測井絞車輸出速度不足的原因分析與解決對策

李海峰

(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部塘沽作業公司裝備技術中心，天津 300459)

0 引言

測井絞車是測井作業中重要的地面設備，其關鍵功能就是控制井下儀器的運動速度，液壓泵作業系統中的動力部件性能直接影響測井絞車的功能。起初的液壓系統產生的高速、低速滿足現場要求，但新液壓泵增加HD閥阻尼孔后，降低液壓泵的排量，進而降低馬達的輸出速度。為滿足現場作業要求，對液壓系統進行重新分析、改進。

1 測井絞車液壓系統原理

1.1 測井絞車組成

測井拖橇是為陸地、海洋油氣田提供探井電纜測井服務的專用設備。該設備在結構上由動力橇和滾筒橇兩部分組成，動力系統采用液壓傳動技術，可以滿足各種測井作業的工況要求，具有結構緊湊、運動平穩、調速比大等諸多優點。

滾筒橇由橇體、絞車系統、電氣系統、配套設施組成。橇體包括：底盤、框架、絞車操作間、滾筒支架、減速器支架、輔助設備支架等結構件；絞車系統由液壓系統控制及執行元件、氣動系統控制及執行元件、滾筒及其附件組成；電氣系統由配電及照明系統、信號及通訊系統、空調系統及其附件組成。

1.2 測井絞車電控原理

測井絞車電控系統包括變壓器、電控手柄、信號放大板、電液比例閥、電磁換向閥等重要元件。首先，打開控制臺電源開關，為測井絞車電控系統供電。其次，根據速度需求切換速度檔位開關至相應檔位(HIGH檔、LOW檔)。然后，松開電纜滾筒剎車、操作電控手柄，當控制手柄放在中間(NEUTRAL)位置上時，此時綠色指示燈亮，由電控手柄控制沒有電信號輸出；當控制手柄放在上提(UPHOLE)位置上時，此時綠色指示燈熄滅，由電控手柄控制將電信號輸出給UP控制放大器，將UP信號放大輸出給電液比例閥A口，輸出控制液壓泵斜盤的控制油壓，進而推動液壓泵的斜盤產生角度輸出液壓油，推動液壓馬達上提方向旋轉；當控制手柄放在下放提(DOWNHOLE)位置時，此時綠色指示燈熄滅，由電控手柄控制將電信號輸出給DOWN控制放大器，將下放信號放大輸出給電液比例閥B口，輸出控制液壓泵斜盤的控制油壓，進而推動液壓泵的斜盤反向角度輸出液壓油，推動液壓馬達下放方向旋轉。推動電控手柄的角度越大，輸出的電信號越強，進而液壓泵角度越大，輸出油量越多，液壓馬達轉速越快。

2 測井絞車工作原理

測井絞車設計原理如圖1所示。主液壓泵被驅動后，上提時主油路正向輸出則A口為出油口，高壓油沿A管線，通過慢速閥A到達液壓馬達，從B管線返回到主泵B口，其中油液泄漏造成的損失，由補油泵補充。同理，下放操作時，液壓泵反向輸出則B口為出油口，高壓油沿B管線通過慢速閥B到達液壓馬達，從A管線返回到液壓主泵，其油液泄漏造成的損失，由補油泵補充。液壓泵斜盤控制油來自補油泵，到達電液比例閥P口，電液比例閥動作后連通PA(上提)或PB(下放)，推動主泵的斜盤控制閥芯移動，從而控制主液壓泵正向輸出或反向輸出液壓油。

圖1 液壓原理圖

主液壓泵工作時，當斜盤處于中位，則液壓泵排量為零，即沒有高壓油輸出；當控制手柄上提或下放信號被放大后，控制電液比例閥(簡稱“比例閥”)動作，比例閥控制油進入Y1或Y2，控制斜盤角度，主泵產生排量，向外輸出高壓油。控制油壓越大，則斜盤角度越大，排量越大。液壓泵輸出的高壓油經過慢速閥推動液壓馬達旋轉，隨液壓泵輸出油量變化產生液壓馬達速度變化，然后液壓油又流回到液壓泵吸油口；同時液壓馬達可以通過調節自身的斜盤角度，增加和減小排量，實現輸出轉速的變化。液壓馬達轉速經過減速器降速后，傳遞給電纜滾筒，滾筒的轉動實現電纜的直線上提或下放移動。測井儀器掛接在電纜上，電纜拉動測井儀器在井眼中上提或下放移動，完成測井作業。

