智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)注油檢測(cè)臺(tái)研制

白大鵬，李紹輝，魏臣興，馬　哲，楊　春

(中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，天津 300457)①

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智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)注油檢測(cè)臺(tái)研制

白大鵬，李紹輝，魏臣興，馬哲，楊春

(中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，天津 300457)①

為提高智能鉆井工具工作性能及技術(shù)服務(wù)質(zhì)量、縮短維修和測(cè)試時(shí)間，研制了一種對(duì)工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行注油檢測(cè)的裝置。在分析智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了注油檢測(cè)臺(tái)。針對(duì)不同系列的工具，可完全模擬導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程。通過注油油路和回油油路上設(shè)置的注油嘴和回油嘴與導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，對(duì)其進(jìn)行注油檢測(cè)。用注油檢測(cè)臺(tái)對(duì)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行注油檢測(cè)，結(jié)果表明，該注油檢測(cè)臺(tái)能夠在導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓部件裝入工具前，對(duì)各部件的性能進(jìn)行檢測(cè)；液壓部件裝入工具后，對(duì)工具的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行注油、排氣，確保導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)定的液壓推力，提高工具的穩(wěn)定性。

智能鉆井；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；檢測(cè)裝置

導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為智能鉆井工具的重要組成部分，以液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)液壓部件產(chǎn)生導(dǎo)向推力，將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)緊密推靠到井壁上，糾正軌跡偏差[1-4]。由于液壓系統(tǒng)部件較多，油路連接復(fù)雜，部件安裝前缺乏有效的性能檢測(cè)措施，導(dǎo)致故障排查困難，影響工具維修周期。在工具注油過程中，液壓油中夾雜的氣泡會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不穩(wěn)、導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，減損工具壽命[5-8]。

目前，尚未發(fā)現(xiàn)用來模擬智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作過程對(duì)其液壓部件進(jìn)行注油檢測(cè)的裝置。因此，研制了該注油檢測(cè)臺(tái)。注油檢測(cè)臺(tái)可以在工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓部件裝配前，對(duì)各液壓部件進(jìn)行檢測(cè)，明確其工作性能，以此來決定是否需要對(duì)其進(jìn)行更換或維修；裝配后對(duì)其進(jìn)行注油、排氣，確保導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作，提高工具的整體工作性能和技術(shù)服務(wù)質(zhì)量，延長(zhǎng)工具的工作時(shí)間。

1　技術(shù)分析

1.1導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

智能鉆井工具導(dǎo)向控制的基本原理為：由控制系統(tǒng)進(jìn)行工具狀態(tài)信息的測(cè)量及處理，根據(jù)工具當(dāng)前井斜、方位信息驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作，從而帶動(dòng)導(dǎo)向推力裝置動(dòng)作，使工具按設(shè)計(jì)的井眼軌跡鉆進(jìn)[9-11]。

圖1為渤海鉆探工程技術(shù)研究院研制的BH系列智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理圖?？刂葡到y(tǒng)中的測(cè)量單元負(fù)責(zé)井斜、方位信息的采集；信息處理、控制單元對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作，液壓泵在電機(jī)的帶動(dòng)下，通過控制4個(gè)電磁閥為對(duì)應(yīng)活塞提供液壓推力，使導(dǎo)向推力裝置中的1個(gè)或2個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)伸出支撐井壁，產(chǎn)生與井眼實(shí)際偏斜方向相反的導(dǎo)向集中力，把井眼軌跡糾回到正確方向。

圖1　導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

1.2注油檢測(cè)臺(tái)的功能

該注油檢測(cè)臺(tái)能夠在導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓部件裝入工具前，對(duì)各液壓部件的性能進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)；液壓部件裝入工具后，通過注油油路完成對(duì)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的注油，通過回油油路將導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓油中攜帶的氣體排出，保證導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)定的液壓推力，從而實(shí)現(xiàn)液壓部件安裝前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、液壓部件安裝后導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作的目的，節(jié)約工具的維修測(cè)試時(shí)間，提高工具穩(wěn)定性，延長(zhǎng)工具工作時(shí)間。

2　注油檢測(cè)臺(tái)

根據(jù)工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理，設(shè)計(jì)注油檢測(cè)臺(tái)，將液壓部件安裝到檢測(cè)臺(tái)上，用液壓管線將其連接，用來模擬智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程，對(duì)其進(jìn)行注油檢測(cè)。

2.1油路設(shè)計(jì)

智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)注油檢測(cè)臺(tái)油路包括注油油路和回油油路，如圖2所示。

