CN112033658B - 一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统及方法 - Google Patents

一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统及方法。由支撑模拟系统、伸缩模拟系统、扭转模拟系统，数据采集系统、控制执行系统、电脑组成。利用液压活塞提供支撑力、牵引力及扭矩，液压的压力由压力泵提供，压力由电磁溢流阀控制，双作用液压由三位四通电磁换向阀进行控制，支撑力、牵引力、扭矩数据由拉压传感器采集。本发明目的在于提供一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统及方法，测量钻井牵引机器人支撑力、牵引力、扭矩等关键参数，缩短钻井牵引机器人研发周期，降低钻井牵引机器人实验成本，为支撑机构结构优化设计提供实验数据参考，促进钻井牵引机器人的理论研究与工程推广应用。

Description

一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统及方法
技术领域
本发明属于钻完井领域，尤其涉及一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统及方法。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展及人民生活水平的提高，我国对能源的需求飞速增长，能源供需矛盾日益突出，石油天然气对外依存度逐年攀升，2018年我国石油对外依存度上升至69.8％，天然气攀升至45.3％，大大超过国际公认的警戒线，严重威胁我国能源安全。随着勘探开发的深入，低渗透、低孔隙等致密油气(如页岩气等)逐渐成为勘探开发的重点。例如：据2018年联合国贸易和发展会议报告显示，我国页岩气储量为31.6万亿立方米，全球排名第一位。2018年我国页岩气产量超百亿立方米，作为一种典型的非常规天然气资源，我国页岩气开发潜力巨大。四川盆地是我国页岩气开发的主战场，年产页岩气占全国的90％以上。比如近期，中石油西南油气田的深层页岩气评价井泸203井取得了重大突破，测试日产量高达137.9万立方米，成为国内首口单井测试日产量超百万立方米的页岩气井。
为了提高页岩气等非常规油气开采的综合经济效益，大位移水平井越来越受到国内外的青睐。因此，开展长水平段钻井高效安全快速建井技术研究，对缓解我国能源供需矛盾、促进经济社会科学发展具有重大战略意义。然而，随着水平井水平段位移的增加，我国油气开采面临诸多新的世界性难题：
难题一：钻柱“托压”严重，钻速慢，钻井周期长。随井深增加，水平段延长，“托压”问题突出，机械钻速难以有效提高，平均钻井周期由中浅层的78天激增至196天，钻井成本显著增大；
难题二：钻柱摩阻大，水平段延伸能力不足。MWD与井底的距离较远，纠斜、纠方位滞后，井眼轨迹局部曲率大，钻柱摩阻大，限制了水平段极限延伸长度。水平段延伸能力不足，页岩气等非常规油气资源无法实现高效经济开发。
针对长水平段钻井面临钻柱“托压”严重和水平段延伸“困难”两大瓶颈问题，国内外主要开展了降摩减阻工具和工艺研究，但延伸长度依然有限。由此可见，常规降摩减阻技术已无法有效解决水平井钻井延伸困难的技术难题。与常规技术不同，钻井牵引机器人通过拖拽提供轴向拉力的方法，以增加水平井延伸长度。国内外针对井下牵引机器人的研究和应用较为成熟；在钻井牵引机器人研究方面，虽然美国WWT公司处于领先地位，但未见开展现场应用报道。进一步分析发现：钻井牵引机器人能否投入实际钻井工程，钻井牵引机器人系统的地面实验评价数据是钻井牵引机器人应用的前提。在钻井牵引机器人实验系统方面，目前发明了2项专利：CN201710705983.2、CN201710720406.0，但这2项专利仅能开展钻井牵引机器人整机的牵引力、牵引速度及控制实验，无法测试支撑机构支撑力、牵引力、扭矩参数，无法开展钻井牵引机器人支撑机构可靠性评价实验，无法开展防阻卡特性实验。
因此，由于现有钻井牵引机器人相关实验系统主要为整机实验系统，实验准备周期长、成本居高不下，且无法为支撑机构结构优化设计提供实验数据参考，一定程度上制约了钻井牵引机器人的理论研究与工程推广应用。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统及方法。
