粒子鉆井中液壓動(dòng)力控制裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

蔡春雷，成向陽(yáng)，邢雪陽(yáng)，李建波，唐振

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司天津人力資源服務(wù)分公司，天津300452)

粒子沖擊鉆井技術(shù)是在常規(guī)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)機(jī)械破巖的同時(shí)，結(jié)合鉆井液中的硬質(zhì)鋼顆粒對(duì)地層高頻沖蝕，輔助機(jī)械鉆進(jìn)，大幅度提高機(jī)械鉆速，是一種提高硬地層勘探開(kāi)發(fā)效率的高效破巖鉆井方法［1－2］。

粒子沖擊鉆井系統(tǒng)主要包括3 個(gè)組成部分: 粒子注入系統(tǒng)、粒子回收系統(tǒng)和PID 鉆頭。

注入系統(tǒng)是安裝在泥漿泵和立管之間的獨(dú)立單元，通過(guò)三通連接到兩者之間的高壓管線上，其功能是將粒子注入到高壓鉆井液中。由于鉆井過(guò)程的連續(xù)性，如何實(shí)現(xiàn)粒子鉆井過(guò)程中粒子穩(wěn)定、均勻、連續(xù)、可控的注入對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要［3］。

粒子注入系統(tǒng)通過(guò)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將粒子注入至高壓鉆井液管線中，實(shí)現(xiàn)粒子的持續(xù)、穩(wěn)定注入?，F(xiàn)有的傳動(dòng)和控制螺旋輸送機(jī)的方法多為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，基本可以滿足注入功能，但是由于高壓罐和螺旋輸送機(jī)之間結(jié)構(gòu)連接緊湊，空間狹小，電機(jī)的安裝比較復(fù)雜、易產(chǎn)生振動(dòng)及功耗較大等問(wèn)題，均會(huì)影響螺桿轉(zhuǎn)速及輸送量的精確控制。為了解決上述問(wèn)題，文中提出采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)控制螺旋輸送機(jī)，液壓控制機(jī)構(gòu)比較輕便，具有體積小、安裝簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)粒子均勻、穩(wěn)定、可控輸出。

1 粒子沖擊鉆井液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

1.1 液壓驅(qū)動(dòng)粒子注入工藝流程

粒子注入裝置采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺旋輸送機(jī)螺旋推進(jìn)的方式注入鋼粒，工作原理如圖1 所示。

圖1 注入裝置工作原理圖

工作原理: 液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)通過(guò)控制液壓馬達(dá)帶動(dòng)螺旋輸送機(jī)6 旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鋼粒在自重條件下從高壓罐5 底部落入螺旋槽，隨著螺旋轉(zhuǎn)子繞水平軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，粒子在螺旋的推動(dòng)下向前移動(dòng)，到達(dá)出料口7 時(shí)鋼粒在自重條件下排出。螺旋注入裝置可以均勻、連續(xù)地向高壓鉆井液中注入鋼粒，并且可通過(guò)改變轉(zhuǎn)速的方式來(lái)調(diào)節(jié)注入量。

1.2 液壓系統(tǒng)的組成

設(shè)計(jì)采用開(kāi)式液壓系統(tǒng)，柱塞泵通過(guò)電機(jī)將油箱中的液壓油吸出，具有一定壓力和流量的液壓油沿著油路管線輸送至液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)的液壓油沿著回路管線返回至油箱內(nèi)。比例控制閥通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓油的流量來(lái)調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)檢測(cè)的粒子注入量不符合要求時(shí)，根據(jù)需要來(lái)增大或減小螺桿的轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是泵從油箱吸油進(jìn)入油路，液壓油完成工作后返回油箱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的散熱、潤(rùn)滑性能，成本低［4］。

