自動垂直鉆井工具電機驅動系統的研究

王永現，趙龍歸，趙 堯

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著社會的不斷發展，資源愈發的匱乏，石油開采面臨著越來越多的困難，原先開采的油田資源多存在于開采難度較大的邊緣油氣藏以及超薄復雜斷塊的地質儲層中[1]。在鉆直井作業的過程中，井斜問題愈發的嚴重，通過降速和減壓來達到防斜的傳統方法已經無法滿足實際中工程的需要。自動垂直鉆井技術克服了鉆直井過程中遇到井斜的難題，在井下資源的開采中實現了新的技術突破。自動垂直鉆井技術第一次在德國大陸超深井科學鉆探計劃中運用，在當時取得了良好的效果[2-3]。

輪轂電機技術起源于19世紀末期。近幾年來，隨著技術的不斷發展，輪轂電機的研發又重新引起廠家研發人員的重視，2003年，普利司通公司推出了一款在車輪內部使用的外轉子式永磁同步輪轂電機車輪，豐田汽車公司于2007年研制出高轉速和高功率密度的永磁同步輪轂電機[4-5]。使用這種外轉子驅動方式，能使全車機械結構大幅度精簡，電機的功率、轉矩密度也有了進一步的提升。

哈爾濱工業大學在1996年成功研制出[6]一種兼具有異步和同步電機雙重特性外轉子式輪轂電機作為驅動裝置。該車縮減結構，電機功率也得到了提升。同濟大學于2003年成功研發出低速外轉子型永磁輪轂電機，并采用了四輪獨立驅動技術[7]。本文根據輪轂電機的特點，將車用輪轂電機與垂直鉆井工具相結合，用輪轂電機代替傳統的渦輪電機驅動盤閥的轉動，為了驗證方案的合理性，運用Adams軟件對執行機構進行了動力學仿真。

1 自動垂直鉆井技術

自動垂直鉆井技術具有極強的糾斜能力，其特點是能夠實現對井下的實時防斜糾斜，該技術能夠使鉆速得到明顯的提高。自動垂直鉆井工具一般采用井下閉環控制，具有較強的適應性，在鉆壓敏感和高陡構造地層取得了良好的效果。自動垂直鉆井技術集機電液一體化，降低了發生鉆井事故的風險。該智能鉆井系統是對傳統技術的創新突破，利用井下的高壓鉆井液作用于推靠翼肋，使其與井壁接觸產生作用力，達到糾斜的目的。由井下的電子控制系統實現對井下高壓鉆井液的分配。20世紀80年代以來，鉆井技術突飛發展，國外研制出了多種不同的自動垂直鉆井工具，實現對復雜地層的井斜控制精度。自動垂直鉆井工具具有降低狗腿度、提高井眼質量、解放鉆壓、提高鉆速以及自動閉環控制等優點。因此，自動垂直鉆井工具的研究具有非常重要的意義。

1.1 輪轂電機特點

輪轂電機驅動具有更低速大扭矩的特點。輪轂電機作為動力輸出的核心部件，對其結構和工作性能有著很高的要求。輪轂電機具有諸多優點，如結構緊湊、質量輕盈等。輪轂電機將整個驅動裝置安裝在密閉狹小的輪轂內部，電機的結構更加緊湊；具有優良的密封性、散熱性和可靠性；輪轂電機具有良好的密封性，可以長期工作在接觸泥漿的工作環境中[8]。

1.2 輪轂電機結構

通常情況下，常見的輪轂電機分為內轉子輪轂電機（減速式輪轂電機）與外轉子輪轂電機（直接驅動式輪轂電機）兩種。其結構如圖1所示[9]。減速式輪轂電機有著穩定的動力輸出，其內部含有減速裝置。在高速運轉的狀態下，內轉子輪轂電機可以通過減速裝置來實現輪轂電機的減速操作。內轉子輪轂電機有著較高的運行效率，成本也比較低，尺寸比較小。但是由于電機內部含有減速裝置，因此內部會發生磨損，導致電機發生故障，降低了使用壽命，產生的維修成本也比較高。此外，內轉子式輪轂電機有著較差的散熱設施，工作的時候會發出很大的噪聲。直接驅動式輪轂電機采用外轉子結構，其電機內部不含有減速裝置，因而有著較快的響應速度。除此之外，外轉子輪轂電機有著諸多優點，如工作效率高，電機內部不會發生齒輪的磨損，使輪轂電機損壞的可能降低，大大地提高了電機的使用壽命，所產生的維修費用也比較低[10]。

