地层压力随钻测量仪器微型液压系统研制
地层压力随钻测量仪器微型液压系统研制 郑俊华 宗艳波 张仁龙 王强 中国石化石油工程技术研究院 中国航天科技集团公司烽火机械厂 摘 要： 微型液压系统是地层压力随钻测量仪器核心功能模块, 仪器通过液压系统实现探头推靠坐封抽汲解封复位等测量动作。由于井下仪器空间有限, 部件集成难度高, 以使用最少液压元件实现地层压力测量基本功能为目标, 设计了微型液压系统技术方案。以方案为基础, 优选高性能微型液压元器件, 通过使用插装的安装方式及油路集成块模块化设计, 实现了液压系统在井下仪器狭小空间内的集成。经室内测试, 微型液压系统输出压力达到 20 MPa, 各元件动作逻辑正确, 性能参数满足设计要求。关键词： 地层压力; 液压系统; 微型电磁阀; 油路集成块; 作者简介：郑俊华 (1980-) , 高级工程师, 博士, 2009 年毕业于吉林大学地质工程专业, 主要从事井下工具仪器方面的研究工作。地址: (100101) 北京市朝阳区北辰东路 8 号北辰时代大厦 701 室;电话:010-84988795;E-mail:zhengjunhua6001126.com收稿日期：2016-12-18基金：国家重大专项“海相油气井井筒环境监测技术” (2011ZX05005-006-001) DESIGN OF MICRO HYDRAULIC SYSTEM FOR FORMATION PRESSURE MEASUREMENT WHILE DRILLING SYSTEMZHENG Junhua ZONG Yanbo ZHANG Renlong WANG Qiang SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering; Fenghuo Machinery Factory of China Aerospace Science and Technology Corporation; Abstract： Micro hydraulic system is the key function module in the formation pressure measurement while drilling system.The thrust-packer set-suction-release-reduction is driven by the hydraulic system. The inner space is small in the downhole device, so it is very difficult to integrate components in the formation pressure measurement system. The basic function of formation pressure measurement device is achieved with minimum components and hydraulic lines when designing the hydraulic system. According to the hydraulic system schematic, high-performance hydraulic components are selected, the hydraulic system is integrated in the device that has small space by plugmounted installation and hydraulic manifold block. The lab test shows the output pressure of the micro hydraulic system is20 MPa, the action logic of every component is correct, and the performance parameters meet the design requirements.Keyword： formation pressure; hydraulic system; micro solenoid valve; hydraulic manifold block; Received： 2016-12-18地层孔隙压力是钻井工程所需的重要参数。随钻测量地层压力, 能更好地反应地层真实压力状况, 优化钻井工艺, 提高钻井效率。斯伦贝谢等国外油田服务公司已经成功研制出地层压力随钻测量仪器, 并广泛应用于油田技术服务中。该技术在我国处于开发、试验阶段。微型液压系统是地层压力随钻测量仪器的核心功能模块。通过液压系统控制探头推靠、坐封、抽汲、解封、复位等动作, 实现地层压力测量1-6。微型液压系统关键技术由液压系统方案设计、关键元件优选及液压阀块集成设计 3 部分组成。由于井下仪器外径有限, 仪器内部要留出钻井液通道、液压流体通道及引线通道, 还需容纳探头、电子、液压模块, 同时还要保证仪器本体强度, 设计难度较大。因此液压系统方案的设计目标是优选使用最少的元器件, 使用最少的连接管线构建简单可靠的液压系统, 节省空间的同时实现仪器完整的测量动作。该微型液压模块通过液压系统方案优化设计, 优选高性能柱塞泵、电磁阀等关键部件, 以满足井下仪器狭小空间的安装要求。液压元件通过插装式安装方式及模块化的油路集成块设计, 完成了液压元件的安装、油路管线的连接及整个液压系统在测量仪器本体内的集成。一、地层压力测试原理探头推靠至井壁并充分密封后, 流体抽汲模块活塞向右运动抽汲流体, 测试腔内压力降低。低于地层压力后, 在压差作用下, 地层流体经探头通过流体通道进入测试腔, 腔体内压力逐渐与地层压力平衡。