自动垂直钻井工具导向液压系统建模仿真.pdf

2 0 1 0年 1 0月 第 3 8卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS 0c t ． 2 0l 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 9 ． 0 2 3 自动垂直钻井工具导向液压 系统建模仿真 张雪梅 ，何 磊 ，陈新元 武汉科技 大学冶金装备及其控制省部共建教 育部重点实验室 ，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 自动垂直钻井工具可实现井下主动纠斜 ，保持井壁 垂直。为了保证 纠斜成功 ，要求 液压导 向机 构的纠斜油缸所 产生的导向力在井下恶劣工况下能可靠工作。在建立液压系统数学模型的基础上 ，采用 Ma t l a b ／ S i m u l i n k仿真软件建立液压 导向系统的仿真模型并仿真研究系统压力的动态响应特性。结果表明该系统能够提供稳定的导向力，可满足纠斜要求。并 通过实验验证系统仿真的正确性。 关键词 自动垂直钻井工具；液压导向系统 ；Ma t l a b ／ S i mu l i n k 中图分类号N 9 4 5 1 1 3 ；T P 2 7 1 1 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 9 0 8 33 M o d e l i ng a n d S i mul a t i o n o n Hy d r a ul i c S t e e r i ng S y s t e m o f Ve r t i c a l Dr i l l i n g To o l ZHANG Xu e me i ． HE L e i ． CHEN Xi n y u a n E d u c a t i o n Mi n i s t r y K e y L a b o r a t o r y o f Me t a l l u r g i c a l E q u i p me n t a n d C o n t r o l ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Au t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g t o o l c a n c o r r e c t we l l d e v i a t i o n a u t o ma t i c a l l y a n d ma i n t a i n a v e rt i c a l w e l 1 ． I n o r d e r t o e n s u r e t h e S u c c e s s o f we l l d e v i a t i o n c o r r e c t i o n， t h e s t e e ri n g f o r c e g e n e r a t e d b y t h e s t e e ri n g c y l i n d e r i s r e q u e s t e d t o b e r e l i a b l e i n b a d w o r k c o n d i t i o n s ． Ba s e d o n t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m， Ma t l a b ／ S i mu l i n k wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e p r e s s u r e r e s p o n s e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e s y s t e m w e r e s t u d i e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n p r o v i d e a s t a b l e s t e e ri n g f o r c e t o me e