自動垂直鉆井工具電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究

王永現(xiàn)，趙龍歸，趙 堯

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，資源愈發(fā)的匱乏，石油開采面臨著越來越多的困難，原先開采的油田資源多存在于開采難度較大的邊緣油氣藏以及超薄復(fù)雜斷塊的地質(zhì)儲層中[1]。在鉆直井作業(yè)的過程中，井斜問題愈發(fā)的嚴(yán)重，通過降速和減壓來達(dá)到防斜的傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足實際中工程的需要。自動垂直鉆井技術(shù)克服了鉆直井過程中遇到井斜的難題，在井下資源的開采中實現(xiàn)了新的技術(shù)突破。自動垂直鉆井技術(shù)第一次在德國大陸超深井科學(xué)鉆探計劃中運用，在當(dāng)時取得了良好的效果[2-3]。

輪轂電機技術(shù)起源于19世紀(jì)末期。近幾年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，輪轂電機的研發(fā)又重新引起廠家研發(fā)人員的重視，2003年，普利司通公司推出了一款在車輪內(nèi)部使用的外轉(zhuǎn)子式永磁同步輪轂電機車輪，豐田汽車公司于2007年研制出高轉(zhuǎn)速和高功率密度的永磁同步輪轂電機[4-5]。使用這種外轉(zhuǎn)子驅(qū)動方式，能使全車機械結(jié)構(gòu)大幅度精簡，電機的功率、轉(zhuǎn)矩密度也有了進(jìn)一步的提升。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在1996年成功研制出[6]一種兼具有異步和同步電機雙重特性外轉(zhuǎn)子式輪轂電機作為驅(qū)動裝置。該車縮減結(jié)構(gòu)，電機功率也得到了提升。同濟(jì)大學(xué)于2003年成功研發(fā)出低速外轉(zhuǎn)子型永磁輪轂電機，并采用了四輪獨立驅(qū)動技術(shù)[7]。本文根據(jù)輪轂電機的特點，將車用輪轂電機與垂直鉆井工具相結(jié)合，用輪轂電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的渦輪電機驅(qū)動盤閥的轉(zhuǎn)動，為了驗證方案的合理性，運用Adams軟件對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)仿真。

1 自動垂直鉆井技術(shù)

自動垂直鉆井技術(shù)具有極強的糾斜能力，其特點是能夠?qū)崿F(xiàn)對井下的實時防斜糾斜，該技術(shù)能夠使鉆速得到明顯的提高。自動垂直鉆井工具一般采用井下閉環(huán)控制，具有較強的適應(yīng)性，在鉆壓敏感和高陡構(gòu)造地層取得了良好的效果。自動垂直鉆井技術(shù)集機電液一體化，降低了發(fā)生鉆井事故的風(fēng)險。該智能鉆井系統(tǒng)是對傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新突破，利用井下的高壓鉆井液作用于推靠翼肋，使其與井壁接觸產(chǎn)生作用力，達(dá)到糾斜的目的。由井下的電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)對井下高壓鉆井液的分配。20世紀(jì)80年代以來，鉆井技術(shù)突飛發(fā)展，國外研制出了多種不同的自動垂直鉆井工具，實現(xiàn)對復(fù)雜地層的井斜控制精度。自動垂直鉆井工具具有降低狗腿度、提高井眼質(zhì)量、解放鉆壓、提高鉆速以及自動閉環(huán)控制等優(yōu)點。因此，自動垂直鉆井工具的研究具有非常重要的意義。

1.1 輪轂電機特點

輪轂電機驅(qū)動具有更低速大扭矩的特點。輪轂電機作為動力輸出的核心部件，對其結(jié)構(gòu)和工作性能有著很高的要求。輪轂電機具有諸多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕盈等。輪轂電機將整個驅(qū)動裝置安裝在密閉狹小的輪轂內(nèi)部，電機的結(jié)構(gòu)更加緊湊；具有優(yōu)良的密封性、散熱性和可靠性；輪轂電機具有良好的密封性，可以長期工作在接觸泥漿的工作環(huán)境中[8]。

