测井装备中的液压调速技术.pdf

2 0 l 4年 第 2 8卷 第 6期 石油仪器 PETRoLEUM I NS TRUM ENTS 仪器设备 测井装备中的液压调速技术 陈小东 川 庆钻探工程 有限公 司测井公 司重庆 摘 要 测井装备中大量使用了液压调速技术。根据调速原理， 液压调速主要分容积调速和节流调速两种。液压调速技术主 要应用在测井液压绞车和一些基于液压原理的推靠器中。文章结合设备特点， 对测井液压绞车、 旋转式井壁取心仪和地层测试 器 中的液压调 速技术进行 了分析和 总结。 关 键 词 测井； 绞车；取心；地层测试； 液压调速 中图法分类号 P 6 3 1 ． 6 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 49 1 3 4 2 0 1 4 0 60 0 3 5 0 3 0 引 言 液压调速技术在测井装备中的应用最早始于测井 液压绞车， 液压绞车采用液压传动技术。测井 时， 液压 绞车通过变速器、 分动箱 和取力器将汽车底盘发动机 的功率传递给液压系统 ， 在液压系统 的控制下 ， 带动缠 绕在防磁滚筒上的电缆 ， 实现测井电缆和仪器不同速 度 高速和低速 的提升和下放 ， 并要求绞车液压系统 能满足一定的负荷拉 力， 而要实现对井下测井仪器运 动速度的控制 ， 就要求测井绞车液压系统具备精确调 速功能， 尤其在进行某些特殊项 目作业如核磁共振测 井时， 为了保证测井数据采集的稳定性和可靠性 ， 要求 测井绞车的最低传送速度低至 0 ． 5 m ／ m i n 。由于液 压传动的诸多优点， 在液压绞车之后， 很多井下推靠器 也由机械传动改为液压传动 ， 液压调速技术也随之在 这部分推靠器 中加 以应用 ， 其 中最典型的属旋转式井 壁取心仪和地层测试器。 1 液压 调速 技术 液压调速的根本就是通过调节系统流量 ， 改变执 行元件的运动速度。按调速原理分， 液压调速分容积 调速和节流调速两种 ； 按调节装置分 ， 液压调速通常可 分为变量泵调速 、 变量马达调速和液压阀调速三种 ； 按 调节方式分 ， 液压调速又分手动 、 电控和液控等等 。 对于液控型变量泵调速和变量 马达调速， 调速功 能离不开各种液压阀的控制 。变量泵调速是通过调节 泵 的出油量来改变液压元件 的运动速度 ， 最节约能源。 常见的变量泵是斜盘式柱塞泵， 其原理是通过调节斜 盘的角度来改变出油量。变量马达调速原理与变量泵 调速类似 ， 也是通过调节 马达斜盘来实现液压马达进 出口油量的控制 ， 最终达到调速的目的。 如果液压泵 、 液压马达 的l叶 J 油量固定 ， 也可 以通过 液压阀来控制流量 ， 即所谓定量泵 、 定量 马达加液压 阀 调速 ， 其原理是通过手动 、 电控 、 液控等方式调整通过 液压阀内驱动介质 气或油 流量达到调整执行元件运 行速度的目的。常用的流量控制液压阀有调速阀 压 力不受负载影响 、 节流 阀 压力受 负载影响 和比例 换 向阀等， 其中电磁调速 阀和 比例换 向阀应用 较多。 电磁调速阀由可调流量控制 阀和电磁换 向阀组成 ， 电 磁阀动作时， 出口流量大小可控制 ； 比例换 向阀则通过 斜坡式阀芯与阀体之问形成通流面积变化的油道 ， 来 控制流量 。 除定量泵、 定量马达加液压阀调速外 ， 还可根据丁 作需要采取变量泵 、 变量马达加液压阀调速的混 合调 速方式 。 2液压绞 车调速 液压绞车是测井装备 的重要组成部分 ，它为测井 下井仪器提供 提升 、 下放动力并对下井仪器 的运动速 度进行控制 ， 其性能直接关系到测井施工的时效和安 全。早期的测井机械绞车 由于不具备精确调速功能 ， 绞车操作人员在测井时需根据测井要 求和井下仪 器、 电缆的运动状态随时、 频繁进行速度调整 ， 不仅丁作强 度大 ， 而且绞车输出速度稳定性差； 测井液压绞车则借 第一作者简介 陈小东， 男， 1 9 7 2年生， 硕士 ， 高级工程师 ， 1 9 9 7年毕业于江汉石油学院电子仪器及测量技 术专业 ， 现在川庆钻探 工程有 限公司测井公司从事设备维护T作。