t t h e w e l l d e v i a t i o n c o r r e c t i n g r e q u i r e me n t s ． T h e e x p e ri me n t a l s t u d y o n t h e h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m s h o ws t h e v ali d i t y o f t h e s y s t e n s i mu l a t i o n． Ke y wo r d sAu t o ma t i c v e rt i c a l d ri l l i n g t o o l ； Hy d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m； Ma t l a b ／ S i mu l i n k 在 中国 ，石油 开采 和石 油 化工 产业 已成 为 国 民 经济的主要支柱产业 。然而在西部发现的大量油 气 资源大都处 于高 陡构造 地层 ，油 气开 采遇 到 了严 重 的井 斜 问题 。 目前 国 内 已出现 的 防斜 、纠 斜技 术 尚不 能从根本上 解决 直井 井斜 的 问题 ，也不 能满 足 高陡构造、深井等复杂情况下钻直井的需要 。国外 经验表明，采用 自动垂直钻井技术是最有效的方法 之一 - 4 ] 。自动垂直钻井工具 的导向集 中力主要通 过液压导向系统来提供 ，纠斜过程中要求液压系统 能产生 稳 定 可 靠 的 导 向集 中力 。 作者 利 用 M a t l a b ／ S i m u l i n k 工具 建立 导 向液压 系 统 的仿 真 模 型 ，对 系 统压力进行 分析 。 1 自动垂直钻井工具工作原理 自动垂直钻井工具结构如图1所示 ，其导向控制 基本思想是当井眼轨迹偏斜量超过设定值后 ，在浮 动导 向套上的一个或两个导 向液压缸活塞伸出支撑井 壁 ，产生相应推力 ，在近钻头处形成 一个与井 眼实 际 偏斜 方 向相 反 的导 向集 中 力 ，使 井 眼 轨迹 逐 渐 恢 复 到正确方向 ；当井 眼轨迹偏 斜量 在正常范围内时 ，全部 导向 液压 缸 活 塞 处 于 收 缩 状态 ，不与井壁接触 ，不起 导向作 用。从旋转 的钻杆上 提取机械能 ，再由柱塞式泵 转化 为液 压 能 驱 动 导 向 液 压缸 活塞 ，形 成 导 向动 力 。 其 自动 闭环控制原理如 图 2 所示 。 驱动和 导 向部分 导向机 剖视图 图 1自动垂直钻 井工具结构 I L 双 轴重力加速度计 卜 卜 图2 自动垂直钻井工具闭环控制系统框图 收稿 日期 2 0 0 9 0 92 2 基金项 目湖北 省 自然科 学基 金资 助项 目 2 0 0 7 A B A 0 7 0 、2 0 0 7 A B A 2 7 1 ；湖 北省教 育厅 青 年科 学基 金资 助项 目 Q 2 0 0 6 1 1 0 0 3 ；武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室开放基金资助项 目 2 0 0 9 B 0 1 作者简介 张雪梅 1 9 8 5 ～ ，女 ，硕士研究生．主要研究方向为机电一体化及电液控制系统 。电话1 5 8 7 1 7 1 0 3 6 1 ， E ma i l z h a n g x u eme i h a pp y 1 6 3． c o n。 8 4 机床与液压 第 3 8卷 2 导 向液压系统设计 自动垂直钻井工 具的主 要部 件 是一 个 通过 轴 承与 近 钻头 处 的钻 杆 相连 接 的导 向 活 套。在 该导 向活 套 上对 称 分布 着 3个导 向纠 斜机 构 ，该 导 向 机构 的工作 原 理如 图 3 所示 ，由贮 油皮 囊 、 吸油单 向 阀、单 柱 塞 液压泵 、压油单 向阀、 溢 流 阀 、电磁 阀、导 纠 斜液 压缸 图3 导向液压系统原理图 向液压缸组成全封闭系统。计算机系统检测到井眼倾 斜超过限定值，按控制规则发出控制信号，给电磁阀 线圈通电，导向活塞在高压油作用下伸 出，支撑井 壁，产生导向集中力，使井眼轨迹恢复正确方向。 3导向液压系统建模与仿真 3 ． 