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摘 要：本文自主开发了新型顶驱下套管装置，实现对下套管过程的自动化控制，达到安全高效的目的，节约了下套管成本。设计的顶驱下套管装置的液压系统的性能直接影响着整个装置功能的实施和装置的性能。对液压系统的性能评估和验证设计的合理性需要进行模拟仿真。用AMESim软件建立了顶驱下套管装置液压系统的模型并进行了仿真，目的是减少顶驱下套管装置性能试验成本，节约设计时间。用仿真的结果和理论计算值进行了分析对比，验证了设计的液压缸的合理性。
关键词：顶驱下套管装置;液压系统;AMESim;仿真
Simulation of Top-drive Casing Compensation Hydraulic System Based on AMESim
Fan Xiaoli1 Wang Xin1 Ye Wei1 Zhu Hongwu2 Li Zheng2
（1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Inspection Institute of Special Equipment，Urumqi;2.College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing）
Abstract： By controlling the process of casing， a new type of top-drive casing system has reached the control targets of reducing the capitalized cost and achieved safety， high efficiency purposes. The performance of top-drive casing running hydraulic system directly influences the performance and operation of the system. Testing the performance of the system needs hydraulic simulation. Based on the software AMESim， the hydraulic system model of top-drive casing running system has been set up and simulated. The main purpose is reducing the cost of the top-drive casing running system test and saving time. The results of simulation and theoretical calculation value have been analyzed and compared. This process is required to verify the designed hydraulic cylinders to meet the requirements.
Keyword： Top-drive casing system， Hydraulic System， AMESim， Simulation
引言
顶驱下套管装置是一种结合顶部驱动钻井系统，用在下套管作业的集机械、液压于一体的自动装置。利用顶驱下套管装置是下套管作业中未来发展的趋势。该装置国外主要生产商是NOV、Tesco和Weatherford，国内是北京石油机械厂[1]。由于北京石油机械厂和Tesco顶驱下套管装置无重力补偿装置;Weatherford的卡紧力为定值易损伤套管;NOV的需要单独设计配套的液压和电缆管汇的缺点。新的顶驱下套管装置的重力补偿液压系统是整个装置中关键的系统，主要起到保护装置的作用。重力补偿液压系统的液压缸可以抵消一部分重力，从而避免上扣时损伤套管螺纹。并可以精确施加向下推力[2]。利用AMESim液压仿真软件对新型顶驱下套管装置的补偿液压系统进行仿真，能检验设计的补偿液压系统是否合理，是否达到设计要求，大大缩短设计时间。
1.重力补偿液压系统工作原理
图1为重力补偿液压系统在AMESim软件中的控制图，液压系统的液压源的压力为40Mpa、流量为250ml/r的液压油。由于顶驱下套管重力补偿的液压系统要抵消一部分重力和遇卡过程中保护装置的作用。所以重力补偿液压系统被分为三个运动过程：重力补偿过程、遇卡加压过程和液压缸回到原位过程。
重力补偿过程：电磁换向阀3通电接通，液压油通过减压阀19和溢流阀18，进入电磁换向阀13，电磁换向阀13接通下位，液压油进入液压缸。这时活塞向下运动，活塞杆对下面加压进行重力补偿。同时电磁换向阀11上位打开，液压油经过安全阀9、电磁换向阀11、平衡阀14和过滤器21回到油箱。
遇卡加压过程：重力补偿过程中，如果顶驱下套管遇卡相应的液压缸所受的力增大，这时补偿力也要增大。电磁换向阀13进入中位状态，通过该电磁换向阀的油路关闭。同时，电磁换向阀8下位工作。液压油经过减压阀5、溢流阀6、液压节流阀7和电磁换向阀8进入液压缸，推动活塞向下运动使向下推力增大。液压油经过安全阀9、电磁换向阀8、平衡阀12和过滤器21回到油箱。