圖2　注油檢測(cè)臺(tái)油路示意

注油泵一端與導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)注油油桶連接，另一端與注油泵球閥連接，注油泵球閥與液壓油過濾器相連，液壓油過濾器上依次連接有壓力表4和注油嘴，壓力表4和注油嘴之間設(shè)置旁路通過球閥4至廢油桶；回油油路包括3組結(jié)構(gòu)相同的回油回路，每個(gè)回油回路均與廢油桶相連，每個(gè)回油回路依次由通過液壓油管進(jìn)行連接的回油嘴、壓力表和球閥構(gòu)成。3個(gè)回油嘴通過控制相應(yīng)的球閥對(duì)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行排氣，避免氣體對(duì)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件機(jī)械性能造成不利影響，影響工具的導(dǎo)向精度及使用壽命。注油嘴、回油嘴與壓力表之間用透明的液壓管連接，以便觀察是否有氣泡排出。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理及各液壓部件尺寸，設(shè)計(jì)檢測(cè)臺(tái)。對(duì)不同系列的工具，設(shè)計(jì)不同型號(hào)的可拆卸底座，用于固定壓力囊、壓力調(diào)節(jié)閥等液壓部件，每個(gè)底座上均設(shè)計(jì)有進(jìn)油、出油通道，按照工具實(shí)際油路走向，將各組成部件通過液壓管路進(jìn)行連接，完全模擬導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程，如圖3所示。

圖3　液壓部件連接示意

注油檢測(cè)臺(tái)如圖4～5所示。壓力表、球閥、注油嘴安裝到測(cè)試臺(tái)上方，油桶和廢油桶放到測(cè)試臺(tái)下方，注油泵、注油泵球閥和液壓油過濾器安裝到測(cè)試架上。

1—球閥；2—壓力表；3—活塞；4—油囊；5—液壓泵；6—檢查孔螺釘；7—電磁閥；8—壓力調(diào)節(jié)閥；9—注油嘴；10—回油嘴；11—液壓油過濾器；12—注油泵球閥；13—注油泵；14—壓力囊。

圖5　注油檢測(cè)臺(tái)

3　導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)注油檢測(cè)

用注油檢測(cè)臺(tái)對(duì)工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行注油檢測(cè)，操作程序如圖6所示。

3.1注油

在全球降雨變化的指標(biāo)方面，全球降雨變化包含降雨量、降雨頻率和降雨強(qiáng)度的變化.本文僅討論了降雨量，而未討論降雨頻率和強(qiáng)度的變化特征.本文的亮點(diǎn)在于分析全球不同類型的降雨，這對(duì)于全面開展全球降雨分類研究具有一定的科學(xué)意義.值得注意的是未來仍需通過類似copula函數(shù)的方法，將降雨量、降雨頻率和降雨強(qiáng)度聯(lián)合起來，綜合反映全球不同類型降雨變化特征，這對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)全球不同類型降雨變化研究具有重要作用.

導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓部件安裝到檢測(cè)臺(tái)上后，通過注油油路對(duì)其進(jìn)行注油，步驟如下：

圖6　注油檢測(cè)操作程序

1)注油嘴連接壓力調(diào)節(jié)閥，回油嘴1連接油囊，回油嘴2、3連接壓力囊。

2)拆下檢查孔螺釘，打開注油泵球閥，通過注油泵從油桶中抽油向?qū)驁?zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)注油。

3)注油至液壓油從檢查孔流出，把檢查孔螺釘裝回原處。

4)觀察壓力表1的壓力變化，當(dāng)壓力值達(dá)到0.2 MPa時(shí)，停止注油。

3.2檢測(cè)

1)液壓泵性能測(cè)試。打開液壓泵，觀察壓力表2、3的壓力變化，若其分別能達(dá)到3 MPa和9 MPa，則液壓泵工作正常。

3)若經(jīng)測(cè)試有不合格液壓部件，則更換后重復(fù)步驟1)、2)，直至所有液壓部件合格。

3.3排氣

將檢測(cè)合格的液壓部件安裝到工具上，對(duì)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)注油后，需要排除液壓油攜帶的氣泡，確保導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)有穩(wěn)定的液壓推力，步驟如下：

1)壓力囊排氣。①開啟液壓泵，觀察壓力表3的壓力變化，壓力值達(dá)到7 MPa時(shí)，關(guān)閉液壓泵；②打開球閥3，使壓力表3壓力值降為0時(shí)，關(guān)閉球閥3；③重復(fù)步驟①、②至回油嘴3油管中的氣泡排凈。

2)系統(tǒng)排氣。①開啟液壓泵，觀察壓力表2、3的壓力變化，當(dāng)其壓力值分別達(dá)到3 MPa和9 MPa時(shí)，關(guān)閉液壓泵；②緩慢打開球閥2，進(jìn)行排氣；③重復(fù)步驟①、②至回油嘴2油管中的氣泡排凈。

