0 引 言

液压系统作为智能钻井工具的重要组成部分，为钻井工具提供导向压力，使导向机构紧密推靠到井壁上，纠正井斜^[1-3]。由于液压系统组成部件较多，油路结构复杂，装配和维修工作量大，时间长，且只能全部安装完成后对其整体性能进行测试，一旦出现问题，故障排查困难，不仅耽误工具的维修周期，还对工具按计划进行钻井服务造成影响^[4-7]。

目前，尚未发现用来模拟智能钻井工具液压系统并对其液压部件进行测试的装置。为此，渤海钻探工程技术研究院于2014年研制了能够完全模拟智能钻井工具液压系统工作过程的测试台。该测试台能在液压系统装配前对各液压部件进行性能检测，明确其工作性能，及时发现部件存在的质量问题和安全隐患，并根据测试结果确定该部件是否可安装到工具中继续工作，有效提高了装配和维修效率，缩短了系统维护时间。

1 技术分析 1.1 液压系统工作原理

智能钻井工具导向控制的基本思想是：当井眼轨迹偏斜量超出设定值后，位于浮动导向套上的1个或2个导向机构伸出支撑井壁，产生与井眼实际偏斜方向相反的导向集中力，将井眼轨迹纠回正确方向^[8-11]。

渤海钻探工程技术研究院研制的BH系列智能钻井工具有3种型号，适用于不同的井眼尺寸。液压系统作为控制系统和导向机构之间的枢纽，是工具正确实施导向控制的重要保障。图 1为液压导向机构工作原理图。

当控制系统中的测量单元监测到井斜以后，将信号传输给控制单元，控制单元将控制液压系统工作，只采用1台液压泵对导向机构提供液压力，通过控制4个电磁阀来对相应的活塞提供液压推力，从而将导向机构推出，导向机构将支撑在井壁上，防止壳体旋转，并给钻头一个侧向力，使钻头回到正确的轨迹方向。

1.2 测试台实现的功能

智能钻井工具液压系统性能测试台通过模拟液压系统的工作过程，对各液压部件进行性能检测和故障排查，适用于所有BH系列智能钻井工具的液压系统。该测试台不但节省了智能钻井工具的维修和测试时间，而且还在一定程度上提高了智能钻井工具的技术服务质量。

2 测试台的设计

根据液压系统的工作原理设计智能钻井工具液压系统性能测试台。测试台各部件之间通过油路进行连接，由测量和控制系统控制电磁阀的动作，实时监控液压泵进、出口的流量和压力，作为其性能分析和判断的依据，并为电子设备提供直流电源。整套装置放置于可移动测试平台上。

2.1 测试台液压油路设计

智能钻井工具液压系统性能测试台液压油路如图 2所示，包括测试回路和调压回路。测试回路中，带有压力囊的压力调节阀的出油管与液压泵的进油管相连，液压泵的出油管和油囊相连，油囊与压力调节阀的进油管相连。在压力调节阀与液压泵之间的油路上设置有测定液压泵进口性能指标的第1压力测量仪器和第1流量测量仪器，在液压泵和油囊的油路上设置有测定液压泵出口性能指标的第2压力测量仪器和第2流量测量仪器；调压回路设置在压力调节阀的出油管和进油管两端，用于调节液压泵的压力和流量，包括4组并联的电磁阀和每个电磁阀上连接的一个提供导向推力的活塞。压力调节阀上设置有为测试台提供循环测试用油的进油孔，液压泵上连接有带动液压泵运转的电机。

2.2 测量和控制系统设计

液压泵的泵送压力和流量达到一定阈值时才能保证电磁阀开启后对活塞产生足够的导向推力。因此，液压泵进、出口压力和流量值是判断其工作性能的重要指标，需对其进行实时监测。

液压泵进、出口压力和流量的常规测量方法是使用表式压力计和流量计。表式测量方法简单直观，从表盘上可直接获得液压泵进、出油口处压力和流量的变化规律，但不能获得连续的压力和流量分布曲线图。此外，由于液压泵的流量及压力变化较小，表式测量仪器在灵敏度、测量准确度和响应速度上无法满足系统要求，存在误差大及精度低等缺点。因此，系统选用数字压力传感器和流量传感器作为液压泵进、出口压力和流量的测量设备，如图 3所示。具体参数如表 1所示。

选用BH系列智能钻井工具中的测量和控制电路作为笔者设计的液压系统性能测试台的测量和控制电路，从而准确模拟各部件的真实工作状态，其主要功能是为测试台提供所需的直流稳压电源，控制电机的工作以及电磁阀的开启与关断。测量和控制系统功能模块如图 4所示。

2.3 可移动测试平台设计

根据液压系统各组成部件的尺寸及油路布局要求设计可移动测试平台。针对不同系列的工具，设计不同型号的可拆卸底座，用于固定液压泵、电磁阀等液压系统部件，每个底座上均设计有进油、出油通道，按照工具实际油路走向，将各组成部件通过液压管路进行连接，完全模拟液压系统的整个工作过程。

综上，设计完成的BH系列智能钻井工具液压系统性能测试台如图 5所示。

图 5中，液压泵和电机需要安装到密封的底座内，通过压力传感器和流量传感器对被测试液压泵进、出油口处流量和压力进行检测，进而确定液压泵的工作性能。4个电磁阀关闭状态时，液压油从压力调节阀流经液压泵和油囊，最终回到压力调节阀中。通过设置的传感器可以检测液压泵进、出油口处的性能指标。当开启其中1个或2个电磁阀时，液压油从压力调节阀流经电磁阀进入到相应的活塞中，在液压油压力的作用下活塞被顶出；当关闭电磁阀时，通过外界施加给活塞的压力使活塞中的液压油回流到压力调节阀，可以测得压力改变情况下液压泵的性能指标。其他液压元件裸露在外面，可以直观地观察其工作状态。对于不同型号的智能钻井工具，只要更换相应的部件即可对其液压系统进行性能测试。

3 功能试验

2015年4月，在新疆库尔勒厂房内采用智能钻井工具液压系统性能测试台对液压泵的工作性能进行测试。测试生成的曲线如图 6所示。

从图 6可以看出，液压泵正常工作时，进口处的压力为0.1 MPa，流量为0.02 L/h，出口处的压力为8.0 MPa，流量为1.50 L/h。但是在开启其中1个或2个电磁阀时，液压泵进、出口的流量和压力会变小，等到活塞完全伸出后，压力和流量值会重新稳定到正常工作时的数值。当测得液压泵进、出油口处的压力及流量达不到正常工作的数值时，说明该液压泵出现问题，需要更换。

该测试台已经应用到对工具液压系统的检测当中，缩短工具的维修及测试时间1~2 d，提高了工具的性能及服务质量，延长了工具的使用寿命。

4 结 论

(1) 测试台根据BH系列垂直钻井工具油路实际走向进行设计，采用工具自身的控制电路对电机和电磁阀进行控制，可完全模拟液压系统真实工作状况，实现对各部件工作性能的准确检测。

(2) 测试台为不同系列工具的液压部件设计了专门的可拆卸底座，底座上均设计进、出油口，安装、拆卸方便，通用性好。

(3) 测试台可对液压系统各部件的性能单独进行测试，测试结果能准确反映其工作性能和故障原因，对缩短工具的维修时间，提高工具的组装和测试效率具有重要意义。