油井封隔器内微型液压系统设计与仿真.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.001油井封隔器内微型液压系统设计与仿真孙钰洋1.3,曹文斌1-3,赵申诞2-3，,郭岩成1-3，刘银水1.2.3（1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 30 0 5 0；2.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉4 30 0 7 4；3.华中科技大学无锡研究院，江苏无锡2 14 17 4）摘要：封隔器是石油开采设备中重要的组成部分，其性能优异会直接影响到开采的进行。而传统封隔器采用机械式方式进行坐封,并依靠橡胶胶筒的自身回弹力进行解封。但在极端情况下，容易出现由于坐封力过大而造成封隔器胶筒发生压缩破坏,解封时胶筒损坏而无法回弹的情况。为此，设计了一种微型液压系统，可实现液压封隔器压紧力与解封力的协调控制及精确调节，保证封隔器实际工作中的安全可靠。搭建AMESim系统仿真模型，模拟运动过程中的坐封与解封过程，研究吸油处流道阻力、出口负载情况、柱塞泵的转速情况以及滑动缸内闭死容积等因素对液压系统动态特性的影响。最后对液压系统的参数进行优化。结果表明,采用微型液压系统人口增压、提升转速、减小吸油处流道阻力等措施可以提高整体系统的响应速率。关键词：井下封隔器；微型液压系统；AMESim仿真；液压系统优化中图分类号：TH137Design and Simulation of Micro-hydraulic System in Oil Well PackerSUN Yu-yang3,CAO Wen-bin3,ZHAO Shen-dan?*,GUO Yan-cheng*3,LIU Yin-shuil23)1.College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,3.Wuxi Research Institute,Huazhong University of Science and Technology,Wuxi 214174,China)Abstract:Packer is an important part of oil production equipment,and its excellent performance will directly affect the production.Conventional packers are mechanically set and unsealed by the self-resilience of the rubber cartridge.However,in extreme cases,it is easy tocause compression failure of packer rubber cylinder due to excessive setting force,and the rubber cylinder is damaged and unable to bounceback during unsealing.Therefore,a micro-hydraulic system is designed in this paper,which can realize the coordinated control and accurateadjustment of the pressing force and unpacking force of the hydraulic packer,so as to ensure the safety and reliability of the actual work of thepacker.The AMESim system simulation model is built to simulate the seting and unsealing process in the process of motion,and the influenceof factors such as the flow resistance at the oil suction,the load at the outlet,the speed of the piston pump and the closed volume in the slidingcylinder on the dynamic characteristics of the hydraulic system is studied.Finally,the parameters of the hydraulic system are optimized.Theresults show that the response rate of the whole system can be improved by adopting the measures of pressurizing the inlet of the micro-hydraulicsystem,increasing the rotational speed and reducing the flow resistance at the suction point.Key words:down-hole packer;microhydraulic system;AMESim simulation;hydraulic system optimization0引言石油是我国重要的基础能源，是推动工业发展的重要组成部分11-2 。