3)活塞排氣。①開啟液壓泵，啟動(dòng)其中一個(gè)電磁閥，使其對(duì)應(yīng)的活塞完全伸出；②關(guān)閉該電磁閥，打開球閥1進(jìn)行排氣至回油嘴1油管中的氣泡排凈，關(guān)閉球閥1；③重復(fù)步驟①、②將其它三個(gè)活塞內(nèi)的氣泡排出，關(guān)閉液壓泵。

4　結(jié)論

1)在對(duì)智能鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行注油檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)，針對(duì)不同系列的工具，設(shè)計(jì)了有進(jìn)油、出油通道的用于固定導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)各液壓部件的可拆卸底座，可完全模擬導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程。

2)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)各液壓部件的單獨(dú)測(cè)試，明確其工作性能，對(duì)縮短工具的維修時(shí)間，提高工具的組裝、測(cè)試效率具有重要意義。

3)該注油檢測(cè)臺(tái)不但能夠?qū)ぞ邔?dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行注油，還可以排除液壓油攜帶的空氣，確保導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作，提高工具的整體工作性能和技術(shù)服務(wù)質(zhì)量。

[1]王聞濤，王小通，楊曉勇，等.全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析[J].石油機(jī)械，2015，43(9)：24-27.

[2]朱德武.國外新型鉆井工具技術(shù)進(jìn)展[J].中外能源，2011，16(4)：41-46.

[3]李運(yùn)升.自動(dòng)垂直鉆井工具糾斜控制實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭技術(shù)，2010，29(3)：150-152.

[4]穆鐵奎，馬建格.智能化鉆井技術(shù)分析與發(fā)展趨勢(shì)[J].電子測(cè)試，2013(5)：107-108.

[5]王聞濤，王進(jìn)全，王小通，等.全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具的研制[J].石油機(jī)械，2015，43(8)：47-50.

[6]張建平，肖華，石麗娟，等.垂直鉆井系統(tǒng)在吐哈盆地山前高陡構(gòu)造的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33(10)：158-160.

[7]陳威，謝慧.捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)模態(tài)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(7)：1-3.

[8]李童.自動(dòng)垂直鉆井工具指向式導(dǎo)向糾斜機(jī)構(gòu)原理方案研究[J].中國西部科技，2012，11(9)：42.

[9]邵佩，劉白雁，蘇義腦，等.垂直鉆井工具測(cè)斜儀精確校正理論與實(shí)驗(yàn)[J].石油學(xué)報(bào)，2012，33(4)：692-696.

[10]吳文晉，梁軍，白玉新，等.垂直鉆井系統(tǒng)中央控制器設(shè)計(jì)[J].石油儀器，2012，26(1)：5-7.

[11]聶云飛，吳仲華，孫浩玉，等.自動(dòng)垂直鉆井執(zhí)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40(5)：21-24.

Development of Oil Filling and Testing Equipment for Steering Executive Unit of Intelligent Drilling Tool

BAI Dapeng，LI Shaohui，WEI Chenxing，MA Zhe，YANG Chun

(Engineering Technology Research Institute，CNPC Bohai Drilling EngineeringCompanyLimited，Tianjin300457，China)

In order to reduce the repairing and testing time and to improve the working performance and the technical service quality of the intelligent drilling tool，an oil filling and testing equipment for the steering executive unit was developed.The testing bench and the oil way were designed on the basis of analyzing the working principle of the unit.According to different series of intelligent drilling tools，removable pedestals equipped with oil inlet and oil outlet were designed for the components’ fixation.The oil inlet and oil outlet of every pedestal are connected by the hydraulic pipeline.By this way the test bench can completely simulate the functions of the tool’s hydraulic system.The hydraulic circuit layout includes oil-filling-way and scavenge-oil-way which is connected by oil-filling-nozzle and scavenge-oil-nozzle independently.The hydraulic circuit is used for the oil filling and testing of the hydraulic system.The result shows that，the equipment meets the design requirement.Before assembling the performance of all hydraulic parts can be tested and the oil filling and venting procedure for the tool can be performed after the parts assembly.Thus the stable hydraulic thrust can be generated and the working stability of the tool can be improved.

intelligent drilling；steering unit；testing equipment

1001-3482(2016)10-0058-04

2016-05-29

國家“十二五”重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”項(xiàng)目“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆測(cè)錄、酸性氣層測(cè)試技術(shù)與裝備”(2011ZX05021-005)；中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司項(xiàng)目“BH-VDT垂直鉆井系統(tǒng)國產(chǎn)化研究”(2015ZD 13K)

白大鵬(1982-)，男，黑龍江依安人，工程師，博士，主要從事智能鉆井工具的研究工作，E-mail：bdp2013@163.com。

TE921.2

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.013