基于AMESim的采油樹送入工具液壓系統(tǒng)仿真

程友祥，張德華，戚 昱，趙 毅(.重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶400；.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京049)

基于AMESim的采油樹送入工具液壓系統(tǒng)仿真

程友祥1，張德華2，戚 昱2，趙 毅2
(1.重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶401120；2.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249)

為了初步驗(yàn)證水下采油樹送入工具的液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，以及液壓元件的選型是否正確，以水下立式采油樹送入工具所需完成的動作為基礎(chǔ)，設(shè)計液壓系統(tǒng)?；贏MESim軟件進(jìn)行模型搭建、參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)仿真，得出水下立式采油樹送入工具安裝時間的估計值，分析液壓系統(tǒng)的同步性。仿真結(jié)果表明，該液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，符合工作要求，而且有較好的同步性。為現(xiàn)場液壓系統(tǒng)的安裝和選型提供參考。

水下；采油樹；安裝設(shè)備；液壓系統(tǒng)；AMESim軟件

我國海洋油氣資源頗為豐富，是未來油氣資源增量的主力[1-2]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)是支撐海洋油氣開發(fā)的重要組成部分，主要包括：水下采油樹、水下管匯、水下控制系統(tǒng)、出油管線、跨接管、水下分離設(shè)備、水下增壓設(shè)備等，采油樹是其中尤為重要的的裝置[3]。國外水下采油樹的主要生產(chǎn)國有美國、英國、意大利、巴西等，美國產(chǎn)水下采油樹的技術(shù)和產(chǎn)品最領(lǐng)先。目前，F(xiàn)MC、Cameron、Vetco Gray和Aker Kraemer Subsea幾家公司控制了水下采油樹約90%的全球市場份額。國內(nèi)研制生產(chǎn)水下采油樹的公司主要有：寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司、上海神開石油化工裝備股份有限公司、江蘇金石機(jī)械集團(tuán)等。

對采油樹的下放安裝是鉆完井工程的重要組成部分。安裝采油樹主體時，由絞車或者鉆桿帶動采油樹下放機(jī)具，當(dāng)采油樹下放到井口指定位置時，將采油樹與井口的連接裝置進(jìn)行連接，測試并判斷采油樹是否和井口連接完畢。隨后，鎖緊采油樹井口的密封圈，并對采油樹密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，連接輸油管道[4]。

本文通過對水下立式采油樹配套工具中的采油樹安裝工具進(jìn)行液壓系統(tǒng)的仿真，目的是建立完整可靠的液壓系統(tǒng)，使工具順利完成預(yù)定的動作。在已經(jīng)完成對工具設(shè)計及預(yù)期動作的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境的具體需求，設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、控制準(zhǔn)確的液壓控制系統(tǒng)。AMESim軟件因其功能齊、建模簡便等優(yōu)點(diǎn)，在流體、機(jī)械等復(fù)雜系統(tǒng)仿真和分析中被廣泛采用。本文基于AMESim軟件對各液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，包括液壓回路的建立、液壓元件的選型、工作參數(shù)的選擇與設(shè)置、對仿真結(jié)果的分析。

1 采油樹送入工具的液壓系統(tǒng)簡述

水下采油樹送入工具用于安裝/回收水下采油樹主體，具有2種主要功能：

1) 鎖緊并承載水下采油樹。在安裝設(shè)備(鉆桿或吊機(jī))與水下采油樹之間提供連接界面(多為鉆桿適配器或吊耳)，如圖1所示。

2) 提供液壓回路。由ROV協(xié)助，通過液壓系統(tǒng)鎖緊/釋放采油樹到水下井口。

a 使用鉆桿下放的采油樹送入工具

b 使用鋼絲繩下放，有導(dǎo)向框架的采油樹送入工具

1.1 設(shè)計基礎(chǔ)

1) 采油樹的主要參數(shù)。

外形尺寸(長×寬×高)