圖1 內轉子與外轉子結構

2 輪轂電機與自動垂直鉆井工具結合方案的設計

自動垂直鉆井工具主要由6大模塊組成，分別為上渦輪發電機模塊、測量模塊、存儲模塊、輪轂電機控制模塊、盤閥液流分配模塊以及巴掌執行模塊。其結構如圖2所示。

圖2 自動垂直鉆井工具結構

自動垂直鉆井工具的結構具有工具結構復雜，各部分的設計制造具有模塊化、集成化的特征，且通過工具內外鉆井泥漿的壓差提供動力來推靠巴掌動態推靠井壁來實現穩直和糾斜目的。

上渦輪發電機為測量模塊和存儲模塊提供足夠的電力，以保證自動垂直鉆井工具的正常運行。存儲模塊對井眼姿態、工具面角、控制軸扭矩、下傳指令以及環境溫度等實時監測信息進行存儲。高壓鉆井液的液流分配主要依靠盤閥單元來控制，盤閥單元由上盤閥和下盤閥組成。上盤閥與輪轂電機、偏重塊聯接，可以發生相對轉動。帶有一個高壓孔的上盤閥由輪轂電機控制，輪轂電機為上盤閥提供穩定的控制力矩；下盤閥有3個通孔，與傳統的下盤閥功能一致，結構相同，分別與3個泥漿通道連接。巴掌功能由液流分配系統提供或斷開泥漿動力，推動或停止活塞執行機構在確定的工具面位置上進行往復運動。活塞推動巴掌作用于井壁，產生推靠鉆頭的側向力，實現井斜、方位的調整；輪轂電機帶動上盤閥旋轉，高壓孔依次與下盤閥通孔接通，鉆井液流通，3個巴掌共同作用于井壁，可實現工具的穩直功能。

3 執行機構的動力學仿真

3.1 執行機構原理

自動垂直鉆井工具執行機構部分主要由盤閥和推靠巴掌來組成，其結構如圖3所示。其中上盤閥由輪轂電機帶動旋轉使鉆井液流通。盤閥由上盤閥和下盤閥兩部分組成，其中上盤閥有一個高壓孔來充當鉆井液的流通通道，下盤閥開有分別與3個活塞相連接的3個流通管道，直接與執行機構相連接，當鉆井液工作液通過過濾網在流通到下盤閥通孔管道時，輪轂電機發生旋轉帶動上盤閥發生轉動，當上盤閥的高壓流通管道與下盤閥的1個或者2個通孔流通管道對齊時，高壓鉆井液流通，推動與管道連接的活塞，由活塞推靠巴掌進而推靠井壁，其中力的方向由上盤閥的高壓孔位置來決定，相應的執行機構受到井壁的反作用力，實現自動垂直鉆井工具的糾斜穩直功能[11]。上盤閥高壓孔的位置也就是指工程意義上的鉆井工程中產生的工具面具。自動垂直鉆井工具可以實時對地質、井下狀況和幾何參數進行檢測記錄，按照給定的指令或者設定的程序進行方位的調整。3個推靠巴掌均勻分布在執行機構上，相位差為120°，由經過盤閥流通的高壓鉆井液鉆井液作用到活塞，產生巴掌推靠井壁的作用力。在自動垂直鉆井工具的穩直工況下，輪轂電機驅動上盤閥的轉動，每次通過特定的方位時，借助鉆井液的壓力差驅動3個巴掌來依次推靠井壁，依靠井壁對巴掌的反作用力來達到自動垂直鉆井工具穩直的目的[12]。

圖3 執行機構結構

3.2 等效推靠力的計算

選取盤閥高壓孔開口角度為90°，活塞半徑為r=30 mm，每個巴掌由一個流通管道連接。在受到穩定的液壓差作用下，執行機構所產生推靠力的大小與活塞尺寸有關。本章主要考慮活塞位置確定的情況下的推靠力大小，其力主要與活塞的半徑有關。執行機構正常工作時受到鉆井液液壓差范圍為5～8 MPa[13]。

