自動垂直鉆井工具控制軸阻力矩影響因素分析

白儒林，孫 鵬，孫龍歡，侯香港

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著石油儲藏地的地層復(fù)雜程度越來越高，在高陡構(gòu)造地層以犧牲鉆壓、降低機(jī)械轉(zhuǎn)速為代價(jià)的被動防斜方式已不能滿足如今經(jīng)濟(jì)高效的垂直鉆井作業(yè)要求[1-5]。自動垂直鉆井系統(tǒng)是一種能夠在井下實(shí)現(xiàn)主動糾斜和防斜的自動化鉆井裝備[6-7]。這類裝備在保證垂直井身精度的前提下能夠釋放鉆壓并且提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期[8]，是解決在復(fù)雜地層條件下垂直鉆井難題的工業(yè)利器。

國內(nèi)多家單位先后研制了自動垂直鉆井工具，電控式自動垂直鉆井工具具有精度高、可控性好等特點(diǎn)，能有效解決防斜打快的問題[9]。電控式自動垂直鉆井工具在執(zhí)行垂直鉆井任務(wù)時(shí)，自動垂直鉆井工具控制軸上力矩平衡的程度對井眼精度有巨大影響。自動垂直鉆井工具的控制軸受到軸承摩擦力矩、鉆井液對電子倉表面的粘滯摩擦力矩、盤閥摩擦力矩、渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩等影響。這些力矩對控制軸上的力矩平衡起決定性作用，因此為保證井眼精度，需要對穩(wěn)定平臺控制軸上阻力矩影響因素展開研究。

閆文輝等[10]給出了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具控制軸維持穩(wěn)定的條件，即控制軸上的力矩平衡。汪躍龍等[11]對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具穩(wěn)定平臺進(jìn)行了動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析，得到了平臺結(jié)構(gòu)和擾動作用參數(shù)對穩(wěn)定平臺運(yùn)動的影響規(guī)律。自動垂直鉆井工具有兩種工作形式，分別是上渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩克服下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動控制軸旋轉(zhuǎn)，以及下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩克服上渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動控制軸旋轉(zhuǎn)。本文將研究在下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩克服上渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動控制軸旋轉(zhuǎn)的工作形式下，井斜角、穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速、工具內(nèi)外鉆井液壓差等參數(shù)對自動垂直鉆井工具控制軸阻力矩的影響。研究結(jié)果可為自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制方法提供理論依據(jù)。

1 控制軸阻力矩分析模型

1.1 控制軸作用力矩分布

自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)可參考王聞濤等[12]研制的全旋轉(zhuǎn)推靠式自動垂直鉆井工具。由于井下環(huán)境復(fù)雜，工具控制軸受到諸多力矩的影響，記穩(wěn)定平臺控制軸的上下主支撐軸承的摩擦力矩分別為Mz1、Mz2；上下渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的支撐軸承的摩擦力矩分別為Mf1、Mf2；盤閥交變摩擦力矩為Mp；鉆井液對電子倉表面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的粘滯摩擦力矩為Md；上下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩分別為Mc1、Mc2。各力矩分布如圖1所示。

圖1 控制軸力矩分布

1.2 軸承摩擦力矩

（1）上下主支撐單元是穩(wěn)定平臺與工具外筒的連接部分，兩者與工具外筒固定，跟隨工具外筒順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。穩(wěn)定平臺所用軸承均為滾動軸承，軸承摩擦力矩的計(jì)算中忽略了溫度對軸承潤滑的影響，忽略了工具振動對軸承摩擦力矩的影響。穩(wěn)定平臺的重量以及鉆井液沖刷渦輪產(chǎn)生的軸向力，均由上下主支撐承受。滾動軸承摩擦力矩[13-14]為：

式中：f0為考慮軸承結(jié)構(gòu)和潤滑方法的系數(shù)；ν為油或脂的基礎(chǔ)油的工作黏度，mm2/s；n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min；dm為軸承節(jié)圓直徑，mm；f1為負(fù)荷系數(shù)；P1為軸承負(fù)荷，N。

（2）上渦輪發(fā)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為電子倉內(nèi)測控存儲元件提供電力；下渦輪發(fā)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生可控的電磁力矩，驅(qū)動控制軸的運(yùn)動[15-16]。兩個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部都有支撐渦輪和發(fā)電機(jī)的滾動軸承。由于兩個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，結(jié)構(gòu)相似，且渦輪轉(zhuǎn)速相同，由渦輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部的軸承產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)摩擦力矩大致相互抵消。