3.68 m×4.20 m×5.43 m

質(zhì)量

約50 t

采油樹導(dǎo)向架中心與導(dǎo)柱之間的間距

1 828.8 mm

2) 采油樹送入工具設(shè)計參數(shù)。

采油樹送入工具壓力級別

68.94 MPa(10 000 psi)

液壓鎖定額定壓力

20.68 MPa(3 000 psi)

采油樹送入工具支承能力

2.225 MN(500 000 lbf)

額定溫度等級U-V

-18～121 ℃

1.2 液壓系統(tǒng)工作步驟

1) 采油樹送入工具與采油樹的連接。

啟動采油樹送入工具的液壓系統(tǒng)，向控制送入工具與采油樹連接的液壓腔中注入液壓油，卡爪驅(qū)動環(huán)在液壓力的作用下向下運(yùn)動，驅(qū)動卡爪下端向內(nèi)收縮，卡入采油樹上端的凹槽中，完成采油樹送入工具與采油樹之間的連接。如圖2所示。

1—采油樹送入工具；2—采油樹；3—連接器卡爪。圖2 送入工具與采油樹連接示意

2) 采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接。

在采油樹的送入工具上有2個液壓腔，負(fù)責(zé)控制送入工具與采油樹鎖定推桿的連接。采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接操作流程如下：

①向第1個液壓腔加壓，驅(qū)動活塞向下運(yùn)動，調(diào)整推桿鎖塊的位置，使推桿鎖塊運(yùn)動到與推桿凹槽相對應(yīng)的位置，此時，支承板底面與推桿上端面貼合。

②推桿鎖塊達(dá)到指定位置后，向第2個液壓腔注入液壓油。同時，第1個液壓腔保持液壓力。由于支承板底面與推桿上端面貼合，推桿驅(qū)動活塞不能向下運(yùn)動。因此，活塞、推桿鎖緊驅(qū)動環(huán)和固定板向上運(yùn)動，推桿鎖緊驅(qū)動環(huán)驅(qū)動推桿鎖塊沿支承桿向內(nèi)運(yùn)動，推桿鎖塊嵌入推桿上端的凹槽中，完成采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接。

3) 采油樹與井口連接。

完成采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接后，保持第2個液壓腔的壓力，向第1個液壓腔繼續(xù)加壓。推桿驅(qū)動活塞、推桿鎖緊驅(qū)動環(huán)、固定板、支承板、推桿鎖塊和支承桿同時向下運(yùn)動，帶動采油樹鎖定推桿向下運(yùn)動，將采油樹鎖緊到井口上。

2 仿真模型的建立

采油樹送入工具中的液壓腔與推桿可以看作是液壓缸，根據(jù)3個不同的部分，建立3個不同的仿真模型。根據(jù)液壓系統(tǒng)的不同需求，基于AMESim分析軟件搭建仿真模型，并進(jìn)行仿真分析。

2.1 送入工具與采油樹連接過程仿真模型

在采油樹送入工具與采油樹的連接過程中，液壓腔1、液壓腔2、卡爪驅(qū)動環(huán)和殼體組成1個液壓缸，如圖3中的液壓缸(序號1)。在周向上共有6個相同結(jié)構(gòu)，調(diào)用AMESim中的液壓庫、信號庫、機(jī)械庫，搭建如圖3所示的仿真模型。

1—液壓缸；2—節(jié)流閥；3—換向閥；4—溢流閥；5—液壓泵；6—過濾器；7—油箱。圖3 送入工具與采油樹連接過程仿真模型

2.2 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真模型

在采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接過程中，液壓腔3、液壓腔4、活塞以及殼體可以看作是1個液壓缸，如圖4中的液壓缸(序號1)。周向上有4個相同結(jié)構(gòu)，調(diào)用AMESim中的液壓庫、信號庫、機(jī)械庫，建立如圖4所示的仿真模型。

1—液壓缸；2—換向閥；3—液壓泵；4—過濾器；5—油箱；6—溢流閥。圖4 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真模型

2.3 鎖緊鎖塊過程仿真模型

在采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿的連接過程中，還有一個將推桿鎖塊嵌入推桿上端的凹槽中的動作。此過程中，液壓腔5、推桿驅(qū)動活塞、殼體可以看作是1個液壓缸，如圖5中的液壓缸(序號1)。調(diào)用AMESim中的液壓庫、信號庫、機(jī)械庫，建立如圖5所示的仿真模型。

1—液壓缸；2—節(jié)流閥；3—換向閥；4—液壓泵；5—過濾器；6—油箱；7—溢流閥。圖5 鎖緊鎖塊過程仿真模型

3 仿真參數(shù)的設(shè)置

進(jìn)入AMESim的參數(shù)模式，對仿真模型中每個元件設(shè)置所需要的參數(shù)。采油樹送入工具的液壓缸尺寸參數(shù)及工作載荷在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就已經(jīng)確定；模型的全局性液壓參數(shù)，例如液體的體積模量、密度、動力黏度和工作溫度等選擇為AMESim的默認(rèn)值。列出各仿真模型中的液壓缸參數(shù)，如表1～3所示。