1.2 輪轂電機結(jié)構(gòu)

通常情況下，常見的輪轂電機分為內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機（減速式輪轂電機）與外轉(zhuǎn)子輪轂電機（直接驅(qū)動式輪轂電機）兩種。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。減速式輪轂電機有著穩(wěn)定的動力輸出，其內(nèi)部含有減速裝置。在高速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機可以通過減速裝置來實現(xiàn)輪轂電機的減速操作。內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機有著較高的運行效率，成本也比較低，尺寸比較小。但是由于電機內(nèi)部含有減速裝置，因此內(nèi)部會發(fā)生磨損，導(dǎo)致電機發(fā)生故障，降低了使用壽命，產(chǎn)生的維修成本也比較高。此外，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機有著較差的散熱設(shè)施，工作的時候會發(fā)出很大的噪聲。直接驅(qū)動式輪轂電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其電機內(nèi)部不含有減速裝置，因而有著較快的響應(yīng)速度。除此之外，外轉(zhuǎn)子輪轂電機有著諸多優(yōu)點，如工作效率高，電機內(nèi)部不會發(fā)生齒輪的磨損，使輪轂電機損壞的可能降低，大大地提高了電機的使用壽命，所產(chǎn)生的維修費用也比較低[10]。

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2 輪轂電機與自動垂直鉆井工具結(jié)合方案的設(shè)計

自動垂直鉆井工具主要由6大模塊組成，分別為上渦輪發(fā)電機模塊、測量模塊、存儲模塊、輪轂電機控制模塊、盤閥液流分配模塊以及巴掌執(zhí)行模塊。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)

自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)具有工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分的設(shè)計制造具有模塊化、集成化的特征，且通過工具內(nèi)外鉆井泥漿的壓差提供動力來推靠巴掌動態(tài)推靠井壁來實現(xiàn)穩(wěn)直和糾斜目的。

上渦輪發(fā)電機為測量模塊和存儲模塊提供足夠的電力，以保證自動垂直鉆井工具的正常運行。存儲模塊對井眼姿態(tài)、工具面角、控制軸扭矩、下傳指令以及環(huán)境溫度等實時監(jiān)測信息進(jìn)行存儲。高壓鉆井液的液流分配主要依靠盤閥單元來控制，盤閥單元由上盤閥和下盤閥組成。上盤閥與輪轂電機、偏重塊聯(lián)接，可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。帶有一個高壓孔的上盤閥由輪轂電機控制，輪轂電機為上盤閥提供穩(wěn)定的控制力矩；下盤閥有3個通孔，與傳統(tǒng)的下盤閥功能一致，結(jié)構(gòu)相同，分別與3個泥漿通道連接。巴掌功能由液流分配系統(tǒng)提供或斷開泥漿動力，推動或停止活塞執(zhí)行機構(gòu)在確定的工具面位置上進(jìn)行往復(fù)運動?；钊苿影驼谱饔糜诰冢a(chǎn)生推靠鉆頭的側(cè)向力，實現(xiàn)井斜、方位的調(diào)整；輪轂電機帶動上盤閥旋轉(zhuǎn)，高壓孔依次與下盤閥通孔接通，鉆井液流通，3個巴掌共同作用于井壁，可實現(xiàn)工具的穩(wěn)直功能。

