連續(xù)油管注入頭液壓同步控制系統(tǒng)設(shè)計

孫仁俊

（中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州434020）

連續(xù)油管注入頭液壓同步控制系統(tǒng)設(shè)計

孫仁俊

（中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州434020）

為了解決連續(xù)油管注入頭閉式驅(qū)動系統(tǒng)的雙液壓馬達(dá)輸出不同步問題，設(shè)計了一種用于注入頭馬達(dá)液壓同步控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對同步馬達(dá)轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力等性能參數(shù)與驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)行匹配，通過同步控制系統(tǒng)的強(qiáng)制同步迫使兩側(cè)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速一致，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)雙液壓馬達(dá)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。模擬油田現(xiàn)場實(shí)際工況，對配備液壓同步控制系統(tǒng)的注入頭進(jìn)行了動載試驗(yàn)，注入頭雙側(cè)馬達(dá)同步性大幅度提高，鏈條驅(qū)動系統(tǒng)低速同步運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，注入頭液壓同步控制系統(tǒng)提高了注入頭運(yùn)行的可靠性，降低了注入頭工作中對油管造成損傷的風(fēng)險，提升了連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

連續(xù)油管；注入頭；液壓同步；控制系統(tǒng)

1 注入頭結(jié)構(gòu)概述

注入頭是連續(xù)油管下入和起出油井的核心部件，其主要功能是克服井下壓力對油管的上頂力和摩擦力，把連續(xù)油管下入井內(nèi)或夾持不動或從井內(nèi)起出。其由兩臺可正反方向旋轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)帶動兩個相對布置的鏈輪進(jìn)行工作，借助鏈節(jié)間的夾持塊夾住連續(xù)油管，使之與鏈條一起運(yùn)動，最終為連續(xù)油管的起升或下放提供動力[1-3]，連續(xù)油管注入頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

國內(nèi)外注入頭同步原來采用同步齒輪進(jìn)行主動同步的方式，但是注入頭箱體體積需做得較大，并且單邊鏈條檢修不方便，之后逐步取締了這種機(jī)械同步控制方式?，F(xiàn)在普遍使用的是被動同步方式，注入頭雙鏈條夾持油管運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)可近似為剛性連接的同步驅(qū)動系統(tǒng)，屬于被動同步，由于沒有剛性軸連接，并不能保證雙側(cè)馬達(dá)驅(qū)動的完全同步性。主動同步與被動同步對比見表1。雖然注入頭驅(qū)動是采用一個注入頭泵帶動雙側(cè)馬達(dá)的閉式驅(qū)動系統(tǒng)，但雙液壓馬達(dá)驅(qū)動方式屬于自然分流方式，由于兩路馬達(dá)系統(tǒng)控制閥件的性能差異，以及馬達(dá)實(shí)際制造存在的誤差等，這些因素會導(dǎo)致雙馬達(dá)系統(tǒng)存在差異，使得閉式系統(tǒng)對雙馬達(dá)液壓油流量分配不均勻，導(dǎo)致兩馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速不同步；由于兩側(cè)液壓馬達(dá)共同驅(qū)動同一負(fù)載，當(dāng)兩側(cè)馬達(dá)輸出不同步時，會造成油管單側(cè)打滑，進(jìn)而磨損油管，嚴(yán)重時可能使注入頭失穩(wěn)，對整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來影響[4-6]。

圖1 注入頭結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主動同步與被動同步對比

2 液壓同步控制系統(tǒng)設(shè)計

注入頭系統(tǒng)由液壓驅(qū)動 （其液壓系統(tǒng)采用了閉式驅(qū)動系統(tǒng)）通過一個變量柱塞泵與兩個變量馬達(dá)組成閉式回路。如何保證兩馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速同步是目前連續(xù)油管設(shè)備一直需要解決的難題[7-10]。本研究通過對同步馬達(dá)與驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力等性能參數(shù)的匹配，設(shè)計出一種液壓馬達(dá)同步控制系統(tǒng)，其目的在于通過同步控制系統(tǒng)的強(qiáng)制同步迫使兩側(cè)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速一致，最終實(shí)現(xiàn)雙液壓馬達(dá)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 同步控制系統(tǒng)原理圖

