直接繞絲篩管加工技術(shù)研究

□ 陳 靜 □ 高福萬(wàn) □ 楊賀來(lái)

天津中杰科技發(fā)展有限公司 天津 300011

1 研究背景

對(duì)于疏松砂巖油藏的開(kāi)采,防止油井出砂是重要任務(wù)。油井防砂主要采用機(jī)械防砂方法。機(jī)械防砂方法對(duì)地層適應(yīng)能力強(qiáng),成功率高,相對(duì)成本低,因此應(yīng)用十分廣泛。

繞絲篩管以不銹鋼絲為原料,形成一種連續(xù)縫隙,流通能力強(qiáng),液體流過(guò)繞絲篩管時(shí)幾乎沒(méi)有壓降。繞絲篩管的筋條和繞絲由一定尺寸的三角形或其它形狀截面軋制而成,可以形成外縫窄、內(nèi)縫寬的梯形篩縫,具有一定的縫隙自潔功能。繞絲后形成的縫隙很窄,能滿足粉細(xì)砂層的濾油需求。用1Cr18Ni9Ti等不銹鋼材料制成的繞絲篩管,耐腐蝕性強(qiáng),使用壽命長(zhǎng),綜合經(jīng)濟(jì)效益好。對(duì)于海上油氣田而言,希望作業(yè)成功率高、生產(chǎn)周期長(zhǎng),所以優(yōu)先選用繞絲篩管。

傳統(tǒng)繞絲篩管常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有四種。第一,將金屬絲纏繞在基管上。第二,將金屬絲壓入帶溝槽的基管上。第三,將金屬絲壓入帶縱筋的基管上,筋條預(yù)先焊接在基管上。第四,全焊式繞絲篩管。

金屬絲纏繞在基管上,液體流通能力最弱?；芄荏w加工出溝槽,會(huì)降低管體強(qiáng)度?？v筋焊接在基管上,焊點(diǎn)容易開(kāi)焊,晶粒間腐蝕位置可能沿焊點(diǎn)位置擴(kuò)展。

采用全焊式繞絲篩管,篩套套裝在鉆孔基管上,篩套與鉆孔基管之間留有3 mm左右的間隙。當(dāng)篩管受到外力擠壓、碰撞、剮蹭時(shí),整體容易產(chǎn)生變形,繞絲容易出現(xiàn)破損,失去濾砂性能,全焊式繞絲篩管使用壽命縮短。另一方面,鉆孔基管的圓度和圓柱度不達(dá)標(biāo)會(huì)造成裝配工藝性差,基管容易剮蹭碰傷篩套,使篩套失去濾砂功能。

筆者對(duì)全焊式繞絲篩管的結(jié)構(gòu)和加工工藝進(jìn)行改進(jìn),采用直接繞絲篩管加工技術(shù),降低成本,以適應(yīng)不同地層防砂的需要。

2 直接繞絲篩管技術(shù)指標(biāo)

直接繞絲篩管的縱向筋條、橫向繞絲與鉆孔基管緊密貼合,不存在間隙,整體強(qiáng)度高。

直接繞絲篩管技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 直接繞絲篩管技術(shù)指標(biāo)

3 加工機(jī)床

直接繞絲篩管加工機(jī)床如圖1所示,結(jié)構(gòu)如圖2所示。這一設(shè)備獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。

▲圖1 直接繞絲篩管加工機(jī)床照片

▲圖2 直接繞絲篩管加工機(jī)床結(jié)構(gòu)

直接繞絲篩管加工機(jī)床由底座、床身、托管裝置、隨動(dòng)分度孔盤、主軸箱、后大齒圈、后分度孔盤、銅電極滾輪、前分度孔盤、連接桿、前大齒圈、支撐架、前小齒輪、移動(dòng)工作臺(tái)、前伺服電機(jī)、移動(dòng)伺服電機(jī)、滾珠絲杠、后伺服電機(jī)、后小齒輪、螺母等組成。底座為支撐件,床身安裝在底座上,主軸箱固接在床身后部,移動(dòng)工作臺(tái)安裝在床身前部,托管裝置安裝在床身尾端。

隨動(dòng)分度孔盤和后分度孔盤安裝在主軸箱兩側(cè),固定在主軸箱上的后伺服電機(jī)通過(guò)后小齒輪與后大齒圈組成齒輪傳動(dòng)。后大齒圈與隨動(dòng)分度孔盤、后分度孔盤同軸相連。裝在主軸箱上的銅電極滾輪壓在鉆孔基管及橫向繞絲上。

移動(dòng)工作臺(tái)通過(guò)固定在底座的移動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同軸相連的滾珠絲杠及固定在床身上的螺母,組成螺旋傳動(dòng)。支撐架和前伺服電機(jī)固定在移動(dòng)工作臺(tái)上。前伺服電機(jī)通過(guò)前小齒輪與前大齒圈組成齒輪傳動(dòng)。前大齒圈與連接桿、前分度孔盤同軸相連。托管裝置安裝在床身尾端,支撐鉆孔基管及縱向筋條。

直接繞絲篩管加工機(jī)床長(zhǎng)23 000 mm,寬1 600 mm,高2 350 mm。采用2 000 A直流焊機(jī),實(shí)時(shí)顯示焊接電流參數(shù)、工藝參數(shù)。焊接壓力氣動(dòng)控制,可以實(shí)時(shí)反饋和調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)壓力平衡,適應(yīng)各種材質(zhì)和絲徑焊接。滾珠絲杠的精度為P5級(jí),長(zhǎng)度為11.5 m。伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為5 kW或10 kW。主軸最高轉(zhuǎn)速為60 r/min。中空三爪卡盤夾持管直徑為73～219 mm。采用可編程序控制器+觸摸屏控制系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)水箱尺寸為1.8 m×0.76 m×0.28 m,水泵揚(yáng)程為4 m,排水量為2.7 m3/h。采用24 V、36 W發(fā)光二極管燈。視覺(jué)檢測(cè)精度為0.01 mm。

