連續(xù)管作業(yè)機(jī)滾筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

劉平國，段文益，周忠城，楊 高，胡志強(qiáng)，顏家福

(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，湖北 荊州 434000)

設(shè)計(jì)計(jì)算

連續(xù)管作業(yè)機(jī)滾筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

劉平國，段文益，周忠城，楊 高，胡志強(qiáng)，顏家福

(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，湖北 荊州 434000)

為進(jìn)一步提高連續(xù)管作業(yè)機(jī)滾筒的性能，使?jié)L筒能更好地與注入頭進(jìn)行協(xié)同工作，滿足各種作業(yè)工況要求(尤其對于橇裝設(shè)備及超深井復(fù)雜作業(yè))，對滾筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)方案進(jìn)行研究。通過分析滾筒工況，對3種滾筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)方案進(jìn)行對比分析，得出最優(yōu)方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)場應(yīng)用情況表明，所采用的方案能滿足作業(yè)時(shí)的多種控制要求及各種作業(yè)工況，操作簡單、安全可靠，進(jìn)一步提升連續(xù)管作業(yè)機(jī)性能。

連續(xù)管；滾筒；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)；方案分析

隨著我國連續(xù)管技術(shù)的不斷發(fā)展，目前各油田都有數(shù)臺(tái)連續(xù)管作業(yè)機(jī)應(yīng)用于固井、壓裂、測井等作業(yè)工藝，有效提高效益，降低綜合成本。特別是對于一些復(fù)雜工況及超深井、惡劣環(huán)境等情況時(shí)，連續(xù)管作業(yè)機(jī)體現(xiàn)出更強(qiáng)的優(yōu)越性[1-2]。滾筒是連續(xù)管作業(yè)機(jī)的重要組成部分，其主要用于對連續(xù)管進(jìn)行纏繞并與注入頭配合實(shí)現(xiàn)起管工況時(shí)對連續(xù)管進(jìn)行收管，下管工況時(shí)對連續(xù)管進(jìn)行放管，并保證在放管時(shí)連續(xù)管相對于下管方向有一定張力，不使連續(xù)管在滾筒上產(chǎn)生“蜂窩”[3]。本文分析了滾筒的具體工況，對3種滾筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析與比較，得出最優(yōu)方案并通過現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，能夠很好地滿足各種作業(yè)工藝要求。

1 滾筒工況分析

滾筒為焊接結(jié)構(gòu)件，主要部件包括：滾筒體總成、底座、內(nèi)外部管匯、排管器總成、驅(qū)動(dòng)總成等。滾筒一方面用于纏繞連續(xù)管，另一方面通過滾筒體總成的空心軸及高壓旋轉(zhuǎn)接頭和高壓管匯連接外部設(shè)備，將作業(yè)時(shí)的循環(huán)液及作業(yè)工具送入到井內(nèi)進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。驅(qū)動(dòng)方式采用“液壓馬達(dá)+行星減速器”的方式并帶有剎車制動(dòng)裝置，保證滾筒工作時(shí)的可靠性、平穩(wěn)性及安全性[4]。連續(xù)管作業(yè)機(jī)作業(yè)時(shí)滾筒與注入頭相互配合對連續(xù)管進(jìn)行控制使其始終保持一定的張緊狀態(tài)。起管工況時(shí)注入頭對連續(xù)管的作用力小于滾筒對連續(xù)管的作用力，因此能將連續(xù)管纏繞到滾筒上；下管工況時(shí)注入頭對連續(xù)管的作用力大于滾筒對連續(xù)管的作用力，因此能將連續(xù)管往井內(nèi)送。排管器總成用于進(jìn)行自動(dòng)排管和強(qiáng)制排管，保證將連續(xù)管分層均勻排列在筒體上，并有計(jì)數(shù)器用于記錄起下油管的長度，潤滑裝置將潤滑液噴淋到連續(xù)管上對其進(jìn)行潤滑和起到防銹作用，進(jìn)一步提高連續(xù)管的壽命。