邮编 4 0 0 0 2 1 石油仪器 P ET RoL E U M I NS T RU ME NT S 2 0 1 4年 1 2月 助于液压调速 ， 不仅可以实现对绞车速度的平稳、 安全 控制 ， 还可大幅降低绞车操作人员的工作强度 ， 提高施 工时效。 测井液压绞车调速技术的发展经历 了两个阶段 。 最早的调速方法为“ 容积调速” ， 即通过双向变量泵 、 双 向变量马达按排量分段调速的方法实现绞车调速； 随 着新 的测井方法不断引入， 对绞车的低速控制要求越 来越高 ， 单纯采用 “ 容积调速” 原理的液压绞车往往无 法满足生产需要 ， 因此， 测井液压绞车又加入 了“ 节流 调速” 功能， 即采用“ 容积调速” 和“ 节流调速” 的混合 调速方法实现液压绞车调速 。采用混合调速的测井 液压 绞车 系统原理 如图 l 所示 。 图 1 测井液 压绞车调 速原理 混合凋速液压绞车系统 由双向变量泵 、 液压马达 、 滤清器、 液压油箱、 安全阀、 节流控制阀组和液压管线 等组成， 其中“ 节流控制阀组” 是实现液压绞车系统低 速控制的关键组件。节流控制阀组 由插装 阀、 电液 比 例渊速阀和液动换向阀三部分组成。 液压系统调速时 ， 节流调速 动作控制及其与容积 调速同路的切换由液压绞车控制 回路与电控系统共同 完成。当绞车液压系统实现容积调速功能时， 节流控 制阀组的控制油 口没有先导油 ， 压力油流动时流量为 自由流量 ， 流量与压力可与容积调速回路 自适应 ， 此时 液压系统调速只能通过双向变量泵和双向变量液压马 达按排量分段调速 的方法来实现； 当绞车液压系统实 现电液比例节流调速时 ， 控制回路通过节流控制阀组 的控制油 口向液动换 向阀提供先导油， 压力油流经电 液 比例调速阀， 形成精细流量调节 ， 从而实现对液压马 达的极低速控制。实践表明， 采用了电液 比例节流调速 功能的测井液压绞车电缆输送速度可以低至 0 ． 3 m ／ ra i n ～5 n v ／ mi n L 4 ] 3 旋 转式 井壁取 心调速 旋转式井壁取心仪是一种液压取心设备 ， 其 内部 有两个液压系统 ， 一个为低压高排量 L P H V 系统 ， 一 个为高压低排量 H P L V 系统。低压高排量液压系统 主要由低压高排量泵 、 液压马达和电磁换向阀组成 ， 其 功能是驱动装在液压马达 齿轮马达或叶片马达 上的 取心钻头旋转； 高压低排量液压系统主要 由高压低排 量泵 、 液压缸、 蓄能器、 滤油器和各种控制阀组成， 其功 能是控制推靠臂的“ 张开” 与“ 收回” 以及钻头的“ 进” 、 “ 退” 和“ 折心” 动作。取心时， 为提高取心效率和降低 钻头遇卡的风险， 必须对取心钻进速度进行精确控制 ， 以适应不同作业环境下钻头的钻取负荷。目前国内在 用的 R S C T取心仪 、 H Tl和 F C T系列取心仪均具备取 心液压 调 速 功能 ， 调 速 原理 基 于 节 流调 速 ， 如 图 2 所示 。 钻 电．位计 图 2 旋 转 式 井 壁 取 心 仪 液 压 调 速 原 理 由于结构设计上 的差异 ， R S C T、 H T一1和 F C T系 列三种取心仪在调节方式上各有特点。H T一1系列溢 流调节阀阀芯为手动调节方式 ， 调节工作只能在地面 进行 ， 虽然阀芯材料具备温度补偿功能， 但由于调节范 围窄 ， 不灵活 ， 导致取心效率很低 ， 尤其在硬地层和高 温环境下 ； R S C T取心仪和 F C T系列取心仪调速原理与 H Tl 基本相同， 但调节方式均采用 电控方式 ， 即取心 过程中可直接在地面进行调速 ， 不需将将仪器起 出井 口。由于数据通信方式不同， R S C T取心仪和 F C T系列 取心仪液压调速控制方式又略有不同。R S C T采用线 性直流电压对溢流调节 阀阀芯开启度进行控制 ， 可在 2 0 1 4年 第 2 8卷 第 6期 陈小东 测井装备中的液压调速技术 3 7 一 定范围内实j 见阀芯开启量与阀芯线圈上施加电压的 连续变化 ， 即电磁比例调速； F C T系列取心仪则采用电 磁调速异步电动机带动液压阀芯对溢流调节阀进行控 制。