1.3 盤閥交變摩擦力矩

鉆井液控制分配單元主要由上下盤閥組成，上盤閥開有一個(gè)高壓孔，由工具的控制軸帶動旋轉(zhuǎn)，下盤閥開有3個(gè)低壓孔，與工具外筒固連。如圖2所示，上下盤閥相對旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，高壓孔依次切入和切出低壓孔1、低壓孔2、低壓孔3。

圖2 盤閥高壓孔切換低壓孔示意圖

上下盤閥接觸面積可以表示為：

式中：f為盤閥之間的摩擦因數(shù)；s為盤閥接觸面積，mm2。

1.4 電子倉表面粘滯摩擦力矩

電子倉表面與鉆井液相接觸，二者保持相對運(yùn)動狀態(tài)，鉆井液具有粘滯性，會阻礙電子倉的運(yùn)動，形成阻力矩。假設(shè)鉆井液是牛頓流體且在電子倉處的流動為層流，由牛頓內(nèi)摩擦定律得電子倉表面粘滯摩擦力矩：

1.5 上渦輪發(fā)電機(jī)電磁力矩

渦輪發(fā)電機(jī)在發(fā)電的過程中會在電樞上產(chǎn)生電磁力矩，此電磁力矩隨著電流大小的變化而變化[15]。由于上渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)載恒定，其產(chǎn)生的電磁力矩不變。下渦輪發(fā)電機(jī)采用脈寬調(diào)制的方法控制發(fā)電機(jī)電流，進(jìn)而控制下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩[11]。上發(fā)電機(jī)電磁力矩公式：

式中：CT為力矩常數(shù)；φ為磁通密度；I為定子電流；cosφ為電路功率因素

1.6 控制軸阻力矩分析模型

下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩需要克服阻力矩，維持控制軸的穩(wěn)定?？刂戚S阻力矩分析模型為：

2 控制軸阻力矩影響因素分析

工具控制軸受到眾多力矩的影響，包括軸承摩擦力矩、盤閥摩擦力矩、電子倉表面粘滯摩擦力矩，上渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩。鉆進(jìn)參數(shù)會影響這些力矩的變化，影響控制軸上力矩平衡的程度，從而影響工具糾斜與穩(wěn)斜的精度。因此從井斜角、穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速、工具內(nèi)外鉆井液壓差3 個(gè)方面分析控制軸阻力矩的變化規(guī)律。由于盤閥摩擦力矩隨上下盤閥的相對旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生改變，所以僅分析鉆進(jìn)參數(shù)在上下盤閥初始角度下對控制軸阻力矩的影響。

2.1 井斜角

垂直鉆井過程中，井斜角一直在發(fā)生改變，圖3 所示為工具在作業(yè)過程中，穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速為50 r/min，工具內(nèi)外鉆井液壓差為4 MPa，穩(wěn)定平臺質(zhì)量為140 kg，盤閥上方的彈簧預(yù)緊力為200 N的工況條件下，井斜角對控制軸上阻力矩的影響曲線，由圖3 可以看出，井斜角引起了阻力矩的非線性變化，在井斜角0°～4°范圍內(nèi)，控制軸上的阻力矩隨井斜角的增大而增大，增大幅度逐漸減小，且變化幅度很小。井斜角由0°變化到4°，控制軸阻力矩增大3.4×10-4N·m。

圖3 井斜角對控制軸阻力矩的影響曲線

2.2 穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速

穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速主要對軸承摩擦力矩和電子倉表面粘滯摩擦力矩產(chǎn)生影響，圖4 為工具在作業(yè)過程中，在井斜角為1 °，工具內(nèi)外鉆井液壓差為4 MPa，穩(wěn)定平臺質(zhì)量為140 kg，盤閥上方的彈簧預(yù)緊力為200 N 的工況條件下，穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速對控制軸上阻力矩的影響曲線，由圖可以看出，控制軸的阻力矩隨著穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速的增大而增大。穩(wěn)定平臺與工具外殼相對轉(zhuǎn)速由30 r/min 變化到200 r/min，控制軸阻力矩增大0.328 N·m。