一种钻井牵引机器人支撑机构测试系统，它包括支撑模拟系统(37)、伸缩模拟系统(38)、扭转模拟系统(39)，数据采集系统(41)、控制执行系统(42)、电脑(40)；所述：压力泵A(25)与电磁溢流阀A(24)并联，并与单向阀A(26)串联，单向阀A(26)与电磁换向阀A(27)的P口连接，电磁换向阀A(27)的T口与油箱连接，电磁换向阀A(27)的A、B口分别与液压A(3)的A、B腔连接；压力泵B(29)与电磁溢流阀B(28)并联，并与单向阀B(30)串联，单向阀B(30)与电磁换向阀B(31)的P口连接，电磁换向阀B(31)的T口与油箱连接，电磁换向阀B(31)的A、B口分别与液压B(11)的A、B腔连接；压力泵C(32)与电磁溢流阀C(33)并联，并与单向阀C(34)串连，电磁换向阀C(35)和电磁换向阀D(36)的P口并联后与单向阀C(34)串连，电磁换向阀C(35)和电磁换向阀D(36)的T口并联后与油箱连接，电磁换向阀C(33)、电磁换向阀D(36)的A、B口分别与液压C(7)、液压D(22)的A、B腔连接。
所述：电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)、电磁换向阀D(36)均是中位机能为H型的三位四通电磁换向阀，断电时电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)、电磁换向阀D(36)的P、T、A、B口均连通，P、T、A、B口连通后液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)的活塞长度均可调整到合适位置，确保连杆支撑机构(19)的正确安装。
所述：液压C(7)A腔压力液有效工作面积与液压D(22)B腔压力液有效工作面积相同，加载扭矩时确保液压C(7)、液压D(22)输出力的平衡。
所述：压力泵A(25)、压力泵B(29)、压力泵C(32)的开关和电磁溢流阀A(24)、电磁溢流阀B(28)、电磁溢流阀C(33)的开度均独立控制，确保液压A(3)提供的支撑力Fs、液压B(11)提供的伸缩力Ft和液压C(7)、液压D(22)共同提供的扭矩M不受其他压力的影响。
所述的钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试方法，它包括以下步骤：
S1：将待测支撑机构(19)安装于滑块A(20)和滑块B(18)上，电脑(40)将拉压传感器A(2)采集的数据校零；
S2：在电脑(40)中输入支撑力Fs、牵引力最大值Ftmax、扭矩最大值Mmax、阻力Ff扭矩比例系数k，力臂L，支撑力控制误差ΔF；
S3：电脑(40)控制电磁换向阀A(27)的P口与A口连通、T口与B口连通，开启压力泵A(26)，电脑(40)调节电磁溢流阀A(24)开度并逐渐提高压力，直到拉压传感器A采集的数据≥Fs，存储拉压传感器A采集的支撑力数据，完成支撑力加载；
S4：电脑(40)将位移传感器A(13)、位移传感器B(6)、拉压传感器B(12)、拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)采集的数据归零；
S5：电脑(40)控制电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)的P口与A口连通、T口与B口连通，电磁换向阀D(36)的P口与B口连通、T口与A口连通，电脑(40)开启压力泵B(29)、压力泵C(32)，加载牵引力Ft和扭矩M；
S6：电脑(40)通过拉压传感器B(12)获取牵引力Ft数据，通过拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)获取扭矩M数据，完成实验。
进一步地，电脑(40)根据输入的支撑力Fs计算得到液压A(3)的液压腔的压力P＝F/A，式中：P表示液压A的压力，Fs表示输入的支撑力，A表示液压A的有效活塞截面积；
进一步地，电脑(40)根据计算的压力P，控制电磁溢流阀A(24)的开度，以调节液压A(3)的压力；
进一步地，拉压传感器A(2)检测实时支撑力Fs1，并与输入电脑中的支撑力Fs进行对比，若∣Fs1-Fs∣＞ΔF，电脑(40)调整电磁溢流阀A(24)的开度，如此循环，直到∣Fs1-Fs∣≤ΔF停止支撑力加载。
进一步地，电脑(40)根据输入的初始化数据，对Ftmax、Ff进行比较；
进一步地，若Ftmax≤Ff，电脑(40)控制压力泵C(32)断电，电脑(40)通过控制电磁溢流阀B(28)的开度增大液压B(11)的压力，当电脑(40)采集到牵引力Ft≥Ftmax或位移传感器A(6)采集到的位移S≥(10～30)mm，电脑(40)控制电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)的P口与B口连通、T口与A口连通，支撑机构收缩，完成实验；
