井下液压元件试验装置

摘要

本发明公开了一种井下液压元件试验装置，包括控制部分和试验台；所述试验台包括油箱、液压系统和实验块，所述油箱的压力与外界环境压力相等，所述液压系统的出口与所述实验块相连接；所述液压系统安装有溢流阀，所述溢流阀的溢流口与所述油箱相连；所述实验块用于安装被测试的液压元件，所述实验块可承受高压并设置有压力传感器；所述控制部分用于接收所述压力传感器的输出信号。本发明不仅能很好地达到模拟试验的目的，而且可以避免使用特殊的抗压设计和使用笨重的耐压壳体，使得设计和制造费用大大降低，操作和更换元器件快速方便，提高了测试效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试装置，具体说涉及一种井下液压元件试验装置。

背景技术

由于液压系统重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快、操纵控制方便、容易实现机械的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高精度的自动控制，而且可以实现遥控，所以液压传动得到了广泛的运用。近年来越来越多的井下仪器比如地层测试、井壁取芯、随钻等仪器均采用了液压系统来完成其井下各种复杂的功能。但是液压系统主要依靠控制电机、泵、阀等元件来实现其各项功能，并且井下仪器工况比较复杂、环境比较恶劣，对液压元件的各种性能要求比较高，这些元件的可靠性、稳定性决定了整个液压系统的性能。为了保证液压元件井下工作的可靠性及稳定性，根据井下液压系统的结构特点及原理，研究、设计井下液压元件高温高压试验装置，检测或筛选液压元件使其各项性能指标达到要求具有非常重要的意义。

如图1所示，是现有技术中井下液压元件高温高压试验装置的结构示意图。该试验装置的外部是耐压壳体11，耐压壳体11的内部充满液压油。在耐压壳体11上设置有端盖12、打压口15；端盖12可以打开，打压口15用于给耐压壳体11内部打压并建立液压系统外部的高压环境。在端盖12设置有承压接头13，电缆线14通过承压接头13进入耐压壳体11的内部，并给耐压壳体11内部浸泡在液压油中的液压动力电机和电磁阀等供电。泵的出口和实验块16相连接，被测试的液压元件安装在实验块16内部。

井下液压系统外界是高温高压的泥浆环境，而且随着井深的变化，泥浆柱压力及温度也随着变化，所以完全模拟井下高温高压环境，则必须设计几十乃至几百兆帕并具有加温功能的高压容器(例如图1中耐压壳体11)，并且温度及压力均可调，这样，导致试验装置非常庞大复杂。另外为了试验时更换元件方便，还必须设计笨重的端盖12、承压接头13，然后高温高压容器里的测试系统还必须与井下液压系统原理一致。这样，现有的试验装置虽然完全模拟了井下的高温高压环境，但带来一系列的问题：

1、试验装置结构非常庞大笨重而复杂；

2、实现端盖12的密封并保证其耐压强度非常困难；

3、必须具有相关的资质才能进行此类试验装置的设计、制造，其费用相当昂贵，将高达一般试验装置的十几倍乃至几十倍；

4、试验装置的使用必须通过相关政府部门的审批，并备案；

5、使用时非常危险，操作相当困难，试验时必须冷却后，拆掉压力容器的端盖11，然后再拆卸、更换液压元件，加温比较缓慢，大大降低了效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种井下液压元件试验装置，可以避免使用特殊的抗压设计和使用笨重的耐压壳体，而能达到试验的目的。

为了解决上述问题，本发明提供了一种井下液压元件试验装置，包括控制部分和试验台；所述试验台包括油箱、液压系统和实验块，所述油箱的压力与外界环境压力相等，所述液压系统的出口与所述实验块相连接；所述液压系统安装有溢流阀，所述溢流阀的溢流口与所述油箱相连；所述实验块用于安装被测试的液压元件，所述实验块设置有压力传感器；所述控制部分用于接收所述压力传感器的输出信号。

优选的，所述油箱内部设置有加热器，所述加热器的控制端设置在所述控制部分。

优选的，所述液压系统包括：驱动电机、液压泵、溢流阀和电磁阀，所述驱动电机用于给所述液压泵提供动力，所述液压泵的出口与所述实验块相连，所述液压系统的出口压力大小通过调节所述溢流阀来实现。

