文摘

随着对资源的需求越来越广泛,地质调查的任务已迅速增加,地质钻探设备和自动化,提高地质调查的效率已经成为主流的研究方向。地质钻机自动化可以提高施工效率,降低劳动强度,有效减少施工事故。施工地质调查操作,事故如钻头破损,卡钻,和设备损坏,很容易造成钻杆的影响,发生的时候。因此,钻杆冲击动力学目前学术研究中一个热门话题,但很少有研究,结合地质钻探设备自动化与钻杆的影响。本文首先研究液压系统的自动钻机的动力头和研究的动态损伤的动力头钻机钻杆的造成的影响通过液压阀力矩限制和速度的闭环控制。油阀组减少了反向扭转液压马达上的钻杆的影响。同时,选择的要求和压力安全阀的设置提出了缓冲填充油阀组。安全阀的固有频率不小于20赫兹,和压力设置为工作压力的1.25倍。冲击的影响有或没有缓冲填充油阀组和石油供应行动力头电机进行了比较。本文的研究成果可以为后续发展提供理论参考和设计基础的自动化钻井平台。

1。介绍

钻机的动力头的电源驱动钻杆及其抵抗能力钻杆的影响直接关系到设备和人员的安全。如何预防和减少钻杆的影响,尤其是钻杆弹性的影响,是一个热门研究课题的钻杆和钻柱。

大多数负载钻杆的服务是交变载荷,这决定了钻杆的失败将会与疲劳相关的(1]。皮尔森(2)发现,约50%的故障事故造成钻杆的疲劳。波斯湾地区的统计数据表明,有一个与疲劳相关的故障事件每1981.2累积的镜头。在1980年代,李et al。3),通过统计分析钻杆失效事故的主要油田在东北、北部,中国西南地区,相信80%的钻杆失效事故与疲劳有关。据统计,刘等人。4各种钻具故障的情况下在中国从2007年到2008年,58%的钻工具失败是与疲劳有关。因此,动力头的有效控制转矩和转速是一个有效的手段来减少交变载荷由钻杆在承担服务。

本文从研究的扭矩和速度控制钻机的动力头,深入研究安全控制的弹性影响钻杆。液压控制方法用于有效控制动力头的损坏钻杆弹性的影响。

2。闭环控制钻机的动力头转矩和速度

2.1。在转矩控制

钻机的钻杆的输出转矩有以下方程: 在哪里 钻杆扭矩, ; 动力头是减速器总传动比;和 动力头液压马达的输出转矩, 。

动力头液压马达的转矩有以下方程: 在哪里 液压马达排量, ; 的两个入口之间的压差是液压马达,MPa;和 是液压马达machinery-hydraulic效率。

因此,从上述两个方程,可以得到以下方程:

根据上面的方程,钻杆上的扭矩应用可以控制的 控制转矩。 属于系统的固有属性,不容易控制。实际控制主要使用 结合钻杆扭矩转换输出。然而,为了避免过度负载(如地质地层变化等等)造成过度转矩损坏钻杆,转换时间只能尽快缩短。的比较 ,的变化率 比其他两个,这使得它更容易控制遥控和自动。

通过控制LS (load-sensing)反馈压力和多路阀,头电机部分安全阀压力和液压马达可以缓冲阀压力,分别限制液压泵的输出压力,多路阀动力头机油供应压力和液压马达的内部压力,然后控制压力( )液压马达。

2.2。四通阀控制液压马达的典范

如图1简化方程(4)的总阀控制液压马达的输出,当液压滑阀轴位移 和外部负载转矩Tl同时输入。 在哪里θ米是液压马达输出轴的角位移;D米液压马达的位移;Vt的总量是两院的液压马达和连接管;K问是流量增加, ;Kce是完全流动速压力系数;Βe是工作介质的体积弹性模量;和Tl任何外部负载力矩作用在电机轴上。


图1
阀控制液压马达的模型(5]。

液压动力组件的固有频率如下: 在哪里Jt表示的总惯性矩液压马达和加载转换为液压马达轴。

阻尼比的液压动力组件如下: 的传递函数和液压马达轴的角位移的线轴

传递函数的角位移液压马达轴外部负载转矩

它可以看到从方程(7)和(8),增益常数的变化K问/ D米几乎是由流量增益的变化吗K问。获得流K问是最大的,当没有负载,其价值将减少负载时5]。如果一般设计规则的最大负载pl= 2/3p年代使用,那么获得的阀空载价值将降低到57.7%,并减少获得系统的稳定性是有害的。静态负载转矩电机静止时,会导致电机漏电,导致轴不断旋转。Kce/D米2应该尽可能的减少使阀控制液压马达有较高的刚性。

