液压同步系统在钻具输送装置中的应用.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 8期 石 油机械 C HI NA PE TR0LE UM MACHI NERY 一61 一 应 用技 术 液压 同步 系统在钻 具输送装置 中的应 用 聂永坤 马永 恒 王瑞成 施境岭 刘荣庆 徐 笑 鸥 1 ．渤海石油装备制造有 限公 司石 油机械厂 2 ．川庆钻探长庆钻 井总公 司 3 ．渤海钻探 工程 有限公司第四钻 井工程 分公 司 4 ．渤海钻探 工程 有限公 司定 向井技 术服务 分公 司 摘要 在钻具输送装置作 业过程 中，液压同步 系统起着极其 重要 的作用。通过分 析对 比几种 常见的液压 同步系统，阐述 了分流集流阀同步 回路 液压 系统在钻具输送装置 中的应用。整个系统 的设计难点在于 4个液压缸 的同步动作 ，分流集流阀能通过 内部 的压力和流量敏感部件 自动调节 ， 使油缸保持运动同步。试验表 明，在载荷 2 0 0 k N、4个液压缸受到不均衡载荷作用工况下，4个液 压缸的行程 1 1 5 0 mm时误差在 8 m m 以内，同步精度很高，整个样机性能稳定，满足使用工况要求。 关键词 液压 同步系统 钻具输送装置 动力钻具盒 分流集流阀 同步回路 0 引 言 近年来 ，国内外钻井技术和装备得到了长足发 展，作为钻井辅助设备之一 的钻具输送装置可以实 现钻具从钻具盒到钻台面的 自动化传送 ，将钻具安 全、平稳运送到井 口中心 ，既方便作业 ，又能将钻 具从井 口卸下 ，从钻台平稳运送到猫道旁的钻具盒 内。在钻具输送装置作业过程中 ，液压 同步系统起 着极其重要 的作用。液压同步系统是指在有 2个或 多个液压执行元件的液压系统中 ，要求执行元件以 相 同的位移或 速度 同步 运行 。笔者通 过分析对 比几种常用 的液压同步系统 ，阐述 了分流集流阀同 步回路液压系统在钻具输送装置中的应用 。 1 方案确定 钻具输送装置的基本结构 由金属框架构成 ，液 压系统为其提供动力 ，钢丝绳滑轮组起导 向和连接 作用 。在钻具输送装置的动力系统 中需要用到 4个 液压缸同步系统 ，对同步精度要求较高 ，同时各个 独立液压缸载荷可能不同，并且缸与缸之间的相对 位置 较大 。 1 ． 1 机械连接式同步回路 机械 连接 式 同步 回路 各个 液压 缸 之 问通 过刚性 构件 、齿轮齿条副或连杆机构等机械连接实现同步 运动 ，回路工作可靠 ，结构简单。如果 2个液压缸 之间的载荷差别较大 ，而连接刚性较小时，则会因 偏载造成活塞杆卡死 ，故机械连接式同步回路只适 用于同步缸距离近且偏载较小的场合。在钻具输送 装置中此种结构无法满足各个缸所受载荷差别较大 的使用要求 ，同时在此装置 中各 同步缸距离较大 ， 无法通过刚性固定将各缸串联 ，故在钻具输送装置 中此方 案 不可 取 。 1 ． 2节流阀调速同步回路 节流阀调速同步 回路主要采用节流阀控制工作 液压缸 ，结构简单 ，但易受到油温变化及调速阀性 能等差 异 的影 响 ，同步精 度 较低 ，一 般在 5 ％ ～ 1 0 ％ 。在钻具输送装置 4缸 同步系统中，此种回 路调节比较困难 ，同时精度低 。主要原因是较长活 塞杆作用时 ，由于误差的累积 ，系统运行几次后就 要重新调节 4缸的同步 ，操作 比较麻烦 ，不能适应 井场工作 的需要。 1 ． 3分流 集流 阀 同步 回路 分流集流阀也称 同步阀，是集液压分流阀、集 流阀功能于一体的独立液压器件。分流集流阀的同 步是速度 同步 ，即当 2个油缸或多个油缸分别承受 不 同的载荷时，分流集流 阀通过内部的压力 和流量 敏感部件 自动调节 ，使油缸保持运动同步 ，主要用 于液 压双 缸及 多 缸 同步控 制 系统 中 。采用 分流集 流 渤海石油装 备制造有 限公 司科技项 目。钻具输送装置 中的动 力钻具 盒已获国家专利 ，专利号 Z L 2 0 0 8 2 0 0 7 9 3 1 3 ． 0。 