2 液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 油源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該液壓系統(tǒng)用于給螺旋輸送機(jī)提供源動(dòng)力，主要由防爆電機(jī)、柱塞泵、液壓馬達(dá)、電磁溢流閥、單向閥、壓力補(bǔ)償器，非標(biāo)油路塊、風(fēng)冷卻器、過(guò)濾器及電控制柜等元器件組成。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2 所示: 柱塞泵6 由防爆電機(jī)7 驅(qū)動(dòng)，從油箱1 中吸去的液壓油經(jīng)過(guò)吸油濾清器5過(guò)濾后進(jìn)入柱塞泵6，泵出口壓力可通過(guò)電磁溢流閥21 調(diào)定，并由壓力表11 顯示，回油直接流入油箱1中; 油泵輸出的高壓液壓油通過(guò)高壓管路過(guò)濾器10與非標(biāo)油路塊15 相連，調(diào)節(jié)壓力補(bǔ)償器12 和比例換向閥13 確保系統(tǒng)內(nèi)壓力和流量的穩(wěn)定，通過(guò)電磁換向閥14 和疊加式制動(dòng)閥16 可實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)17 的正反轉(zhuǎn)，同時(shí)可減少馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的慣性作用; 回油系統(tǒng)的液壓油經(jīng)過(guò)疊加式制動(dòng)閥16 和電磁換向閥14，匯聚到非標(biāo)油路塊15，然后經(jīng)風(fēng)冷卻器18 降溫，最后回流到油箱1，完成工作循環(huán)。

圖2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.1.2 主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的流量決定馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)壓力決定馬達(dá)輸出扭矩。因此，為滿足工況，需對(duì)系統(tǒng)的流量、壓力進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)［5－6］。

(1) 油路系統(tǒng)額定壓力pn設(shè)計(jì)

液壓泵工作的最大壓力pMax為:

式中: p1為液壓馬達(dá)的最大工作壓力，25 MPa;

∑Δp 為液壓泵出口到液壓馬達(dá)入口間總的管路損失。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，管路進(jìn)出口有調(diào)節(jié)閥，取∑Δp= 0.2 MPa。

則可得液壓泵的最大工作壓力為pMax= 25.2 MPa?？紤]到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)及壓力貯備，確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應(yīng)滿足pn≥1.25pMax，因此選泵的額定壓力pn=31.5 MPa。

(2) 油路系統(tǒng)額定流量Qn設(shè)計(jì)

式中: Nn為液壓馬達(dá)的最大輸出轉(zhuǎn)速，100 r/min;

Vn為液壓馬達(dá)的額定排量，594 mL/r。

計(jì)算得油路系統(tǒng)額定流量Qn=59.4 L/min，綜合考慮，選泵的額定流量Qn=60 L/min。

2.2 液壓動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該液壓動(dòng)力系統(tǒng)作用于機(jī)筒內(nèi)壓力達(dá)25 MPa 的螺旋輸送機(jī)，要求能平穩(wěn)地輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。正常工作時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于防爆電機(jī)和柱塞泵等動(dòng)力設(shè)備以及控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性與連續(xù)性［7］。

(1) 確定供油方式

因?yàn)橄到y(tǒng)為中高壓系統(tǒng)，一般型號(hào)的齒輪泵壓力不足，且效率低?？紤]到液壓馬達(dá)工作時(shí)負(fù)載較大，扭矩、速度可調(diào)節(jié)，從節(jié)能角度減少發(fā)熱考慮，泵源系統(tǒng)宜選用效率高的軸向柱塞泵供油。

(2) 調(diào)速方式

根據(jù)馬達(dá)工作時(shí)對(duì)低速性能和速度負(fù)載的特性有一定要求的特點(diǎn)，采用軸向柱塞泵和調(diào)節(jié)閥組成的容積塞泵節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小的特點(diǎn)。

(3) 方向控制

此系統(tǒng)采用單向閥和電磁換向閥來(lái)控制馬達(dá)輸出正、反轉(zhuǎn)，回路上安裝疊加式制動(dòng)閥，能緩解馬達(dá)啟動(dòng)或停止時(shí)的慣性，減小振動(dòng)。