进一步地，若Ftmax＞Ff，电脑(40)启动压力泵B(29)、压力泵C(32)，同时电脑(40)控制电磁溢流阀B(28)、电磁溢流阀C(33)确保牵引力Ft满足如下关系：Ft＝Ff+k(Fp1L+Fp2L)，当电脑(40)采集到牵引力Ft≥Ftmax或扭矩M≥Mmax时或位移传感器A(6)采集到的位移S1>(10～30)mm或位移传感器B(13)采集到的位移S2>(10～30)mm，电脑(40)控制电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)的P口与B口连通、T口与A口连通，电磁换向阀D(36)的P口与A口连通、T口与B口连通，支撑机构收缩，断电，完成实验。
本发明具有以下优点：本发明属于钻井牵引机器人支撑机构单元实验系统，较现有钻井牵引机器人整机实验系统实验准备周期大大减小、实验成本明显降低，同时可测量支撑力、牵引力、扭矩等关键参数，可为支撑机构结构优化设计提供实验数据参考，对钻井牵引机器人的理论研究与工程推广应用具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的测试装置结构示意图；
图2为图1的A-A剖面图；
图3为本发明的机电液系统原理图；
图4为本发明的整体测试方法流程图；
图5为本发明的支撑力加载和检测方法流程图；
图6为本发明的牵引力、扭矩加载和检测方法流程图。
图中：1-支撑挡板，2-拉压传感器A，3-液压A，4-模拟井筒，5-支撑拉杆，6-位移传感器B，7-液压C，8-底板，9-拉压传感器C，10-伸缩拉杆，11-液压B，12-拉压传感器B，13-位移传感器A，14-伸缩挡板，15-轴向推力轴承，16-支撑/扭矩挡板，17-支撑块B，18-滑块B，19-支撑机构，20-滑块A，21-支撑块A，22-液压D，23-拉压传感器D，24-电磁溢流阀A，25-压力泵A，26-单向阀A，27-电磁换向阀A，28-电磁溢流阀B，29-压力泵B，30-单向阀B，31-电磁换向阀B，32-压力泵C，33-电磁溢流阀C，34-单向阀C，35-电磁换向阀C，36-电磁换向阀D，37-支撑模拟系统，38-伸缩模拟系统，39-扭转模拟系统，40-电脑，41-数据采集系统，42-控制执行系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：
如图1～3所示，一种钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试系统，它包括支撑模拟系统(37)、伸缩模拟系统(38)、扭转模拟系统(39)，数据采集系统(41)、控制执行系统(42)、电脑(40)；所述：压力泵A(25)与电磁溢流阀A(24)并联，并与单向阀A(26)串联，单向阀A(26)与电磁换向阀A(27)的P口连接，电磁换向阀A(27)的T口与油箱连接；压力泵B(29)与电磁溢流阀B(28)并联，并与单向阀B(30)串联，单向阀B(30)与电磁换向阀B(31)的P口连接，电磁换向阀B(31)的T口与油箱连接；压力泵C(32)与电磁溢流阀C(33)并联，并与单向阀C(34)串连，电磁换向阀C(35)和电磁换向阀D(36)的P口并联后与单向阀C(34)串连，电磁换向阀C(35)和电磁换向阀D(36)的T口并联后与油箱连接。
所述的电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)、电磁换向阀D(36)均是中位机能为H型的三位四通电磁换向阀，断电时电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)、电磁换向阀D(36)的P、T、A、B口均连通，P、T、A、B口连通后液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)的活塞长度均可调整到合适位置，确保连杆支撑机构(201)或楔形支撑机构(202)的正确安装。
所述的液压C(7)左腔压力液有效工作面积与液压D(22)右腔压力液有效工作面积相同，加载扭矩时确保液压C(7)、液压D(22)输出力的平衡。
所述的压力泵A(25)、压力泵B(29)、压力泵C(32)的开关和电磁溢流阀A(24)、电磁溢流阀B(28)、电磁溢流阀C(33)的开度均独立控制，确保液压A(3)提供的支撑力Fs、液压B(11)提供的伸缩力Ft和液压C(7)、液压D(22)共同提供的扭矩M不受其他压力的影响。