3 執(zhí)行機構(gòu)的動力學(xué)仿真

3.1 執(zhí)行機構(gòu)原理

自動垂直鉆井工具執(zhí)行機構(gòu)部分主要由盤閥和推靠巴掌來組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中上盤閥由輪轂電機帶動旋轉(zhuǎn)使鉆井液流通。盤閥由上盤閥和下盤閥兩部分組成，其中上盤閥有一個高壓孔來充當(dāng)鉆井液的流通通道，下盤閥開有分別與3個活塞相連接的3個流通管道，直接與執(zhí)行機構(gòu)相連接，當(dāng)鉆井液工作液通過過濾網(wǎng)在流通到下盤閥通孔管道時，輪轂電機發(fā)生旋轉(zhuǎn)帶動上盤閥發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)上盤閥的高壓流通管道與下盤閥的1個或者2個通孔流通管道對齊時，高壓鉆井液流通，推動與管道連接的活塞，由活塞推靠巴掌進(jìn)而推靠井壁，其中力的方向由上盤閥的高壓孔位置來決定，相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)受到井壁的反作用力，實現(xiàn)自動垂直鉆井工具的糾斜穩(wěn)直功能[11]。上盤閥高壓孔的位置也就是指工程意義上的鉆井工程中產(chǎn)生的工具面具。自動垂直鉆井工具可以實時對地質(zhì)、井下狀況和幾何參數(shù)進(jìn)行檢測記錄，按照給定的指令或者設(shè)定的程序進(jìn)行方位的調(diào)整。3個推靠巴掌均勻分布在執(zhí)行機構(gòu)上，相位差為120°，由經(jīng)過盤閥流通的高壓鉆井液鉆井液作用到活塞，產(chǎn)生巴掌推靠井壁的作用力。在自動垂直鉆井工具的穩(wěn)直工況下，輪轂電機驅(qū)動上盤閥的轉(zhuǎn)動，每次通過特定的方位時，借助鉆井液的壓力差驅(qū)動3個巴掌來依次推靠井壁，依靠井壁對巴掌的反作用力來達(dá)到自動垂直鉆井工具穩(wěn)直的目的[12]。

圖3 執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)

3.2 等效推靠力的計算

選取盤閥高壓孔開口角度為90°，活塞半徑為r=30 mm，每個巴掌由一個流通管道連接。在受到穩(wěn)定的液壓差作用下，執(zhí)行機構(gòu)所產(chǎn)生推靠力的大小與活塞尺寸有關(guān)。本章主要考慮活塞位置確定的情況下的推靠力大小，其力主要與活塞的半徑有關(guān)。執(zhí)行機構(gòu)正常工作時受到鉆井液液壓差范圍為5～8 MPa[13]。

令執(zhí)行機構(gòu)在正常工作時活塞受到上盤閥流通的高壓鉆井液作用下的壓力大小為F，設(shè)推靠巴掌正常推靠井壁時所受到的最大壓力為F1，最小壓力為F2，則：

則執(zhí)行機構(gòu)在正常推靠井壁時所受到的最大壓力為：

執(zhí)行機構(gòu)在正常推靠井壁時所受到的最小壓力為：

由自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)和工作原理可以推出，巴掌所受到的作用力由活塞來傳遞，巴掌將受到井壁的反作用力作用到執(zhí)行機構(gòu)推動鉆具達(dá)到穩(wěn)直的目的。推靠巴掌的受力分析如圖4所示。由圖可以得到式（4）以及式（5）：

圖4 巴掌受力分析簡圖

式中：Fb為巴掌作用于井壁的力；F為活塞對巴掌產(chǎn)生的推靠力；L1為活塞產(chǎn)生的推靠力作用點到銷軸的距離；L2為巴掌作用于井壁的力到銷軸的距離。

執(zhí)行機構(gòu)在正常工作時受到上盤閥流通的高壓鉆井液處于5～8 MPa時，執(zhí)行機構(gòu)對井壁的作用力大小計算如下。

最小壓降時執(zhí)行機構(gòu)對井壁的推靠力大小為：

最大壓降時執(zhí)行機構(gòu)對井壁的推靠力大小為：

3.3 動力學(xué)仿真

將建立好的系統(tǒng)模型導(dǎo)入到Adams軟件，并定義好材料屬性，為方便觀察執(zhí)行機構(gòu)與井壁之間的接觸力情況，在鉆井工具施加了井壁，井壁材料屬性定義為巖石，井壁顏色為黑色，推靠巴掌為鋼，銷軸為42CrMo，對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行施加約束，進(jìn)行運動副建模，其中推靠巴掌與銷軸施加旋轉(zhuǎn)副，井壁與執(zhí)行機構(gòu)施加了固定副。