流体通道内的压力传感器测得的数值即为地层压力。流体测试腔内理想压力曲线如图 1 所示。图 1 地层压力测试压力曲线图 下载原图地层压力随钻测量仪器实时监测环空压力 phydr1。钻进至测试地层后, 探头伸出与井壁密封。此时地层流体测试腔内压力小幅度增长为 pdd。地层流体测试模块抽汲地层流体, 测试腔压力降低至 pfu, 逐渐恢复至地层压力 pstop。测量结束后探头解封, 测试腔内压力恢复至环空压力 phydr2。p hydr1应与 phydr2相等7。二、液压系统方案设计根据地层压力测试原理可知, 地层流体进入测量仪器产生压力恢复的必要条件为:一是测量仪器与地层之间有密闭的通道;二是测量仪器有抽汲地层流体的动作。则地层压力测量基本动作是:探头推靠、抽汲流体、探头复位、排出流体 4个动作。需要设计驱动装置实现上述过程, 达到测量地层压力的目的。与机械传动相比液压传动具有如下特点8:(1) 体积小, 结构紧凑。(2) 推力大, 易自动控制。(3) 系统安全可靠。基于上述动作要求, 设计了液压系统技术方案, 如图 2 所示。目标是采用较少的元器件构建简单可靠的液压系统, 便于安装集成。图 2 液压系统构成 下载原图整个系统由电机、微型柱塞泵、微型溢流阀、微型电磁阀、液压锁等部件组成。测量地层压力时, 液压系统接收到地面下传指令后电机 1 启动, 带动液压泵 2运转。电磁阀 6 处于左位, 电磁阀 7 处于右位, 电磁阀 5 关闭。液压泵输出的高压油通过电磁阀 6 与电磁阀 7 将探头、推靠臂从仪器内推出, 推靠至井壁形成密封。电磁阀 7 关闭, 电磁阀 5 打开, 高压流体通过电磁阀 5 进入到地层流体抽汲腔, 抽汲活塞 11 开始抽汲地层流体。节流阀 8 可改变进入地层流体抽汲模块的液压油流速, 控制抽汲活塞 11 的抽汲速度。若电磁阀 5 关闭后再次打开, 可形成多次抽汲及压力恢复。地层压力恢复平衡后, 电磁阀 6 切换到右位, 电磁阀 5 打开, 电磁阀 7 切换到右位打开状态, 高压流体进入探头、推靠臂及抽汲活塞复位腔复位, 地层流体从探头排至环空, 准备开始下次测量。探头、推靠臂伸出及抽汲活塞抽汲动作由 1 条主油路控制, 该主油路又分为 2路, 探头、推靠臂伸出用 1 条油路, 抽汲活塞使用另 1 条油路。探头、推靠臂及抽汲活塞复位共用 1 条油路。液压系统末端只需 3 个油路口与测量仪器机械模块对接即可操控整个仪器的测试动作。三、微型液压元件优选1. 微型液压泵选取液压泵是液压系统关键元件, 向探头、抽汲活塞等执行元件提供压力油, 产生伸缩、抽汲等相应动作。输出压力是液压泵关键技术指标, 直接关系到探头推靠力及抽汲活塞抽汲能力大小。1.1 液压泵输出压力计算根据设计指标要求, 探头推靠力要大于 30 k N。式中:F探头推靠力, >30000 N;p液压泵输出压力, MPa;D1探头活塞外径, 50 mm;D2探头活塞内径, 10 mm。将数据代入式 (1) , 有 p>16 MPa, 取 p=20MPa。则液压泵额定输出压力 20 MPa。1.2 液压泵排量计算系统最大流量发生在探头与推靠臂伸出状态, 两者腔体体积式中:V 1探头伸出腔体积, m L;V2推靠臂伸出腔体积, m L。经计算:V=113 m L。根据设计要求, 探头与推靠臂在 30 s 内完全伸出, 则有:式中:n电机转速, r/min, 取 2 000;t探头与推靠臂伸出时间, s, 取 30;q液压泵排量, m L/r。代入数值 q0.113 m L/r选取排量 0.115 m L/r 的微型柱塞泵, 额定输出压力 20 MPa, 最高转速 5 000 r/min, 最高输出压力 30 MPa, 壳体外径 36 mm, 耐温 200。2. 电机选取液压泵输出功率:式中:P 1液压泵输出功率, k W;p液压泵额定输出压力, MPa, 取 20;qt液压泵流量, L/min, 取 0.23。将数据代入式 (4) , 则 P1=76.7 W。高温高压环境下电机输出功率:式中:P 2电机输出效率, W; 1液压泵效率, 70%; 2电机效率, 60%。将数据代入式 (5) , P 2=182.6 W。选用输出功率 200 W 电机。四、微型液压系统模块化集成1. 关键元件安装方式选取液压元件按安装方式主要分为管式阀、板式阀、叠加阀和插装阀等。插装阀具有以下特点9-10:(1) 元件体积小、结构紧凑, 不带阀体, 应用灵活。(2) 集成块既是插装阀的公共阀体, 又起连接管道的作用, 占用空间小。(3) 不同功能的阀之间通道通过集成块内部的油孔连通, 实现了无管连接。由于插装阀具有上述优点, 可满足钻铤狭小装配空间要求, 电磁阀及溢流阀安装方式选用插装式。最大允许流量 16.7 m L/s, 功率 12 W, 额定工作电压 12 V。2. 集成块设计选用插装阀需要设计与其连接的集成块。集成块主要起两个作用, 一是作为插装阀的载体, 二是在其内部开设有孔道, 组成液压流体通道。集成块既是液压元件载体, 也是液压流体通道的载体。集成块的设计主要包括液压元件空间布局 (装配关系) 及孔道网络连通设计 (连通关系) 两大部分。设计原则是10-12:(1) 对集成块内部的孔道进行合理的连通规划。(2) 对连通的孔道进行安全壁厚校核。(3) 对集成块外部的安装元件进行干涉校核。设计的电磁阀集成块如图 3 所示, 内部孔道分为油路孔、安装孔及工艺孔, 可集成 3 个电磁阀, 并将油路引向其它集成块13-14。将整个液压系统以功能区分, 进行了模块化的设计, 整体集成如图 4 所示, 由电机集成块、液压泵集成块、电磁阀集成块、液压锁集成块等部分组成。系统外径 70 mm, 长度 500 mm, 额定输出压力 20 MPa。图 3 电磁阀集成块 下载原图图 4 液压系统整体集成 下载原图3.