2.3。转矩和速度控制仿真

根据地质钻机的液压原理,利用AMESim软件建立仿真模型的动力头,如图2根据表,并设置模拟边界条件1。仿真模型由load-sensing泵、load-sensing多路阀动力头阀(电气比例阀)、负载反馈比例限压阀(用于限制LS反馈压力),动力头和缓冲填充油阀组和井底负荷模型和闭环控制模型。


图2
仿真模型的地质钻机的动力头。
表1
模拟的边界参数地质钻机的液压系统。

仿真模拟了钻杆扭矩外部负荷突然增加,保护钻杆通过限制输出扭矩压力( ),并进行闭环控制动力头的输出速度,确保钻杆速度可以调节和控制。

从图可以看出3动力头转速的闭环控制达到理想的目标,和速度控制是稳定的。在2 s,负载转矩突然增加到5000海里;这时,动力头的速度与overtorque控制阀停止大幅下降,和动力头的速度没有overtorque控制阀不受影响,这将不可避免地影响钻杆的生活。它甚至破碎的钻和卡钻事故造成的。


图3
动力头的高频矩曲线输出。

PID参数如下:KP= 500;K我=1;和KD=2。

3所示。安全控制钻杆弹性的影响

在钻探过程中,动力头停止钻井时,井下钻杆将反向扭矩动力头。当井底钻头切削硬摇滚、硬摇滚立即休息和负载扭矩突然释放。这两个工作条件必须注意在钻井的过程。的弹性影响钻杆弹性模量影响的钻杆,钻杆的直径,动力头的距离钻头,钻杆的整体弯曲状态,系统运动副间隙的大小不同的影响。随着钻井深度的增加,弹性影响的钻杆不容忽视9]。因此,液压系统的动力头钻机必须配备安全装置抗的弹性影响钻杆,确保动力头的安全运动和钻杆。

3.1。钻杆的弹性模型

机械冲击过程的动态起动阶段可以分为三个阶段:间隙消除,弹性组件变形和载荷开始运动(10]。钻杆被视为一个弹性组件,和输出的动力头都被视为一个负载。建立了动态模型,如图4。钻杆弹性的影响影响液压马达的动力头应该被包括在负载开始运动。


图4
动态模型的弹性形变钻杆(10]。

这个过程的运动方程 在哪里J1是钻头的转动惯量;J2是动力头的转动惯量;K1钻杆的弹性系数;θ1是钻头的角位移;θ2输出轴的角位移的动力头;米1相当于钻头扭矩;和米2相当于扭矩的动力头。

使相对角位移

方程(9通过计算和代入方程(转换)10)获得的相对角运动方程如下: 在固有频率如下:

解决方案回复如下:

其中,角速度如下: Δ表示系统间隙和在哪里 在哪里 是时候采取系统克服了间隙。

当米2= 0,钻杆内部的最大扭矩的如下:

当没有系统的间隙,δ= 0,

根据方程(15)和(17),动载荷系数计算如下:

它可以看到从方程(18)弹性钻杆扭矩的影响至少两次静态转矩,所以这种关系时必须考虑设定扭矩在模拟的影响。

3.2。缓冲填充油阀组的作用

根据参数表1仿真模型的边界条件,如图2设置。动力头停止旋转5 s,以及对钻杆的影响反向转矩发生在5.1秒。的最大输出转矩地质钻机4000海里(钻杆端)。根据方程(18),弹性影响扭矩是静态转矩(至少两次11]。根据综合钻机的工作条件,最大输出扭矩的1.45倍作为转矩影响的边界条件;即影响扭矩设置为5800海里,持续时间是0.1秒。

图5表明,液压马达的最大压力与缓冲填充油阀组为33.6 MPa,最大扭矩是−429.2海里。液压马达的最大压力没有缓冲填充油阀组是42.8 MPa,最大扭矩是−545.9海里。


图5
电动机pressure-torque比较曲线有或没有缓冲填充油阀组。

根据图中所示的液压马达的性能参数6,80的液压马达是允许的最大双腔压力40 MPa和最大扭矩508海里。液压马达没有缓冲填充油阀组已经overtorque和超压条件下,这将导致过早损坏的液压马达。


图6
液压马达的性能参数(8]。

它可以看到从方程(3),当液压马达的排量不变,液压马达的输出转矩可以通过控制电动机的压力是有限的。因此,缓冲填充油阀组的安装在电动机的动力头能有效避免损害引起的液压马达的反向扭转影响钻杆在超深钻探。

3.3。缓冲填充油阀组的参数比较
3.3.1。不同的设置的压力

不同压力安全阀的设置缓冲填充油阀组有不同的反向扭转反应的影响。仿真设置如下:设置的压力(28 MPa)实际工作压力,工作压力的1.25倍(35 MPa)和最大工作压力(40 MPa)的液压马达。安全阀的固有频率是20 Hz。动力头旋转停止,5 s,钻杆影响反向转矩发生在5.1秒。转矩的影响是5800海里,持续时间是0.1秒。

