基于AMESim和ADAMS鉆井管柱液壓舉升裝置聯(lián)合仿真研究

中圖分類號：TE927文獻標識碼：ADOI：10.12473/CPM.202405062

Joint Simulation Research on DrillingStringLifting Device Based on AMESim and ADAMS

Song Binghao1Wang Hanxiang1Zhang Heng1Liu Yanxin1Cai Wenjun2Chen Zhili2 （1.Collegeof MechanicalandElectricalEngineering，China UniversityofPetroleum（EastChina）；2.Drilling Technology Research Institute，Sinopec ShengliPetroleumEngineeringCo.，Ltd.）

Abstract：As the drilling technology continues to develop，the requirements for conveying efficiency and automationlevelofdrilling tool becomes increasinglyhigh.However，there is unpredictablerollng of driling tool in theconveying process，makingitdificulttoeffctivelycontrol itsmovementtrajectoryMeanwhile，real-timeload changes cannot guaranteethe synchronization of hydraulic cylinder，and a single simulation software cannot truly reflect actual working conditions.Therefore，anew typeof clamping hydraulic lifting device fordriling string was developed and used to prevent drilling string from rollng in the conveying process.Moreover，the load-sensitive hydraulic system basedon pre-valvecompensation was adopted to ensure the synchronization of hydraulic cylinder in each mechanism，achieving steplesscontrol regardless offlow rateand load pressure.Finally，a co-simulation model built based on AMESim and ADAMS was used to simulate the real operating status of the lifting device.The simulation results show that the output value of the hydraulic actuator welltracks the target expected value well，

with a maximum error of no more than 3. 6% and a hydraulic cylinder synchronization error of no more than 2. 1%

The research results provide theoretical guidance for the development and test of string conveying device.

Keywords： drilling string;hydraulic lifting device;PID position feedback； load-sensitive hydraulic system; mechanical-hydraulicco-simulation

0 引言

隨著國內(nèi)外石油鉆采工藝技術的不斷提升，油氣開采正向著深井、超深井不斷邁進，同時對于石油鉆機的自動化、智能化要求也越來越高[1]。動力貓道作為石油鉆機的重要組成部分，主要用于地面與鉆臺之間鉆桿、套管以及鉆誕的來回輸送，其輸送鉆具的效率與穩(wěn)定性對油氣開采至關重要。而液壓系統(tǒng)作為動力貓道的核心部分，在提高鉆具輸送效率及節(jié)能降耗等方面發(fā)揮著重要作用[2-3]

傳統(tǒng)將地面鉆桿架上水平放置的鉆具輸送到鉆井平臺主要依靠機械貓道與氣動絞車相互配合而完成，涉及到大量人工操作；隨著油氣開采技術的提升，通過動力貓道進行輸送鉆具，較大程度地減輕了勞動強度，降低了安全風險。但在各個設備交接過程中，鉆具存在不可控的滾動，經(jīng)常偏離安全操作路徑，無法實現(xiàn)對其輸送的全自動化[4]。

鉆具輸送裝置是一個集機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)為一體的負載系統(tǒng)，多學科領域之間相互交叉導致很難在單一仿真平臺模擬其實際工況[5-7]。近年來，大多數(shù)學者在研究鉆具輸送作業(yè)裝置時，為克服機械系統(tǒng)與電液控制系統(tǒng)的耦合，一般對鉆具輸送裝置的機械系統(tǒng)與電液伺服系統(tǒng)分別進行仿真分析[8]，其中包括：孫巧雷等[9]應用達朗貝爾原理建立了動力貓道的動力學方程，分析了其在工作過程中的拉力變化；裴學良等[10]借助虛擬樣機技術獲得了動力貓道的載荷數(shù)據(jù)；譚志松\"基于負載敏感技術建立了鉆具輸送裝置的液壓系統(tǒng)，并利用AMESim軟件研究了其負載敏感特性；矯龍「對動力貓道工作不同步問題進行了分析，對其電液系統(tǒng)運用批處理的方法選出合理的運行參數(shù)；鐘蔚嶺等[13]采用機液聯(lián)合仿真的方法，分析了HCW-90型動力貓道翻板機構的動態(tài)性能，確保鉆具穩(wěn)定運移。目前對于鉆具輸送裝置的機液聯(lián)合仿真研究較少，單獨研究機械系統(tǒng)或者電液控制系統(tǒng)無法真實反映鉆具輸送裝置在復雜工況下的參數(shù)變化情況。