石 油机械 2 0 1 1 年第3 9卷第 8 期 阀同步回路控制液压系统具有结构简单 、成本低、 制造容易及可靠性高等优点 ，因而在液压系统中得 到了广泛应用 。 依据分流集 流阀同步回路的优点，在钻具输送 装置液压系统设计时，拟选用该 回路。 2 液压 同步系统设计 2 ． 1 动力钻具盒的工作原理及要求 图 1为钻具输送装置的组成部分之一动力 钻具盒的结构示意图。动力钻具盒要求 4个液压缸 同步动作。 1 2 3 4 5 6 7 图 1 动 力钻 具 盒 的结 构 示 意 图 l 一底盘 ；2 一支撑梁 ；3 一立柱 ；4 一液压动力 机构； 5 一钢丝绳； 6 一下导向轮； 7 一升降梁； 8 一 上导向轮； 9 一上框 ； 1 0 一斜拉筋； 1 1 一钢板 。 动力钻具盒主要包括存放钻具的金属框架和钻 具升降机构。金属框架主要 由底盘、支撑梁、立柱 和上横梁焊接而成。钻具升降机构主要由液压动力 机构 、钢丝绳 、下导 向轮、升 降梁 和上导 向轮组 成。液压动力机构、下导向轮和上导向轮固定在金 属框架外侧 ，金属框架 内设有升降梁。 工作原理为 在 4个液压动力机构的作用下 ， 通过钢丝绳 、下导 向轮 、升降梁及上导 向轮 的作 用 ，将钻具盒 内的钻具提升出来。动力钻具盒能将 多根钻具集中存放在钻具盒内，方便运输 ；还能将 钻具升高出盒 ，方便钻井作业使用。 由图可以看到 ，整个系统的设计难点在于 4个 液压缸的同步动作 。上面已经充分分析了各种液压 同步系统的优缺点，并最终选用分流集流阀同步回 路实现钻具输送装置中动力钻具盒 的动作。 2 ． 2液压 同步 系统及工 作原 理 液压同步系统的工作原理如图 2所示 。图中， 齿轮泵给整个液压系统提供动力 ，调速阀调节同步 系统中 4个液压缸的速度 ，换 向阀在主回路中同时 控制 4条液压回路 。 由图可以看出，此系统主要 由2级分流集流 阀 来控制 4个液压缸的同步动作。在整个 系统设计 中 首先要确定整个系统 的外部载荷 F、顶升速度及系 统的工作压力，其次要通过计算确定液压缸 、各种 液压控制阀及液压元件的规格型号等。依据设计要 求 ，系统中选用的液压缸活塞杆长度为 1 1 5 0 l n n l ， 因此需要计算活塞杆 的稳定性。外部载荷计算公 式为 一 K1 K,r r E1 F ≤ ～ s 式 中E 活塞杆材料弹性模量 ； ， 一活塞杆截面惯性矩； 液压缸安装末端系数 ； 考虑活塞杆材料缺陷和截面不均匀系 数 ，取 K 0 ． 8 5～1 ． 0 0 ； 液压缸支撑点和活塞杆端点的最大长 度 ⋯ 。 图 2液 压 同 步 系统 原 理 图 1 一油箱 ；2 一溢流阀 ；3 --压力表 ；4 一换 向阀；5 -- 分流集 流阀 ； 6 一液压锁 ； 7 一液 压缸 ； 8 一调 速阀 ； 9 一齿 轮泵 ； 1 0 一 联 轴器 ； 1 1 一 防爆 电动 机 ； l 2 一滤 油 器 ； l 3 一 精滤 油 器 。 液压系统中的溢流阀能在系统达到调定压力时 保持恒定状态。当系统发生故障 ，压力升高到可能 造成破坏的限定值时 ，阀口打开从而溢流 ，主要起 定压溢流和安全保护作用 。液压锁用于防止液压缸 在重物作用 下 自行 下滑 ，需要动作 时向另一路供 油 ，通过 内部控制油路打开单向阀使油路接通。 2 ． 3 主要 技术 参数 额定压力 2 1 M P a ； 额定流量 1 5 L ／ mi n ； 油 缸直 径 1 1 0 mm； 活塞杆直径 6 3 r n lq ； 行 程 1 1 5 0 m m； 同步精度 0 ． 8 ％ ～1 ． 2 ％。 2 ． 4主要控 制 阀在 系统 中的作用 从 图2可以看 出，为了均衡驱动 4个载荷液压 缸 ，减少不均匀载荷对整个液压 系统同步的影响 ， 采用了 2级分流集流阀控制方式。在选定分流集流 阀时 ，为了操作简单 ，分流集流阀采用固定 比例为 2 0 1 1 年 第3 9卷第 8 期 聂永坤等液压同步 系统在钻具输送装置中的应用 一 6 3 1 1的阀体 。