2 滾筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)方案

滾筒液壓系統(tǒng)主要用于為滾筒馬達(dá)、滾筒馬達(dá)剎車、排管離合器、排管臂升降、強(qiáng)排馬達(dá)及油管潤滑等提供動(dòng)力[5]。本文主要分析為滾筒馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，其余部分不進(jìn)行詳細(xì)分析。由于滾筒需要與注入頭進(jìn)行協(xié)同工作，起管工況時(shí)滾筒馬達(dá)需提供主動(dòng)力，使油管能從井內(nèi)提升并整齊纏繞到筒體上；下管工況時(shí)為保證連續(xù)管上持續(xù)有一定張力，滾筒馬達(dá)需提供與注入頭馬達(dá)對油管作用力方向相反的力，此力稱為張緊力。該張緊力又不宜太大，以正好保持連續(xù)管拉直為最好[6]。即下管工況時(shí)滾筒馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力與滾筒實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，滾筒處于被注入頭反拖狀態(tài)，此時(shí)滾筒馬達(dá)處于泵工況。針對滾筒的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)有以下3種方案。

2.1 方案一

此方案為單泵控制，如圖1所示，采用柱塞變量泵3，在主油路上設(shè)置遙控溢流閥7對壓力進(jìn)行設(shè)定，再通過遠(yuǎn)程直動(dòng)式溢流閥5對滾筒的工作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在主油路上設(shè)置手動(dòng)換向閥8對滾筒馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制。由于一直需保持連續(xù)管上有一定張緊力，因此一般情況下都是將手動(dòng)換向閥8置于起管工作位。在回油路上設(shè)置單向閥6作為背壓閥，滾筒馬達(dá)附近設(shè)置有雙向溢流閥10對馬達(dá)進(jìn)行保護(hù)，滾筒馬達(dá)剎車單獨(dú)進(jìn)行控制。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于單向閥6一般開啟壓力最大約為0.5 MPa，對于車裝連續(xù)管作業(yè)機(jī)連接管線較短，該壓力基本能滿足要求。但是，對于連續(xù)管橇裝設(shè)備，由于需增加中間過渡管線，0.5 MPa背壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)滾筒馬達(dá)供油不足導(dǎo)致馬達(dá)異響及爬行，從而使馬達(dá)受損的情況。因此，該方案利用單向閥作為背壓閥，其穩(wěn)定性及可靠性欠缺，不能很好地滿足各種機(jī)型。另外，在工作過程中溢流閥一直處于溢流狀態(tài)，使整車液壓系統(tǒng)發(fā)熱量增加，不利于整車液壓系統(tǒng)的散熱，長時(shí)間工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)直動(dòng)式溢流閥5手柄燙手的情況。

1—油箱；2—吸油過濾器；3—變量泵；4—高壓過濾器；5—直動(dòng)式溢流閥；6—單向閥；7—遙控溢流閥；8—手動(dòng)換向閥；9—壓力表；10—雙向溢流閥；11—單向閥；12—滾筒馬達(dá)；13—回油過濾器。

2.2 方案二

此方案為雙泵控制，如圖2所示，大排量柱塞變量泵3通過分流塊5一路油液用于滾筒馬達(dá)動(dòng)力供應(yīng)，其余分配到整車設(shè)備其他各分液壓系統(tǒng)。滾筒馬達(dá)供油回路上設(shè)置有調(diào)速閥15對滾筒的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并同樣設(shè)置遙控溢流閥8通過遠(yuǎn)程直動(dòng)式溢流閥7對滾筒馬達(dá)工作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。滾筒換向利用液控?fù)Q向閥9，采用遠(yuǎn)程手動(dòng)換向閥14進(jìn)行控制，使控制系統(tǒng)更方便簡潔。設(shè)置雙向溢流閥11對馬達(dá)進(jìn)行保護(hù)，滾筒剎車單獨(dú)進(jìn)行控制。另外，單獨(dú)利用小排量定量泵18作為滾筒背壓補(bǔ)油泵，在下管工況時(shí)對滾筒馬達(dá)進(jìn)行補(bǔ)油，并在補(bǔ)油泵回路上設(shè)置直動(dòng)式溢流閥16，依據(jù)各種機(jī)型需要對補(bǔ)油壓力進(jìn)行設(shè)定。

此方案通過單獨(dú)補(bǔ)油泵進(jìn)行背壓補(bǔ)油，并能通過溢流閥對背壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，能很好地滿足各種車型要求，滾筒馬達(dá)換向操作時(shí)也較容易。但是，此方案需利用2臺(tái)液壓泵同時(shí)進(jìn)行工作，并需增加液壓閥件及相關(guān)附件。此方案仍然存在工作過程中溢流閥一直處于溢流狀態(tài)，并且是2個(gè)溢流閥同時(shí)處于溢流狀態(tài)，使整車液壓系統(tǒng)發(fā)熱量進(jìn)一步增加，更不利于整車液壓系統(tǒng)的散熱。