綜上所述，針對現(xiàn)有鉆具輸送裝置所存在的問題，筆者研制了一種新型鉆井管柱液壓舉升裝置，該裝置通過夾持方式將地面水平放置的鉆具轉移至豎直狀態(tài)，然后提升至鉆井平臺下方的鼠洞。同時采用AMESim與ADAMS仿真平臺搭建鉆井管柱液壓舉升裝置機-電-液聯(lián)合仿真模型，采用閥前補償負載敏感液壓系統(tǒng)，設置相關的工作參數(shù)，對管柱液壓舉升裝置的運動軌跡控制進行聯(lián)合仿真，獲取裝置運動軌跡控制中各項參數(shù)的變化過程，提高仿真效率與精度，為后續(xù)的試驗研究提供參考。

1鉆井管柱液壓舉升裝置設計

1. 1 結構組成

鉆井管柱液壓舉升裝置是鉆機重要的外圍設備之一[14]。鉆井管柱液壓舉升裝置結構示意圖如圖1所示，主要由底座、底座小車、中心接送手爪、推管機構、鉆具抬升機構、主推液壓缸、回轉支承機構、支撐臂小車、支撐臂以及鉆具夾持鉗等組成。地面管柱處理系統(tǒng)將鉆具清洗以及刷油后，由中心接送手爪輸送至底座V形槽內(nèi)，隨后鉆井管柱液壓舉升裝置將管柱由水平狀態(tài)調整至豎直狀態(tài)，再舉升至鉆臺動力鼠洞。

1—底座；2—底座小車；3—中心接送手爪；4—鉆具；5—推管機構；6—鉆具抬升機構；7—主推液壓缸；8—回轉支承機構；9—支撐臂小車；10—支撐臂；11—鉆具夾持鉗。

1.2 工作原理

鉆井管柱液壓舉升裝置主要用于鉆井或修井中的管柱輸送作業(yè)，代替動力貓道，將水平放置的鉆桿、鉆、套管、油管以及鉆桿立根、鉆鋸立根、套管立根、油管立根等鉆修井用管具輸送至鉆臺面，便于后續(xù)鉆修井作業(yè)，提高鉆修井效率。

根據(jù)鉆修井工作要求，鉆井管柱液壓舉升裝置工作流程分為上鉆作業(yè)與甩鉆作業(yè)[15]。其中上鉆作業(yè)工作流程分為8個動作： ① 傾斜油缸使中心接送手爪外端翹起，將管柱翻轉至底座V形槽中；② 底座小車在液壓馬達的驅動下前進，推動管柱向前運動至舉升部位； ③ 鉆具抬升機構將管柱抬升至一定高度，便于夾持鉗機構夾??； ④ 夾持鉗液缸動作抓取管柱； ⑤ 主推液缸動作將抓舉機構連同管柱推移至豎直狀態(tài)； ⑥ 回轉支承機構將支撐臂與管柱旋轉 180^° 后面對鉆井平臺； ⑦ 液壓絞車帶動支撐臂小車將管柱提升至井口交接位置；⑧ 鉆井平臺的吊卡抓取管柱后，支撐臂小車與主推液缸返回下降，到達初始位置后進行下一根管柱的輸送。

2 動力學模型與液壓系統(tǒng)的設計

2.1虛擬樣機模型建立

由于ADAMS仿真平臺建模比較困難，所以利用SolidWorks軟件建立鉆井管柱液壓舉升裝置各零部件的三維模型，并將各零部件按照實際裝配關系組裝成裝配體，將模型轉化為parasolid（.x_t）格式后導人到ADAMS軟件中，定義模型的質量、材料屬性以及約束條件等。添加約束時動力學仿真模型不得有冗余約束，否則聯(lián)合仿真時會報錯。在ADAMS中添加狀態(tài)變量，并定義輸人變量與輸出變量，為后續(xù)的聯(lián)合仿真做準備。虛擬樣機模型如圖2所示。各部件之間的約束如表1所示。

