7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒的研制*

□ 張 偉 □ 劉 靜 □ 郭乾坤 □ 周忠祥 □ 王 蘭 □ 劉曉峰

1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西寶雞 721002 2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 陜西寶雞 721002

1 研制背景

近年來(lái),中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司開(kāi)展了連續(xù)管重大新技術(shù)推廣專(zhuān)項(xiàng),于2009年建成國(guó)內(nèi)首條連續(xù)管生產(chǎn)線(xiàn),之后研發(fā)了滿(mǎn)足油氣田需求的連續(xù)管系列裝備,實(shí)現(xiàn)了降本增效。連續(xù)管作業(yè)從單一工藝發(fā)展到多種作業(yè)類(lèi)型,主要應(yīng)用于修井、電測(cè)井、壓裂、鉆磨、氣舉等領(lǐng)域,應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)展[1-3]。

筆者通過(guò)廣泛實(shí)地調(diào)研,發(fā)現(xiàn)目前各地的連續(xù)管以φ50.8 mm×6 000 m規(guī)格為主[4-5],而某地區(qū)常規(guī)氣井開(kāi)發(fā)所需要的連續(xù)管,規(guī)格為φ50.8 mm×7 000 m。連續(xù)管滾筒作為連續(xù)管作業(yè)機(jī)的核心裝備,用于連續(xù)管的存儲(chǔ)。作業(yè)時(shí),連續(xù)管滾筒與注入頭協(xié)同動(dòng)作,纏放連續(xù)管。受運(yùn)輸?shù)缆废拗坪唾|(zhì)量、質(zhì)心問(wèn)題影響,傳統(tǒng)連續(xù)管滾筒無(wú)法實(shí)現(xiàn)車(chē)裝或車(chē)裝運(yùn)輸困難。為滿(mǎn)足某地區(qū)常規(guī)氣井開(kāi)發(fā)所需φ50.8 mm×7 000 m規(guī)格連續(xù)管,研制了7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒。這一連續(xù)管滾筒集成度高,拆裝方便,對(duì)接快速,可以隨意組合,實(shí)用性強(qiáng),車(chē)裝不受路況影響。

2 總體方案

為滿(mǎn)足道路運(yùn)輸要求和川渝地區(qū)山地、丘陵工作環(huán)境,7 000 m連續(xù)管滾筒設(shè)計(jì)為橇裝結(jié)構(gòu)[6],纏管量滿(mǎn)足φ50.8 mm×7 000 m橇規(guī)格的連續(xù)管,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)管滾筒與連續(xù)管一橇式運(yùn)輸。由于連續(xù)管作業(yè)機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)間較短,油田電網(wǎng)鋪設(shè)范圍有限,7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式,動(dòng)力取自控制車(chē)。7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒滿(mǎn)足常規(guī)連續(xù)管作業(yè)高壓流體介質(zhì)循環(huán)和電纜測(cè)井電信號(hào)傳輸?shù)囊?所有控制數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)的顯示都集中在司鉆控制房?jī)?nèi),滾筒橇與控制車(chē)、滾筒橇與高壓泵之間的管纜可以實(shí)現(xiàn)快速拆裝。

3 結(jié)構(gòu)

7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示[7],滾筒總成屬于焊接結(jié)構(gòu)的鋼制滾筒。滾筒軸通過(guò)軸承座固定,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,拆裝維護(hù)方便。左支座、右支座與支撐座采用螺栓連接。吊裝架、排管臂與左支座、右支座鉸接,吊裝架固定在支架處,設(shè)有梯子方便人員懸掛、摘取吊繩。液壓缸一端與排管臂鉸接,另一端與左支座、右支座鉸接。驅(qū)動(dòng)裝置安裝在支撐座上,通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)滾筒。液壓系統(tǒng)[8]、防銹裝置、高壓流體注入裝置、管線(xiàn)架等均與支撐座集成設(shè)計(jì)。支撐座與安裝橇采用螺栓連接,連續(xù)管滾筒和安裝橇可以拆分單獨(dú)運(yùn)輸,也可以在井場(chǎng)內(nèi)短距離整體拖拽移運(yùn)。

4 技術(shù)參數(shù)

7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒的主要技術(shù)參數(shù)如下:滾筒總成內(nèi)圓直徑為2 032 mm,滾筒總成外緣直徑為3 810 mm,滾筒內(nèi)側(cè)寬度為2 312 mm,滾筒總成轉(zhuǎn)速為7.3 r/min,允許纏管質(zhì)量為36 000 kg,外形尺寸為5 100 mm×3 100 mm×3 900 mm,液壓系統(tǒng)工作壓力為21 MPa,額定流量為135 L/min。

