油氣田井下磨銑工具教學實驗平臺設計與開發

王旱祥，車家琪，張 辛，王雨婷，劉延鑫，董祥偉，劉家春，侯曉博

（1. 中國石油大學（華東） 機電工程學院，山東 青島 266580；2. 中國石油集團海洋工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

在石油和天然氣的鉆井、采油過程中，容易出現井筒堵塞，嚴重影響后續生產，需要下入磨銑工具對堵塞物進行鉆除，以恢復生產[1-3]。磨銑工具是石油行業修井施工中必備的一類工具，作用是利用鋪焊在基體表面的硬質合金材料破碎井內的管柱、工具、水泥及其他落物，達到恢復油氣井正常生產的目的[4-5]。

在修井過程中，磨銑工具需要承受很大的鉆壓和轉矩[6]。相比常規的機加工鉆磨銑過程，井下環境復雜多變并且難以觀測，危險程度高，井筒堵塞也會造成嚴重的經濟損失[7]。因此有必要設計一種油氣田井下磨銑工具的教學實驗平臺，通過直觀演示井下磨銑工具的工作過程，使學生加強對油氣田施工現場的認識，加深對井下工具結構原理和工作過程的理解，并為學生開展創新訓練和科學研究提供實驗條件[8-9]。

1 教學實驗平臺整體方案設計

油氣田井下磨銑工具教學實驗平臺的目的是對磨銑工具工作過程進行模擬演示，為了模擬鉆壓和轉速等施工參數，需要控制磨銑工具的工作壓力和轉動速度，同時實時監測磨銑工具的工作壓力、轉動速度和轉矩等參數，便于對磨銑工具的工作性能進行定量分析。另外，通過輔助設備對磨銑過程進行靜態觀察和熱場分析，同時對切屑進行微觀分析，便于對磨銑工具的工作性能進行定性分析。

1.1 設計要求

技術方案的設計應盡量考慮與現場使用條件相吻合，可以測試磨銑工具在不同轉速、不同載荷下的磨銑性能參數，從而有利于教學演示和實驗分析，需要滿足以下設計要求：

（1）電動機可變頻調速，調速范圍為 20～200 r/min；

（2）推力模塊采用電動缸設計，輸出推力可調范圍為0～20 kN，輸出速度可調范圍為0～50 mm/s，調節行程為200 mm；

（3）推力模塊的輸出推力和輸出速度與設定值誤差均在1%以內。

1.2 設計思路

綜合考慮以上要求，本教學實驗平臺由五部分組成，分別為動力模塊、傳動模塊、磨銑模塊、電缸模塊和測控模塊，如圖1所示。

圖1 教學實驗平臺整體思路

動力模塊由變頻電機輸出動力，并通過變頻器實現變頻調速；傳動模塊中，通過減速器實現減速功能，并通過皮帶傳動防止轉矩過載而損壞電機；磨銑模塊中，磨銑工具上端與螺紋接頭通過螺紋固定連接，磨銑試樣裝夾在下方的四爪卡盤內部，四爪卡盤通過導軌實現上下往復直線運動；電缸模塊中，通過觸摸屏設置參數，經控制柜信號轉換，最終控制電動缸運動；測控模塊主要通過傳感器實現鉆壓、轉矩和轉速等數據的實時采集和顯示。

1.3 設計方案

本教學實驗平臺整體方案如圖2所示，綜合考慮實際實驗室的空間情況與現場實際工況，選擇立式總體布局方案。其中動力模塊包括變頻電機，主要為磨銑工具提供動力；傳動模塊包括減速器和聯軸器，減速器將電機輸出的高轉速降為低轉速，并增大轉矩；磨銑模塊包括磨銑工具和工作臺，在電動缸推力作用下，工作臺上夾持的工件與轉動的磨銑工具接觸并進行磨銑工作；電缸模塊包括電動缸和PLC控制器，電動缸上的壓力傳感器測量電動缸上端的壓力，并通過PLC控制器反饋調節，控制壓力在合理范圍之內；測控模塊包括轉矩轉速傳感器和壓力傳感器，用于實時測量磨銑過程中的轉速、轉矩和鉆壓等數據。

圖2 教學實驗平臺整體方案

2 教學實驗平臺詳細設計

2.1 動力模塊

動力部分主要由提供一定轉矩和轉速的變頻電機和變頻器組成。根據鉆修井用磨銑鞋標準 SY/T 6072-2009，確定磨銑工具性能實驗參數如表1所示。同時考慮教學實驗的安全性，適當增大轉速的可調范圍，便于后期實驗分析比較，確定鉆壓的可調載荷范圍為0～20 kN，轉速可調范圍為20～200 r/min。