而封隔器作为石油开采中重要的收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0基金项目：国家重点研发计划（2 0 18 YFB2004001）；国家自然科学基金（5 2 0 7 5 19 2）作者简介：孙钰洋（19 9 8-）,男，黑龙江大庆人，硕士研究生，研究方向为流体传动与控制。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 0 1-0 6Wuhan 430074,China;零部件，随着石油危机的不断加剧以及人们对石油探测的需求，封隔器也需要在高温、高压等复杂工况下进行作业【3。此时对封隔器的性能提出了更高的要求，而封隔器的胶筒作为封隔器零部件中的“心脏”,其工作顺利与否直接影响到封隔器的工作顺利 4-6 。传统封隔器依靠机械力进行坐封，依靠橡胶自身回弹力进行解封 7-8 。但是随着封隔器在更恶劣的环境下进行工作,橡胶可能在较大的机械压力和高温高压环境下发生损坏,导致封隔器不能正常工作 9-10 。本研究设计井下微型液压系统,用液压力代替传统的机械力,相19液压气动与密封/2 0 2 4 年第3 期较于传统的机械形式，采用液压的方式可以让橡胶胶筒在压缩形变中受力更均匀并且可在解封过程中使用液压力来辅助进行拉伸，提高解封成功率。毛季、曾子敬等探索了微型液压系统在钻井导向系统的应用，并且对井下液压系统内的压力补偿进行研究 1-12 1。周晓君等对井下液压系统原理图进行搭建,并分析系统的动态特性 13。姚亚峰等对煤矿井下泵车的液压系统进行元件选型，对散热部分进行仿真，并对冷却器进行计算，优化结果可用在煤矿井下当中 14 。袁科杰针对井筒压力大、密封困难、重要零部件不承压的情况,设计了压力补偿装置,并且用AMESim与MATLAB联合仿真的方式建立了井下液压系统 15 。WANGWeiping等提出了一种基于所需补偿方法的输出反馈控制器以保证控制性能，从而减少液压系统当中的能量损失 16 。JOSEFKRAUS 等设计了一种应用在移动液压系统的增压器，降低成本的同时用来节能并提高系统的可靠性 17 1行微型液压系统组成与设计1.1液压封隔器的组成及工作原理根据实际工作情况，井下液压封隔器在提升到一定高度后下放,封隔器推送进人管壁当中。井下微型液压系统由于处在井下特殊环境当中而使用闭式液压系统，其由微型柱塞泵（动力元件）、内滑套缸与外缸套和前端胶筒（执行元件）、溢流阀与微型控制阀（控制元件）、油箱与过滤器和增压活塞（辅助元件）、液压油(工作介质)这5 部分所构成，图1为井下液压封隔器的系统原理图。8TTTTTM6M41L1.油箱2.过滤器3.微型柱塞泵4.微型电机5.溢流阀6.微型控制阀电机7.三位四通微型换向阀8.滑套缸9.封隔器橡胶胶筒10.增压系统图1井下液压封隔器液压系统原理图井下液压封隔器基本原理如下：2（1）封隔器坐封过程：当封隔器到达指定坐封位置时,通过控制微型柱塞泵3将油箱1 中的液压油抽出，通过微型电机4 控制微型换向阀7 左位之后送人滑套缸8 中，推动滑套缸8 中内滑套活塞朝低压方向进行动作,压力逐渐升高，推动内滑套缸右行,压缩右边的封隔器橡胶胶筒9，使得封隔器胶筒与井下外管壁进行贴合压紧，低压腔的液压油顺回到油箱，动作结束后，微型柱塞泵3停止工作，从而完成井下坐封过程；（2）封隔器保压过程：当封隔器需要保压固定控制时,通过微型电机4 控制微型换向阀7 在中位工作，将滑套缸8 进行固定控制，防止滑套缸8 活动，进而防止封隔器橡胶胶筒9 进行回弹，起到限位控制作用，让封隔器可以进行坐封；（3）封隔器解封过程：当封隔器要进行解封时，微型柱塞泵3开始工作，通过微型电机4 控制微型换向阀7 右位换位后，高压油液经过滑套缸8 右边，压力逐渐升高，推动内滑套缸左移，拉伸右边的橡胶胶筒，使得橡胶胶筒伸长，使得橡胶胶筒与井下外管壁之间发生分离，低压腔液压油顺回到油箱，动作结束后，微型柱塞泵3停止工作,从而完成井下解封的过程，执行部分8环境条件5工作区流道阻力部分9MO-O210溢流部分玉3增压部分山L-121.微型柱塞泵2.微型电机3.信号控制部分4.电磁换向阀105.人口活塞阻尼，6.出口活塞阻尼7.人口腔闭死容积8.排液腔闭死容积9.滑套缸执行器10.吸入口油液阻尼11.回油口油液阻尼12.人口增压13.溢流阀图2 液压系统AMESim模型1.2微型液压系统组成为了更好地了解到不同参数对液压系统所造成的影响,建立了如图2 所示的微型液压系统AMESim模型。其中系统由动力源部分、进出油流道阻力部分、控6动力源部分进出油流道阻力部分山控制部分Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024制部分、工作区流道阻力部分、执行部分、增压部分、溢研究。