試論螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)工作流程的技術(shù)優(yōu)化

(西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

試論螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)工作流程的技術(shù)優(yōu)化

張誠(chéng)羅鰲

(西南石油大學(xué)四川成都610500)

螺桿鉆具是在石油現(xiàn)場(chǎng)開采以及特殊工藝作業(yè)中相當(dāng)重要的鉆井工具之一，其性能水平受到生產(chǎn)單位及使用者的高度重視。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有關(guān)螺桿鉆具性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的創(chuàng)新發(fā)展也成為未來(lái)趨勢(shì)。在充分考慮螺桿鉆具機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，采用智能電氣控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)螺桿鉆具的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)層面的優(yōu)化完善，成為目前螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到高精度實(shí)時(shí)性工作要求的重要技術(shù)手段。

螺桿鉆具；試驗(yàn)臺(tái)；性能測(cè)試；工作流程

傳統(tǒng)螺桿鉆具手工測(cè)試，面臨著人員要求高、操作工藝繁瑣、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、精確度不高等問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及鉆井開采提速的現(xiàn)實(shí)需求，螺桿鉆具的性能要求以及檢驗(yàn)試驗(yàn)工作也不斷更新發(fā)展。為滿足試驗(yàn)臺(tái)性能測(cè)試高頻率、高精度、實(shí)時(shí)性、可靠性的要求。在充分考慮螺桿鉆具機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，采用智能電氣控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)螺桿鉆具的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)層面的優(yōu)化完善，成為目前螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到高精度實(shí)時(shí)性工作要求的重要技術(shù)手段。

一、螺桿鉆具的工作特性

螺桿鉆具也就是定排量馬達(dá)(PDM)，屬于容積式井下水力鉆具，由旁通閥總成，馬達(dá)總成，萬(wàn)向軸總成，傳動(dòng)軸總成組成。螺桿鉆具的工作特性曲線圖習(xí)慣以壓差Δp=(p1-p2)為橫坐標(biāo)進(jìn)行繪制。

理想狀況下，螺桿鉆具的輸出扭矩(T)與馬達(dá)承受壓力差Δp成正比，輸出轉(zhuǎn)速(n)與輸入循環(huán)流量成正比，只要控制地面上壓力數(shù)值及循環(huán)介質(zhì)的流量，就能夠使鉆具在井下的輸出轉(zhuǎn)矩M及輸出轉(zhuǎn)速n保持穩(wěn)定。實(shí)際情況下，螺桿馬達(dá)作為機(jī)械設(shè)備，部件之間存在著一定的機(jī)械損失和水力損失，比如轉(zhuǎn)子與定子之間存在摩擦阻力，密封腔之間存在泄漏，傳動(dòng)軸存在能量損耗等等。因此，螺桿鉆具的工作實(shí)際參數(shù)與理想?yún)?shù)之間存在差異，這就是機(jī)械效率ηm和水力效率ηv導(dǎo)致的真正總效率η：η=ηmηv。

因此，螺桿鉆具實(shí)際輸出鉆速n受水力效率ηv的影響，隨著△p的增大，n會(huì)不斷降低，實(shí)際輸出鉆速與理想狀況下的差值△n，主要是由于在△p作用下，馬達(dá)定子橡膠襯套變形而導(dǎo)致。輸出轉(zhuǎn)矩M隨著△p的增大而增大，表明螺桿鉆具的荷載能力依舊穩(wěn)定。當(dāng)鉆頭阻力增大時(shí)，△p增大，為克服阻力矩馬達(dá)轉(zhuǎn)矩M也隨之增大，引起轉(zhuǎn)速隨之降低，當(dāng)△p增大到臨界值△pc時(shí)，鉆頭轉(zhuǎn)速為零制動(dòng)，出現(xiàn)n=0的狀況，此時(shí)轉(zhuǎn)矩M達(dá)到最大值Mmax，稱為制動(dòng)力矩。

二、螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)組成系統(tǒng)及試驗(yàn)原理

螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過(guò)模擬螺桿鉆具井下作業(yè)實(shí)際狀況，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)。一方向?qū)︺@具提供壓力，輸入循環(huán)介質(zhì)，使之正常工作；一方面模擬鉆頭井底工作時(shí)的阻力，通過(guò)電磁剎車加載，對(duì)鉆具動(dòng)力輸出端施加不同的扭矩載荷。

實(shí)驗(yàn)開始后，根據(jù)既定的頻率，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，測(cè)試出鉆具在不同扭矩載荷下穩(wěn)定工作的輸入壓力、輸出壓力、輸出扭矩、輸出鉆速、循環(huán)流量、入口循環(huán)物質(zhì)溫度等參數(shù)。再通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析處理后，總結(jié)出該螺桿鉆具的性能參數(shù)值和工作特性曲線，并形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

由此，可以看出螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)操作具有流程復(fù)雜、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)智能化技術(shù)依賴性高的特點(diǎn)。

三、螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)優(yōu)化

采用智能電氣控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)螺桿鉆具的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，是目前螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到高精度實(shí)時(shí)性工作要求的新型檢測(cè)方法，其中數(shù)據(jù)的采集、處理與管理是技術(shù)優(yōu)化的主要關(guān)注點(diǎn)。

(一)以工控機(jī)為核心的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

以工控機(jī)為核心的分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，包括工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、智能傳感器以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成部分，在螺桿鉆具性能測(cè)試中，利用計(jì)算機(jī)和多通道高速數(shù)據(jù)采集器，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。為減少采樣通道誤差影響，使用采樣通道標(biāo)定以及數(shù)據(jù)標(biāo)度變換，來(lái)提高系統(tǒng)工作過(guò)程中的抗干擾能力，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

(二)基于LabWindows/CVI的數(shù)據(jù)分析軟件

基于LabWindows/CVI的數(shù)據(jù)分析軟件面向?qū)ο筮M(jìn)行編程設(shè)計(jì)，采用獨(dú)立的模塊組成系統(tǒng)，能夠?qū)β輻U鉆具性能參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)分析。采用多線程技術(shù)，自動(dòng)對(duì)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度等信號(hào)完成實(shí)時(shí)采集和參數(shù)計(jì)算，采用Activex技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和輸出。將數(shù)據(jù)信息的采集、處理和管理形成協(xié)調(diào)的工作系統(tǒng)，使得螺桿鉆具性能試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，試驗(yàn)效率提高。

(三)基于模糊PID自適應(yīng)控制的自動(dòng)控調(diào)節(jié)算法

在系統(tǒng)對(duì)壓力和流量實(shí)施控制時(shí)，壓力變化、流量變化分別對(duì)控制回路內(nèi)環(huán)定位閥造成影響，造成壓力和流量處于變化的不確定的狀態(tài)。由于壓力和流量相互作用，控制對(duì)象往往出現(xiàn)不確定和非線性的關(guān)系，此時(shí)采用不變的PID參數(shù)，壓力和流量控制就會(huì)出現(xiàn)失效，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)的目標(biāo)。采用模糊PID自適應(yīng)控制，能夠提高調(diào)節(jié)和控制效率。模糊PID自適應(yīng)控制根據(jù)單位階躍響應(yīng)圖，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息的特征進(jìn)行識(shí)別，并自動(dòng)進(jìn)行推理，完成在線參數(shù)的自識(shí)別、自調(diào)整，在控制對(duì)象表現(xiàn)出不穩(wěn)定特性時(shí)保證控制穩(wěn)定。

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張誠(chéng)，男，漢族，學(xué)生，本科，螺桿鉆具，西南石油大學(xué)。