在阀的作 用下 自动分配或集 中主 回 路 中的油流 ，使 4个液压缸在伸出或缩 回 2个方 向 上实现同步运行 ，从而满足整个动力钻具盒的使用 要求。根据分流集流 阀选择 的基本原则 ，2级阀体 采用同一系列 ，后一级 2个并联的分流集流阀承担 的流量为前级阀体的 ，故选定的后级阀体通径以 及公称流量是前级阀体的 。 3 试验验证 2 0 0 9年 6月 ，在 渤海石油装备 制造有 限公 司 石油机械厂内对钻具输送装置中动力钻具盒的举升 动作进行了试验 ，整个试验分为均匀载荷和不均匀 载荷 2部分 。 试验中分别对分流集流阀各支路的液压油流量 进行测定 ，数据显示第 l 级分流集流阀 2支路流量 相等 ，第 2级分流集流阀4条支路流量相等 。在载 荷 2 0 0 k N，4个 液压缸受 到不均衡 载荷作 用工况 下 、4个液压缸的行程 1 1 5 0 mm时误差在 8／ ／ ／ m以 内，同步精度很 高。整个样机在试验 中性 能稳定 ， 满足使用工况要求 。 4 结 论 1 在钻具输送装置 的动力钻具盒中，由各种 控制阀组成的液压 同步系统可实现 4个液压缸的同 步动作，在行程 1 1 5 0 fi l m时 4个液压缸的误差在 8 l n l T l 以内，达到了油田对同步精度的使用要求。 2 动 力钻 具 盒 液 压 同 步 系 统 体 积 小 ， 占用 空 间 小 ，安装 方便 ，在 复 杂 的工 作 环境 与使用 条件 下 可靠 度 高 、性能 稳定 。 3 分流集流 阀同步 回路可 以作 为典 型的液 压 同步系统设计模块来应用。 参考文献 [ 1 ] 成 大先 ． 机 械设计手 册 [ M]． 5版 ．北 京 化学工 业 出版社 ，2 0 0 92 1 2 9 1 ． [ 2 ] 王仁福 ．几种典型液压同步系统探讨 [ J ]．四川冶 金 ，2 0 0 7 ，2 9 3 4 4 4 7 ． [ 3 ] 殷敏 ，缪兴兵 ，王存 堂 ．新型数 字 同步 阀 的结 构 及原理分析 [ J ]．工程机械，2 0 0 2 ，3 3 1 1 2 0 22 第一作者简介 聂永 坤 ，助 理T 程 师 ，生 于 1 9 8 2年 ， 2 0 0 7年毕业于河北建筑工程学院机械设计制造及其 自动化 专业 ，现从事 机械加工 和钻机联调 配套等 工作。地 址 0 6 2 5 5 2 河北 省任 丘市 。电话 0 3 1 7 2 7 2 5 1 1 3 。Ema i l ni e y o n g k un 1 63． t o m。 收稿 日期 2 0 1 l 一 0 51 2 本文编辑王刚庆 上 接 第 6 0页 结果 1 0口井一次不压井成功率达到 1 0 0 ％ ，3口井 二次不压井成功率也达到 1 0 0 ％。 试验结果表明 ，防垢空心桥塞的卡瓦在套管 内 壁的锚定力达到了设计要求 ，工具在井下能够顺利 完成锚定 、胶筒密封及 管柱丢手等各项规定 动作 ， 且开关动作灵活好用。二次不压井施工时，套管无 溢流，捅杆表面无垢。 3结论及认 识 1 室内及现场试 验表 明，三元 复合驱不 压 井技术坐封、解封可靠 ，可在三元复合驱井上大面 积推广应用 。 2 三元复合驱不 压井技术有效 地解决 了 目 前三元复合驱井作业施工中存在的环境污染 、安全 隐患 、作业施工时间长及影响产量等问题 ，随着该 技术的进一步推广应用 ，其社会效益和经济效益将 会更加明显。 参考文献 [ 1 ] 孙立华 ，旺建立 ，赵家文 ，等 ．新 型丢 手封 隔器及 配套 不 压井 技 术 研 究[ J ]．石 油 机 械 ，2 0 0 5 ，3 3 7 7 67 7 ，8 7 ． 作者简介 孙立华 ，工 程帅 ，生 于 1 9 6 2年 ，2 0 0 0年毕 业 于大庆石油学院采 油工 程专业 ，现从事采 油工 艺研 究工 作 。地 址 1 6 3 4 1 4黑 龙 江 省 大 庆 市 。 电 话 0 4 5 9 5 29 8 06 5。 E ma i l s u nl hl pe t r o c h i n a ． c o m． c n 收稿 日期 2 0 1 1 0 42 0 本 文编辑王刚庆