本发明的工作流程如下：
开展实验之前按图1、图2所示安装支撑机构，按图3所示的连接电液管线，完成实验准备工作。具体实验过程如图4～图6所示，它包括以下步骤：
S1：将待测支撑机构(19)安装于滑块A(20)和滑块B(18)上，电脑(40)将拉压传感器A(2)采集的数据校零。
S2：在电脑(40)中输入支撑力Fs、牵引力最大值Ftmax、扭矩最大值Mmax、阻力Ff扭矩比例系数k，力臂L，支撑力控制误差ΔF。
S3：如图5所示，S31：电脑(40)根据输入的支撑力Fs计算得到液压A(3)的液压腔的压力P＝F/A；S32：电脑(40)根据计算的压力P，控制电磁溢流阀A(24)的开度，以调节液压A(3)的压力；拉压传感器A(2)检测实时支撑力Fs1，并与输入电脑(40)中的支撑力Fs进行对比，若∣Fs1-Fs∣＞ΔF，电脑(40)调整电磁溢流阀A(24)的开度，如此循环，直到∣Fs1-Fs∣≤ΔF时完成支撑力加载。
S4：电脑(40)将位移传感器A(13)、位移传感器B(6)、拉压传感器B(12)、拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)采集的数据归零。
S5：加载牵引力Ft和扭矩M，首先电脑(40)控制电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)的P口与A口连通、T口与B口连通，电磁换向阀D(36)的P口与B口连通、T口与A口连通；进一步地，电脑判断Ftmax、Ff的大小关系，若Ftmax≤Ff，保持压力泵C(32)断电，增大液压B(11)的压力，直至Ft≥Ftmax，停止牵引力Ft加载，电脑(40)控制电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)的P口与B口连通、T口与A口连通，支撑机构收缩，断电，完成实验。若Ftmax>Ff，同时启动压力泵B(29)、压力泵C(32)，电脑(40)控制电磁溢流阀B(28)、电磁溢流阀C(33)确保牵引力Ft满足如下关系：Ft＝Ff+k(Fp1L+Fp2L)，当牵引力Ft≥Ftmax或扭矩M≥Mmax时，停止支撑力、扭矩加载，电脑(40)控制电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)的P口与B口连通、T口与A口连通，电磁换向阀D(36)的P口与A口连通、T口与B口连通，支撑机构收缩，断电，完成实验。

Claims (6)

1.一种钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试系统，其特征在于：包括支撑模拟系统(37)、伸缩模拟系统(38)、扭转模拟系统(39)，数据采集系统(41)、控制执行系统(42)、电脑(40)；所述：压力泵A(25)与电磁溢流阀A(24)并联，并与单向阀A(26)串联，单向阀A(26)与电磁换向阀A(27)的P口连接，电磁换向阀A(27)的T口与油箱连接，电磁换向阀A(27)的A、B口分别与液压A(3)的A、B腔连接；压力泵B(29)与电磁溢流阀B(28)并联，并与单向阀B(30)串联，单向阀B(30)与电磁换向阀B(31)的P口连接，电磁换向阀B(31)的T口与油箱连接，电磁换向阀B(31)的A、B口分别与液压B(11)的A、B腔连接；压力泵C(32)与电磁溢流阀C(33)并联，并与单向阀C(34)串联，电磁换向阀C(35)和电磁换向阀D(36)的P口并联后与单向阀C(34)串联，电磁换向阀C(35)和电磁换向阀D(36)的T口并联后与油箱连接，电磁换向阀C(33)、电磁换向阀D(36)的A、B口分别与液压C(7)、液压D(22)的A、B腔连接；压力泵A(25)、压力泵B(29)、压力泵C(32)的开关和电磁溢流阀A(24)、电磁溢流阀B(28)、电磁溢流阀C(33)的开度均独立控制，确保液压A(3)提供的支撑力Fs、液压B(11)提供的伸缩力Ft和液压C(7)、液压D(22)共同提供的扭矩M不受其他压力的影响。