液压缸回到原位过程：電磁换向阀11下位工作，电磁换向阀13上位工作。液压油经过减压阀17、溢流阀16、节流阀15、电磁换向阀11和液控单向阀9进入液压缸内，带动活塞向上运动使活塞回到开始工作的位置。液压油经过电磁换向阀13和过滤器21回到油箱。
1-泵;2-单向阀;3-两位两通电磁换向阀;4，6，16，18-溢流阀;5，17，19-减压阀;7，15-液压节流阀;9-液控单向阀 ;8 -三位四通电磁换向阀;11，13-三位三通电磁换向阀;10-液压缸;12，14-平衡阀;20，21-过滤器 图1 补偿液压系统原理图
2.重力补偿液压系统AMESim模型
根据重力补偿液压系统的原理图，建立液压系统AMESim模型。在建立AMESim模型时，可以忽略掉影响液压系统较小的因素[4]。建立的AMESim模型如图2所示。
图2补偿液压系统的仿真模型
3.仿真结果分析
由于需要验证补偿液压缸的尺寸设计的合理性，主要对补偿液压缸的活塞位移、活塞速度、液压缸进口流量和液压缸出口流量進行模拟仿真。对这四个参数进行分析来验证设计的补偿液压缸。根据设计的要求和重力补偿的要求，补偿液压系统仿真时间为30秒，取其中的5个点进行仿真值和理论值误差分析。
补偿系统的液压缸活塞运动的位移在0～5秒是不断稳定的增加;5～27秒期间是位移增加的趋势变慢在27秒钟活塞位移达到0.05m，25～30秒活塞位移没有变化说明活塞在这个时间段停止运动并达到平衡状态。如图3所示。
图3 重力补偿状态下液压缸活塞运动的位移图 图4重力补偿状态下液压缸活塞的速度曲线
在0～1秒内，活塞的速度突然增加到0.0039m/s;1～25秒活塞的速度是均匀下降的加速度为恒定值;25～27秒活塞速度是一直减小的，最后减少到为零。如图4所示。
图5重力补偿状态下液压缸进油口油压曲线 图6重力补偿状态下液压缸出油口油压曲线
0～0.6秒液压缸的进油口的流量从0变化到77.3L/min;0.6～0.7秒液压缸的进口的流量从77.3L/min 突然变化到46.9L/min;0.7～25秒液压缸进口的流量从46.9L/min变化到1.36L/min，25～27秒流量是从1.36 L/min减少到零。如图5所示。
0～0.6秒液压缸的出油口的流量从0变化到78.3L/min;0.6～25秒液压缸的出口的流量从77.3L/min变化到46.9L/min;0.7～25秒液压缸进口的流量从46.9L/min变化到 1.36L/min，25～27秒流量是从1.36L/min减少到零。如图6所示。
活塞速度误差和液压缸进出口流量误差分析如表1所示。
表1 补偿液压系统仿真值和理论值对比
参数 1点 2点 3点 4点 5点
活塞速度仿真值 0.00268m/s 0.00382m/s 0.00365 m/s 2.83×10-4 m/s 4.53×10-5 m/s
活塞速度理论值 0.00264 m/s 0.00379 m/s 0.00368m/s 2.8×10-4 m/s 4.47×10-5 m/s
活塞速度误差 1.52% 0.79% 0.82% 1.07% 1.34%
液压缸进口流量仿真值 72.9 L/min 76.7L/min 46.9 L/min 2.31 L/min 0.628 L/min
液压缸进口流量理论值 71.8 L/min 75.5 L/min 47.6 L/min 2.28 L/min 0.620 L/min
液压缸进口流量误差 1.53% 1.59% 1.47% 1.32% 1.29%
液压缸出口流量仿真值 61.9L/min 76.8L/min 72.7 L/min 2.95 L/min 0.803 L/min
液压缸出口流量理论值 61.2 L/min 75.7 L/min 73.6 L/min 2.99 L/min 0.791 L/min
液压缸出口流量误差 1.14% 1.45% 1.22% 1.34% 1.51%
根据以上可知：活塞位移曲线说明了装置在补偿时一直是平稳的运行;活塞速度曲线说明装置在补偿装置的作用下能快速反应，防止速度过快引起危险;液压缸进出口流量曲线符合设计液压缸的流量要求。以上说明吊补偿液压系统能快速安全补偿装置由装置在下升套管过程中受的过载力，这说明设计的液压缸是符合设计要求的。
4.结论
AMESim软件具有界面直观、操作简单、上手快。利用AMESim软件对液压系统仿真减少了15%～20%的设计时间，节省了成本。验证了设计的顶驱下套管的补偿液压液压系统的合理性。AMESim软件越来越多在石油机械上得到应用。
参考文献：
[1]文田.北京石油机械厂顶驱下套管装置成功应用.石油钻采工艺，2010.（03）.
[2]张国田，张宏英，李兴杰等.一种用顶部驱动钻井装置下套管作业的方法.中国，CN101487377.2009.
[3]肖绍嵩.新型套管下入系统的结构组成.石油矿场机械，2004.33（05）：80～82.
[4]张国田，邹连阳，黄衍福等.顶驱下套管装置的研制.石油机械，2008.36（09）：82-84.
