具有原位測量功能的井壁取心器液壓系統(tǒng)設(shè)計及分析

魏航信，周 瑩，郭英才，李 博，吳 偉

(1.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065； 2.中國石油集團測井有限公司 技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

引 言

鉆進式井壁取心器兼有撞擊式井壁取心和鉆井取心的優(yōu)點，通過地面大功率變頻驅(qū)動、井下液壓傳動使儀器推靠至井壁，依靠帶有空心鉆頭的液壓馬達進行巖心鉆取，可適用于全井段不同地層取心，對于不同硬度的巖層，取心收獲率超過90%[1-3]。但是，從提取巖心到輸送至地面的過程中，巖樣經(jīng)過撞擊遭到破壞，也改變了巖樣的儲存環(huán)境,因此地面測量巖心相關(guān)參數(shù)并不具有參考性[3]。為了規(guī)避常規(guī)巖心測試中樣品損壞而導致其喪失代表性的問題，提出井下鉆取樣品并在原位測量的方法，以實時獲取地層真實條件下巖石物理性質(zhì)。

原位測量裝置，是油田勘探和開采過程中建立在液壓傳動技術(shù)之上的一種識別和評價油氣藏的測井輔助工具?？芍庇^地對巖心含油量、地層電性進行觀察，并求取孔隙度、滲透率等儲層參數(shù)[3-4]。早在20世紀50年代，電纜地層測試器技術(shù)就已經(jīng)開始發(fā)展。1989年，斯倫貝謝公司推出了能夠根據(jù)不同測試目的和條件選擇適合的模塊進行組合下井的模塊式地層動態(tài)測試器[2]。利用液壓模塊為多探頭裝置提供動力，能夠完成快速、準確的壓力測試，一次下井完成多次取樣。

目前國內(nèi)還沒有帶原位測量裝置的鉆進式井壁取心器，因此設(shè)計了新型鉆進式井壁取心器，實現(xiàn)取心與測量的功能。由于該裝置通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)取心和測量等一系列動作，因此液壓系統(tǒng)是儀器中必不可少的模塊，并對整個儀器能否完成取心及測量任務發(fā)揮著決定性的作用。在取心器不同工況下，液壓缸的輸入壓力、流量均不相同。原位取心器工作于井下，井深、井溫、泥漿黏度、巖性等對巖心的鉆取都有很大影響，這就要求液壓系統(tǒng)各個模塊能夠提供平穩(wěn)的壓力，實現(xiàn)穩(wěn)定的運動送進。因此，在保證儀器裝置正常運行的前提下，對液壓系統(tǒng)及動態(tài)特性進行研究具有重要的意義。

1 帶有原位測量裝置的鉆進式井壁取心器結(jié)構(gòu)及原理

鉆進式井壁取心器地面控制系統(tǒng)通過單芯電纜或七芯電纜與井下儀器連接并給其供電，完成數(shù)據(jù)的傳輸和命令的發(fā)送[3]。通過井下儀器測量自然伽馬或0.4 m電極進行校深[4-5]，根據(jù)油田勘探開發(fā)的要求，在目的井深停車。圖1為取心器結(jié)構(gòu)，由鉆進系統(tǒng)和切換系統(tǒng)組成。鉆進系統(tǒng)的工作過程為：高壓液壓油通過推靠液壓缸2、8使推靠臂1、10張開，將儀器緊貼于井壁上，液壓馬達13工作帶動鉆頭12旋轉(zhuǎn)，同時，鉆進液壓缸7推動液壓馬達13伸向井壁，完成鉆取巖心的任務。切換系統(tǒng)的工作過程為：巖心鉆取完成后鉆頭收回，切換液壓缸9帶動切換模塊向上運動，使探頭伸入已經(jīng)鉆好的巖心孔中進行測量，測量完成后巖心沖針11推出，將巖心推入儲心桶14中儲存，推靠臂收回，完成取心及測量任務。

圖1 鉆進式井壁取心器及其原位測量裝置結(jié)構(gòu)

