基于AMESim的顶驱下套管装置补偿液压系统仿真

　　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：电磁换向阀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。

　　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。