表1 磨銑工具性能實驗參數

變頻電機為磨銑工具轉動提供動力，需要對其進行功率選型。變頻電機功率與磨銑工具受力有關，其中磨銑工具受力分析如圖3所示。

圖3 磨銑工具受力分析圖

磨銑工具堆焊材料為硬質合金，井下落物為鑄鐵材料，兩者摩擦系數為 0.3[10]。那么，磨銑工具工作過程中受到的轉矩為

式中，T為磨銑工具工作轉矩，μ為摩擦系數，FN為鉆壓，D為磨銑工具外徑。

由式（1）得到在20 kN鉆壓下，磨銑工具受到的轉矩為300 N·m，根據電機轉矩計算公式（2），便可以得到電機功率[11]。

式中，Tm為電機轉矩，P為電機功率，n為電機轉速。

已知電機轉速n的上限為200 r/min，電機轉矩Tm為300 N·m，那么電機功率為6.28 kW。考慮到電機傳動過程功率損耗，以及磨削力要大于單純的摩擦力，根據電機尺寸系列，選擇功率為7.5 kW的變頻電機。

2.2 傳動模塊

本教學實驗臺為有級傳動，需要傳動平穩且能夠將速度降低到合理范圍之內。由于電機輸出轉速較高，若采用鏈傳動，將有很大的動載荷，傳動會不平穩且有較大的噪音和沖擊，故選擇帶傳動[12]。考慮到減少打滑現象，故采用同步帶傳動，具體如圖4所示，該同步帶傳動平穩無噪音，具有過載保護的作用。另外，傳動模塊還包括齒輪減速器，它將電機輸出軸的高轉速傳遞給磨銑工具，并符合磨銑工具的實驗測試參數范圍。

圖4 同步帶傳動

2.3 電缸模塊

電缸模塊由電動缸、可編程控制器、觸摸屏組成。電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換為直線運動，相比液壓缸具有結構簡單、傳動效率高、定位精度高等優點[13]。通過可編程控制器可以對伺服電機進行控制，并在施加鉆壓過程中加入負反饋調節，提高實驗精度，同時實現了鉆壓設置、電缸自動前進后退、手動前進后退、超壓報警、急停等功能，即在保護安全的情況下，還可以提供足夠大的鉆壓，電動缸具體結構如圖5所示。

圖5 電動缸結構圖

觸摸屏控制界面如圖6所示，其中“當前推力”顯示的是電動缸實時推動輸出的力，即磨銑工具的鉆壓；當手指按住觸摸屏的“手動前進”或“手動后退”按鍵后，電動缸會按照運行參數設置頁面里的點動速度前進或者后退，當手指松開后，電動缸停止運行；當手指點擊觸摸屏的“回原點”按鍵后，電動缸開始執行找原點動作；當手指點擊觸摸屏的“啟動”按鍵后，電動缸開始按照運行參數設置頁面里的參數開始運行，直到點擊“停止”按鍵后才返回原點位置。

圖6 觸摸屏控制界面

2.4 磨銑模塊

磨銑工具形狀種類豐富，分為平底磨銑工具、凹底磨銑工具、梨形磨銑工具、錐形磨銑工具和領眼形磨銑工具[14]。根據本教學實驗臺的要求和工況，選擇平底磨銑工具進行教學演示及參數測量，使用的磨銑工具如圖7所示。

圖7 磨銑工具

具體來說，磨銑工具的螺紋接頭和動力軸通過螺紋連接，硬質合金通過焊接固定在磨銑工具基體下端，執行磨銑工作。減速器輸出軸通過聯軸器驅動磨銑工具轉動，并使磨銑工具具有一定的轉速。在電動缸推力作用下，對工作臺產生一定的載荷，之后磨銑工具與工作臺逐漸接觸并開始磨銑工作。

2.5 測控模塊

測控部分包括轉矩轉速傳感器和數據采集模塊。轉矩轉速傳感器中，環形變壓器提供感應電壓，經過應變橋整流、穩壓后轉換成穩定電壓，再將電壓放大，同時將其轉換為方波信號，并發送給外部的信號接收器，最后在調節后轉換為與方波同頻率的數字信號。轉速傳感器中碼盤和旋轉體集成一體，進行旋轉，光電開關通過光電效應進行門電路處理，輸出一個高低電平脈沖信號，脈沖信號頻率與轉速成比例，實現物理量轉速到電信號的轉換[15]。本教學實驗臺中變頻電機功率確定為7.5 kW，根據電機轉矩計算公式（2），確定磨銑工具的工作轉矩為 358.1 N·m。根據轉速轉矩傳感器的尺寸系列，選擇量程范圍為0～500 N·m的轉速轉矩傳感器，最終選用的轉矩轉速傳感器如圖 8所示。