2 液壓系統(tǒng)及其靜動態(tài)特性分析

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

受系統(tǒng)功率和電纜傳輸?shù)南拗?，鉆進式井壁取心器液壓系統(tǒng)總功率必須控制在可承受的范圍內(nèi)[6-8]。液壓系統(tǒng)由取心模塊、切換模塊、推靠模塊、原位測量模塊組成，如圖2所示。液壓能量由大泵和小泵組成的雙聯(lián)泵提供，執(zhí)行機構(gòu)由推靠液壓缸1和2、鉆進液壓缸、切換液壓缸、液壓馬達等組成。

工作原理如下：電機帶動大泵和小泵工作，大泵輸出的高壓液壓油分為2路。其中一路液壓油為切換模塊提供動力，沿圖2中管路1，經(jīng)過節(jié)流堵、三位四通切換缸電磁換向閥、液壓鎖、雙向節(jié)流閥，進入切換液壓缸無桿腔。當電磁換向閥處于右位時，切換液壓缸帶動切換模塊平穩(wěn)下降，實現(xiàn)鉆頭與測量探頭的切換動作；另一路液壓油經(jīng)過馬達電磁換向閥沿圖2中管路2進入液壓馬達，帶動空心鉆頭轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鉆取巖心動作。

圖2 鉆進式井壁取心器及其原位測量裝置液壓系統(tǒng)

小泵為推靠模塊、取心模塊、原位測量模塊及蓄能器提供動力[9-10]。小泵輸出的高壓液壓油分為4路：第1路經(jīng)過二位四通推靠電磁換向閥，沿圖2中管路3進入推靠液壓缸1和推靠液壓缸2，分別驅(qū)動各自的推靠臂動作。同時，液壓油還進入巖心推針，將巖心從空心鉆頭推入儲心桶(圖1中14)；第2路液壓油沿圖2中管路4進入原位測量模塊，原位測量模塊主要由減壓閥、二位三通換向閥和單作用液壓缸組成。高壓液壓油通過減壓閥進入液壓缸無桿腔，活塞向外運動，帶動探頭伸出，彈簧呈壓縮狀態(tài)?；赜蜁r彈簧恢復推動探頭收回，無桿腔中液壓油直接流回油箱；第3路液壓油沿圖2中管路5進入蓄能器，蓄能器作為輔助能源起到補償泄漏、保持恒壓的作用；第4路液壓油,經(jīng)過減壓閥沿圖2中管路6進入鉆進控制閥，起到穩(wěn)壓作用。需注意，為了提高鉆進穩(wěn)定性，鉆進液壓缸還引入了大泵的液壓油，其詳細工作原理見2.2節(jié)。

2.2 鉆進控制閥工作原理

鉆進控制閥的作用是保證鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)過程中有足夠的前進力，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由上聯(lián)接帽、閥芯、調(diào)壓彈簧、下聯(lián)接帽組成，是鉆進系統(tǒng)推動鉆頭實現(xiàn)巖心鉆取的主要壓力控制部件。為解決由于大泵壓強與小泵壓強同時受井溫、井深以及鉆進巖層的致密度等因素影響而變化，導致反應時間滯后無法快速控制的問題[11-12]，將大泵系統(tǒng)壓力作為控制閥輸入驅(qū)動，從小泵系統(tǒng)中引出一路經(jīng)過減壓閥調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定壓力作為調(diào)控壓力(該壓力可通過設(shè)置認為是一恒定值)[12]。當大泵壓力變化時，控制閥閥芯移動，鉆進控制閥出口流量q發(fā)生變化。因此，鉆進油缸的進油量僅隨大泵系統(tǒng)壓力的變化而變化，使鉆進速度實現(xiàn)快速控制。

圖3 鉆進控制閥結(jié)構(gòu)

2.3 鉆進控制閥靜動態(tài)特性分析

(1)靜態(tài)特性分析

如圖3所示，靜態(tài)時閥芯質(zhì)量忽略不計，閥芯受力平衡方程為

A1p0=A2px+A3p+Fs。

(1)

