石油鉆機(jī)綜合性測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置研制

職黎光，魏航信

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

現(xiàn)代石油機(jī)械的設(shè)計(jì)及制造是西安石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)與科研的重點(diǎn)任務(wù)，也是石油院校的一個(gè)具有特色的專業(yè)方向。為滿足教學(xué)和科研方面的需要，學(xué)校機(jī)械工程學(xué)院自主研制了新的石油鉆機(jī)綜合性測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置和配套測(cè)試儀器。既滿足了本專業(yè)本科生和研究生有關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，又成為一個(gè)功能較為齊全的科研平臺(tái)，為更好設(shè)計(jì)和檢測(cè)各種不同類型石油鉆機(jī)的井架結(jié)構(gòu)與鉆機(jī)自動(dòng)送鉆方面提供了有效的方法和措施。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

我們?cè)赯J－32 鉆機(jī)1∶8 的模型基礎(chǔ)上，增加了一套由計(jì)算機(jī)控制的電液伺服自動(dòng)加載裝置和由計(jì)算機(jī)控制的電液伺服自動(dòng)送鉆裝置、交流變頻自動(dòng)送鉆裝置各一套，以及若干套配套測(cè)試儀器。使用時(shí)通過自行編制的系統(tǒng)軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，數(shù)字化測(cè)試，可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和曲線，測(cè)試數(shù)據(jù)既可以顯示為數(shù)據(jù)列表，也可以顯示為圖形，并具有存儲(chǔ)打印等功能。

該鉆機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鉆機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖1 可知，該實(shí)驗(yàn)裝置是以一臺(tái)可整體起升的塔形井架為主體并配備有動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、自動(dòng)送鉆系統(tǒng)和底座所構(gòu)成的綜合實(shí)驗(yàn)裝置。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)的主要功能是為實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供模擬的大鉤載荷。由于實(shí)際鉆機(jī)大鉤載荷隨不同鉆井工況而變，為了更好地模擬實(shí)際鉆井工況，加載系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制電液伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。

圖2 加載系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、D/A(A/D)轉(zhuǎn)化板、伺服控制器、伺服閥、伺服液壓缸、拉力傳感器、液壓油源和鋼繩滑輪組成。

系統(tǒng)的工作原理為:通過計(jì)算機(jī)輸入給定的加載信號(hào)，D/A 轉(zhuǎn)化板將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號(hào)輸入伺服控制器，伺服控制器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)以控制電液伺服閥閥芯的動(dòng)作，進(jìn)而控制伺服液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)，牽引鋼繩對(duì)鉆機(jī)大鉤加載。安裝在伺服液壓缸活塞桿與鋼繩間的拉力傳感器把拉力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，利用A/D 板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)串行通信口送入計(jì)算機(jī)，與給定的加載信號(hào)相比較，按一定的控制算法計(jì)算后調(diào)節(jié)控制信號(hào)的輸出值，構(gòu)成閉環(huán)控制，使大鉤上的載荷與給定的加載信號(hào)一致。而加載信號(hào)的形式可根據(jù)需要隨時(shí)變化，如恒定載荷、階躍式載荷、正弦式載荷等多種形式。這樣可以更真實(shí)地模擬鉆井工況。為實(shí)時(shí)監(jiān)控大鉤載荷的變化，由數(shù)字顯示器及時(shí)顯示大鉤載荷數(shù)值。

2.2 自動(dòng)送鉆系統(tǒng)

自動(dòng)送鉆系統(tǒng)有兩種類型:(1)由計(jì)算機(jī)控制的電液伺服自動(dòng)送鉆裝置;(2)交流變頻自動(dòng)送鉆裝置。受篇幅所限，只介紹類型(1)，類型(2)見文獻(xiàn)［1］。

電液伺服自動(dòng)送鉆裝置安裝在鉆機(jī)絞車滾筒軸端的剎車機(jī)構(gòu)上，剎車杠桿的運(yùn)動(dòng)受伺服液壓缸的控制，系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)送鉆系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與加載系統(tǒng)相同。信號(hào)采集由拉力傳感器和稱重儀組成，稱重儀將拉力傳感器采集到的大鉤拉力信號(hào)，利用A/D 板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，一路通過串行通信口送入計(jì)算機(jī)，作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)，另一路送到數(shù)字顯示表，直接顯示拉力值。電液控制部分由計(jì)算機(jī)、D/A 轉(zhuǎn)換板、伺服控制器、伺服閥和伺服液壓缸組成。

