油气田井下磨铣工具教学实验平台设计与开发

王旱祥，车家琪，张 辛，王雨婷，刘延鑫，董祥伟，刘家春，侯晓博

（1. 中国石油大学（华东） 机电工程学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油集团海洋工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

在石油和天然气的钻井、采油过程中，容易出现井筒堵塞，严重影响后续生产，需要下入磨铣工具对堵塞物进行钻除，以恢复生产[1-3]。磨铣工具是石油行业修井施工中必备的一类工具，作用是利用铺焊在基体表面的硬质合金材料破碎井内的管柱、工具、水泥及其他落物，达到恢复油气井正常生产的目的[4-5]。

在修井过程中，磨铣工具需要承受很大的钻压和转矩[6]。相比常规的机加工钻磨铣过程，井下环境复杂多变并且难以观测，危险程度高，井筒堵塞也会造成严重的经济损失[7]。因此有必要设计一种油气田井下磨铣工具的教学实验平台，通过直观演示井下磨铣工具的工作过程，使学生加强对油气田施工现场的认识，加深对井下工具结构原理和工作过程的理解，并为学生开展创新训练和科学研究提供实验条件[8-9]。

1 教学实验平台整体方案设计

油气田井下磨铣工具教学实验平台的目的是对磨铣工具工作过程进行模拟演示，为了模拟钻压和转速等施工参数，需要控制磨铣工具的工作压力和转动速度，同时实时监测磨铣工具的工作压力、转动速度和转矩等参数，便于对磨铣工具的工作性能进行定量分析。另外，通过辅助设备对磨铣过程进行静态观察和热场分析，同时对切屑进行微观分析，便于对磨铣工具的工作性能进行定性分析。

1.1 设计要求

技术方案的设计应尽量考虑与现场使用条件相吻合，可以测试磨铣工具在不同转速、不同载荷下的磨铣性能参数，从而有利于教学演示和实验分析，需要满足以下设计要求：

（1）电动机可变频调速，调速范围为 20～200 r/min；

（2）推力模块采用电动缸设计，输出推力可调范围为0～20 kN，输出速度可调范围为0～50 mm/s，调节行程为200 mm；

（3）推力模块的输出推力和输出速度与设定值误差均在1%以内。

1.2 设计思路

综合考虑以上要求，本教学实验平台由五部分组成，分别为动力模块、传动模块、磨铣模块、电缸模块和测控模块，如图1所示。

图1 教学实验平台整体思路

动力模块由变频电机输出动力，并通过变频器实现变频调速；传动模块中，通过减速器实现减速功能，并通过皮带传动防止转矩过载而损坏电机；磨铣模块中，磨铣工具上端与螺纹接头通过螺纹固定连接，磨铣试样装夹在下方的四爪卡盘内部，四爪卡盘通过导轨实现上下往复直线运动；电缸模块中，通过触摸屏设置参数，经控制柜信号转换，最终控制电动缸运动；测控模块主要通过传感器实现钻压、转矩和转速等数据的实时采集和显示。

1.3 设计方案

本教学实验平台整体方案如图2所示，综合考虑实际实验室的空间情况与现场实际工况，选择立式总体布局方案。其中动力模块包括变频电机，主要为磨铣工具提供动力；传动模块包括减速器和联轴器，减速器将电机输出的高转速降为低转速，并增大转矩；磨铣模块包括磨铣工具和工作台，在电动缸推力作用下，工作台上夹持的工件与转动的磨铣工具接触并进行磨铣工作；电缸模块包括电动缸和PLC控制器，电动缸上的压力传感器测量电动缸上端的压力，并通过PLC控制器反馈调节，控制压力在合理范围之内；测控模块包括转矩转速传感器和压力传感器，用于实时测量磨铣过程中的转速、转矩和钻压等数据。

图2 教学实验平台整体方案

2 教学实验平台详细设计

2.1 动力模块

动力部分主要由提供一定转矩和转速的变频电机和变频器组成。根据钻修井用磨铣鞋标准 SY/T 6072-2009，确定磨铣工具性能实验参数如表1所示。同时考虑教学实验的安全性，适当增大转速的可调范围，便于后期实验分析比较，确定钻压的可调载荷范围为0～20 kN，转速可调范围为20～200 r/min。

