析

对液压升降回路进行仿真，仿真时间10 s，仿真步长设置为0.02 s，改进前回油路上液压锁出口压力及流量的仿真结果如图6所示。从图6可以看出，液压锁出口压力波动过大，与前面分析的情况一致。随着切换缸下落速度的增大，液压锁出口压力值不断增大，曲线振幅不断增大，最大波动范围在0～10 MPa(图6(a))。当流量值为0时，液压锁为关闭状态。从图6(b)可以看出，随液压缸下落速度的加快，流量波动逐步增大。在液压锁不断启闭的过程中，流量值不断恢复至0值，导致升降系统产生振动和噪声。

图6 升降系统液压锁出口压力、流量曲线

改进后的切换系统仿真结果如图7所示。图7(a)、图7(b)分别为活塞杆下降过程中切换液压缸进口(无杆腔)压力曲线和流量曲线。可以看出，切换液压缸进口压力与流量在开启瞬间有短时振荡，之后压力迅速稳定在1.68 MPa，流量为9.5 L/min。图7(c)、图7(d)分别为活塞杆下降过程中切换液压缸出口(有杆腔)压力和流量曲线，虽然负载会产生1.68 MPa的负压，但由于液压缸出口的压力值为2.5 MPa(背压)，因此出口流量在短时振荡后迅速稳定在6.4 L/min。可以看出，改进后的液压系统能确保整个切换装置匀速平稳地下降，同时也可使机构在中位锁紧，作业过程中液压锁一直处于开启的状态，并且压力、流量平稳，有效防止振动和爬行现象的发生。