3 測井絞車達到的性能

測井絞車系統采用液壓傳動技術，以內燃機作為動力源，驅動液壓泵輸出高壓油液壓力傳遞給液壓馬達，液壓馬達驅動減速機和絞車滾筒旋轉，來提升和下放測井電纜，以滿足測井作業的工況需要。液壓回路可以根據工況要求分別實現容積調速與容積節流聯合調速兩種調速功能[1]，要求測井絞車可以提供HIGH、LOW及FINE三種速度變化范圍，同時要有穩定的輸出速度和輸出扭矩，檔位切換通過操作電控檔位開關進行控制。當測井絞車控制系統有控制電信號時，操作人員可以選擇三種速度中的任意一種進行測井作業。HIGH檔：速度5～100 m/min；LOW檔：速度3～40 m/min；FINE檔：速度0.3～5.0 m/min；同時滾筒輸出最大轉矩39 300 N·m。

4 解決方案

由于液壓泵的生產廠家修改了液壓泵的HD閥設計，增加阻尼孔，導致控制HD閥液壓油壓力出現損失。再加之測井絞車的控制膠管過長(10 m)，控制油在傳遞過程中產生的壓力損失過大，導致液壓系統先導控制壓力建壓不足，無法推動液壓泵斜盤產生更大角度，得到更大排量，獲得更大的馬達旋轉速度[2]。但通過改變控制電路和降低馬達先導控制壓力，可實現液壓泵增大排量和降低液壓馬達排量以獲得測井絞車輸出速度。

在當前液壓泵和液壓馬達的組合中，調整控制電路并降低馬達先導控制壓力起調點，將原有的泵及馬達分段變量調整為泵與馬達交叉變量；同時提升液壓泵的排量和降低液壓馬達的排量，用以提升馬達的輸出速度。

操作步驟如下：調整控制電路及放大器功率輸出以提升液壓泵的排量，并在電路中增加二極管以控制電路電流。根據泵變量起調點壓力和系統最大控制壓力，分別調整LOW檔和HIGH檔放大器輸出，分別提升液壓泵在LOW檔和HIGH檔輸出排量：LOW檔放大器對應的最大控制壓力p＝p(泵變量起調點壓力)+1 MPa；HIGH檔放大器對應的控制壓力p＝p(系統最大控制壓力)。根據泵變量起調點壓力和系統最大控制壓力，調整馬達變量起調點壓力：調整馬達變量起調點壓力p＝p(系統最大控制壓力-1 MPa)[3]。如果馬達變量起調點壓力p(1 MPa)≤p(泵變量起調點壓力)，則馬達變量起調點壓力調整為p＝p(泵變量起調點壓力)+0.1 MPa，如圖2所示。

圖2 馬達特性曲線

HD先導壓力增量△Ps=1 MPa，如圖3所示，排量將從Vgmax降低至0 cm3(規格28～200)或從Vgmax降至0.2Vgmax(規格250～1 000)。控制起點(設定范圍)0.2～2.0 MPa。標準設定：控制起點0.3 MPa(控制終點1.3 MPa)。

圖3 HD特性曲線

5 實驗結果

調整后參數：液壓泵變量起調點壓力p＝1.00～1.03 MPa。HIGH檔放大器對應的控制壓力(系統最高控制壓力)p＝2.34～2.41 MPa。馬達變量先導壓力p＝2.34 MPa，排量降低為約0.7Vgmax。馬達最小轉速理論計算q＝125 mL/r(泵排量)×1 800 r/min(泵轉速)/80×0.7(馬達最大排量)=4 017.8 r/min。液壓馬達到滾筒減速比約93.7。計算可得，HIGH檔滾筒最高轉速42.8 r/min。由滾筒電纜直徑0.8 m(井深4 000 m)可知，周長2.512 m。計算可得，2.512×42.8=107.5 m/min＞100 m/min，滿足作業要求。

6 結語

如表1所示，實驗結果表明，通過改變控制電路和降低馬達先導控制壓力，實現液壓泵增大排量和降低液壓馬達排量以獲得測井絞車輸出速度滿足現場使用要求。針對液壓泵增加阻尼孔而導致液壓泵輸出不足而帶來的速度降低的問題，通過調整液壓泵變量的起調壓力和調整液壓馬達的排量，從而增加輸出轉速，使測井絞車輸出速度達到預期效果。

表1 測井絞車調整前后輸出速度對比