2.2舉升裝置液壓系統(tǒng)設計

鉆井管柱液壓舉升裝置的抓舉部分主要由主推液壓缸、夾持鉗液壓缸、回轉支承液壓馬達與支撐臂小車液壓馬達驅動，合理設計其液壓系統(tǒng)對于整機的工作性能至關重要。采用基于閥前補償?shù)呢撦d敏感液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

1—油箱；2—過濾器；3—溢流閥；4一電機；5—負載敏感 液壓泵（a—負載敏感閥；b—壓力切斷閥；c—變量活塞機 構）；6—壓力表；7—可變節(jié)流閥；8—壓力補償閥；9—梭 閥；10—負載敏感閥；11—分流閥；12—平衡閥；13—夾持 鉗液壓缸；14—安全閥；15—單向閥；16—主推液壓缸； 17—支撐臂小車液壓馬達；18—回轉支承液壓馬達。

負載敏感液壓系統(tǒng)具有可同時滿足多個執(zhí)行機構同時動作而不受影響的特點，被廣泛應用于工程機械中。負載敏感泵主要由負載敏感閥、壓力切斷閥和變量活塞等部件組成[16]，可以根據(jù)執(zhí)行機構負載的變化而自動調節(jié)負載敏感泵出口的流量與壓力，使泵輸出的壓力與流量可更好地與實際需要相匹配，有效地保證液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的流量損失，使節(jié)能效果顯著[17]

在裝置的液壓系統(tǒng)中，設置了閥前壓力補償閥。壓力補償閥根據(jù)負載大小的變化，調整其內(nèi)部彈簧閥芯的開度，以改變換向閥前的壓力。壓力補償閥的調整導致比例換向閥前后的壓差保持在一個穩(wěn)定的設定值，這種穩(wěn)定的壓差確保了液壓系統(tǒng)能夠以恒定的壓力向液壓執(zhí)行元件供油。通過換向閥的流量計算為[18]：

式中： Q 為通過換向閥的流量， m³/s ； C 為流量系數(shù)，無量綱； A 為閥芯節(jié)流面積， m² ； Δp 為換向閥前后壓差， Pa . ρ 為油液密度， kg/m³ O

由式（1）可知，液壓系統(tǒng)可以通過改變比例換向閥的閥芯節(jié)流面積來控制和分配流量，流量的大小僅取決于換向閥的開度，而不受負載壓力的影響，可以確保在不同負載條件下液壓系統(tǒng)能夠提供所需的流量和壓力。此外，液壓回路中設置平衡閥與安全閥，可保證裝置在變負載工況下穩(wěn)定運行，不會出現(xiàn)急速滑動等現(xiàn)象，保障了系統(tǒng)的安全性。

3 機液聯(lián)合仿真模型搭建

3.1聯(lián)合仿真原理與接口設置

將AMESim與ADAMS進行聯(lián)合仿真的優(yōu)點在于它們能夠結合2個不同領域的仿真工具，提供更全面、更深入的系統(tǒng)分析與優(yōu)化。由于聯(lián)合仿真較為復雜，涉及的執(zhí)行機構較多，所以主要研究抓舉裝置部分的聯(lián)合仿真。

鉆井管柱液壓舉升裝置聯(lián)合仿真模型以AMESim軟件為主控軟件，ADAMS作為輔控軟件。AMESim軟件根據(jù)液壓系統(tǒng)提供的壓力以及各液壓元件的參數(shù)計算各個液壓缸產(chǎn)生的油缸作用力或液壓馬達的扭矩，并將油缸作用力或扭矩作為驅動力輸入到ADAMS動力學模型中，通過ADAMS計算各運動狀態(tài)下液壓缸的位移速度或執(zhí)行構件的角速度，并將計算值返回到AMESim電液系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對鉆井管柱液壓舉升裝置的實時監(jiān)測控制。鉆井管柱液壓舉升裝置機液聯(lián)合仿真接口設置如圖4所示。機液聯(lián)合仿真流程如圖5所示。

由于鉆具在輸送過程中與裝置存在不可控的沖擊與振動，其接觸力的波動會引起液壓缸和液壓馬達流量與壓力的波動，進而影響輸出力與輸出扭矩。單一仿真軟件無法真實反映管柱液壓舉升裝置的工作狀況。采用基于閥前補償負載敏感技術的機液聯(lián)合仿真方法不僅可實時檢測執(zhí)行機構受力情況，而且負載敏感系統(tǒng)可針對負載的變化對液控系統(tǒng)的流量與壓力作出實時調整，更準確地模擬裝置的真實工作環(huán)境，進而降低能耗。