令執行機構在正常工作時活塞受到上盤閥流通的高壓鉆井液作用下的壓力大小為F，設推靠巴掌正常推靠井壁時所受到的最大壓力為F1，最小壓力為F2，則：

則執行機構在正常推靠井壁時所受到的最大壓力為：

執行機構在正常推靠井壁時所受到的最小壓力為：

由自動垂直鉆井工具的結構和工作原理可以推出，巴掌所受到的作用力由活塞來傳遞，巴掌將受到井壁的反作用力作用到執行機構推動鉆具達到穩直的目的。推靠巴掌的受力分析如圖4所示。由圖可以得到式（4）以及式（5）：

圖4 巴掌受力分析簡圖

式中：Fb為巴掌作用于井壁的力；F為活塞對巴掌產生的推靠力；L1為活塞產生的推靠力作用點到銷軸的距離；L2為巴掌作用于井壁的力到銷軸的距離。

執行機構在正常工作時受到上盤閥流通的高壓鉆井液處于5～8 MPa時，執行機構對井壁的作用力大小計算如下。

最小壓降時執行機構對井壁的推靠力大小為：

最大壓降時執行機構對井壁的推靠力大小為：

3.3 動力學仿真

將建立好的系統模型導入到Adams軟件，并定義好材料屬性，為方便觀察執行機構與井壁之間的接觸力情況，在鉆井工具施加了井壁，井壁材料屬性定義為巖石，井壁顏色為黑色，推靠巴掌為鋼，銷軸為42CrMo，對執行機構進行施加約束，進行運動副建模，其中推靠巴掌與銷軸施加旋轉副，井壁與執行機構施加了固定副。

為了更加接近實際鉆井工程中執行機構的工作情況，在設置中選擇打開了重力，并對巴掌施加了接觸力大小為22 608 N，方向為+X軸，在鋼體之間打開了庫侖摩擦力，其中推靠巴掌與井壁的摩擦因數為0.4，銷軸與各部件摩擦因數為0.1[14]，仿真時間設置為1.5 s，進行仿真分析。

3.4 結果分析

執行巴掌的受力曲線和執行機構的接觸力曲線分別如圖5～6所示。由執行巴掌與井壁的接觸力曲線圖可知，推靠巴掌受到推靠力后瞬間與井壁接觸，接觸力穩定在10 970 N左右，上下存在著波動，當鉆井液作用時間完畢后，推靠巴掌的推靠力瞬間消失，推靠巴掌恢復閉合狀態，當高壓孔轉到下個通孔時，與該通孔連接的推靠巴掌工作。由執行機構所受到的反作用力曲線來看，力比較平穩，波動幅度較小。對比圖5以及圖6兩圖可以發現，兩圖中力大小近似且位置相對應，即推靠板與井壁接觸力和執行機構受到的反作用力的大小相近，方向相反，產生這個現象的原因是推靠板與井壁發生接觸后，推動鉆具向井壁另一側運動，導致執行機構殼體與井壁發生接觸而產生作用力，方向相反。當力保持不變時說明達到了平衡，能夠使鉆井工具保持穩直作業。

圖5 推靠巴掌的接觸力曲線

圖6 井壁反作用力曲線

根據仿真動力學分析結果與理論計算結果相對比，其結果如表1所示。

表1 執行機構理論計算結果與仿真結果對比

通過對執行機構的理論計算結果與仿真結果對比可以得到，執行推靠所受的反作用力仿真結果大于理論計算結果，誤差處于2%～3%之間，誤差小于10%，說明仿真結果合理。

4 結束語

本文根據輪轂電機低速大扭矩的特點與自動垂直鉆井工具的結構原理完成了輪轂電機與自動垂直鉆井工具結合方案的設計，并對執行機構建立了力學模型，分析了推靠巴掌的等效推靠力，借用Adams軟件對執行機構在穩直工況下進行了動力學仿真，并觀察了分析了巴掌與井壁之間的接觸力、執行機構本體受到的反作用力的變化，巴掌所受到的力由上盤閥流通的高壓鉆井液推靠活塞產生，在活塞的半徑為30 mm時，鉆井液壓差為8 MPa時，計算出巴掌瞬時最大壓力為22 608 N，其最大等效推靠力為11 304 N。仿真測得力大小為10 970 N，誤差小于10%，當3個巴掌共同推靠井壁時，執行機構所受的力大小穩定，可以保證鉆井工具的穩直作業，證實了方案的設計有效性。