為了更加接近實際鉆井工程中執(zhí)行機構(gòu)的工作情況，在設(shè)置中選擇打開了重力，并對巴掌施加了接觸力大小為22 608 N，方向為+X軸，在鋼體之間打開了庫侖摩擦力，其中推靠巴掌與井壁的摩擦因數(shù)為0.4，銷軸與各部件摩擦因數(shù)為0.1[14]，仿真時間設(shè)置為1.5 s，進(jìn)行仿真分析。

3.4 結(jié)果分析

執(zhí)行巴掌的受力曲線和執(zhí)行機構(gòu)的接觸力曲線分別如圖5～6所示。由執(zhí)行巴掌與井壁的接觸力曲線圖可知，推靠巴掌受到推靠力后瞬間與井壁接觸，接觸力穩(wěn)定在10 970 N左右，上下存在著波動，當(dāng)鉆井液作用時間完畢后，推靠巴掌的推靠力瞬間消失，推靠巴掌恢復(fù)閉合狀態(tài)，當(dāng)高壓孔轉(zhuǎn)到下個通孔時，與該通孔連接的推靠巴掌工作。由執(zhí)行機構(gòu)所受到的反作用力曲線來看，力比較平穩(wěn)，波動幅度較小。對比圖5以及圖6兩圖可以發(fā)現(xiàn)，兩圖中力大小近似且位置相對應(yīng)，即推靠板與井壁接觸力和執(zhí)行機構(gòu)受到的反作用力的大小相近，方向相反，產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是推靠板與井壁發(fā)生接觸后，推動鉆具向井壁另一側(cè)運動，導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)殼體與井壁發(fā)生接觸而產(chǎn)生作用力，方向相反。當(dāng)力保持不變時說明達(dá)到了平衡，能夠使鉆井工具保持穩(wěn)直作業(yè)。

圖5 推靠巴掌的接觸力曲線

圖6 井壁反作用力曲線

根據(jù)仿真動力學(xué)分析結(jié)果與理論計算結(jié)果相對比，其結(jié)果如表1所示。

表1 執(zhí)行機構(gòu)理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比

通過對執(zhí)行機構(gòu)的理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比可以得到，執(zhí)行推靠所受的反作用力仿真結(jié)果大于理論計算結(jié)果，誤差處于2%～3%之間，誤差小于10%，說明仿真結(jié)果合理。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)輪轂電機低速大扭矩的特點與自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)原理完成了輪轂電機與自動垂直鉆井工具結(jié)合方案的設(shè)計，并對執(zhí)行機構(gòu)建立了力學(xué)模型，分析了推靠巴掌的等效推靠力，借用Adams軟件對執(zhí)行機構(gòu)在穩(wěn)直工況下進(jìn)行了動力學(xué)仿真，并觀察了分析了巴掌與井壁之間的接觸力、執(zhí)行機構(gòu)本體受到的反作用力的變化，巴掌所受到的力由上盤閥流通的高壓鉆井液推靠活塞產(chǎn)生，在活塞的半徑為30 mm時，鉆井液壓差為8 MPa時，計算出巴掌瞬時最大壓力為22 608 N，其最大等效推靠力為11 304 N。仿真測得力大小為10 970 N，誤差小于10%，當(dāng)3個巴掌共同推靠井壁時，執(zhí)行機構(gòu)所受的力大小穩(wěn)定，可以保證鉆井工具的穩(wěn)直作業(yè)，證實了方案的設(shè)計有效性。