式中：A1為大泵系統(tǒng)一側(cè)的活塞面積，m2；p0為觸發(fā)自動調(diào)節(jié)的最低大泵系統(tǒng)壓力，Pa；A2為調(diào)節(jié)開關(guān)壓力一側(cè)的活塞面積，m2；px為減壓后的小泵壓力，Pa；p為小泵系統(tǒng)壓力，Pa；A3為閥芯橫截面積，m2；Fs為彈簧力，N；Fs=kΔx，k為彈簧彈性系數(shù)。

因為錐閥為薄壁小孔，因此流經(jīng)閥口的壓力-流量方程為

(2)

式中：Cd為流量系數(shù)，默認值0.7；ds為閥座孔直徑，m；ρ為液壓油密度，kg/m3；Δp為閥口液壓油壓差，Pa。

(2)動態(tài)特性分析

動態(tài)時，經(jīng)減壓閥調(diào)節(jié)的小泵壓強出口壓力px基本保持不變，閥芯上的受力平衡方程為

p0A1=F2+F3+FW+FS。

(3)

其中，

(4)

(5)

FW=CdCvπxdsΔpsin(2α)。

(6)

式中：F2為粘性摩擦力，N；F3為彈簧和閥芯的慣性力，N；FW為穩(wěn)態(tài)液動力，N；m為彈簧和閥芯的折算質(zhì)量總和，kg；B為阻尼系數(shù)；Cv為速度系數(shù)；x為閥芯位移，m；t為時間，s；α為錐閥閥芯半錐角。

將式(4)—式(6)代入式(3)得到閥芯的動態(tài)平衡方程

(7)

式(1)、(2)、(7)即為控制閥的靜、動態(tài)微分方程。

2.4 切換系統(tǒng)升降回路存在的問題及解決方法

切換系統(tǒng)的作用是切換鉆頭和探頭的位置，鉆孔完成后將鉆頭收回，探頭移動至打好的孔中，如圖2中切換模塊。切換液壓缸活塞桿上安裝作業(yè)裝置，作業(yè)裝置上安裝鉆頭模塊和測量模塊的承載骨架。當鉆頭收回后，測量模塊上升到作業(yè)位置對鉆孔進行測量。在切換裝置工作過程中，作業(yè)裝置下降會造成液壓缸及其所連接的部件出現(xiàn)時快時慢、交替產(chǎn)生振動爬行的現(xiàn)象并且伴有噪聲，影響取心器的使用壽命和操作穩(wěn)定性[13]。

根據(jù)工況要求，需要切換液壓缸活塞桿可以停在任意指定位置[13-15]。起升工況時，液壓缸無桿腔不會產(chǎn)生負壓，故不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；下降工況時，液壓缸無桿腔液壓作用力與負值載荷的共同作用，使液壓缸活塞下降速度過快，無桿腔內(nèi)出現(xiàn)短暫失壓，隨之液壓鎖關(guān)閉，液壓缸將突然停止下降[14]；而由于液壓泵繼續(xù)供油，液壓缸無桿腔進油壓力升高，使有桿腔液控單向閥重新打開，即液壓鎖重新開啟，活塞及負載又快速下降，重復同樣的動作，液壓鎖啟閉頻繁，引起液壓缸的振動及爬行，給測井作業(yè)造成不利影響。

為消除振動和爬行現(xiàn)象，確保液壓桿勻速平穩(wěn)地下降，同時可在中位鎖緊，在液壓缸有桿腔前加裝安全閥，液壓缸無桿腔前加裝雙向節(jié)流閥，在換向閥前加裝疊加式溢流閥。工作原理為：雙向節(jié)流閥可使液壓缸在克服負載時通過單向閥正?？s回，而在伸出時先經(jīng)過節(jié)流閥把液壓缸無桿腔液壓鎖前端的油壓降低，使負值負載引起的失速下落得到限制，從而使系統(tǒng)開啟液壓缸無桿腔液壓鎖的壓力降低，此壓力小于系統(tǒng)為克服負載而設(shè)定的壓力，通過疊加式溢流閥對此壓力進行二次限定[16-18]。在液壓缸有桿腔前加裝安全閥可以有效避免由于液控阻塞而造成有桿腔壓力過大出現(xiàn)活塞震碎現(xiàn)象。