圖8 轉矩轉速傳感器

轉速、轉矩等數據的采集工作主要通過M400數

據采集管理軟件完成，操作界面如圖9所示。本軟件通過計算機串行口采集儀表測量數據，并且可以實時顯示數據，同時還可以繪制對應曲線和導出數據，滿足不同的使用需求。

圖9 M400數據采集管理軟件

3 教學實驗設計

通過針對油氣田井下磨銑工具的教學實驗，可以為學生直觀演示井下工具的工作過程，同時對磨銑工具工作性能進行測試，以滿足教學演示和創新訓練的需求。

3.1 實驗設備

1）井下磨銑工具教學實驗平臺。

油氣田井下磨銑工具的教學實驗平臺如圖 10所示，滿足節 1.1設計要求，可以測試磨銑工具在不同轉速、不同載荷下的磨銑性能參數。

圖10 教學實驗平臺實物圖

2）磨銑工具。

對平底磨銑工具、凹底磨銑工具、梨形磨銑工具、錐形磨銑工具和領眼形磨銑工具等進行性能測試和評價，D=100 mm，接頭螺紋采用NC26螺紋。

3）冷卻設備。

由于在磨銑工作過程中，磨粒溫度迅速升高，因此需要對磨銑工具進行降溫冷卻，本實驗采用金屬切削冷卻噴霧器進行冷卻。

4）測試設備。

除了通過壓力傳感器和轉速轉矩傳感器實時監測磨銑工具的工作壓力、轉動速度和轉動轉矩外，還通過高速攝像機記錄磨銑工作過程，通過紅外成像儀觀測磨銑工作過程中的熱場分布，從而更好地對磨銑工具的工作性能進行定性分析和定量評價。

3.2 操作方法

本教學實驗臺可通過調整不同的工藝參數和更換不同結構類型的磨銑工具，分析磨銑工具的工作過程，并以轉矩為評價指標，分析鉆壓和轉速對鉆磨銑過程的影響規律，具體操作方法如下：

1）啟動操作。

當啟動本教學實驗臺時，首先通過四爪卡盤夾持磨銑試樣，并打開變頻電機電源開關，變頻電機開始轉動，通過變頻器調節變頻電機的轉速，用來模擬不同轉速對磨銑過程的影響；然后在控制器上設定需要模擬的推力大小，控制器根據設定的推力大小，控制推力電動機轉動，進而通過推力減速器與推力電動缸控制推力電動缸推桿的位移，在推力電動缸推動作用下，夾持磨銑試樣的工作臺沿著燕尾槽導軌向上直線運動，當磨銑試樣與磨銑工具接觸后，壓力傳感器開始出現壓力示數，根據壓力傳感器的數值，控制器通過反饋調節調整推力電動機轉動，以使得推力電動缸輸出的推力與設定的推力大小一致，從而模擬不同鉆壓對磨銑過程的影響；之后磨銑工具開始磨銑工作，此時記錄轉速轉矩傳感器輸出的轉速和轉矩大小，從而分析鉆壓和轉速對磨銑過程的影響規律。

2）關閉操作。

當關閉本教學實驗臺時，首先打開控制器回原點開關，推力電動機反向轉動，驅動推力電動缸推桿縮回到初始位置，從而帶動夾持磨銑試樣的工作臺沿著燕尾槽導軌向下直線運動到極限位置，然后關閉變頻電機電源開關，此時變頻電機停止轉動，最后取下磨銑試樣，完成磨銑工具的性能測試實驗工作。

3）更換磨銑工具操作。

當更換磨銑工具時，只需要將不同結構類型的磨銑工具與螺紋接頭通過螺紋配合固定連接即可，以分析不同結構類型的磨銑工具對磨銑過程的影響規律。

3.3 實驗預期效果

1）磨銑工具工作過程演示。

本教學實驗臺根據現場工況條件進行設計，可以對不同結構類型磨銑工具的工作過程進行教學演示，并與現場工作過程相吻合，有助于學生加強對油氣田施工現場的認識，加深對井下工具結構原理和工作過程的理解。

2）磨銑工具力學性能測試。

本教學實驗臺可對磨銑工具進行力學性能測試，具體來說，可以設定相同的轉速，調節不同的鉆壓，通過磨銑時間、磨銑深度、轉矩曲線等參數指標確定鉆壓對磨銑性能的影響規律；設定相同的鉆壓，調節不同的轉速，通過磨銑時間、磨銑深度、轉矩曲線等參數指標確定轉速對磨銑性能的影響規律。學生通過研究鉆壓、轉速等工藝參數對磨銑性能的影響規律，加深對油氣田現場施工工藝的理解。

3）磨銑過程機理研究。

本教學實驗臺可通過高速攝像機拍攝觀察磨銑時切屑的產生過程，觀察切屑的形狀大小，并通過更換不同的磨銑工具，觀察切屑微觀形態的變化，對磨銑工作機理進行分析，加強學生對磨銑工具工作機理的認識。

4 結語

以油氣田常用的磨銑工具為載體，搭建本教學實驗平臺，可以充分發揮石油院校特色，讓學生直觀認識井下磨銑工具的工作過程，有助于學生加強對油氣田施工現場的認識，加深對井下工具結構原理和工作過程的理解，并為學生開展創新訓練和科學研究提供實驗條件。另外，本實驗臺運用了機電一體化、材料力學中的關鍵技術，如負反饋調節、數據采集、變頻調速等，具有很好的綜合性，同時結合具體實驗操作，可以較好地培養學生的動手實踐和科研創新能力。