1—吸油過濾器；2—回油過濾器；3—變量泵；4—高壓過濾器；5—分流塊；6—溢流閥；7—直動(dòng)式溢流閥；8—遙控溢流閥；9—液控?fù)Q向閥；10—壓力表；11—雙向溢流閥；12—單向閥；13—滾筒馬達(dá)；14—手動(dòng)換向閥；15—調(diào)速閥；16—溢流閥；17—高壓過濾器；18—定量泵；19—油箱。

2.3 方案三

此方案為單泵控制，如圖3所示，大排量柱塞變量泵2通過分流塊4將一路油液用于滾筒馬達(dá)動(dòng)力供應(yīng)，其余分配到整車設(shè)備其他各分液壓系統(tǒng)。滾筒馬達(dá)動(dòng)力供油回路上設(shè)置有調(diào)速閥13，可對滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。此方案關(guān)鍵點(diǎn)在于滾筒馬達(dá)動(dòng)力供油回路上設(shè)置2個(gè)先導(dǎo)式減泄壓閥8，分別連接滾筒馬達(dá)的進(jìn)出油口，利用手動(dòng)球閥7進(jìn)行切換，再通過直動(dòng)式溢流閥6對先導(dǎo)式減泄壓閥8中的某一個(gè)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。在滾筒馬達(dá)回路上同樣設(shè)置有雙向溢流閥10，滾筒馬達(dá)殼體泄油和滾筒剎車同樣單獨(dú)進(jìn)行控制。

此方案主要充分利用先導(dǎo)式減泄壓閥具有最低調(diào)節(jié)壓力這一特性，選用SUN公司的PVH-LAN型閥，通過遠(yuǎn)程控制能在0.7～21 MPa對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，能很好地滿足各種型式連續(xù)管作業(yè)機(jī)的要求。針對不同工況，通過手動(dòng)球閥7進(jìn)行切換，對先導(dǎo)式減泄壓閥8進(jìn)行調(diào)壓，當(dāng)調(diào)節(jié)一個(gè)先導(dǎo)式減泄壓閥8的壓力時(shí)另一個(gè)則處于泄壓狀態(tài)，供油路能根據(jù)需要調(diào)至所需壓力，而回油路上則形成0.7 MPa以上的背壓，能實(shí)現(xiàn)滾筒馬達(dá)一個(gè)油口供油另一個(gè)油口進(jìn)行背壓補(bǔ)油。0.7 MPa以上的補(bǔ)油壓力能滿足各種機(jī)型滾筒馬達(dá)處于泵工況時(shí)的補(bǔ)油需要，消除馬達(dá)出現(xiàn)爬行和吸空等現(xiàn)象。由于工作壓力調(diào)節(jié)是通過控制先導(dǎo)式減泄壓閥8的先導(dǎo)流量，先導(dǎo)流量大約為0.25～0.33 L/min，控制簡易且直動(dòng)式溢流閥6的發(fā)熱量也較小，能減小系統(tǒng)發(fā)熱量，消除直動(dòng)式溢流閥6手柄發(fā)燙等問題。

1—吸油過濾器；2—變量泵；3—高壓過濾器；4—分流塊；5—溢流閥；6—直動(dòng)式溢流閥；7—高壓球閥；8—先導(dǎo)式減泄壓閥；9—壓力表；10—雙向溢流閥；11—單向閥；12—滾筒馬達(dá)；13—調(diào)速閥；14—回油過濾器；15—油箱。

綜合以上3種方案，方案一控制系統(tǒng)簡易，但切換方向時(shí)沖擊較大，單向閥作為背壓閥不能滿足各種機(jī)型且可靠性不高，下管工況時(shí)易出現(xiàn)滾筒馬達(dá)吸空等現(xiàn)象，且溢流閥發(fā)熱量較大，對于橇裝式連續(xù)管作業(yè)機(jī)不宜采用。方案二的液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，需2臺(tái)泵同時(shí)進(jìn)行工作，成本較高，起管工況時(shí)需將直動(dòng)式溢流閥16壓力調(diào)至最低，定量泵18處于完全卸壓狀態(tài)否則需增加供油回路壓力，下管工況時(shí)又需將直動(dòng)式溢流閥16壓力調(diào)至所需工作壓力，操作較復(fù)雜且為兩溢流閥同時(shí)溢流發(fā)熱，進(jìn)一步增加液壓系統(tǒng)發(fā)熱量。方案三采用單泵控制，通過主油路對兩先導(dǎo)式減泄壓閥同時(shí)供油一個(gè)作為工作閥時(shí)另一個(gè)作為背壓閥，利用先導(dǎo)式減泄壓閥本身特性。很好地解決回油背壓工況能適應(yīng)各種型式連續(xù)管作業(yè)機(jī)的要求，操作簡易且發(fā)熱量小，此方案為最佳方案。