2.5 切換系統(tǒng)分析

活塞前進行程和后退行程的負載壓力不同。相同負載下，液壓缸入口處的壓力降ΔpA比通過出口處的壓力降ΔpB大β2倍，β為活塞面積與環(huán)形面積之比。

活塞的受力平衡方程為

(ps-ΔpA)A1=ΔpBA2+pLA2；

(8)

(ps-β2ΔpB)βA2=ΔpBA2+pLβA1。

(9)

式中：ΔpA為換向閥入口壓力降，Pa；ΔpB為換向閥出口壓力降，Pa；ps為液壓缸供油壓力，Pa；pL為負載壓力，Pa；A1為切換液壓缸無桿腔面積，m2；A2為液壓缸有桿腔面積，m2。

最大流量

(10)

向下運動最大速度

(11)

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

3 AMESim建模及動態(tài)特性仿真分析

AMESim是法國IMAGINE公司推出的基于鍵合圖的液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學分析軟件[19]?？捎糜谝簤骸⒁簤汗苈?、液壓元件設(shè)計、液壓阻力等系統(tǒng)工程的建模與仿真[20]。根據(jù)新型鉆進式井壁取心器的結(jié)構(gòu)及工作原理，利用AMESim軟件建立的仿真模型如圖4所示。建模過程中，推靠液壓缸、鉆進控制閥和溢流閥均采用HCD(Hydraulic component design)庫中模塊搭建，其余元件從Mechanical和Hydraulic庫中選取。

圖4 新型鉆進式井壁取心器系統(tǒng)模型

3.1 液壓系統(tǒng)模型建立及關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)置

根據(jù)鉆進式井壁取心器的工作原理，設(shè)定AMESim各主要模塊的參數(shù)，見表1，其他參數(shù)保持默認。

表1 模型主要元件參數(shù)設(shè)置值

3.2 動態(tài)特性仿真與分析

(1)鉆進回路仿真分析

通過仿真鉆進控制閥的控制輸入信號(大泵輸入壓力、小泵輸入壓力)、液壓馬達輸入壓力、鉆進液壓缸位移信號，反映鉆頭可靠地實現(xiàn)鉆進動作。仿真時間50 s，仿真步長設(shè)置為0.01 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

電機開啟后，大泵和小泵開始工作，當馬達電磁換向閥輸入電流信號時(圖5(a))，換向至左位，液壓馬達帶動鉆頭轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)矩不小于2.5 N·m。為防止液壓馬達卡鉆，其前進力需大于650 N。圖5(b)為液壓馬達輸入壓力變化曲線，可以看出，0～10 s內(nèi)，液壓馬達沒有接觸到井壁，處于無負載的空轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時壓力為2.02 MPa，10 s以后，液壓馬達鉆頭接觸到井壁，由于負載轉(zhuǎn)矩的上升，系統(tǒng)壓力迅速上升到3.97 MPa。

由于巖石的硬度不同，液壓馬達負載大小不同，其輸入壓力不同，反饋到鉆進控制閥的輸入壓力不同，控制閥閥芯在彈簧彈力、經(jīng)過調(diào)節(jié)后小泵壓力的平衡作用下動作，調(diào)整閥的開口大小。圖5(c)所示鉆進過程中小泵輸出至鉆進液壓缸進油腔壓力隨巖石硬度變化曲線，0～6 s時，壓力從0線性增加至0.79 MPa，6～10 s時壓力為0.79 MPa維持不變，10～22 s時壓力從0.79 MPa線性增加至2.83 MPa，22～39 s時壓力穩(wěn)定在2.87 MPa不變，39～40 s時壓力從2.87 MPa線性增加至6.3 MPa，40 s以后壓力為6.3 MPa。控制閥閥芯曲線如圖5(d)所示，0～6 s閥口未開啟，閥芯位移為0。6～10 s閥芯開啟0.000 2 m，液壓油進入鉆進液壓缸使鉆頭貼近井壁。10～22 s系統(tǒng)由空載狀態(tài)轉(zhuǎn)化為帶載狀態(tài)，此時控制閥閥芯位移為0，即閥口為關(guān)閉狀態(tài)，控制缸活塞停止運動。22～39 s系統(tǒng)壓力不斷增加，當系統(tǒng)壓力增加到溢流閥開啟壓力，使鉆進控制閥重新打開，閥芯位移為0.002 m，39～50 s閥芯位移為0.006 m，在鉆進液壓缸負載的作用下，系統(tǒng)壓力迅速上升，并使控制缸活塞運動到位。圖5(e)為鉆進液壓缸活塞桿位移曲線，0～10 s為鉆進液壓缸將鉆頭推出儀器0.029 m,鉆頭空轉(zhuǎn)靠近井壁。23～50 s鉆進缸推動鉆頭向前運動0.15 m，空心鉆頭完成鉆取巖心過程。因此可以看出，鉆進控制閥能夠為取心器提供足夠的推進力，帶動液壓馬達完成取心任務。