圖2中，注入頭馬達(dá)液壓同步控制系統(tǒng)包括驅(qū)動馬達(dá)1、驅(qū)動馬達(dá)2、同步馬達(dá)3、同步馬達(dá)4、同步閥組及連接管路6與連接管路7。驅(qū)動馬達(dá)1、2與系統(tǒng)主油路連接，組成閉式回路；同步馬達(dá)3與驅(qū)動馬達(dá)1剛性連接；同步馬達(dá)4與驅(qū)動馬達(dá)2剛性連接；同步閥組出油口A1與同步馬達(dá)3出油口A′管路連接；同步閥組出油口A2與同步馬達(dá)3出油口B′管路連接；同步閥組出油口A1′與同步馬達(dá)4出油口A′管路連接；同步閥組出油口A2′與同步馬達(dá)4出油口B′管路連接。同步馬達(dá)3與同步馬達(dá)4通過管路6、管路7連接組成閉式回路，從液壓系統(tǒng)引一路壓力油到同步閥組的進(jìn)油口，通過單向閥E或單向閥F給此閉式回路進(jìn)行補(bǔ)油。

在起油管時，注入頭驅(qū)動馬達(dá)1與2的進(jìn)油口分別是B與A，同步馬達(dá)3的B′口為吸油口，同步馬達(dá)4的A′口為吸油口，假如注入頭驅(qū)動馬達(dá)1比馬達(dá)2轉(zhuǎn)動的更快一些，則其分別串聯(lián)的同步馬達(dá)3比同步馬達(dá)4轉(zhuǎn)動的更快，通過同步閥組內(nèi)的單向閥E給管路6補(bǔ)油，因速度更快，此時同步馬達(dá)3的A′口排出的液壓油量大于同步馬達(dá)4的A′口因旋轉(zhuǎn)所需吸入的液壓油量，管路7壓力迅速增加，驅(qū)動同步馬達(dá)4以更快速度旋轉(zhuǎn)，同步馬達(dá)4帶動與之串聯(lián)的驅(qū)動馬達(dá)2迫使其以更快速度旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動馬達(dá)1與2的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。假如注入頭驅(qū)動馬達(dá)2比1轉(zhuǎn)動的更快一些，通過同步閥組內(nèi)的單向閥F給管路7補(bǔ)油，因速度更快，此時同步馬達(dá)4的B′口排出的液壓油量大于同步馬達(dá)3的B′口因旋轉(zhuǎn)所需吸入的液壓油量，管路6壓力迅速增加，驅(qū)動同步馬達(dá)3以更快速度旋轉(zhuǎn)，同步馬達(dá)3帶動與之串聯(lián)的驅(qū)動馬達(dá)1迫使其以更快速度旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到驅(qū)動馬達(dá)1與2的同步效果。下油管時同步原理與起油管相同。

同步閥組的原理圖如圖3所示，同步控制系統(tǒng)閉式回路通過一路單獨(dú)外接的壓力油補(bǔ)油管路，經(jīng)同步閥組內(nèi)單向閥E或F向管路6或管路7進(jìn)行補(bǔ)油。同步閥組內(nèi)的溢流閥M的作用是對同步馬達(dá)所產(chǎn)生的閉式回路起保護(hù)作業(yè)，設(shè)定壓力為35 MPa，當(dāng)管路7或管路6的壓力超過其設(shè)定壓力時，經(jīng)單向閥G或H溢流掉多余的壓力油；同步閥組內(nèi)的高壓球閥N的作用是：當(dāng)打開此球閥時，管路7與管路6兩端壓力相等，兩同步馬達(dá)進(jìn)出油口壓力相同，因同步馬達(dá)與驅(qū)動馬達(dá)剛性連接，此時兩同步馬達(dá)處于隨動狀態(tài)，同步控制系統(tǒng)閉式回路不起同步作用。

圖3 同步閥組原理圖

3 注入頭動載試驗(yàn)