圖4 穩(wěn)定平臺與工具外殼相對轉(zhuǎn)速對控制軸阻力矩的影響曲線

圖5 為工具在作業(yè)過程中，在井斜角為1°，工具內(nèi)外鉆井液壓差為4 MPa，穩(wěn)定平臺質(zhì)量為140 kg，盤閥上方的彈簧預(yù)緊力為200 N 的工況條件下，穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速對軸承摩擦力矩和電子倉表面粘滯摩擦力矩的影響曲線，由圖可以看出在穩(wěn)定平臺與工具外殼相對轉(zhuǎn)速的影響下，軸承摩擦力矩大于電子倉表面粘滯摩擦力矩，且軸承摩擦力矩隨穩(wěn)定平臺與工具外殼相對轉(zhuǎn)速非線性變化，而電子倉表面粘滯摩擦力矩隨穩(wěn)定平臺與工具外殼相對轉(zhuǎn)速線性變化。

圖5 穩(wěn)定平臺與工具外殼相對轉(zhuǎn)速對軸承和電子倉表面摩擦力矩的影響曲線

2.3 工具內(nèi)外鉆井液壓差

圖6 為工具在作業(yè)過程中，在穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速為50 r/min，井斜角為1 °，穩(wěn)定平臺重量為140 kg，盤閥上方的彈簧預(yù)緊力為200 N 的工況條件下，工具內(nèi)外鉆井液壓差對控制軸上阻力矩的影響曲線，由圖6 可以看出，控制軸上阻力矩隨著工具內(nèi)外鉆井液壓差的增大而增大。工具內(nèi)外鉆井液壓差由4 MPa 變化到10 MPa，控制軸阻力矩增大0.276 N m。

圖6 工具內(nèi)外鉆井液壓差對控制軸阻力矩的影響曲線

2.4 盤閥摩擦力矩

盤閥摩擦力矩主要受工具內(nèi)外鉆井液壓差和彈簧預(yù)緊力的影響。圖7 為工具在作業(yè)過程中，彈簧預(yù)緊力設(shè)置為200 N 的工況條件下，上下盤閥相對旋轉(zhuǎn)一周，工具內(nèi)外鉆井液壓差對盤閥摩擦力矩的影響曲面，由圖可以看出盤閥摩擦力矩的變化是非線性的。隨著工具內(nèi)外鉆井液壓差增大，盤閥摩擦力矩增大。

圖7 工具內(nèi)外鉆井液壓差對盤閥摩擦力矩的影響曲面

圖8 為工具在作業(yè)過程中，工具內(nèi)外鉆井液壓差設(shè)置為4 MPa 的工況條件下，上下盤閥相對旋轉(zhuǎn)一周，彈簧預(yù)緊力對盤閥摩擦力矩的影響曲面，由圖可以看出，盤閥摩擦力矩的變化對于彈簧預(yù)緊力來說是線性的，隨著彈簧預(yù)緊力增大，盤閥摩擦力矩增大。彈簧預(yù)緊力從100 N 變化到200 N，上下盤閥同一角度處的盤閥摩擦力矩增大0.117 N·m。

圖8 彈簧預(yù)緊力對盤閥摩擦力矩的影響曲面

3 結(jié)束語

本文針對下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩克服上渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動控制軸旋轉(zhuǎn)的工作形式下，研究了井斜角、穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速，工具內(nèi)外鉆井液壓差，盤閥上方彈簧的預(yù)緊力對控制軸上阻力矩的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1）在垂直鉆井過程中，井斜角0°～4°范圍內(nèi)，井斜角對于控制軸上阻力矩的影響很小，影響范圍在3.4×10-4N·m 以內(nèi)。穩(wěn)定平臺與工具外殼的相對轉(zhuǎn)速對控制軸上阻力矩的影響較大，穩(wěn)定平臺與工具外殼相對轉(zhuǎn)速在30 r/min 到200 r/min 范圍內(nèi)，控制軸阻力矩變化范圍在1.99～2.32 N·m之間。

（2）軸承摩擦力矩和盤閥摩擦力矩是控制軸上的主要阻力矩，而非線性的盤閥摩擦力矩是破壞自動垂直鉆井工具控制軸上力矩穩(wěn)定的主要因素。彈簧預(yù)緊力為200 N 的情況下，工具內(nèi)外鉆井液壓差在4～10 MPa范圍內(nèi)，盤閥摩擦力矩在0.32～0.695 N·m之間。

（3）隨著上下盤閥的相對旋轉(zhuǎn)，盤閥摩擦力矩周期性變化。這種變化會使得控制軸上的阻力矩也出現(xiàn)周期性變化，為使自動垂直鉆井工具控制軸在諸多力矩的影響下維持穩(wěn)定，需要合理的控制下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電磁力矩的大小。