[5]韩飞，纪友哲，贾涛等.顶驱下套管装置的技术现状及发展趋势.石油机械，2012（01）： 92-94.
[6]李巍.深析顶部驱动钻井装置平衡油缸的故障与改进.中国石油和化工标准与质量，2012.32（04）.
关键词：顶驱下套管装置;液压系统;AMESim;仿真
Simulation of Top-drive Casing Compensation Hydraulic System Based on AMESim
Fan Xiaoli1 Wang Xin1 Ye Wei1 Zhu Hongwu2 Li Zheng2
（1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Inspection Institute of Special Equipment，Urumqi;2.College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing）
Abstract： By controlling the process of casing， a new type of top-drive casing system has reached the control targets of reducing the capitalized cost and achieved safety， high efficiency purposes. The performance of top-drive casing running hydraulic system directly influences the performance and operation of the system. Testing the performance of the system needs hydraulic simulation. Based on the software AMESim， the hydraulic system model of top-drive casing running system has been set up and simulated. The main purpose is reducing the cost of the top-drive casing running system test and saving time. The results of simulation and theoretical calculation value have been analyzed and compared. This process is required to verify the designed hydraulic cylinders to meet the requirements.
Keyword： Top-drive casing system， Hydraulic System， AMESim， Simulation
引言
顶驱下套管装置是一种结合顶部驱动钻井系统，用在下套管作业的集机械、液压于一体的自动装置。利用顶驱下套管装置是下套管作业中未来发展的趋势。该装置国外主要生产商是NOV、Tesco和Weatherford，国内是北京石油机械厂[1]。由于北京石油机械厂和Tesco顶驱下套管装置无重力补偿装置;Weatherford的卡紧力为定值易损伤套管;NOV的需要单独设计配套的液压和电缆管汇的缺点。新的顶驱下套管装置的重力补偿液压系统是整个装置中关键的系统，主要起到保护装置的作用。重力补偿液压系统的液压缸可以抵消一部分重力，从而避免上扣时损伤套管螺纹。并可以精确施加向下推力[2]。利用AMESim液压仿真软件对新型顶驱下套管装置的补偿液压系统进行仿真，能检验设计的补偿液压系统是否合理，是否达到设计要求，大大缩短设计时间。
1.重力补偿液压系统工作原理
图1为重力补偿液压系统在AMESim软件中的控制图，液压系统的液压源的压力为40Mpa、流量为250ml/r的液压油。由于顶驱下套管重力补偿的液压系统要抵消一部分重力和遇卡过程中保护装置的作用。所以重力补偿液压系统被分为三个运动过程：重力补偿过程、遇卡加压过程和液压缸回到原位过程。
重力补偿过程：电磁换向阀3通电接通，液压油通过减压阀19和溢流阀18，进入电磁换向阀13，电磁换向阀13接通下位，液压油进入液压缸。这时活塞向下运动，活塞杆对下面加压进行重力补偿。同时电磁换向阀11上位打开，液压油经过安全阀9、电磁换向阀11、平衡阀14和过滤器21回到油箱。
遇卡加压过程：重力补偿过程中，如果顶驱下套管遇卡相应的液压缸所受的力增大，这时补偿力也要增大。电磁换向阀13进入中位状态，通过该电磁换向阀的油路关闭。同时，电磁换向阀8下位工作。液压油经过减压阀5、溢流阀6、液压节流阀7和电磁换向阀8进入液压缸，推动活塞向下运动使向下推力增大。液压油经过安全阀9、电磁换向阀8、平衡阀12和过滤器21回到油箱。
