旋转导向钻井工具试验台主轴驱动液压系统的稳定性

吕石磊

摘要：在当前科学技术高速发展背景下，钻井工具技术进步速度也随之提升，旋转导向钻井工具即是在此背景下诞生的新产物。旋转导向钻井工具试验台是该设备研发的关键环节，本文研究中将针对该实验平台主轴驱动液压系统稳定性进行研究。

关键词：旋转导向钻尖工具；主动驱动液压系统；稳定性

引言

旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术重要发展方向，其可以实现在超深井、大位移井、高难定向井等场景施工中得到有效利用，同时其还具备钻进过程中摩阻与扭矩小、钻速高等优势，因此其是当前国际范围内重点研究技术。旋转导向钻井工具试验台是该技术研究的重要基础支撑环节，其对测试旋转导向钻井工具性能具有重要意义，而主轴驱动液压系统作为测试平台重要组成部分，其也是当前重点研究课题。

1.旋转导向工具导向原理及主轴驱动液压系统原理

旋转导向工具的关键部件是导向单元的液压控制系统，其可以实现对3根翼肋快速张开和缩回的实时控制。3根翼肋完全伸展后，可以靠着井筒壁，给导引工具反作用的力。通过液压系统给各片翼肋提供压力，使得3片翼肋形成合力方向不同，进而控制导向，按照预先设计好的井眼轨迹，不断改变导向工具地钻进方向。液压系统提供给3块翼筋的工作压力处于持续变动状态，因此如何才能确保液压系统持续稳定地给3块翼筋提供所需要工作压力，就成为研究重点。如果某一块翼肋在展开时没有根据系统需要得到所需要的力，那么整个导引工具合力方向就会出现偏差，导致井孔轨迹出现偏差，将会对生产带来很大的损失。

在钻探作业中，当钻头抵达底部时，通常采用较小的钻压力和较小的旋转速度对底部进行修补，因此要求钻井工具必须要有可调节转速功能，并且保持稳定的转速。使用电液比例泵控液压引擎系统，不仅可以实现液压引擎驱动试验台稳定旋转的目标，还可以降低在旋转系统本身运动过程中产生的能耗。

2.液压系统稳定性分析

从技术实际角度分析，液压系统实际应用中必要条件是系统保持稳定，因此对其稳定性进行检验十分必要。本文研究中所涉及试验台是专门用于测试旋转导向钻进工具性能的实验装置，其主要参数如表1。

表1试验台主要参数

调速范围/（）	扭矩加载范围/（）	钻压范围/
90~150	0~1500	0~80

以试验台主轴驱动液压系统的设计要求为依据，通过计算选出液压元件型号，并查阅相关液压元件样本手册，最终得到液压系统的仿真参数，具体参数如表2所示。

表2

参数	参数意义	数值
	液压马达排量/
	液压系统总泄漏系数/
	工作腔容积/
	液压缸活塞有效面积/
	比例阀增益/
	液压油弹性模量/
	总转动惯量/
	变量泵排量梯度/
	变量泵角速度/
	黏性阻尼系数（）
	放大器及比例阀间增益/（）
	变量泵斜盘倾角系数/
	泵控液马达阻尼比

首先利用最常用的代数准则——Routh判别准则，给出液压系统稳定性判定。将表2所示的模拟参数带入到闭环传递函数中，所得系统闭环传递函数为：

系统特征函数为：

通过Routh判据来判断系统的稳定性，可生成相应Routh表。以Routh判据为依据，系统稳定的充分必要条件是Routh表中的系数第一列符号都为正，而且其值不为零，这时表中的第一列系数有负数，所以系统是不稳定的。

在此基础上，利用几何准则中的Bode稳定准则来判断此液压系统的稳定性，将表2所示的参数带入到开环传输函数之中，可得出此液压系统的开环传输函数为：

运行MATLAB程序可绘制出如图2所示系统开环传递函数Bode图。

图2 系统开环传递函数Bode图

从图2中可以看出，该系统相位裕度=-49.2°并且振幅余量=-5.71dB。在工程实际应用中，通常要求达到30°~60°同时在6dB以上，因此其稳定性问题十分突出。这也进一步证实“泵控液压马达系统通常为欠阻尼”这一结论。为获得满意的阻尼，通常需要设置旁路泄漏通道，或者内部的动态压力反馈回路。采用后一种方法，不仅能提高阻尼，而且能克服前一种方法中不足之处。动压反馈装置是由液阻与液容构成的压力微分网络，其阻尼率在0.5-0.8之间，是一种价格低廉、可靠有效的阻尼器。通过多次试验，确定该系统的阻尼比为0.6207，此时可得到开环的传递函数为：

通过MATLAB的模拟，获得开环传输函数Bode图，该系统具有相位裕度=59.5°，振幅余量=10.1dB，在该情况下，该系统的稳定性达到了工程实际需要。

3.总结

综上所述，旋转导向钻井工具试验台对相应工具设备开发具有重要意义，而主轴驱动液压系统作为其重要组成部分，具有较强研究意义。技术人员在后续研究中应进一步加大对相关问题研究力度，切实提升该试验台可用性，为提升旋转导向钻井工具研发成效提供有力保障。

参考文献：

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[2]吴朝阳.对液压支架用阀综合性能试验台液压系统的改进[J].工程建设(重庆),2022,5(2):3.

[3]张光伟,侯朋朋,李军强,等.新型指向式旋转导向钻井工具导向轴振动特性研究[J].煤炭科学技术,2021,049(010):177-184.