1 液压 系统数 学模 型 通过对液压系统组成元件分别进行分析 ，建立各 自的动力学方程和流量方程。模型中涉及到参数 为活塞杆位移； P 为泵出U压力；R为凸轮直径；S 为凸轮 的偏 心 距 ；6 0为 凸轮 转速 ；Q 为 泵 的 流量 ； D 为柱塞 直径 ； 。 为柱 塞泵 处于 初始 位置 的位 移 ； 为油液弹性模量 ；L 。 为柱 塞有效 行程 ；P 。 为导 向 液压缸无 杆腔 压力 ；K y 为压油 阀复 位弹 簧刚度 ； 为压油 阀阀芯位 移 ；X y O 为压油 阀复位弹簧预压 缩量 ； m 为压油阀阀芯质量；Q 为通过压油单向阀的流 量；C 为流量系数；A 为压油阀阀口过流面积 ；d 为压油阀阀芯直径 ；d 为压油 阀阀 口直 径 ；K z 为溢 流阀复位弹簧刚度 ； 为溢流阀阀芯位移； 为溢 流 阀复位 弹簧预 压缩量 ；m 为溢 流阀 阀芯质 量 ；Q 为通过溢流 阀的流量 ；d 为溢流阀阀口直径 ； 为锥 阀的半锥 角 ；A 为溢流 阀阀 口过流 面积 ；m 为液压 缸活塞 包括推 力块 质量 ；d 为液 压缸无杆 腔 的 有效直径；K g 为液压缸活塞复位弹簧刚度； 为液 压缸复位弹簧的预压缩量 ； 为液压缸活塞 的位移 ； g m a x 为液压缸活塞处于极限位置时最大行程；B为黏 性阻尼系数 ；F为 纠斜 油缸输 出 的推 力 ；Q 为进 入 油缸无杆腔的流量 ；C ． 为油缸的泄漏 系数 。 1 柱塞泵数学模型 由图3液控导向机构液压原理图知 ，液压泵的功 能是提供液控导 向机构的液压能 。如图 4所示 ，柱塞 泵 由预压 弹簧 、缸体 、柱塞等构成 。 由凸轮机构运动规律 ，可得 凸轮从 动件 柱塞 的位移 ，如式 1 、 2 所示 。 至溢 图 4 柱塞泵示意 图 S c o s t o t 一1 1 柱塞泵 的瞬时流量为 Q p 40 ； ⋯ d X r l 一 d p o 2 2 压油单向阀数学模型 压油单 向阀的结构简 图如图 5 所示 。其 动力学方 程和流量特性方程如式 3 、 4 所示。 5』土油 不 蒽 6漪 流 不 蒽 图 孚P O -- P 1 一 K y x y x yo d 2x y 3 Q y s g n p 。 一 p C dA y N ／ 2 1p o - P l I一 4 3 溢流阀数学模型 溢流阀其受力示意见图 6 。溢流阀的作用是当油 缸顶住 “ 井壁”时，调定无杆腔的工作压力，使其 稳定在溢流阀设定 的压力附近 。 溢流阀的动力学方程与流量特性方 程见式 5 、 6 。 4 p。一K z X z X z O 一 d 2 x z 5 Q s g n p 0 c d p P oI 一 6 4 纠斜油缸数学模型 纠斜油缸如图 7 所示，建立纠斜油缸动力学方程 和流量连续性方程 ．见式 7 、 8 。 Qg 图 7 纠斜油缸示意图 第 1 9期 张雪梅 等自动垂直钻井工具导向液压系统建模仿真 8 5 d p g g m a x g g m a x 7 高 孚 鲁 ％g Xgmax 】 X g X g m a x 8 3 ． 2液压 系统仿真模型 根据导 向液压 系统 的数学模型 ，将这些功能模块 进行有机地结合，在 Ma t l a b ／ S i m u l i n k中建立整个系 统模型 ，如 图 8所示。 图8 导向液压系统仿真模型 3 ． 3 导 向液压 系统 仿真 仿真 模 拟 实 验 室 环 境 ，油 源 压 力 为 常 压 0 M P a ，电机转 速 为 1 2 0 r ／ m i n ，电磁 阀为通 电状 态。根据液压导向系统参数对 S i m u l i n k仿真模型中的 参数值进行初始化和赋值 ，并进行仿真计算。仿真采 用可变步 长的 4阶 R u n g e K u t t a法 ，可 以提供 误差 控 制和过零检测，其相对误差控制在 1 0 内。仿真得 出液压缸 出 口压力及导 向液压缸无杆腔压力 曲线如 图 9 、1 0所示 。 l 2 l 0 8 委 4 2 0 0 2 4 6 8 1 0 时 间／ s 图 9 液压泵出 口压 力仿真曲线 l 2 1 0 8 妻 4 2 0 0 2 4 6 8 1 O 时 间／ s 图 l 0 导向液压缸无杆 腔压力仿 真曲线 对 图 9中液压泵 出口压力 的变化情况解释如下 1 油泵吸 油过 程 中 ，由于柱 塞 外伸 ，柱塞 腔 体积增大，压力降低，形成一定的真空度，在外界大 气压 的作用下 ，油液进入柱塞泵 内，完成一次吸油过 程 。