對配備液壓同步控制系統(tǒng)的注入頭進(jìn)行動載試驗(yàn)，模擬油田現(xiàn)場實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大噸位穩(wěn)定、連續(xù)加載，全面檢測注入頭控制系統(tǒng)性能及工作穩(wěn)定性，注入頭動載試驗(yàn)實(shí)物如圖4所示。首先使注入頭在高速檔和低速檔進(jìn)行空跑，觀察注入頭兩側(cè)鏈條的運(yùn)轉(zhuǎn)同步性，沒有配備液壓同步控制系統(tǒng)的注入頭在馬達(dá)驅(qū)動壓力為4 MPa時單側(cè)鏈條開始運(yùn)轉(zhuǎn)，馬達(dá)壓力為5 MPa時另外一側(cè)鏈條開始緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，馬達(dá)壓力達(dá)到8 MPa時兩邊鏈條速度較接近，而配備液壓同步控制系統(tǒng)的注入頭在馬達(dá)驅(qū)動壓力為4 MPa時兩側(cè)鏈條能同步起動，同步性能較好；然后穿入連續(xù)油管進(jìn)行大噸位加載，相應(yīng)試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)見表2。

圖4 注入頭動載試驗(yàn)

表2 注入頭動載試驗(yàn)參數(shù)

通過動載試驗(yàn)可以得出，本研究設(shè)計的用于注入頭馬達(dá)液壓同步控制系統(tǒng)，在高速、大噸位運(yùn)轉(zhuǎn)時，注入頭泵輸出壓力穩(wěn)定，注入頭鏈條、夾緊油缸抖動明顯減輕，注入頭運(yùn)轉(zhuǎn)較之前更平穩(wěn)，此液壓同步控制系統(tǒng)能起到很好的同步作用。因同步控制系統(tǒng)為閉式回路，系統(tǒng)發(fā)熱是需要考慮的問題，當(dāng)系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，實(shí)時測量同步馬達(dá)溫度，最高在87℃左右，選用相應(yīng)的氟橡膠密封的馬達(dá)能很好滿足要求。

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計的用于注入頭馬達(dá)液壓同步控制系統(tǒng)，通過同步控制系統(tǒng)的強(qiáng)制同步迫使兩側(cè)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速一致，最終實(shí)現(xiàn)雙側(cè)液壓馬達(dá)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。該液壓同步控制系統(tǒng)能使注入頭雙側(cè)馬達(dá)同步性大幅提高，鏈條驅(qū)動系統(tǒng)低速同步運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，提高了注入頭運(yùn)行可靠性，降低了注入頭工作中對油管損傷的風(fēng)險，提升了連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前已有2套此類型注入頭在油田現(xiàn)場作業(yè)，得到了用戶的一致認(rèn)可。

[1]郭峰，張保弟，孫曉明，等.連續(xù)管作業(yè)機(jī)油管滾筒的研制[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（3）：54-55.

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Design of Hydraulic Synchronous Control System for Coiled Tubing Injection Head

SUN Renjun
（No.4 Machinery Plant,Sinopec Petroleum Engineering Machinery Co.,Ltd.,Jingzhou 434020,Hubei， China）

In order to solve the out of sync problem of coiled tubing injection head closed drive system double hydraulic motor,a kind of injection head hydraulic motor synchronous control system was designed.The system matched the synchronous motor speed,torque,pressure and other performance parameters with the driving motor,the synchronous control system forced the output speed of both sides of hydraulic motor to be consistent,finally achieved the purpose of synchronous operation of hydraulic motor.Simulated oil field actual working condition,the dynamic load test was conducted for injection head equipped with hydraulic synchronous control system,the synchronous operation of injection head both sides motor was greatly improved,the chain drive system run smoothly at low speed.The test results showed that the injection head hydraulic synchronous control system improved the reliability of the injection head operation,reduced the damage risk of injection head to tubing,and improved the stability of coiled tubing equipment system running.

coiled tubing； injection head； hydraulic synchronization； control system

TE905

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.005

孫仁?。?986—），男，湖北仙桃人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事石油裝備液氣設(shè)計工作。

2017-05-26

編輯：黃蔚莉