液压缸回到原位过程：電磁换向阀11下位工作，电磁换向阀13上位工作。液压油经过减压阀17、溢流阀16、节流阀15、电磁换向阀11和液控单向阀9进入液压缸内，带动活塞向上运动使活塞回到开始工作的位置。液压油经过电磁换向阀13和过滤器21回到油箱。
1-泵;2-单向阀;3-两位两通电磁换向阀;4，6，16，18-溢流阀;5，17，19-减压阀;7，15-液压节流阀;9-液控单向阀 ;8 -三位四通电磁换向阀;11，13-三位三通电磁换向阀;10-液压缸;12，14-平衡阀;20，21-过滤器 图1 补偿液压系统原理图
2.重力补偿液压系统AMESim模型
根据重力补偿液压系统的原理图，建立液压系统AMESim模型。在建立AMESim模型时，可以忽略掉影响液压系统较小的因素[4]。建立的AMESim模型如图2所示。
图2补偿液压系统的仿真模型
3.仿真结果分析
由于需要验证补偿液压缸的尺寸设计的合理性，主要对补偿液压缸的活塞位移、活塞速度、液压缸进口流量和液压缸出口流量進行模拟仿真。对这四个参数进行分析来验证设计的补偿液压缸。根据设计的要求和重力补偿的要求，补偿液压系统仿真时间为30秒，取其中的5个点进行仿真值和理论值误差分析。
补偿系统的液压缸活塞运动的位移在0～5秒是不断稳定的增加;5～27秒期间是位移增加的趋势变慢在27秒钟活塞位移达到0.05m，25～30秒活塞位移没有变化说明活塞在这个时间段停止运动并达到平衡状态。如图3所示。
图3 重力补偿状态下液压缸活塞运动的位移图 图4重力补偿状态下液压缸活塞的速度曲线
在0～1秒内，活塞的速度突然增加到0.0039m/s;1～25秒活塞的速度是均匀下降的加速度为恒定值;25～27秒活塞速度是一直减小的，最后减少到为零。如图4所示。
图5重力补偿状态下液压缸进油口油压曲线 图6重力补偿状态下液压缸出油口油压曲线
0～0.6秒液压缸的进油口的流量从0变化到77.3L/min;0.6～0.7秒液压缸的进口的流量从77.3L/min 突然变化到46.9L/min;0.7～25秒液压缸进口的流量从46.9L/min变化到1.36L/min，25～27秒流量是从1.36 L/min减少到零。如图5所示。
0～0.6秒液压缸的出油口的流量从0变化到78.3L/min;0.6～25秒液压缸的出口的流量从77.3L/min变化到46.9L/min;0.7～25秒液压缸进口的流量从46.9L/min变化到 1.36L/min，25～27秒流量是从1.36L/min减少到零。如图6所示。
活塞速度误差和液压缸进出口流量误差分析如表1所示。
表1 补偿液压系统仿真值和理论值对比
参数 1点 2点 3点 4点 5点
活塞速度仿真值 0.00268m/s 0.00382m/s 0.00365 m/s 2.83×10-4 m/s 4.53×10-5 m/s
活塞速度理论值 0.00264 m/s 0.00379 m/s 0.00368m/s 2.8×10-4 m/s 4.47×10-5 m/s
活塞速度误差 1.52% 0.79% 0.82% 1.07% 1.34%
液压缸进口流量仿真值 72.9 L/min 76.7L/min 46.9 L/min 2.31 L/min 0.628 L/min
液压缸进口流量理论值 71.8 L/min 75.5 L/min 47.6 L/min 2.28 L/min 0.620 L/min
液压缸进口流量误差 1.53% 1.59% 1.47% 1.32% 1.29%
液压缸出口流量仿真值 61.9L/min 76.8L/min 72.7 L/min 2.95 L/min 0.803 L/min
液压缸出口流量理论值 61.2 L/min 75.7 L/min 73.6 L/min 2.99 L/min 0.791 L/min
液压缸出口流量误差 1.14% 1.45% 1.22% 1.34% 1.51%
根据以上可知：活塞位移曲线说明了装置在补偿时一直是平稳的运行;活塞速度曲线说明装置在补偿装置的作用下能快速反应，防止速度过快引起危险;液压缸进出口流量曲线符合设计液压缸的流量要求。以上说明吊补偿液压系统能快速安全补偿装置由装置在下升套管过程中受的过载力，这说明设计的液压缸是符合设计要求的。
4.结论
AMESim软件具有界面直观、操作简单、上手快。利用AMESim软件对液压系统仿真减少了15%～20%的设计时间，节省了成本。验证了设计的顶驱下套管的补偿液压液压系统的合理性。AMESim软件越来越多在石油机械上得到应用。
参考文献：
[1]文田.北京石油机械厂顶驱下套管装置成功应用.石油钻采工艺，2010.（03）.
[2]张国田，张宏英，李兴杰等.一种用顶部驱动钻井装置下套管作业的方法.中国，CN101487377.2009.
[3]肖绍嵩.新型套管下入系统的结构组成.石油矿场机械，2004.33（05）：80～82.
[4]张国田，邹连阳，黄衍福等.顶驱下套管装置的研制.石油机械，2008.36（09）：82-84.
[5]韩飞，纪友哲，贾涛等.顶驱下套管装置的技术现状及发展趋势.石油机械，2012（01）： 92-94.
[6]李巍.深析顶部驱动钻井装置平衡油缸的故障与改进.中国石油和化工标准与质量，2012.32（04）.