在此过程 中，压油单 向阀和溢流阀一直处于关 闭 状态，泵吸油压力始终小于外界大气，由于在仿真中 假设 不存在吸空问题 ，模 型中对泵出 口最低 压力设为 零 ，对应图 9中吸油阶段 曲线位 于 0 M P a 。 2 油泵压 油过 程 中，柱 塞 回缩 ，柱塞 腔体 积 减小 ，由于油液压缩性很小 ，压力增大 。当溢流阀未 开启时 图9中t 5 ． 9 s 之前 ，压力油通过压油单 向阀进入油缸推动油缸活塞移动 ，此时油泵的压力约 为压油单向阀压降与油缸无杆腔压力之和；当溢流阀 开启后 图 9中 t 5 ． 9 s 后 ，压 力油经 溢流 阀流 回 油箱 ，油泵的压力变化将主要取决于溢流阀的调压特 性 。 3 压 油单 向阀 、溢 流 阀 、纠斜 油 缸 皆为 弹簧 量系统 ，而且 油液具有 可压缩 性 ，因此泵 的排油压力 会产生振荡 。 结合油缸的动力学和流量特性方程式 7 、 8 来分析 图 l 0中导 向液压缸无杆腔压力变化 1 液压缸活 塞未 到达 极 限位置 图 l 0中 t 5 ． 9 S 前 ，油 泵排 油 阶段 ，由式 7 和 8 知 油 缸压力不断上升 ，油缸活塞逐渐伸出；油泵吸油阶 段，油缸压力保持稳定，油缸活塞保持其所处位置。 故 图 l 0中 t 5 ． 9 s 前油缸压力呈 阶梯状上升 。 2 油缸活塞到达极 限位置 图 1 0中 t 5 ． 9 s 时 ，油缸无杆腔容积不变 ，由于油液压缩性极小 ，由 式 8 可知油缸压力发 生跳变 。当油缸压力 达到溢 流阀设 定的压力时 图 1 0中 t 5 ． 9 s 后 ，溢流 阀开 启，随后油缸压力保持稳定，约为溢流阀的调定压 力 。 3 在 油缸模 型 中活塞 杆 极 限位置 ，通 过 对活 塞 杆位移 范围的设置来 实现。在溢流 阀模型 中溢流 阀 的最大压力 ，通过设置阀芯的最大位移来实现。 由上述分析可 知油缸压 力经 过短暂 的升压 阶段 ， 能够迅速保持稳定 ，波动小 ，符合井下纠斜要求。 4 导 向液压系统实验研究 在开动振动台、钻杆转速为 1 2 0 r ／ m i n条件下， 对导 向液压集成块性能进行测试 。液压泵工作容腔压 力 曲线如 图 1 1 所 示 ，导 向液压 缸无杆 腔压力 曲线如 图 1 2所 示。 对 比图 9和 1 1 、图 1 0和 l 2 ，可以看 出 ，对导 向 液压集成块施加振动，液压泵和导向液压缸的压力仿 真 曲线和实验曲线基本一致。通过仿真分 析和实验检 测，所建立的导向液压系统仿真模型正确 ，所设计的 下转第 9 3页 8 一 g 一 p ， 一 l 寸 4 ． g m F 第 l 9期 廖兰 等典型机械零件振动时效时间的优化性抉择 9 3 好地结合起来进行考虑呢为解决这个问题 ，作者 从希望产品的振动时效效果尽量好 ，同时所产生的 费用尽量低 的角度 出发 ，在 同时 满足 两个 条 件 的情 况下 ，定义 了一个 “ 性 价 比” 函数 ，其 函数形 式 为 FQ ／ C。 3 ． 2 最佳振动时间的求解 在表达式 F Q ／ C中 ，产 品的效果 Q越好 ，同时 所耗费用 c越 低时 ，F的值会显 著增大 。因此若 能得 到 F的最大值 F ⋯ 暂称之为 “ 最佳性价 比” ，对 应的时问即为需求 的最佳振 动时效时间。由其定义 可 得 罟 首先求其极值 ，由高等数学求极值的原理得 d F 一 d f 9 竖 y 。P Y 2 K o d 2 令式 1 0 为 0 ，即可解 出驻点 t ，将驻点 的各值 带入式 9 中，得到 的 F的最大值 即是最佳 性价 比 值，此时所对应的t 值即是需求的最佳振动时效时间。 4小结 从 能源费用 、工人工资 、设备 折旧费和其他 费用 4个方面出发 ，建立 了振动时效 时间与经济性 的费用 G一时间 t 模 型。 通过振动 时效模拟实验得 到的数据 ，选择指数 函 数模型 ，利用 O r i g i n P r o 软件的绘图、拟合及数据分 析 的功能 ，建 立起 振 动 时效 时 间与技 术效 果 的效果 Q一时间 t 数 学模 型。 提 出了性价 比函数的概念 ，并综合考虑振 动时效 时间 、技术 效果和经济性之间的关系 ，以性价 比函数 建立 起 3 者之 间的数学模 型。 