表1 送入工具與采油樹連接過程仿真模型參數(shù)

表2 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真模型參數(shù)

表3 推動鎖塊過程參數(shù)

4 仿真結(jié)果及分析

圖6為送入工具與采油樹連接過程的仿真結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)代表輸入/輸出位移，單位m；橫坐標(biāo)代表時間，單位s。從圖6可以看出：

1) 將采油樹送入工具與采油樹相連接，整個過程所需時間約為37 s。

2) 圖中曲線為6個液壓缸的6條運(yùn)動曲線完全重疊，可以看出6個液壓缸可以同時驅(qū)動卡爪驅(qū)動環(huán)的運(yùn)動，保證了動作的同步性。

圖7為送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程的仿真結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)代表輸入/輸出位移，單位m；橫坐標(biāo)代表時間，單位s。從圖7的仿真結(jié)果可以看出：

1) 采油樹送入工具推桿向下移動，將采油樹鎖定到井口的時間約為65 s。

2) 推動采油樹送入工具與采油樹鎖定推桿相連接的4個液壓缸的4條運(yùn)動曲線能疊加在一起，說明液壓系統(tǒng)可以保證運(yùn)動的同步性。

圖6 送入工具與采油樹連接過程仿真結(jié)果

圖7 送入工具與采油樹鎖定推桿連接過程仿真結(jié)果

圖8為推動鎖塊過程的仿真結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)代表輸入/輸出位移，單位m；橫坐標(biāo)代表時間，單位s。從圖8可以看出：

圖8 推動鎖塊過程仿真結(jié)果

1) 鎖緊過程所需的時間約為26 s，相比前兩個過程有所減少，這是因?yàn)殒i緊過程的位移和克服的摩擦力都較小。

2) 采油樹送入工具4個液壓缸的四條運(yùn)動曲線重疊，說明同步性良好。

5 結(jié)論

1) 利用AMESim 軟件的強(qiáng)大功能，對采油樹送入工具的不同工作過程分別進(jìn)行建模，合理參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行仿真，得出較為理想的液壓缸位移-時間仿真曲線，對每一步安裝過程所需時間有了初步估計。

2) 每一步安裝過程都由若干個相同液壓缸進(jìn)行驅(qū)動，其位移-時間曲線在同一幅圖上能很好地疊加在一起，表明液壓系統(tǒng)具有較好的同步性。

3) 仿真結(jié)果表明，采油樹送入工具的液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，符合工作需求，而且有較好的同步性。采油樹送入工具中所選的液壓系統(tǒng)和元件是正確的，對現(xiàn)場液壓系統(tǒng)的安裝和選型具有指導(dǎo)意義。

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Hydraulic System Simulation of Oil Production Tree Feeding Tool

CHENG Youxiang1，ZHANG Dehua2，QI Yu2，ZHAO Yi2
(1.ChongqingVanguardOffshorePetroleumEngineeringEquipmentCo.，Ltd.，Chongqing401120，China；2.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

In order to verify the rationality of the structure design of the hydraulic cylinder of the underwater oil tree，and the validity of hydraulic components.The hydraulic system is designed on the basis of the action of underwater vertical oil tree.Based on the AMESim software，the model building，parameter setting and system simulation are carried out，and the estimated value of the installation time of the vertical oil tree is obtained，also analyze the synchronization of hydraulic system.The simulation results show that the structure design of the hydraulic cylinder is reasonable，and it can meet the requirements of the work.And has good synchronization.Provide reference for installation and selection of hydraulic system.

underwater；Christmas tree；erecting equipment；hydraulic system；AMESim software

2017-12-03

國家工信部2013年高技術(shù)船舶(海洋裝備)科研項目(工信部聯(lián)裝[2013]41號)——水下采油樹配套工具研發(fā)；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重點(diǎn)專項項目(2016YFC0303700)資助

程友祥(1985-)，男，工程師，2008年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)從事海洋石油裝備研究及管理工作，E-mail：yxcheng@qwop-quip.com。

1001-3482(2017)03-0007-05

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.002