地層動態(tài)測試器液壓系統(tǒng)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(xué) 機械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué) 流體動力與機電系統(tǒng)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(shù)研究院， 陜西 西安 710077；4.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所， 北京 100076)

引言

在石油勘探與開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域中，地層壓力是必須掌握的地層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一[1-2]。中國石油集團測井有限公司自“十一五”以來，研發(fā)的模塊式地層動態(tài)測試器(Formation Dynamic Tester，F(xiàn)DT)包含液壓動力模塊、單探針模塊、常規(guī)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(xiàn)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(shù)能把測井地層評價提升到油藏評價的儀器[3-5]。其中，F(xiàn)DT在井下一系列動作均依賴液壓系統(tǒng)，如井壁支撐、大體積預(yù)測試、地層流體采樣等。因此，液壓系統(tǒng)性能表現(xiàn)的優(yōu)異程度關(guān)系到能否為油藏開發(fā)方案編制及地質(zhì)研究提供可信依據(jù)。但隨著工作環(huán)境極端化和設(shè)備尺寸小型化(具體參數(shù)如表1所示)，F(xiàn)DT液壓系統(tǒng)目前面臨元件多、管路復(fù)雜、布局緊湊的應(yīng)用性難題[6-9]，可靠性難以得到充分保證，輕則影響測井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性，重則引發(fā)儀器遇卡，延誤石油勘探進度，造成不必要的經(jīng)濟損失。為避免FDT在井下作業(yè)時出現(xiàn)液壓系統(tǒng)故障，本研究利用Automation Studio仿真軟件[10-13]搭建仿真模型，預(yù)先發(fā)掘液壓系統(tǒng)潛在缺陷，為FDT的維護與進一步優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

表1 FDT工作參數(shù)表

1 FDT液壓系統(tǒng)

1.1 液壓系統(tǒng)組成

FDT液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。系統(tǒng)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(dǎo)致探頭無法正常收回，系統(tǒng)設(shè)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(yè)高可靠性。主油路最大工作壓力由溢流閥4設(shè)定。系統(tǒng)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(tǒng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)執(zhí)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(shè)，并非FDT液壓系統(tǒng)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(yù)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(tǒng)工作原理

FDT獲取地層壓力變化需經(jīng)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(tǒng)優(yōu)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(shè)備內(nèi)部流體管線，此時平衡閥14處于開啟狀態(tài)，保證流體管線壓力與地層壓力保持一致，防止因內(nèi)外壓差過大造成設(shè)備損壞；

(3) 電磁閥8～10切換，平衡閥14關(guān)閉，將流體管線與外界泥漿隔斷，此時設(shè)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(xù)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(cè))及彈簧式單向閥(下側(cè))組成，即設(shè)定有開啟壓力。經(jīng)過一定時間的壓力建立后，過濾閥19(與探頭18呈套管結(jié)構(gòu))收回，袒露地層流體流口，該設(shè)計有效防止泥漿等雜質(zhì)將流口堵塞；

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

(5) 電磁閥10、12切換，預(yù)測試室15收回，造成設(shè)備內(nèi)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(fù)，該壓力變化過程由石英壓力傳感器監(jiān)測記錄；

(6) 電磁閥7切換，隔離閥打開，設(shè)備內(nèi)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(nèi)的泥漿雜質(zhì)推出；

(8) 電磁閥12切換，預(yù)測試室復(fù)位，液壓系統(tǒng)回歸初始狀態(tài)。

2 FDT液壓系統(tǒng)Automation Studio建模

基于上述FDT液壓系統(tǒng)工作原理及功能需求，在Automation Studio軟件環(huán)境對其進行仿真研究。根據(jù)仿真動態(tài)模擬過程及液壓特性曲線，評估系統(tǒng)運行狀態(tài)。為提高仿真效率，對液壓系統(tǒng)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(yīng)用進行設(shè)置。同時，對仿真系統(tǒng)中各元件參數(shù)進行整定，設(shè)定值如表2所示。其中，液壓油黏度參數(shù)按照ASTM D2270行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定[14]。引入電氣控制系統(tǒng)以盡可能模擬FDT在井下真實控制策略。