整套系統(tǒng)共有3 條管路，進(jìn)、出油的2 條主油管和泄油管1 條，通過(guò)改變油路方向來(lái)控制馬達(dá)輸出的正、反轉(zhuǎn)，泄油管路將多余的油流回油箱。防爆電機(jī)作為此系統(tǒng)直接動(dòng)力源，功率選用18.5 kW，柱塞泵作為直接壓力源，選用額定排量40 mL/r，額定壓力31.5 MPa; 液壓馬達(dá)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用最大輸出轉(zhuǎn)速100 r/min，額定轉(zhuǎn)矩1 500 N·m; 電磁換向閥、電磁溢流閥、壓力補(bǔ)償器等控制閥門(mén)可用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各類(lèi)壓力、流量、方向等，也用于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)［8］。

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)中功率損失大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚瑢?dǎo)致油溫上升使效率下降，同時(shí)也將加速惡化油的性能，容易引起泄漏，使系統(tǒng)難以正常工作，故應(yīng)對(duì)液壓系統(tǒng)的熱平衡進(jìn)行核算和分析，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦鋮s方式。

此液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，一部分通過(guò)油箱和管路、元件表面散發(fā)到大氣中，另一部分由冷卻裝置冷卻回流到油箱。綜合分析和核算熱平衡，冷卻方式易采用溫控冷卻和電動(dòng)機(jī)自帶風(fēng)扇冷卻，此冷卻系統(tǒng)采用額定轉(zhuǎn)速為1 360 r/min、功率為80 W 的風(fēng)扇。由于溫控冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨著液壓系統(tǒng)的油溫升高而加快，當(dāng)油溫降低到某一值時(shí)，風(fēng)扇可以不轉(zhuǎn)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)，故達(dá)到了節(jié)能和降噪的目的。

3 液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的

此次室內(nèi)試驗(yàn)于2013年7月在中國(guó)石油大學(xué)(華東) 高壓水射流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，主要進(jìn)行液壓系統(tǒng)在工作條件下的單項(xiàng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)(輸出扭矩、轉(zhuǎn)速等)和負(fù)載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證液壓動(dòng)力系統(tǒng)裝置的可靠性、可控性以及驅(qū)動(dòng)注入裝置能否實(shí)現(xiàn)粒子連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的輸出。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器、材料

實(shí)驗(yàn)選用如圖3 所示的液壓動(dòng)力工作站1 臺(tái)，螺旋輸送機(jī)1 臺(tái)，支架1 臺(tái)，進(jìn)、出料口堵頭各1 個(gè)，水泵1 個(gè)，水箱1 個(gè)，打壓機(jī)1 個(gè)，清水，壓力傳感器1 臺(tái)，壓力顯示儀表1 臺(tái)，轉(zhuǎn)速傳感器1 臺(tái)，轉(zhuǎn)速顯示儀表1 臺(tái)，扭矩傳感器1 臺(tái)，扭矩顯示儀表1臺(tái)等。

圖3 液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1.3 實(shí)驗(yàn)方法步驟

(1) 檢查液壓動(dòng)力系統(tǒng)，確定裝置完好;

(2) 設(shè)備連接，安裝傳感器，進(jìn)料口堵頭上的加壓孔、卸壓孔均敞開(kāi)。從加壓孔加水，至兩孔都有水溢出，加壓孔連接加壓管線，用手壓泵打壓至卸壓孔有水溢出，關(guān)手壓泵保壓閥門(mén)，再安裝卸壓孔堵頭;

(3) 打開(kāi)手壓泵保壓閥，用手壓泵開(kāi)始加壓，以5 MPa 梯度加壓，各壓力值下保壓運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，至30 MPa;

(4) 開(kāi)啟液壓泵站，緩慢調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速至50 r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)10 min; 記錄各機(jī)筒壓力下的液壓泵站輸出扭矩值，并觀察液壓部件和連接處滲漏狀況及有無(wú)異響;