2.根据权利要求1所述的一种钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试系统，其特征在于：电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)、电磁换向阀D(36)均是中位机能为H型的三位四通电磁换向阀，断电时电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)、电磁换向阀D(36)的P、T、A、B口均连通，P、T、A、B口连通后液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)的活塞长度均可调整到合适位置，确保支撑机构(19)的正确安装。
3.根据权利要求1所述的一种钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试系统，其特征在于：液压C(7)A腔压力液有效工作面积与液压D(22)B腔压力液有效工作面积相同，加载扭矩时确保液压C(7)、液压D(22)输出力的平衡。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将待测支撑机构(19)安装于滑块A(20)和滑块B(18)上，电脑(40)将拉压传感器A(2)采集的数据校零；
S2：在电脑(40)中输入支撑力Fs、牵引力最大值Ftmax、扭矩最大值Mmax、阻力Ff扭矩比例系数k，力臂L，支撑力控制误差ΔF；
S3：电脑(40)控制电磁换向阀A(27)的P口与A口连通、T口与B口连通，开启压力泵A(26)，电脑(40)调节电磁溢流阀A(24)开度并逐渐提高压力，直到拉压传感器A采集的数据≥Fs，存储拉压传感器A采集的支撑力数据，完成支撑力加载；
S4：电脑(40)将位移传感器A(13)、位移传感器B(6)、拉压传感器B(12)、拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)采集的数据归零；
S5：电脑(40)控制电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)的P口与A口连通、T口与B口连通，电磁换向阀D(36)的P口与B口连通、T口与A口连通，电脑(40)开启压力泵B(29)、压力泵C(32)，加载牵引力Ft和扭矩M；
S6：电脑(40)通过拉压传感器B(12)获取牵引力Ft数据，通过拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)获取扭矩M数据，完成实验。
5.根据权利要求4所述的一种钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试系统的测试方法，其特征在于：
S31：电脑(40)根据输入的支撑力Fs计算得到液压A(3)的液压腔的压力P＝F/A，式中：P表示液压A的压力，Fs表示输入的支撑力，A表示液压A的有效活塞截面积；
S32：电脑(40)根据计算的压力P，控制电磁溢流阀A(24)的开度，以调节液压A(3)的压力；
S33：拉压传感器A(2)检测实时支撑力Fs1，并与输入电脑中的支撑力Fs进行对比，若∣Fs1-Fs∣＞ΔF，电脑(40)调整电磁溢流阀A(24)的开度，如此循环，直到∣Fs1-Fs∣≤ΔF停止支撑力加载。
6.根据权利要求4所述的一种钻井牵引机器人支撑机构可靠性测试系统的测试方法，其特征在于：
S51：电脑(40)根据输入的初始化数据，对Ftmax、Ff进行比较；
S52：若Ftmax≤Ff，电脑(40)控制压力泵C(32)断电，电脑(40)通过控制电磁溢流阀B(28)的开度增大液压B(11)的压力，当电脑(40)采集到牵引力Ft≥Ftmax或位移传感器A(6)采集到的位移S1≥(10～30)mm，电脑(40)控制电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)的P口与B口连通、T口与A口连通，支撑机构收缩(19)，完成实验；
S53：若Ftmax≥Ff，电脑(40)启动压力泵B(29)、压力泵C(32)，同时电脑(40)控制电磁溢流阀B(28)、电磁溢流阀C(33)确保牵引力Ft满足如下关系：Ft＝Ff+k(Fp1L+Fp2L)，当电脑(40)采集到牵引力Ft≥Ftmax或扭矩M≥Mmax时或位移传感器A(6)采集到的位移≥(10～30)mm或位移传感器B(13)采集到的位移S2≥(10～30)mm，电脑(40)控制电磁换向阀A(27)、电磁换向阀B(31)、电磁换向阀C(35)的P口与B口连通、T口与A口连通，电磁换向阀D(36)的P口与A口连通、T口与B口连通，支撑机构(19)收缩，断电，完成实验。
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