试论螺杆钻具试验台工作流程的技术优化

(西南石油大学 四川 成都 610500)

试论螺杆钻具试验台工作流程的技术优化

张诚罗鳌

(西南石油大学四川成都610500)

螺杆钻具是在石油现场开采以及特殊工艺作业中相当重要的钻井工具之一，其性能水平受到生产单位及使用者的高度重视。随着科学技术的不断进步，有关螺杆钻具性能测试试验台的创新发展也成为未来趋势。在充分考虑螺杆钻具机械性能的基础上，采用智能电气控制技术、计算机虚拟技术以及现代通信技术实现自动检测，对螺杆钻具的试验系统进行技术层面的优化完善，成为目前螺杆钻具试验台达到高精度实时性工作要求的重要技术手段。

螺杆钻具；试验台；性能测试；工作流程

传统螺杆钻具手工测试，面临着人员要求高、操作工艺繁琐、试验时间长、精确度不高等问题。随着科学技术的不断发展以及钻井开采提速的现实需求，螺杆钻具的性能要求以及检验试验工作也不断更新发展。为满足试验台性能测试高频率、高精度、实时性、可靠性的要求。在充分考虑螺杆钻具机械性能的基础上，采用智能电气控制技术、计算机虚拟技术以及现代通信技术实现自动检测，对螺杆钻具的试验系统进行技术层面的优化完善，成为目前螺杆钻具试验台达到高精度实时性工作要求的重要技术手段。

一、螺杆钻具的工作特性

螺杆钻具也就是定排量马达(PDM)，属于容积式井下水力钻具，由旁通阀总成，马达总成，万向轴总成，传动轴总成组成。螺杆钻具的工作特性曲线图习惯以压差Δp=(p1-p2)为横坐标进行绘制。

理想状况下，螺杆钻具的输出扭矩(T)与马达承受压力差Δp成正比，输出转速(n)与输入循环流量成正比，只要控制地面上压力数值及循环介质的流量，就能够使钻具在井下的输出转矩M及输出转速n保持稳定。实际情况下，螺杆马达作为机械设备，部件之间存在着一定的机械损失和水力损失，比如转子与定子之间存在摩擦阻力，密封腔之间存在泄漏，传动轴存在能量损耗等等。因此，螺杆钻具的工作实际参数与理想参数之间存在差异，这就是机械效率ηm和水力效率ηv导致的真正总效率η：η=ηmηv。

因此，螺杆钻具实际输出钻速n受水力效率ηv的影响，随着△p的增大，n会不断降低，实际输出钻速与理想状况下的差值△n，主要是由于在△p作用下，马达定子橡胶衬套变形而导致。输出转矩M随着△p的增大而增大，表明螺杆钻具的荷载能力依旧稳定。当钻头阻力增大时，△p增大，为克服阻力矩马达转矩M也随之增大，引起转速随之降低，当△p增大到临界值△pc时，钻头转速为零制动，出现n=0的状况，此时转矩M达到最大值Mmax，称为制动力矩。

二、螺杆钻具试验台组成系统及试验原理

螺杆钻具试验台主要包括动力系统、加载系统，循环系统，数据处理系统。通过模拟螺杆钻具井下作业实际状况，对其性能进行测试时。一方向对钻具提供压力，输入循环介质，使之正常工作；一方面模拟钻头井底工作时的阻力，通过电磁刹车加载，对钻具动力输出端施加不同的扭矩载荷。

实验开始后，根据既定的频率，对数据进行采集，测试出钻具在不同扭矩载荷下稳定工作的输入压力、输出压力、输出扭矩、输出钻速、循环流量、入口循环物质温度等参数。再通过数据处理软件，对参数进行分析处理后，总结出该螺杆钻具的性能参数值和工作特性曲线，并形成实验报告。

由此，可以看出螺杆钻具试验台的试验操作具有流程复杂、试验时间长、对智能化技术依赖性高的特点。

三、螺杆钻具试验台的技术优化

采用智能电气控制技术、计算机虚拟技术以及现代通信技术实现自动检测，对螺杆钻具的试验系统进行优化，是目前螺杆钻具试验台达到高精度实时性工作要求的新型检测方法，其中数据的采集、处理与管理是技术优化的主要关注点。

(一)以工控机为核心的分布式数据采集系统

以工控机为核心的分布式数据管理系统，包括工控机、数据采集器、智能传感器以及电动调节阀等组成部分，在螺杆钻具性能测试中，利用计算机和多通道高速数据采集器，自动完成数据采集与存储。为减少采样通道误差影响，使用采样通道标定以及数据标度变换，来提高系统工作过程中的抗干扰能力，保证数据的准确性和稳定性。

(二)基于LabWindows/CVI的数据分析软件

基于LabWindows/CVI的数据分析软件面向对象进行编程设计，采用独立的模块组成系统，能够对螺杆钻具性能参数进行自动分析。采用多线程技术，自动对压力、流量、转速、扭矩、温度等信号完成实时采集和参数计算，采用Activex技术进行数据的处理和输出。将数据信息的采集、处理和管理形成协调的工作系统，使得螺杆钻具性能试验操作简便，试验效率提高。

(三)基于模糊PID自适应控制的自动控调节算法

在系统对压力和流量实施控制时，压力变化、流量变化分别对控制回路内环定位阀造成影响，造成压力和流量处于变化的不确定的状态。由于压力和流量相互作用，控制对象往往出现不确定和非线性的关系，此时采用不变的PID参数，压力和流量控制就会出现失效，无法实现自动平稳的目标。采用模糊PID自适应控制，能够提高调节和控制效率。模糊PID自适应控制根据单位阶跃响应图，对系统动态信息的特征进行识别，并自动进行推理，完成在线参数的自识别、自调整，在控制对象表现出不稳定特性时保证控制稳定。

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张诚，男，汉族，学生，本科，螺杆钻具，西南石油大学。