表1 磨铣工具性能实验参数

变频电机为磨铣工具转动提供动力，需要对其进行功率选型。变频电机功率与磨铣工具受力有关，其中磨铣工具受力分析如图3所示。

图3 磨铣工具受力分析图

磨铣工具堆焊材料为硬质合金，井下落物为铸铁材料，两者摩擦系数为 0.3[10]。那么，磨铣工具工作过程中受到的转矩为

式中，T为磨铣工具工作转矩，μ为摩擦系数，FN为钻压，D为磨铣工具外径。

由式（1）得到在20 kN钻压下，磨铣工具受到的转矩为300 N·m，根据电机转矩计算公式（2），便可以得到电机功率[11]。

式中，Tm为电机转矩，P为电机功率，n为电机转速。

已知电机转速n的上限为200 r/min，电机转矩Tm为300 N·m，那么电机功率为6.28 kW。考虑到电机传动过程功率损耗，以及磨削力要大于单纯的摩擦力，根据电机尺寸系列，选择功率为7.5 kW的变频电机。

2.2 传动模块

本教学实验台为有级传动，需要传动平稳且能够将速度降低到合理范围之内。由于电机输出转速较高，若采用链传动，将有很大的动载荷，传动会不平稳且有较大的噪音和冲击，故选择带传动[12]。考虑到减少打滑现象，故采用同步带传动，具体如图4所示，该同步带传动平稳无噪音，具有过载保护的作用。另外，传动模块还包括齿轮减速器，它将电机输出轴的高转速传递给磨铣工具，并符合磨铣工具的实验测试参数范围。

图4 同步带传动

2.3 电缸模块

电缸模块由电动缸、可编程控制器、触摸屏组成。电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转换为直线运动，相比液压缸具有结构简单、传动效率高、定位精度高等优点[13]。通过可编程控制器可以对伺服电机进行控制，并在施加钻压过程中加入负反馈调节，提高实验精度，同时实现了钻压设置、电缸自动前进后退、手动前进后退、超压报警、急停等功能，即在保护安全的情况下，还可以提供足够大的钻压，电动缸具体结构如图5所示。

图5 电动缸结构图

触摸屏控制界面如图6所示，其中“当前推力”显示的是电动缸实时推动输出的力，即磨铣工具的钻压；当手指按住触摸屏的“手动前进”或“手动后退”按键后，电动缸会按照运行参数设置页面里的点动速度前进或者后退，当手指松开后，电动缸停止运行；当手指点击触摸屏的“回原点”按键后，电动缸开始执行找原点动作；当手指点击触摸屏的“启动”按键后，电动缸开始按照运行参数设置页面里的参数开始运行，直到点击“停止”按键后才返回原点位置。

图6 触摸屏控制界面

2.4 磨铣模块

磨铣工具形状种类丰富，分为平底磨铣工具、凹底磨铣工具、梨形磨铣工具、锥形磨铣工具和领眼形磨铣工具[14]。根据本教学实验台的要求和工况，选择平底磨铣工具进行教学演示及参数测量，使用的磨铣工具如图7所示。

图7 磨铣工具

具体来说，磨铣工具的螺纹接头和动力轴通过螺纹连接，硬质合金通过焊接固定在磨铣工具基体下端，执行磨铣工作。减速器输出轴通过联轴器驱动磨铣工具转动，并使磨铣工具具有一定的转速。在电动缸推力作用下，对工作台产生一定的载荷，之后磨铣工具与工作台逐渐接触并开始磨铣工作。

2.5 测控模块

测控部分包括转矩转速传感器和数据采集模块。转矩转速传感器中，环形变压器提供感应电压，经过应变桥整流、稳压后转换成稳定电压，再将电压放大，同时将其转换为方波信号，并发送给外部的信号接收器，最后在调节后转换为与方波同频率的数字信号。转速传感器中码盘和旋转体集成一体，进行旋转，光电开关通过光电效应进行门电路处理，输出一个高低电平脉冲信号，脉冲信号频率与转速成比例，实现物理量转速到电信号的转换[15]。本教学实验台中变频电机功率确定为7.5 kW，根据电机转矩计算公式（2），确定磨铣工具的工作转矩为 358.1 N·m。根据转速转矩传感器的尺寸系列，选择量程范围为0～500 N·m的转速转矩传感器，最终选用的转矩转速传感器如图 8所示。