流部分等组成,用来模拟微型液压系统在实际过程中根据图3a所示，可以发现，吸油处流道阻力影响的运动工况,并对可能影响的参数进行分析。滑套缸的高压升压情况，且流道阻力越大,压力升高的实际工作中,其整体尺寸较小，因此在设计过程中越缓慢；图3b发现，大约在0.1s时,压力到达1.6 MPa也需要考虑尺寸的影响，而液压元件的尺寸减小也会左右,此时滑套缸开始移动，此时作用在滑套缸上的作带来其流量减小。因此对于井下环境来说，选择小尺用力大于负载摩擦力，此时滑套缸才开始移动，由于选寸大压力的微型柱塞泵是比较重要的。本研究选用某择的微型柱塞泵为单柱塞泵,所以一个周期内只有排款井用微型柱塞泵,其工作压力可达18 MPa,泵的排量液区域才能升高压力，而且对泵的输出流量有较大的为0.0 18 mL/r,径向尺寸仅有16 mm。影响和较大流量的波动。1.3微型液压参数设置3.02.7根据上部分所建立的AMESim仿真模型，根据井2.4F下微型液压系统的设计参数，进行参数设置，主要参数2.1F无入口流道阻力如表1 所示。1.81.521.2表1AMESim柱塞泵仿真关键参数0.9参数数值油液密度p/kg m3860油液动力黏度u/Pas0.04油液弹性模量K/MPa700微型柱塞泵排量V/mLr-10.018微型柱塞泵容积效率/%9016微型柱塞泵额定压力p/MPa微型电机转速no/rmin=l微型电机转速n/r.min-1活塞直径D,/mm活塞杆直径D,/mm溢流阀调定压力Po/MPa2油田井下微型液压系统仿真分析2.1吸油处流道阻力对液压系统的影响井下微型液压系统由于其吸油处结构尺寸受限，所以吸油处流道部分的尺寸比较复杂，油液在吸人流道过程中所产生的压力损失不能忽略。本次设定的条件是微型电机转速14 0 0 r/min，考虑吸油流道阻力的环境下,研究从油箱到微型柱塞泵吸油的流道阻力对井下微型液压系统的影响。滑套缸高压腔压力曲线、位移曲线以及泵出口流量曲线如图3所示，在转速14 0 0 r/min时，比较3种吸油处流道阻力形式，对有较小的油液流道阻力和较大的入口流道阻力以及无入口流道阻力3种方式进行有较小的入口流道阻力一有较大的入口流道阻力0.60.3F0(a）滑套缸部分高压腔压力曲线10r1059876E5140043流道阻力14002卜113001201610.1无入口流道阻力有较小的入口有较大的入口流道阻力0.10.2t/s(b）滑套缸部分位移曲线0.140m0.126有较大的入口流道阻力0.112无入口流道阻力有较小的入口1.ur.0.0980.0840.0700.0560.0420.0280.0140图3吸油处流道阻力对液压系统的影响因此受吸油处流道阻力对出口流量的影响，影响滑套缸的输出压力、运动速度以及输出流量，因此在设计过程中应该减少入口流道阻力，优化吸油处流道的吸油能力。30.2t/s0.30.10.2t/s(c)泵出口流量0.30.40.5流道阻力0.3液压气动与密封/2 0 2 4 年第3期2.2执行器负载对液压系统的影响受出口结构尺寸的影响，负载阻力也是影响微型液压系统的重要因素。本次设定的条件是微型电机转速14 0 0 r/min,不考虑吸油处流道阻力的环境下，考虑出口负载阻力，研究出口流道负载对井下微型液压系统的影响。滑套缸高压腔压力曲线、位移曲线、泵出口流量曲线如图4 所示。在转速14 0 0 r/min时，比较3种执行器负载的流道阻力形式，对有较小的执行器负载阻力和较大的执行器负载阻力以及无执行器负载阻力3种形式进行研究。3.02.72.42.121.20.90.60.30(a）滑套缸部分高压腔压力曲线10r10598765流道阻力432100.10无出口流道阻力0.09有较小的出口流道阻力0.08有较大的出口流道阻力(-uru.Tau/0.070.060.05F00.040.030.020.010图4 执行器负载对液压系统的影响如图4 所示，执行器负载对高压腔部分的压力有一定的提升作用，这是因为由于存在阻尼，执行器在运动过程中会在低压腔部分产生一定的背压，这种背4压会随着滑套缸的移动而波动，导致压力不稳定，且高压腔部分的有阻尼比无阻尼部分的压力要高；而对于滑套活塞位移部分，随着背压的增加，导致其运动速率降低，减小移动效率，但是对泵出口流量几乎没有影响。因此为了提高活塞的运动速度，应该减少出口执行器负载部分的阻力，这样可以提高活塞的运动速率，提高运动效率。2.3工作转速对液压系统影响分析不同工作转速对液压系统的影响也较大，本次设定调节在不同转速下，对系统动态特性的影响。设定800，16 0 0，2 0 0 0 r/m in 3种转速下对液压系统的影响。有较大的出口流道阻力研究工作转速对液压系统的高压腔压力、活塞位移、泵出口流量的影响如图5 所示。