表2 Automation Studio仿真參數(shù)設(shè)置

3 Automation Studio仿真

對1.2節(jié)中描述的FDT不同工況進行仿真，Automation Studio系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)定。假設(shè)各執(zhí)行元件初始狀態(tài)不受外界干擾，且同步效果良好。選取液壓泵和各執(zhí)行元件作為數(shù)據(jù)采集對象，并將仿真數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，獲得仿真曲線。

圖2 Automation Studio系統(tǒng)仿真模型

3.1 泵出口壓力監(jiān)測

在FDT下井測試過程中，憑借其內(nèi)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(zhí)行元件中連通油箱側(cè)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(tǒng)壓力保持在較低值。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)切換至步驟3時，系統(tǒng)壓力會逐漸上升至單向閥組壓力設(shè)定值(19.3 MPa)。由于在后續(xù)步驟4～6中，系統(tǒng)工作狀態(tài)會切換為壓力預(yù)測試與地層流體取樣， 此時系統(tǒng)壓力將取決于當(dāng)前執(zhí)行元件外負載，而其值遠小于單向閥組設(shè)定值，因此造成如圖3所示的泵壓急劇下降。該現(xiàn)象會導(dǎo)致支撐臂失穩(wěn)，進而危及到FDT井下作業(yè)可靠性，如圖4所示中短支撐臂在行程穩(wěn)定后出現(xiàn)的波動?？紤]到FDT在測量地層壓力時需保證設(shè)備相對井眼姿態(tài)穩(wěn)定，即各支撐臂無桿腔側(cè)應(yīng)保持高壓。因此，在FDT內(nèi)部安裝體積允許范圍內(nèi)，可于支撐臂無桿腔側(cè)入口交匯處增設(shè)單向閥組，其結(jié)構(gòu)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(zhí)行元件運動狀態(tài)監(jiān)測

如上文所述，各執(zhí)行元件需以嚴(yán)格先后次序輔助完成FDT地層壓力測量，且對運動狀態(tài)穩(wěn)定性具有一定要求。根據(jù)仿真結(jié)果分析，各執(zhí)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(wěn)定后出現(xiàn)波動，與其理想工作狀態(tài)(即維持穩(wěn)定位置)相違背。分析其主要原因在于部分工作狀態(tài)下執(zhí)行元件活塞兩側(cè)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(xiàn)象，壓力作用面積的差異仍會促使浮動產(chǎn)生。為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，考慮在各執(zhí)行元件有桿腔一側(cè)增設(shè)節(jié)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(jiān)測

在仿真過程中，部分油液管路會出現(xiàn)負壓現(xiàn)象。如圖6所示中過濾閥19有桿腔側(cè)。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(wěn)定，導(dǎo)致過濾閥有桿腔側(cè)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(fā)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(nèi)配合表面快速磨損，最終演變?yōu)閮?nèi)泄漏嚴(yán)重。面對預(yù)期外的油液走向，可將單向閥組中單向閥(上側(cè))替換為預(yù)壓力較小的彈簧式單向閥，目的是保證即使在其他執(zhí)行元件浮動時，過濾閥有桿腔側(cè)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(xiàn)象

系統(tǒng)中憋壓現(xiàn)象會導(dǎo)致元件及其連通管路產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏，引發(fā)異常工況。如圖7預(yù)測試室15有桿腔側(cè)回油管路被電磁換向閥12隔斷，導(dǎo)致油路壓力局部上升直至活塞兩側(cè)作用力穩(wěn)定，造成其活塞發(fā)生圖8所示的往復(fù)抖動。此外，反復(fù)憋壓會大大降低元器件壽命，不利于液壓系統(tǒng)長期服役，尤其應(yīng)用于極端井下環(huán)境。針對憋壓現(xiàn)象，本研究對FDT工作狀態(tài)切換邏輯進行調(diào)整，將1.2節(jié)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(xiàn)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(xiàn)象

圖8 FDT預(yù)測試室行程曲線

4 結(jié)論

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

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

(2) 部分執(zhí)行元件出現(xiàn)不同程度的浮動，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，尤其在面臨井下極端環(huán)境時；

(3) 液壓系統(tǒng)部分管線存在壓力異常狀態(tài)，易引發(fā)異常工況。本研究對上述潛在缺陷提出相應(yīng)液壓系統(tǒng)優(yōu)化方案，如為執(zhí)行元件無桿腔側(cè)增設(shè)節(jié)流口，調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)切換邏輯等，旨在進一步提升液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性，更好服役于井下極端環(huán)境。