地层动态测试器液压系统仿真分析

郑 哲， 王晓冬， 王 飞， 方 璐， 韩 冬， 龚国芳， 杨华勇

(1.浙江大学 机械工程学院， 浙江 杭州 310027；2.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州 310027；3.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院， 陕西 西安 710077；4.北京航天发射技术研究所， 北京 100076)

引言

在石油勘探与开发应用领域中，地层压力是必须掌握的地层基础数据之一[1-2]。中国石油集团测井有限公司自“十一五”以来，研发的模块式地层动态测试器(Formation Dynamic Tester，FDT)包含液压动力模块、单探针模块、常规取样模块、泵抽排模块、流动控制模块、光谱分析模块等，可有效实现井下地层压力精确测量、流体实时分析及高保真取样，是目前少数能把测井地层评价提升到油藏评价的仪器[3-5]。其中，FDT在井下一系列动作均依赖液压系统，如井壁支撑、大体积预测试、地层流体采样等。因此，液压系统性能表现的优异程度关系到能否为油藏开发方案编制及地质研究提供可信依据。但随着工作环境极端化和设备尺寸小型化(具体参数如表1所示)，FDT液压系统目前面临元件多、管路复杂、布局紧凑的应用性难题[6-9]，可靠性难以得到充分保证，轻则影响测井数据准确性，重则引发仪器遇卡，延误石油勘探进度，造成不必要的经济损失。为避免FDT在井下作业时出现液压系统故障，本研究利用Automation Studio仿真软件[10-13]搭建仿真模型，预先发掘液压系统潜在缺陷，为FDT的维护与进一步优化提供理论基础。

表1 FDT工作参数表

1 FDT液压系统

1.1 液压系统组成

FDT液压系统工作原理如图1所示。系统动力装置为一套潜油电机泵(由2、3组成)。为避免FDT在井下意外断电导致探头无法正常收回，系统设有弹簧式蓄能器6，在常开电磁阀5失电后，储存的高压油液可作为紧急动力源，保证井下作业高可靠性。主油路最大工作压力由溢流阀4设定。系统控制元件为由电磁换向阀7～12组成的阀组，通过不同电信号组合来切换系统工作状态。系统执行元件为液压缸13～19，单向阀组20保证液压缸作动顺序。需要注意的是，常闭电磁阀21仅为模拟井下断电工况而增设，并非FDT液压系统中元件。

1.油箱 2.液压泵 3.电机 4.溢流阀 5.常开电磁阀 6.蓄能器 7～12.电磁换向阀 13.隔离阀 14.平衡阀 15.预测试室 16.长支撑臂 17.短支撑臂 18.探针筒 19.过滤阀 20.单向阀组 21.常闭电磁阀

1.2 液压系统工作原理

FDT获取地层压力变化需经过以下8个步骤：

(1) 潜油电机泵启动后，常开电磁阀5切换，系统优先为蓄能器6充能；

(2) 电磁阀10、12切换，隔离阀13打开，连通设备内部流体管线，此时平衡阀14处于开启状态，保证流体管线压力与地层压力保持一致，防止因内外压差过大造成设备损坏；

(3) 电磁阀8～10切换，平衡阀14关闭，将流体管线与外界泥浆隔断，此时设备仅有过滤阀19处可与外界连通。同时，长支撑臂16、短支撑臂17持续作动直至接触井壁并撑紧，探针筒18扎进井壁中。其中，单向阀组20由单向阀(上侧)及弹簧式单向阀(下侧)组成，即设定有开启压力。经过一定时间的压力建立后，过滤阀19(与探头18呈套管结构)收回，袒露地层流体流口，该设计有效防止泥浆等杂质将流口堵塞；

(4) 电磁阀7切换，隔离阀关闭，将流体管线截断，减少预测试所涉及的流体管线体积，防止由于过储效应引发的地层压力曲线失真；

(5) 电磁阀10、12切换，预测试室15收回，造成设备内流体管线局部压力下降，并在外界地层流体补充下逐渐恢复，该压力变化过程由石英压力传感器监测记录；

(6) 电磁阀7切换，隔离阀打开，设备内部流体管线连通，泵抽模块及采样模块通过探头抽取可信度较高的地层流体；

(7) 电磁阀8～12切换，平衡阀13、长支撑臂16、短支撑臂17、探针筒18依次收回，过滤阀19伸出，将残留在套管内的泥浆杂质推出；

(8) 电磁阀12切换，预测试室复位，液压系统回归初始状态。

2 FDT液压系统Automation Studio建模

基于上述FDT液压系统工作原理及功能需求，在Automation Studio软件环境对其进行仿真研究。根据仿真动态模拟过程及液压特性曲线，评估系统运行状态。为提高仿真效率，对液压系统进行合理简化后建立如图1所示仿真模型。其中，仿真模型中电机泵、电磁换向阀、液压缸、蓄能器、压力阀等元件均按照工程实际应用进行设置。同时，对仿真系统中各元件参数进行整定，设定值如表2所示。其中，液压油黏度参数按照ASTM D2270行业标准设定[14]。引入电气控制系统以尽可能模拟FDT在井下真实控制策略。