优选的，所述油箱设置有温度传感器，所述温度传感器用于对测试过程中的温度进行实时的数据采集，并将采集到的温度数据上传给所述控制部分。

优选的，所述控制部分设置有PC机，所述PC机装有测试软件；所述测试软件用于监测所述液压元件的工况，对被测试的液压元件进行自动控制，以及对试验过程中的数据进行采集。

优选的，所述压力传感器的输出信号传递到所述PC机。

优选的，所述油箱设置有温度传感器，所述温度传感器用于对测试过程中的温度进行实时的数据采集，并将采集到的温度数据上传给所述PC机。

本发明不需要模拟井下泥浆柱的压力，而只需模拟系统压力及井下高温环境来测试井下液压元件工作性能，即达到试验的目的。采用本发明，可以避免使用特殊的抗压设计和使用笨重的耐压壳体，使得设计和制造费用大大降低，操作和更换元器件快速方便，提高了测试效率。而且采用小管线(不超过25mm)及小孔径的流体通道，避免了使用压力容器或压力管道。

附图说明

图1是现有技术中井下液压元件高温高压试验装置的结构示意图；

图2是本发明中推导压力补偿时的井下液压系统的应用场景示意图；

图3是本发明中井下液压元件试验装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明井下液压元件测试装置不需模拟井下泥浆柱压力，而只需建立相同的系统压力及高温环境即可达到模拟试验目的。

由于井下仪器外界受到泥浆柱压力的作用，为了消除随井深的变化泥浆柱压力对液压系统的影响，需对泥浆柱压力进行自动补偿，通过使用压力补偿器(通常称压力平衡装置)来实现压力平衡。现在常用的压力补偿器有皮囊式、金属薄膜式、波纹管式及弹簧活塞式等类型，虽然结构不同，但是功能和目的都是一样的。

如果不采用压力补偿技术一方面对密封有很高的要求，微小的泥浆渗漏都有可能导致元器件甚至整个系统的毁灭，而且随着井深的变化，各元件将逐步承受由内压到外压的变化，这使得系统结构设计将变得复杂；另一方面，对于传统的用耐压壳体包裹的电液驱动装备和控制系统后再驱动执行元件的方式，其笨重的耐压结构设计也直接影响到系统本体重量，进而影响到能源动力、工作效率、系统可维护性和可靠性等一系列问题。因此，对井下液压系统来说，采用压力补偿技术，不仅可以使系统避免特殊的抗压设计和使用笨重的耐压壳体，而且能很好地解决外界泥浆环境对液压系统的影响。

如图2所示，是本发明中推导压力补偿时的井下液压系统的应用场景示意图，下面结合压力补偿技术对本发明的可行性进行论证。

液压系统在井下工作时，油箱22外部是高温高压泥浆环境，液压元件浸泡在油箱22里。油箱22的一端有压力补偿器21，泥浆液的压力用P_泥浆表示，油箱22的内部压力用P_油箱表示。当压力补偿器21受到泥浆柱压力作用时，压力补偿器21就会在压差的作用下向低压端移动或变形，直到两端的压差相等，即p_泥浆＝p_油箱(忽略弹簧的弹力或预压缩力)。这样尽管井深在变化，但油箱22内部的压力总与外部泥浆柱压力实现动态平衡，油箱22壳体所受到的内外压差近似为零，这样就能够实现对不同井深泥浆柱压力的补偿。

在压力补偿器21的作用下，油箱22的内部压力等于泥浆柱的压力，这样液压泵23的吸油口压力也就是系统的回油压力，与外部泥浆柱压力相等(p_泵入口＝p_油箱)，因此回油路的内外压力是平衡的。对于供油管路，它的内部压力即液压泵23的出口压力等于系统的工作压力加上外部泥浆柱的压力(p_泵出口＝p_系统+p_油箱)，也就是说，供油管受外部的泥浆柱压力也得到了自动补偿。这样采用自动补偿式井下液压动力源消除了泥浆柱压力对液压系统的影响，保证仪器作业时系统压力稳定及较高的工作效率。