圖5 鉆進液壓回路曲線

(2)切換系統(tǒng)升降回路仿真分析

對液壓升降回路進行仿真，仿真時間10 s，仿真步長設(shè)置為0.02 s，改進前回油路上液壓鎖出口壓力及流量的仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，液壓鎖出口壓力波動過大，與前面分析的情況一致。隨著切換缸下落速度的增大，液壓鎖出口壓力值不斷增大，曲線振幅不斷增大，最大波動范圍在0～10 MPa(圖6(a))。當流量值為0時，液壓鎖為關(guān)閉狀態(tài)。從圖6(b)可以看出，隨液壓缸下落速度的加快，流量波動逐步增大。在液壓鎖不斷啟閉的過程中，流量值不斷恢復至0值，導致升降系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲。

圖6 升降系統(tǒng)液壓鎖出口壓力、流量曲線

改進后的切換系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)、圖7(b)分別為活塞桿下降過程中切換液壓缸進口(無桿腔)壓力曲線和流量曲線?？梢钥闯?，切換液壓缸進口壓力與流量在開啟瞬間有短時振蕩，之后壓力迅速穩(wěn)定在1.68 MPa，流量為9.5 L/min。圖7(c)、圖7(d)分別為活塞桿下降過程中切換液壓缸出口(有桿腔)壓力和流量曲線，雖然負載會產(chǎn)生1.68 MPa的負壓，但由于液壓缸出口的壓力值為2.5 MPa(背壓)，因此出口流量在短時振蕩后迅速穩(wěn)定在6.4 L/min?？梢钥闯?，改進后的液壓系統(tǒng)能確保整個切換裝置勻速平穩(wěn)地下降，同時也可使機構(gòu)在中位鎖緊，作業(yè)過程中液壓鎖一直處于開啟的狀態(tài)，并且壓力、流量平穩(wěn)，有效防止振動和爬行現(xiàn)象的發(fā)生。

圖7 改進后的切換系統(tǒng)仿真結(jié)果

切換液壓缸下降行程時，切換塊質(zhì)量為30 kg，活塞桿的速度及位移如圖7(e)、圖7(f)所示，活塞桿速度為0.11 m/s，液壓缸行程0.51 m，與計算結(jié)果吻合很好，說明理論設(shè)計的正確性，動力系統(tǒng)液壓設(shè)計均滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。且在下落過程中仿真曲線較為平穩(wěn)，無劇烈振動。

4 結(jié) 論

(1)帶原位測量裝置的鉆進式井壁取心器可以實現(xiàn)井下取心和測量的功能。

(2)系統(tǒng)的鉆進閥及液壓馬達可以實現(xiàn)鉆頭的送進動作，滿足設(shè)計要求。

(3)切換液壓缸活塞桿下降時，切換液壓缸承受較大負值載荷，通過設(shè)計的新型液壓回路，有效降低了液壓缸入口壓力波動，使負載平穩(wěn)下落，徹底避免液壓鎖出口壓力過高而產(chǎn)生振動和爬行現(xiàn)象。

通過本文研究，驗證了切換模塊方案的可行性，為鉆進式取心器實現(xiàn)原位測量提供了新的實現(xiàn)途徑與方法。