(5) 卸壓至25 MPa，保持機(jī)筒內(nèi)壓力恒定，以10 r/min 梯度調(diào)節(jié)馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，各轉(zhuǎn)速值下保速運(yùn)轉(zhuǎn)10 min 至100 r/min，記錄各轉(zhuǎn)速值下的液壓泵站輸出扭矩值，并觀察液壓部件和連接處滲漏狀況及有無(wú)異響;

(6) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，停機(jī)，打開(kāi)保壓閥，拆卸壓孔堵頭卸壓。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

如圖4、5 所示: 在轉(zhuǎn)速恒定條件下，隨著機(jī)筒內(nèi)工作介質(zhì)壓力的提高，液壓馬達(dá)的輸出扭矩和輸出功率都增加。這是由于隨著壓力的增加，旋轉(zhuǎn)密封圈的收縮量增大，其抱緊螺桿軸的力也增大，導(dǎo)致螺桿的工作扭矩和功率增大。

圖4 輸出扭矩與機(jī)筒壓力關(guān)系圖(50 r/min)

圖5 輸出功率與機(jī)筒壓力關(guān)系圖(50 r/min)

如圖6、7 所示: 在介質(zhì)壓力恒定時(shí)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，液壓馬達(dá)的輸出功率增加，但其輸出扭矩保持不變，說(shuō)明在恒定介質(zhì)壓力時(shí)，輸送機(jī)的負(fù)載一定，其所需扭矩也一定。

圖6 輸出扭矩與螺桿轉(zhuǎn)速關(guān)系圖(25 MPa)

圖7 輸出功率與螺桿轉(zhuǎn)速關(guān)系圖(25 MPa)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，未見(jiàn)明顯震動(dòng)和異響狀況，各液壓管路及接頭連接處未見(jiàn)明顯滲漏。因此，設(shè)計(jì)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)有效地解決了粒子注入系統(tǒng)連續(xù)、平穩(wěn)注入的難題。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

該液壓動(dòng)力裝置于2013年8月在川慶鉆探龍崗022-H7 井進(jìn)行了粒子鉆井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況如圖8 所示。

圖8 粒子注入裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

試驗(yàn)過(guò)程中，井深為2 730 ～2 957 m 的直井段，地層為須家河組須五段，泥漿泵排量26 L/s，泵壓19.7 MPa，粒子注入量7.7 t，鉆壓(18 ～20)×104N，輸出扭矩5.0 ～5.5 N·m，液壓工作站壓力5 ～10 MPa，馬達(dá)轉(zhuǎn)速30 ～60 r/min，粒子注入時(shí)間1.5 h。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明: 該裝置可以順利實(shí)現(xiàn)粒子在高壓介質(zhì)中的可控量注入，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓站系統(tǒng)的流量來(lái)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力來(lái)控制馬達(dá)輸出扭矩，初步實(shí)現(xiàn)了粒子鉆井液壓動(dòng)力控制裝置的預(yù)期功能，為粒子鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)理論設(shè)計(jì)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，研究了用于驅(qū)動(dòng)粒子沖擊鉆井注入裝置的液壓動(dòng)力裝置，主要結(jié)論如下:

(1) 設(shè)計(jì)出1 套額定扭矩1 500 N·m、額定排量60 L/min、額定壓力16 MPa、額定轉(zhuǎn)速100 r/min的液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)裝置;

(2) 試驗(yàn)結(jié)果表明: 液壓動(dòng)力系統(tǒng)能輸出平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速和扭矩，實(shí)現(xiàn)了均勻、穩(wěn)定、可控注入鋼粒的要求;

(3) 該裝置簡(jiǎn)單易裝、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、安全可控，易于鉆井現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，為粒子鉆井技術(shù)提高深部耐磨硬地層機(jī)械鉆速提供了動(dòng)力控制設(shè)備支持。

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