表2 Automation Studio仿真参数设置

3 Automation Studio仿真

对1.2节中描述的FDT不同工况进行仿真，Automation Studio系统仿真模型如图2所示。忽略电机泵的启动时间，仿真时间由电气控制系统调定。假设各执行元件初始状态不受外界干扰，且同步效果良好。选取液压泵和各执行元件作为数据采集对象，并将仿真数据进行预处理，获得仿真曲线。

图2 Automation Studio系统仿真模型

3.1 泵出口压力监测

在FDT下井测试过程中，凭借其内置的压力补偿装置可将油箱压力提升至所处地层压力，即各执行元件中连通油箱侧压力等同于地层压力。因此，在仿真分析过程中可短暂性忽略外负载，即系统压力保持在较低值。当系统状态切换至步骤3时，系统压力会逐渐上升至单向阀组压力设定值(19.3 MPa)。由于在后续步骤4～6中，系统工作状态会切换为压力预测试与地层流体取样， 此时系统压力将取决于当前执行元件外负载，而其值远小于单向阀组设定值，因此造成如图3所示的泵压急剧下降。该现象会导致支撑臂失稳，进而危及到FDT井下作业可靠性，如图4所示中短支撑臂在行程稳定后出现的波动。考虑到FDT在测量地层压力时需保证设备相对井眼姿态稳定，即各支撑臂无杆腔侧应保持高压。因此，在FDT内部安装体积允许范围内，可于支撑臂无杆腔侧入口交汇处增设单向阀组，其结构参照单向阀组20。

图3 FDT泵出口压力曲线

图4 长、短支撑臂行程曲线

3.2 执行元件运动状态监测

如上文所述，各执行元件需以严格先后次序辅助完成FDT地层压力测量，且对运动状态稳定性具有一定要求。根据仿真结果分析，各执行元件都存在着不同程度的浮动。如图5所示，隔离阀、探针筒及平衡阀在行程稳定后出现波动，与其理想工作状态(即维持稳定位置)相违背。分析其主要原因在于部分工作状态下执行元件活塞两侧压力相同，而压力作用面积有差异。即使考虑真实管路中存在的沿程损失等现象，压力作用面积的差异仍会促使浮动产生。为避免此类现象发生，考虑在各执行元件有杆腔一侧增设节流口以提供回油液阻。

图5 FDT隔离阀、探针筒及平衡阀行程曲线

3.3 管线压力监测

在仿真过程中，部分油液管路会出现负压现象。如图6所示中过滤阀19有杆腔侧。分析其流量走向可知，由于支撑臂在作动过程中流量走向不稳定，导致过滤阀有杆腔侧部分油液通过单向阀组20流入支撑臂管路部分。负压会造成油液中气体析出，气泡的高速破裂及弹性模量降低会引发过滤阀在探针筒中的异常抖动，加剧配合表面磨损。此外，负压意味着局部油液缺失，易造成过滤阀内配合表面快速磨损，最终演变为内泄漏严重。面对预期外的油液走向，可将单向阀组中单向阀(上侧)替换为预压力较小的弹簧式单向阀，目的是保证即使在其他执行元件浮动时，过滤阀有杆腔侧油液无法建立足够压力打开单向阀组。

图6 FDT油液管路负压现象

系统中憋压现象会导致元件及其连通管路产生严重泄漏，引发异常工况。如图7预测试室15有杆腔侧回油管路被电磁换向阀12隔断，导致油路压力局部上升直至活塞两侧作用力稳定，造成其活塞发生图8所示的往复抖动。此外，反复憋压会大大降低元器件寿命，不利于液压系统长期服役，尤其应用于极端井下环境。针对憋压现象，本研究对FDT工作状态切换逻辑进行调整，将1.2节中所述步骤7和步骤8同时操作，不仅可以有效避免憋压现象，也精简井下操作逻辑，提高测井效率。

图7 FDT油液管路憋压现象

图8 FDT预测试室行程曲线

4 结论

基于Automation Studio强大的建模、仿真功能，对FDT液压系统进行了仿真分析，能够清晰地观测到系统内各元件动态特性变化，包括泵出口压力及执行元件的运动特征。通过仿真分析可以得到以下结论：

(1)功行赏泵出口压力会在切换系统工况时出现间歇性下降，而重新建立系统压力会造成支撑臂间歇性失稳；

(2) 部分执行元件出现不同程度的浮动，导致系统稳定性降低，尤其在面临井下极端环境时；

(3) 液压系统部分管线存在压力异常状态，易引发异常工况。本研究对上述潜在缺陷提出相应液压系统优化方案，如为执行元件无杆腔侧增设节流口，调整系统状态切换逻辑等，旨在进一步提升液压系统稳定性，更好服役于井下极端环境。