电磁调速 犀步电动机又称滑差 电机 ， 是一种恒转 矩交流无 级变速电动机 ， 具有 调速范围广 、 控制功率 小 、 带速度反馈功能且 自动调节 系统时机械特性硬度 高等优点， 因此特别适用于旋转式井壁取 心仪这种需 要对取心速度进行 精确控制的的设备。实践表明， 采 用滑差电机液压调速的 F C T系列旋转式井壁取心仪 由 于能及时根据钻头负荷的变化对钻取速度进行精确控 制 ， 其取心效率更高。 4重复式 地层 测试 器调速 重复地层测试器是测量地层压力和直观判别流体 性质的一种测井仪器， 主要用来测量地层 中的某一深 度点地层压力随时问的变化和获取地层流体样品。压 力测量时 ， 液压探测器伸人井壁并座封， 探测器活塞收 缩 ， 预测试室活塞打开 ， 地层流体进入预测试室。当预 测试室活塞运动到位后 ， 流体压力逐渐升高， 直至与地 层孔隙压力平衡 ， 完成压力测试。测量过程中， 通过压 力恢复时间、 地层压力和预测试室体积， 可快速求取地 层渗透率。 由于不同渗透率地层 的压力恢复时间各不相 同， 在进行压力测试时， 要求 预测试活塞的运动速度与地 层渗透率相适应 ， 这就需要对预测室的运动速度进行 控制 ， 尤其在低孔低渗地层。 重复式地层测试器采用容积调速的原理进行液压 调速 ， 调速方式为手动调节 ， 原理如图 3所示。图 3中 S Q 3为压力调节顺序阀， 当推靠油压达到 2 8 0 0 p s i 时， S Q 3打开 ， 推靠油流人预测试室， 打开预测 试室活塞。 S Q 3既可对预测试 活塞运动时序进行控制， 同时还可 对其运动速度进行调节。 图 3 地层测试 器液压调 速原理 手动调节时 ， 用一特制的调整垫即可调节 S Q 3的 开启压力 。当预测试 活塞受力面积不变时， 活塞运动 速度就与 S Q 3开启压力 2 8 0 0 p s i ～ 3 5 0 0 p s i 成正比。 在低孔低渗地层 ， 可根据需要调节 S Q 3的开启压力来 改变预测试活塞的动作时序和运动速度 ， 为高效 、 准确 求取地层渗透率和评价油气层提供保障。 5 结束 语 液压调速时流量 的变化不是跳跃式 的， 可 以实现 无级变速 ， 因此液压调速技术现已广泛应用 于现代工 业的各个领域。对于测井液压绞车 ， 由于生产需要 ， 不 仅要求其速度控制精度高， 还要求系统性能可靠 ， 易于 操作 ， 尤其是低速工况。 目前 ， 测井液压绞车已开始广 泛采用最早应用 于汽车工业 的 P L C 可编程逻辑控制 器 控制技术来实现对液压 系统的调速控制。采用 了 P L C技术的液压绞车 ， 不仅电控系统得到 了极大简化 ， 而且控制精度 和可操作性也得到了大幅提高， 目前 已 可实现最低 0 ． 2 m ／ mi n和最高 2 0 0 m ／ m i n的电缆传输 速度 ， 调速比达到 了 1 0 0 0 1 。相 比于测井液压绞车 ， 采用液压传动的测井仪器由于结构相对简单， 精度要 求不高， 因此调速技术尚不成熟 ， 发展仅限于功能性需 求。尽管如此 ， 由于液压传动 的诸多优点 ， 目前测井仪 器中一些结构较为复杂的井下推靠 器， 其换代产品已 开始采用液压传动设计替代传统的机械传动设计 ， 以 满足设备的多功能化和高精度控制需求 ， 而随着测井 技术的发展 ， 在测井液压 绞车上 已经成功应用 的 P L C 液压调速控制技术也将逐步应用于采用液压传动设计 且需具 备液压 调速功 能 的测井 仪器 中， 并得 到快 速 发展 。 参 考 文 献 [ 1 ] 郑逢铭 ， 邬 铭． 测井绞车液压传动系统 的设计和创新 [ J ] ． 石油仪器， 2 0 0 9 ， 2 3 5 [ 2 ]许贤 良， 王传礼． 液压传动 [ M] ． 北京 国防工业 出版 社 ， 2 0 0 7 [ 3 ]程为彬， 寇莹， 程建年， 肖 飞． 液压绞车恒速度控制 的实现[ J ] ． 测井技术， 2 0 0 5 ， 2 9 1 [ 4 ]马梓晋， 刘洋， 王博锋． 测井车绞车系统调速回路的优 化设计[ J ] ． 专用汽车， 2 0 1 0 ， 6 2 6 收稿 日期 2 0 1 4 0 61 0编辑 梁保 江