有较小的出口流道阻力30无出口流道阻力2724F211600 r/min18上0.10.2t/s无出口流道阻力有较小的出口有较大的出口流道阻力10.10.2t/s(b）滑套缸部分位移曲线0.10.2t/s(c)泵出口流量2000 r/min0.3129630(a）滑套缸部分高压腔压力曲线10r1059876550.30.40.30.4800r/min0.10.2t/s2000 r/min0.5432100.20r0.180.160.140.12Tu/0.1050.080.50.060.040.020图5 工作转速对液压系统的影响0.31600 r/min800 r/min0.10.2t/s(b）滑套缸部分位移曲线2000 r/min800r/min1600 r/min0.1(c)泵出口流量0.30.2t/s0.40.50.3Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024图5 所示为工作转速对液压系统的影响，从图5 a可得出如下结论：吸油处流道阻力和执行器负载对液压以看到增加工作转速对整体液压系统建立起来工作压力系统的动态响应影响较大,所以在实际过程中应尽可是有帮助的,转速越快，其建立起压力的速率就越快；图能降低这些因素对井下微型液压系统的影响。但传统5b可以看到,随着转速的增加,滑套缸的移动速度也在的机械结构设计对增加其性能提升有限，因此可以设增加;图5 c可以看到,随着工作转速的增加,泵的出口流想一种能利用井下高温高压环境与微型液压系统相结量也在增加,但是转速越高,其压力波动速率也增加。合的方式进行改进方案设计。2.4缸内死区容积对液压系统影响分析3.2液压系统方案改进滑套缸由于设计的自身特性，因此其自身有不可通过在井下微型柱塞泵前端加入增压方式的设避免的容腔死区存在，而液压容积死区的大小一定程计,在微型液压系统中增设增压活塞装置,装置与外界度上决定了内滑套的移动特性，进而对内滑套的输出并下高温高压的液体进行接触，从而可以为吸油处前平稳力有一定的影响，为了研究死区容积对内滑套缸端提供一定的预压力来提高整体液压系统的动态响应的移动速度影响规律。设置3种闭死容积体积30，性能。仿真设计中在吸入油口前提供0.0 1,0.0 5，35，4 0 c m，具体仿真结果分析如图6 所示。0.1MPa3种不同大小的人口增压压力P增。在泵转速3.01400r/min时，考虑吸油处流道阻力与执行器负载的情30cm2.7F35cm2.440.cm32.11.8ed/1.50.90.60.30(a）滑套缸部分高压腔压力曲线10105987543210图6 闭死容腔对液压系统的影响由图6 可以分析，内滑套缸中闭死容腔体积对滑套缸的压力升高和位移部分有较大的影响，随着闭死容积体积的增加，执行机构部分的压力升高会变得缓慢；滑套活塞的移动速率会减慢。由此可见，适当减小死区容积可以在一定程度上提高内滑套缸的运动速率和运动平稳性。3液压系统优化改进3.1井下液压系统问题分析根据上文对液压系统中关键参数进行分析，可以况下研究人口增压对整体系统的影响，仿真结果如图7所示。由图7 所示，吸油处增压对提升滑套缸高压腔压力有改善作用，可以快速建立起来压力，增压部分可以抵消吸油处的油液阻力；并且由于吸人油口吸入的流量增多因此对提高滑套缸的运动速度也有一定的帮助。0.10.20.3t/s一30 cm一35 cm3一4 0 cm30.10.2t/s(b）滑套缸部分位移曲线0.40.30.40.50.5综上所述,利用井下外界环境当中的高压环境可为吸油处提供一定的吸入增压，抵消一定的流道损失阻力,对提高井下微型液压系统的动态特性有帮助作用。4结论本研究对井下液压封隔器中的微型液压系统进行设计和仿真，对影响系统动态特性的各参数进行分析。通过建立微型液压系统的AMESim仿真模型，分析了吸油处流道阻力、执行器负载、工作转速、缸内死区容积井下微型液压系统的研究,通过增设吸入油口增压来优化系统，主要结论如下：（1）针对井下环境，搭建AMESim系统仿真模型，对吸油处的流道阻力和执行器负载的不同值进行分析设定，得出了吸油处流道阻力以及执行器负载对滑动缸套的压力和位移有影响，并且会造成压力波动，且阻力值越大，升压和移动效果就越差。（2）提高工作转速可以快速建立起系统的压力和提高滑套活塞的运动速率，并且对泵的出口流量也有提升作用,因此在实际使用过程中，可以提高泵的转速来提高整体液压系统的响应性能,缸内死区容积也对滑动缸套的动态特性有较大的影响，30 cm闭死容腔5液压气动与密封/2 0 2 4 年第3期3.0入口增压0.10 MPa2.72.42.11.821.20.90.60.30(a）滑套缸部分高压腔压力曲线0.10 r1050.090.080.070.06三0.050.04入口增压0.10 MPa0.030.02F0.0100.10r0.090.08F0.07FIUUL.0.06F宣0.0550.04f0.030.020.010图7 明吸油处入口增压对液压系统的影响体积相较于4 0 cm闭死容腔的响应要快将近一倍。（3）为吸人油口增加入口增压的方式可以抵消由于流道阻尼而造成的压损，有效改善液压系统的动态响应性能,并且运动速度也会随着出口流量的增加而增大。参考文献1吴昊.浅析当前中国石油开采的现状及其措施J.化工管理,2 0 19,5 2 4(17):13-14.引用本文：孙钰洋，曹文斌，赵申诞，等.油井封隔器内微型液压系统设计与仿真 J.液压气动与密封,2 0 2 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