在性价 比函数 的基 础上 ，给出了最佳性价 比和最 佳振动时效时间的求解方法。 参考文献 【 1 】高葛， 张锁怀． 对振动时效三个主要参数的探讨[ J ] ． 现 代制造工程 ， 2 0 0 4 5 5 8 6 0 ． 【 2 】房德馨， 孙丰华 ， 贾阿兴， 等． 金属的残余应力与振动处 理技术[ M] ． 大连 大连理工大学出版社， 1 9 8 9 ． 1 ． 【 3 】王同伟， 陈立功． 回归分析在振动时效动应力判据中的 应用[ J ] ． 华东经济管理， 1 9 9 8 1 3 63 9 ． 【 4 】孙丰华， 房德馨． 振动时效消除金属构件残余应力效果 检测 [ J ] ． 大连 理工大学学报 ， 1 9 9 4 4 3 9 03 9 3 ． 上接第 8 5页 导 向液压系统能耐受一定 的振动环境 ，导 向推力块伸 出比较迅速 ，输 出导向集 中力 比较稳定 。 图 1 1 有振 动液压 泵 出 口压力 图 1 2 有振动导 向液压 缸无杆腔压力 5结论 在建立系统组成元件的数学模型的基础上，借助 M a t l a b ／ S i m u l i n k 仿真软件建立系统仿真模型并进行仿 真，结果表明该系统的压力动态响应符合实际工况， 能够满足井下纠斜要求 。对 系统的实验研究 验证了仿 真模型的正确性 ，可用该模 型对系统 进行其 他特性 的 研究 ，及 时发现 系统存 在的问题 ，缩短 系统 的设计周 期 ，同时避免 因重 复试验 及加工所带来 的昂贵 费用 。 参考文献 【 1 】 苏义脑． 油气井工程中的一个新领域井下控制工程 学浅谈[ J ] ． 地质科技情报， 2 0 0 5 7 l 一 8 ． 【 2 】 B a r a n s M， G a r o b y J ， H u p p e z A ． S t r a i g h t h o l e d r i l l i n g d e v i c e i m p r o v e s [ J ] ． O i l G a s J o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 9 9 2 6 4 5 51 ． 【 3 】B r u s c o G ， L e w i s P ， Wi l l i a m s M ． D r i l l i n g s t r a i g h t d o w n [ J ] ． O i l f i e l d R e v i e w， 2 0 0 4， 1 6 3 1 41 7 ． 【 4 】L i g r o n e A ， O p p e l t J ， C a l d e r o n i A， e t a 1 ． T h e f a s t e s t w a y t o t he bo t t o m s t r a i g h t h o l e d ril l i n g d r i l l i n g de v i c e d ril l i ng c o n c e p t ， d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s ， a n d fi e l d e x p e r i e n c e [ R] ． S o c i e t y o f Pe t r o l e um Eng i ne e r s，S PE 3 68 2 6，1 9 9 6 1 1 5 1 2 6． 【 5 】岳艺明， 孔晓武． 阀配流式径向柱塞泵动态性能的仿真 研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 8 1 0 31 0 5 ． 【 6 】 刘元林 ， 刘春生， 张艳军． 具有阀座面的圆锥阀芯直动 式溢流阀静特性的研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 6 8 0 8 2． 【 7 】刘白雁 ， 陈新元 ， 傅连东． 机电系统动态仿真基于 MA T L A B ／ S i m u l i n k [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 ．