3 試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

最終確定采用方案三。系統(tǒng)安裝完成后在中石油連續(xù)管作業(yè)機(jī)試驗(yàn)室及井場試驗(yàn)基地進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明滾筒速度能很好地進(jìn)行控制并保持平穩(wěn)，滾筒響應(yīng)迅速能較好地與注入頭進(jìn)行協(xié)同工作。滾筒馬達(dá)在最高速度運(yùn)行時(shí)未出現(xiàn)吸空及異響等現(xiàn)象，且整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱量也較小，處于合理范圍之內(nèi)；操作簡單方便，只需對直動(dòng)式溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)即可，正常作業(yè)時(shí)球閥一直置于起管位。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于LG360/45Q-5000、LG270/45QT及LGD73-3500等型號(hào)的連續(xù)管作業(yè)機(jī)，在各油田分別進(jìn)行多種工藝的連續(xù)管作業(yè)，取得良好效果。使整套設(shè)備液壓系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提升，安全性及可靠性進(jìn)一步得到提高，操作方便，進(jìn)一步降低作業(yè)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1) 對3種滾筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的對比分析，并通過試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用的驗(yàn)證，證實(shí)方案3為最佳方案，已在不同型式的連續(xù)管作業(yè)機(jī)中廣泛使用。

2) 采用方案三使?jié)L筒液壓傳動(dòng)系統(tǒng)簡單可靠，操作性強(qiáng)，進(jìn)一步提高連續(xù)管作業(yè)機(jī)滾筒的性能；有效減小液壓系統(tǒng)發(fā)熱量，提升了連續(xù)管作業(yè)機(jī)整體性能；滾筒能更好地與注入頭進(jìn)行協(xié)同控制工作，提升連續(xù)管作業(yè)機(jī)的可靠性、安全性。

3) 方案三主要通過創(chuàng)新利用元件本身的特性，達(dá)到良好的控制效果，使?jié)L筒反拖工況時(shí)能平穩(wěn)運(yùn)行，提高整機(jī)性能。

4) 后續(xù)需再結(jié)合不同管徑的連續(xù)管及連續(xù)管滾筒等不同規(guī)格及工況進(jìn)行測試，進(jìn)一步深入分析從而提升連續(xù)管作業(yè)機(jī)整機(jī)操作性能。

[1] 楊高，張士彬，劉壽軍，等.連續(xù)管注入頭驅(qū)動(dòng)液路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].石油機(jī)械，2013，41(11)：96-99.

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Design of Hydrauic Transmission System of Coiled Tubing Unit Reel

LIU Pingguo，DUAN Wenyi，ZHOU Zhongcheng，YANG Gao，HU Zhiqiang，YAN Jiafu

(JianghanMachineryResearchInstitute，DRI，CNPC，Jingzhou434000，China)

In order to further improve the performance of coiled tubing unit and make the reel work better together with injector to satisfy all kinds of operating conditions，especially for skid-mounted equipment and complex operation in ultra deep wells，the hydraulic transmission system of the reel was studied in this paper.On the basic of analysis of three reel’s hydraulic transmission systems，the optimal solution was obtained，which is verified by test.Eventually，the field application shows that the adopted solution can satisfy variety of working conditions.It is safe，reliable and simple to operate，thus the performance of the coiled tubing unit get further improved.

coiled tubing；reel；hydraulic transmission system；solution analysis

1001-3482(2017)01-0022-04

2016-06-24 基金項(xiàng)目：中國石油集團(tuán)重大工程技術(shù)推廣項(xiàng)目“連續(xù)管作業(yè)技術(shù)推廣專項(xiàng)”(20120811)

劉平國(1986-)，男，江西吉安人，碩士，2013年畢業(yè)于燕山大學(xué)液壓專業(yè)，現(xiàn)從事連續(xù)管技術(shù)與裝備的研究，主要研究方向：液壓與控制系統(tǒng)，E-mail：pingguo1376@163.com。

TE933.802

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.005