另外，井下液压系统元件采用了浸油方式设计，即被测试的液压元件浸泡在油箱22里，现对液压系统中几种元器件分析其工作原理：

1、液压泵23

液压泵23入口压力：p_泵入口＝p_油箱；

液压泵23出口压力：p_泵出口＝p_系统+p_油箱；

所以液压泵23输出功率：P_泵输出＝q·Δp＝q·p_系统，式中q是液压泵23的流量，Δp是液压泵23的进出口压差；

2、液压泵23的驱动电机

驱动电机输出功率：P_电机输出＝P_泵输入，即P_电机输出＝q·Δp，式中q是液压泵23的流量，Δp是液压泵23的进出口压差；

3、常闭电磁阀24

a)常闭电磁阀24在开启的瞬间：

常闭电磁阀24入口压力：p_入口＝p_系统+p_油箱；

常闭电磁阀24出口压力：p_出口＝p_油箱；

所以，常闭电磁阀24在开启的瞬间入口与出口之间的压差Δp＝p_系统；

b)在工作过程中常闭电磁阀24处于打开状态，相当于一个通路，所以，常闭电磁阀24入口压力：p_入口＝p_系统+p_油箱；

常闭电磁阀24出口压力：p_出口＝p_系统+p_油箱；

所以常闭电磁阀24在开启过程中入口与出口之间的压差Δp＝0

c)当常闭电磁阀24关闭时

常闭电磁阀24入口压力：p_入口＝p_系统+p_油箱

常闭电磁阀24出口压力：p_出口＝p_负载+p_油箱

所以，在关闭瞬间常闭电磁阀24入口与出口之间的压差Δp＝p_系统-p_负载(而负载与泥浆柱压力无关)。

从以上分析可知，这几种液压元件工作性能与泥浆柱压力无关，即液压元件在井下工作时不受泥浆柱压力的影响。

经过研究分析，井下液压系统在压力补偿器21的作用下，其他液压元件的工作性能同样也不受泥浆柱压力的影响，即与地面环境下的工作性能一致。

由于井下液压系统在压力补偿器21的作用下，液压元件的工作性能不受泥浆柱压力的影响，所以井下液压元件试验装置不需要模拟井下泥浆柱高压的环境，而只要模拟井下高温环境及系统压力即可达到模拟试验的目的。

如图3所示，是本发明中井下液压元件试验装置的结构示意图，井下液压元件试验装置整体上包括实验台和控制部分。

实验台用于安装被测试的液压元件，包括实验块31和液压系统，实验块31可承受高压，液压元件被测试时安装在该实验块31内，并浸泡在的液压油里。液压系统包括液压泵23、液压泵23的驱动电机、电磁阀24和溢流阀，液压泵23的出口与实验块31相连，液压系统安装有溢流阀，溢流阀的溢流口与油箱33相连。液压泵23能够为被测试的液压元件提供需要的压力。该实验块31上设置有采集液压元件压力数据的传感器，传感器对测试过程中被测试液压元件的压力进行实时的数据采集，并将采集到的压力数据实时上传给PC机。

进一步，为了模拟井下的高温环境，在油箱33内设置了加热器32和温度传感器，加热器32的控制端设置在控制柜35上，传感器和加热器32安装在油箱33内。温度传感器对测试过程中的温度进行实时的数据采集，并将采集到的温度数据上传给PC机。

本实施例中，采用小管线(不超过25mm)及小孔径的流体通道，可避免使用压力容器或压力管道的设计，使设计、制造费用大大降低，操作和更换元器件快速方便，大大提高测试效率。

控制部分包括控制柜35和测试用的PC机，PC机装有测试软件。测试软件用于监测液压元件的工况，同时，测试软件对液压元件进行自动控制，并对试验过程中的产生的数据实时记录。液压元件所受到的压力通过调节溢流阀来实现。

当被测的液压元件安装完成，通过操作控制柜35和PC机就可以开展对液压元器件进行井下模拟测试，并对试验的数据进行采集。

本发明不需要再现井下泥浆柱压力，而只需模拟被测液压元件所处的井下高温环境，来测试井下液压元件工作性能。通过实践证明，此试验装置具有很大的实用价值及经济价值，能够大大降低设计、加工制造的难度及费用，同时提高试验的安全性及易操作性，既经济又达到了试验的目的，解决了科研及产业化过程中液压元器件检测的难题。已经在实际的科研、产业化中能够得到成功地运用，并发挥非常重要的作用。