3.2機液聯(lián)合仿真模型建立

在ADAMS軟件中建立動力學模型后，在Con-trol模塊中創(chuàng)建軟件接口，導出FMU文件后代替機械模型導入到AMESim軟件中，同時搭建鉆井管柱液壓舉升裝置液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)AMESim模型，將接口模塊與電液系統(tǒng)AMESim模型的相關接口進行連接[19-20]。搭建的管柱液壓舉升裝置機液聯(lián)合仿真模型如圖6所示。其中聯(lián)合仿真以AMESim為主控軟件，ADAMS為輔助軟件。

聯(lián)合仿真過程中，機械與液壓系統(tǒng)通過FMU接口進行數(shù)據(jù)交換，實時反饋系統(tǒng)的運行參數(shù)；同時在聯(lián)合仿真模型中引入PID位置反饋控制，通過位移傳感器實時監(jiān)測液壓缸活塞桿位置，更好地減小反饋值與期望值之間的誤差，提高控制精度[21-24]。典型PID反饋控制原理如圖7所示[25]。

PID位置反饋控制系統(tǒng)傳感器檢測值與期望值的偏差 e（t） 計算為：

e（t）=r（t）-y（t）

式中： r（t） 為控制器發(fā)出的期望位移信號； y（t） 為位移傳感器檢測的信號。

PID控制器的輸出信號 u（t） 表達式為：

式中： K_p 為比例增益； T_i 為積分時間常數(shù)； T_d 為微分時間常數(shù)； τ 為積分臨時變量。

為滿足多個執(zhí)行機構同時動作互不影響以及實現(xiàn)負載壓力的無級控制，機液聯(lián)合仿真模型的液壓動力源采用基于閥前補償?shù)呢撦d敏感技術[26]，利用AMESim中自帶的負載敏感閥泵組件，搭建了帶有負載敏感系統(tǒng)的機液聯(lián)合仿真模型

4機液聯(lián)合仿真

4.1管柱液壓舉升裝置工作過程

為了解鉆井管柱液壓舉升裝置機械系統(tǒng)與液控系統(tǒng)的實際運行情況，考慮機液系統(tǒng)的相互影響，對裝置的上鉆過程進行聯(lián)合仿真分析。由于基座部分的作業(yè)主要在地面上完成，機構運行穩(wěn)定，負載變化相對較小。為了簡化系統(tǒng)，主要對抓舉部分進行聯(lián)合仿真。上鉆過程抓舉部分的時間分配與液壓執(zhí)行件工作狀態(tài)如表2所示。

由于鉆井管柱液壓舉升裝置的工況較復雜，可輸送不同規(guī)格的鉆井管柱，所以主要研究最大載荷工況（輸送4.5t鉆）下的機液系統(tǒng)動態(tài)特性。

4.2機液聯(lián)合仿真結果分析

對搭建的鉆井管柱液壓舉升裝置機液聯(lián)合仿真模型進行聯(lián)合仿真分析。其中系統(tǒng)的額定壓力設定 16MPa ，負載敏感閥閥芯調定壓力設定為2MPa ，電機轉速為 1500r/min ，負載敏感泵排量為 300cm³/r ，壓力補償閥的彈簧調定壓力設為0.5MPa （即負載敏感閥前后壓差保持 0.5MPa ）。

系統(tǒng)仿真時長設置為 50s ，時間間隔為0.01s，機液聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交換時間間隔為0.001s。機液聯(lián)合仿真結束后可從AMESim液壓模型中獲取負載敏感泵的壓力、流量以及液壓執(zhí)行元件位移轉角實際值與期望值之間的誤差，從而驗證電液系統(tǒng)與機械系統(tǒng)能否較好地實現(xiàn)管柱舉升裝置的運動軌跡控制。對機液系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析，得到各液壓執(zhí)行元件的位移轉角曲線，如圖8＼～圖11所示。