从图可以看出7设置40 MPa的压力过度,所以设置压力不利于安全的液压马达12]。设置28 MPa的压力,实际工作压力是一样的,是超调和振荡,不超过电动机的安全压力(40 MPa)。然而,这个设置压力将不可避免地影响到正常运行的动力头钻机,导致钻杆扭矩输出的减少和不稳定。因此,它更适合设置缓冲填充油阀组压力作为实际工作压力的1.25倍。


图7
不同的设置压力安全阀。
3.3.2。不同的自然频率

安全阀的机械固有频率方程如下(13]:

在方程(19), ,等效弹簧系数(机械弹簧系数和液压弹簧系数之和);W主阀区域梯度;和 液压管路质量+弹簧质量的三分之一。

根据机械固有频率的安全阀,安全阀的不同品牌和不同系列有不同的大小参数,因此,固有频率是不同的。仿真设置如下:安全阀的固有频率是5赫兹,10 Hz, 15赫兹,20赫兹,和25赫兹,设置为35 MPa的压力,动力头停在5 s,钻杆影响反向转矩发生在5.1秒。转矩的影响是5800海里,持续时间是0.1秒。

从图可以看出8的压力振荡幅度和振荡周期安全阀5赫兹的固有频率是最大的,和最大压力已超过电动机的安全压力。随着固有频率的增加,压力振荡幅度和振荡周期逐渐减少。固有频率的稳定压力值高于15赫兹(包括15赫兹),和20赫兹和25 Hz的最低压力值大于实际的工作压力(28 MPa)。因此,当选择安全阀,设计师应该考虑安全阀的固有频率的影响性能的缓冲填充油阀组和选择安全阀与固有频率高于20赫兹。


图8
不同固有频率的安全阀。
3.4。液压马达填补石油管道的影响

转动惯量的地质钻机的动力头不大和其他工程钻机相比,所以石油的问题补充的液压马达动力头往往是忽略了在开发和设计14]。然而,钻井深度的持续改进的要求,钻杆的扭转力矩影响液压马达的增加,和液压马达的气蚀现象频繁发生(15]。

现在,模拟动力头的液压马达是否有填补石油管道和比较的压力变化对液压马达的一边。具体设置如下:安全阀是20赫兹的固有频率,设置为35 MPa的压力,动力头停在5 s,钻杆影响反向转矩发生在5.1年代。扭矩的影响是5800海里,持续时间是0.1秒,和止回阀的开启压力灌装油0.03 MPa,和填充方法是油柜正常压力(大气压)补充。

从图可以看出9的一侧压力液压马达没有填补石油管道已接近-0.1 MPa,和周期性抽吸的现象发生16]。此时,空气溶解在油是反复分离出来,然后溶解成(17),这将导致液压马达的气蚀。压力在液压马达的一边填充石油管道只-0.03 MPa出现一次,其余的时间是正压,和没有汽车吸现象。因此,添加申请石油动力头液压马达的作用可以有效地避免发生周期性抽吸现象的液压马达,减少液压马达的失败(18,延长液压马达的使用寿命。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
比较曲线的动力头液压马达有或没有申请石油管道:(a)原始曲线;(b)放大曲线。

4所示。结论

地质钻机自动升级智能的基础上,原来的钻井平台。它配备了电动液压阀和传感器和控制器的闭环控制形式。通过预设程序控制器、智能控制和操作钻机的工作状态可以意识到,和不同的工作模式可以切换到适应不同地质条件下的钻井速度。同时,保留手动操作模式,国家保护的钻井平台将通过该计划,以免造成钻井事故操作员的错误,提高地质钻机的自动化水平。

本文的控制特征地质钻机液压系统的自动antidrill管过程中的影响进行了研究,可以得出以下结论:(1)液压动力头钻机钻杆的可以限制扭矩限制之间的压力差两腔的液压马达,确保钻杆勘探钻井过程中的安全。使用load-sensing系统限制LS反馈压力和PID闭环控制可以有效地控制钻杆扭矩和速度。(2)建立了钻杆的弹性影响模型指导模拟边界条件的设置。缓冲填充油阀组能有效处理的扭转力矩影响钻杆,确保液压马达没有超压和overtorque。(3)安全阀缓冲填充油阀组应与自然频率高于20赫兹,和设定压力系统的额定工作压力的1.25倍。(4)石油补充函数可以有效地避免液压马达的周期性抽吸的发生,减少液压马达的失败,延长液压马达的使用寿命。

数据可用性

表中的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。数据中的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者((电子邮件保护))要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。