4 加工方法

將鉆孔基管安裝在主軸箱和移動(dòng)工作臺(tái)的三個(gè)分度孔盤上,將隨動(dòng)分度孔盤、前分度孔盤、后分度孔盤套在鉆孔基管上。沿圓周分布在鉆孔基管管體上的所有縱向筋條被依次穿入三個(gè)分度孔盤,固定于前分度孔盤上。

前伺服電機(jī)和后伺服電機(jī)同步啟動(dòng),帶動(dòng)鉆孔基管、三個(gè)分度孔盤、縱向筋條定軸轉(zhuǎn)動(dòng),橫向繞絲被送至銅電極滾輪與縱向筋條之間加壓電焊。前分度孔盤驅(qū)動(dòng)鉆孔基管、縱向筋條由移動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)向遠(yuǎn)離主軸箱的方向移動(dòng),工作臺(tái)移動(dòng)速度與鉆孔基管轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比。橫向繞絲與縱向筋條成螺旋分布,螺距為篩縫的間隙。整個(gè)鉆孔基管直接繞絲、電焊后,兩端斷絲,封焊固定端環(huán)和移動(dòng)端環(huán)。移動(dòng)端環(huán)留位移間隙,移動(dòng)端環(huán)的外環(huán)面一側(cè)與鉆孔基管焊接牢固,內(nèi)部加工與縱向筋條數(shù)量對(duì)應(yīng)的孔槽?？v向筋條及橫向繞絲穿入內(nèi)環(huán)面一側(cè)的孔槽中,當(dāng)外部工作環(huán)境溫度發(fā)生變化,橫向繞絲材質(zhì)與鉆孔基管熱膨脹系數(shù)不同時(shí),縱向筋條及橫向繞絲可以產(chǎn)生彈性位移,伸長(zhǎng)或縮短。

與傳統(tǒng)繞絲方法相比,直接繞絲篩管加工方法有如下優(yōu)點(diǎn):縱向筋條緊貼在鉆孔基管表面,橫向繞絲直接在縱向筋條表面繞絲,消除縱向筋條、橫向繞絲與鉆孔基管的間隙,與鉆孔基管形成一個(gè)整體,改變傳統(tǒng)先制造篩套再安裝鉆孔基管的工藝,提高繞絲篩管的強(qiáng)度和抗擊外力剮蹭、碰撞等破壞的能力,延長(zhǎng)繞絲篩管的使用壽命,降低制造成本,避免制造過(guò)程中的損傷。移動(dòng)端環(huán)留位移間隙,當(dāng)外部工作環(huán)境溫度發(fā)生變化,繞絲材質(zhì)與鉆孔基管熱膨脹系數(shù)不同時(shí),縱向筋條、橫向繞絲可以產(chǎn)生彈性位移,伸長(zhǎng)或縮短,保證繞絲篩管的正常使用。

直接繞絲篩管加工方法已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。

5 技術(shù)特點(diǎn)

直接繞絲篩管加工機(jī)床和加工方法已分別獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。

使用中頻交流電阻焊機(jī),焊接電流穩(wěn)定,焊接強(qiáng)度可靠,焊接效率高,主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)60 r/min?？梢詫?shí)時(shí)顯示焊接電流參數(shù)、工藝參數(shù)。焊接壓力采用氣動(dòng)控制,能夠?qū)崟r(shí)反饋和調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)壓力平衡,適應(yīng)各種材質(zhì)和絲徑焊接。采用高慣量雙伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī),準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)和停止。

最大整體繞焊長(zhǎng)度達(dá)到10.5 m,可以實(shí)現(xiàn)一次性繞成。

繞絲縫隙實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄,縫隙值實(shí)時(shí)反饋至可編程序控制器,由程序?qū)崟r(shí)修正伺服電機(jī)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)高精度縫隙控制。

6 焊接強(qiáng)度試驗(yàn)

遼河油田鉆采院中心試驗(yàn)所對(duì)直接繞絲篩管進(jìn)行縱向筋條和橫向繞絲焊接強(qiáng)度試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5182—2008《繞焊不銹鋼篩管》中單焊點(diǎn)拉斷法測(cè)定要求,在同一根篩管上選取七個(gè)試樣,進(jìn)行直接繞絲篩管縱向筋條和橫向繞絲焊接強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備為拉力試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃,環(huán)境相對(duì)濕度為49%。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,拉伸強(qiáng)度均大于1 kN,試驗(yàn)結(jié)果合格。

表2 縱向筋條和橫向繞絲焊接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

直接繞絲篩管加工方法將縱向筋條緊貼在鉆孔基管表面,橫向繞絲直接在縱向筋條表面進(jìn)行,消除縱向筋條、橫向繞絲與鉆孔基管的間隙,縱向筋條、橫向繞絲與鉆孔基管形成一個(gè)整體,強(qiáng)度高。

直接繞絲篩管加工機(jī)床由底座、床身、托管裝置、隨動(dòng)分度孔盤、主軸箱、后大齒圈、后分度孔盤、銅電極滾輪、前分度孔盤、連接桿、前大齒圈、支撐架、前小齒輪、移動(dòng)工作臺(tái)、前伺服電機(jī)、移動(dòng)伺服電機(jī)、滾珠絲杠、后伺服電機(jī)、后小齒輪、螺母等組成,最大整體繞焊長(zhǎng)度為10.5 m,可以一次繞成。

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5182—2008進(jìn)行直接繞絲篩管縱向筋條和橫向繞絲焊接強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果拉伸強(qiáng)度均大于1 kN,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。