图8 转矩转速传感器

转速、转矩等数据的采集工作主要通过M400数

据采集管理软件完成，操作界面如图9所示。本软件通过计算机串行口采集仪表测量数据，并且可以实时显示数据，同时还可以绘制对应曲线和导出数据，满足不同的使用需求。

图9 M400数据采集管理软件

3 教学实验设计

通过针对油气田井下磨铣工具的教学实验，可以为学生直观演示井下工具的工作过程，同时对磨铣工具工作性能进行测试，以满足教学演示和创新训练的需求。

3.1 实验设备

1）井下磨铣工具教学实验平台。

油气田井下磨铣工具的教学实验平台如图 10所示，满足节 1.1设计要求，可以测试磨铣工具在不同转速、不同载荷下的磨铣性能参数。

图10 教学实验平台实物图

2）磨铣工具。

对平底磨铣工具、凹底磨铣工具、梨形磨铣工具、锥形磨铣工具和领眼形磨铣工具等进行性能测试和评价，D=100 mm，接头螺纹采用NC26螺纹。

3）冷却设备。

由于在磨铣工作过程中，磨粒温度迅速升高，因此需要对磨铣工具进行降温冷却，本实验采用金属切削冷却喷雾器进行冷却。

4）测试设备。

除了通过压力传感器和转速转矩传感器实时监测磨铣工具的工作压力、转动速度和转动转矩外，还通过高速摄像机记录磨铣工作过程，通过红外成像仪观测磨铣工作过程中的热场分布，从而更好地对磨铣工具的工作性能进行定性分析和定量评价。

3.2 操作方法

本教学实验台可通过调整不同的工艺参数和更换不同结构类型的磨铣工具，分析磨铣工具的工作过程，并以转矩为评价指标，分析钻压和转速对钻磨铣过程的影响规律，具体操作方法如下：

1）启动操作。

当启动本教学实验台时，首先通过四爪卡盘夹持磨铣试样，并打开变频电机电源开关，变频电机开始转动，通过变频器调节变频电机的转速，用来模拟不同转速对磨铣过程的影响；然后在控制器上设定需要模拟的推力大小，控制器根据设定的推力大小，控制推力电动机转动，进而通过推力减速器与推力电动缸控制推力电动缸推杆的位移，在推力电动缸推动作用下，夹持磨铣试样的工作台沿着燕尾槽导轨向上直线运动，当磨铣试样与磨铣工具接触后，压力传感器开始出现压力示数，根据压力传感器的数值，控制器通过反馈调节调整推力电动机转动，以使得推力电动缸输出的推力与设定的推力大小一致，从而模拟不同钻压对磨铣过程的影响；之后磨铣工具开始磨铣工作，此时记录转速转矩传感器输出的转速和转矩大小，从而分析钻压和转速对磨铣过程的影响规律。

2）关闭操作。

当关闭本教学实验台时，首先打开控制器回原点开关，推力电动机反向转动，驱动推力电动缸推杆缩回到初始位置，从而带动夹持磨铣试样的工作台沿着燕尾槽导轨向下直线运动到极限位置，然后关闭变频电机电源开关，此时变频电机停止转动，最后取下磨铣试样，完成磨铣工具的性能测试实验工作。

3）更换磨铣工具操作。

当更换磨铣工具时，只需要将不同结构类型的磨铣工具与螺纹接头通过螺纹配合固定连接即可，以分析不同结构类型的磨铣工具对磨铣过程的影响规律。

3.3 实验预期效果

1）磨铣工具工作过程演示。

本教学实验台根据现场工况条件进行设计，可以对不同结构类型磨铣工具的工作过程进行教学演示，并与现场工作过程相吻合，有助于学生加强对油气田施工现场的认识，加深对井下工具结构原理和工作过程的理解。

2）磨铣工具力学性能测试。

本教学实验台可对磨铣工具进行力学性能测试，具体来说，可以设定相同的转速，调节不同的钻压，通过磨铣时间、磨铣深度、转矩曲线等参数指标确定钻压对磨铣性能的影响规律；设定相同的钻压，调节不同的转速，通过磨铣时间、磨铣深度、转矩曲线等参数指标确定转速对磨铣性能的影响规律。学生通过研究钻压、转速等工艺参数对磨铣性能的影响规律，加深对油气田现场施工工艺的理解。

3）磨铣过程机理研究。

本教学实验台可通过高速摄像机拍摄观察磨铣时切屑的产生过程，观察切屑的形状大小，并通过更换不同的磨铣工具，观察切屑微观形态的变化，对磨铣工作机理进行分析，加强学生对磨铣工具工作机理的认识。

4 结语

以油气田常用的磨铣工具为载体，搭建本教学实验平台，可以充分发挥石油院校特色，让学生直观认识井下磨铣工具的工作过程，有助于学生加强对油气田施工现场的认识，加深对井下工具结构原理和工作过程的理解，并为学生开展创新训练和科学研究提供实验条件。另外，本实验台运用了机电一体化、材料力学中的关键技术，如负反馈调节、数据采集、变频调速等，具有很好的综合性，同时结合具体实验操作，可以较好地培养学生的动手实践和科研创新能力。