系統(tǒng)的工作原理為:當(dāng)加載系統(tǒng)產(chǎn)生拉力載荷模擬井下鉆柱載荷時(shí)，計(jì)算機(jī)將輸入送鉆信號(hào)與拉力傳感器采集的拉力載荷相比較，按一定控制算法得出控制值，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換板輸入伺服控制器，伺服控制器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)以控制電液伺服閥閥芯的動(dòng)作，進(jìn)而控制伺服液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)剎車杠桿，控制絞車滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使鉆機(jī)在給定的送鉆載荷下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆［2］。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

3.1 井架強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)

在鉆機(jī)井架主要部件如底座、大腿、立柱、橫梁、拉桿上貼應(yīng)變片，選擇不同加載型式對(duì)鉆機(jī)加載，測(cè)出各點(diǎn)的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力值，并分析不同載荷與井架強(qiáng)度、剛度之間的關(guān)系，驗(yàn)證理論計(jì)算和有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性，為鉆機(jī)井架設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)［3－7］。

3.2 井架整體起升應(yīng)力測(cè)試

在鉆機(jī)井架主要部件如底座、大腿、立柱、橫梁、拉桿上貼應(yīng)變片，將鉆機(jī)井架整體放倒，用絞車起升將井架豎起，在起升和下放的過程中測(cè)出各點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力值，驗(yàn)證理論計(jì)算和有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性，搞清井架起升過程桿件內(nèi)力變化的規(guī)律。

3.3 鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制實(shí)驗(yàn)

1)應(yīng)用加載系統(tǒng):掌握加載系統(tǒng)工作原理，了解加載系統(tǒng)的控制軟件編制方法和控制算法的原理，能準(zhǔn)確將不同類型、不同大小的力施加到鉆機(jī)大鉤上。測(cè)試加載載荷變化數(shù)據(jù)，驗(yàn)證加載系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2)應(yīng)用自動(dòng)送鉆系統(tǒng):掌握自動(dòng)送鉆系統(tǒng)工作原理，了解自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的控制軟件編制方法和控制算法的原理［8－9］，正確操作自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，測(cè)試自動(dòng)送鉆系統(tǒng)輸出載荷變化數(shù)據(jù)，驗(yàn)證自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與效果

本文以鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制實(shí)驗(yàn)為例，將整臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行。首先，啟動(dòng)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，用送鉆伺服液壓缸制動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)，使絞車不能轉(zhuǎn)動(dòng)，再啟動(dòng)加載系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)大鉤加載，產(chǎn)生模擬的鉆柱載荷;然后輸入希望的鉆壓值;同時(shí)，計(jì)算機(jī)開始采樣，采樣周期1 ms，控制算法根據(jù)偏差和偏差變化率輸出控制量，使系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)送鉆實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)加載載荷為20 kN 恒壓形式，送鉆載荷要求穩(wěn)定在15 kN，進(jìn)行送鉆實(shí)驗(yàn)。同時(shí)為了比較不同控制算法對(duì)自動(dòng)送鉆的控制效果，分別進(jìn)行一般模糊控制、自組織模糊控制算法的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)送鉆實(shí)驗(yàn)載荷曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能模擬實(shí)際自動(dòng)送鉆過程。一般模糊控制(曲線1)效果較差，最大超調(diào)24.7，最大穩(wěn)態(tài)誤差8.2，難以達(dá)到送鉆要求。自組織模糊控制(曲線2)最大超調(diào)14.2，最大穩(wěn)態(tài)誤差3.8，峰值時(shí)間和動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間分別為0.78 s 和2.7 s. 顯然后者可滿足自動(dòng)送鉆要求。完成這組實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)人員可輸入不同參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過研制“石油鉆機(jī)綜合性測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置”，改善了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研環(huán)境，經(jīng)過幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研實(shí)踐，在該實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上不斷開發(fā)出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如“鉆機(jī)振動(dòng)測(cè)試及故障診斷”“各種拉壓傳感器、位移傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”“電液自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)”“交流變頻器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”等［10－11］。并且開發(fā)出一種新型的“鉆機(jī)變頻控制裝置”，已投入到油田使用，收到較好效果。

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