由圖8＼～圖11可知：主推液壓缸、夾持鉗液壓缸、回轉支承液壓馬達以及支撐臂小車液壓馬達的實際位移較好地跟蹤了期望位移，誤差較小，且同步性較高；主推液壓缸回路中，由于位移傳感器輸出為相對位移，所以開始時刻液壓缸收縮輸出為負值，主推液壓缸的控制誤差最大為0.025m ，相對誤差為 1.9% ，且2主推液壓缸同步性較高，誤差保持在 0.002m 內(nèi)，載荷分配均勻，確保了裝置運行的平穩(wěn)性；夾持鉗液壓缸的控制誤差最大為 0.01m ，相對誤差為 3.6% ，其中4個液壓夾持鉗位移誤差保持在 0.009m 內(nèi)，可較好地保證同步性，防止鉆井管柱因受力不均而發(fā)生變形或損傷；回轉支承機構控制誤差最大為 5.8^° ，相對誤差為 3.2% ，由于最大載荷工況下慣性力較大，無法立即停止，所以會有一定的角度偏差，但由于設置了PID位置反饋控制，可很快跟蹤期望角度；支撐臂小車的最大控制誤差為 0.03m ，相對誤差為 1% 。因此所設計的電液控制系統(tǒng)在最大載荷工況下能較好地完成管柱輸送的運動軌跡控制，可為后續(xù)的試驗研究與樣機試制提供參考。

主推液壓缸及夾持鉗液壓缸壓力曲線如圖12、圖13所示。由圖12、圖13可知，鉆井管柱液壓舉升裝置輸送鉆具時各液壓執(zhí)行機構受力實時變化，因此液壓缸有桿腔與無桿腔壓力也實時變化。在0＼～15s內(nèi)主推液壓缸收縮，負載增大，液壓缸壓力隨之增大，此時夾持鉗靜止不動，夾持鉗液壓缸壓力保持不變；在15＼～18s內(nèi)夾持鉗動作，液壓缸壓力瞬間增加；在18＼～33s內(nèi)通過主推液壓缸作用將鉆具由水平狀態(tài)轉移至豎直狀態(tài)，此過程各液壓缸負載實時變化，壓力隨之變化；在33＼～50s內(nèi)將鉆具回轉與提升，由于整個抓舉部分處于豎直狀態(tài)，主推液壓缸與夾持鉗液壓缸負載變化不大，液壓缸壓力基本保持不變。全過程液壓系統(tǒng)壓力低于額定壓力 16MPa ，運行較為平穩(wěn)，無巨大波動。

負載敏感壓力曲線如圖14所示。由圖14可以看出，負載敏感泵輸出壓力隨著負載壓力變化而變化，由于系統(tǒng)存在一定的泄漏，壓差始終保持在負載敏感閥彈簧調定的壓力值2MPa左右。當系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，負載敏感泵將自動調整輸出最小功率，在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，極大地降低了能耗。

5結論

（1）設計了一種新型夾持式管柱液壓舉升裝置，根據(jù)其工作特點，設置了配套的液壓系統(tǒng)，并建立了虛擬樣機仿真模型。為解決將鉆井管柱液壓舉升裝置機械系統(tǒng)與電液系統(tǒng)分開研究而造成無法真實反映實際工作參數(shù)變化的問題，搭建了機液聯(lián)合仿真模型，仿真結果表明機液聯(lián)合仿真具有一定的可行性。

（2）在鉆井管柱液壓舉升裝置最大載荷工況機液聯(lián)合仿真過程中，以AMESim為主控軟件搭建電液控制模型，并對不同液壓執(zhí)行元件的運動設置了PID閉環(huán)反饋控制。仿真結果表明：液壓執(zhí)行元件的實際輸出值較好地跟蹤了期望值，其中相對誤差不超過 3.6% ，而且同一回路中不同液壓缸的同步性較好，較好地實現(xiàn)了管柱舉升裝置的運動軌跡控制。

（3）裝置采用基于閥前補償負載敏感技術的液壓系統(tǒng)，可在實現(xiàn)多個液壓執(zhí)行機構同時動作的前提下保證液壓系統(tǒng)流量不隨外負載的變化而變化，只與電液換向閥的彈簧閥芯開度有關；負載敏感泵輸出壓力與檢測壓力始終保持在負載敏感閥彈簧調定的壓力值 2MPa 左右，可有效地降低能耗，提高舉升效率。

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