5 關(guān)鍵部件

5.1 安裝橇

安裝橇是由若干方鋼管焊接而成的框架結(jié)構(gòu),用于支撐連續(xù)管滾筒,作業(yè)時(shí)抵抗傾覆力矩,防止產(chǎn)生拉動(dòng)。安裝橇底部位置的封板設(shè)置有排污管線(xiàn)接口,滿(mǎn)足零排放要求。安裝橇端部設(shè)置有焊接式掛鉤,方便7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒在井場(chǎng)內(nèi)短距離拖拽移運(yùn)。安裝橇下部設(shè)置叉車(chē)過(guò)孔,可以用叉車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。安裝橇周邊配有安裝臺(tái),方便人員操作。面板采用鋼格柵制作,方便污物清理。運(yùn)輸時(shí),支撐板翻轉(zhuǎn)90°,安裝臺(tái)向下翻折,與安裝橇采用雙銷(xiāo)固定。

▲圖1 7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒結(jié)構(gòu)

5.2 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置為滾筒總成提供動(dòng)力,滿(mǎn)足滾筒總成的扭矩要求,使連續(xù)管下放時(shí)在滾筒端處于張緊狀態(tài)[9]。為方便測(cè)井電纜從滾筒軸端注入,采用液壓馬達(dá)+常閉式制動(dòng)器+直角型減速機(jī)+鏈輪的形式,滾筒總成停止工作或7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒運(yùn)輸時(shí)處于剎車(chē)狀態(tài)。液壓馬達(dá)經(jīng)直角型減速機(jī)減速后,通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)滾筒軸上的大鏈輪旋轉(zhuǎn),使?jié)L筒總成獲得較低的轉(zhuǎn)速和較大的扭矩。驅(qū)動(dòng)裝置安裝在支撐座上,通過(guò)頂絲調(diào)節(jié)鏈輪間距,使鏈條張緊。

5.3 排管裝置

排管裝置用于滾筒總成進(jìn)行連續(xù)管纏放時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)管整齊排列。排管裝置采用螺旋傳動(dòng)的方式進(jìn)行排管,分為兩種形式。一種是聯(lián)合排管,滾筒軸上的小鏈輪經(jīng)鏈條驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),滑套在絲杠上滑動(dòng),帶動(dòng)導(dǎo)輪及導(dǎo)向裝置在滑桿上滑動(dòng),連續(xù)管端頭通過(guò)導(dǎo)向裝置,與導(dǎo)向裝置內(nèi)部安裝的計(jì)數(shù)器接觸,計(jì)量連續(xù)管長(zhǎng)度,通過(guò)調(diào)整鏈輪之間的傳動(dòng)比,保證滾筒總成轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的距離與導(dǎo)向裝置滑動(dòng)的距離相近。另一種是強(qiáng)制排管,滾筒總成轉(zhuǎn)動(dòng)的距離與導(dǎo)向裝置滑動(dòng)的距離產(chǎn)生累積誤差造成錯(cuò)位時(shí),排管液壓馬達(dá)經(jīng)鏈條帶動(dòng)絲杠使力矩限制器打滑,脫開(kāi)與滾筒總成之間的動(dòng)力,調(diào)整導(dǎo)向裝置與連續(xù)管對(duì)齊,消除誤差。

排管臂采用兩組支撐液壓缸,能夠使排管臂角度靈活調(diào)整,適應(yīng)注入頭導(dǎo)向架高度和方向,避免連續(xù)管進(jìn)出導(dǎo)向裝置時(shí)出現(xiàn)大角度折彎,產(chǎn)生表面損傷。在運(yùn)輸過(guò)程中,還可以通過(guò)收縮液壓缸來(lái)降低整體高度,節(jié)省運(yùn)輸空間。排管臂翻板采用合頁(yè)+搭扣的連接形式,可以方便更換鏈輪。通過(guò)更換鏈輪和導(dǎo)向裝置中的滾輪,7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒可以適應(yīng)不同的連續(xù)管管徑。

5.4 高壓流體注入裝置

高壓流體注入裝置如圖2所示。裝置的工作壓力為103.5 MPa,用于將壓裂泵或固井泵排出的高壓流體介質(zhì)通過(guò)連續(xù)管注入井底。高壓旋轉(zhuǎn)接頭鑲?cè)霛L筒軸中,與滾筒軸固定并一起旋轉(zhuǎn)。高壓旋轉(zhuǎn)接頭一端通過(guò)活動(dòng)彎頭與高壓控制閥組連接,另一端通過(guò)連接管線(xiàn)與連續(xù)管連接,使高壓流體介質(zhì)在作業(yè)過(guò)程中通過(guò)連續(xù)管注入井底。高壓控制閥組上裝有高壓渦輪流量計(jì)和壓力傳感器,介質(zhì)流量和壓力數(shù)據(jù)集中在司鉆控制房?jī)?nèi)顯示。高壓旋轉(zhuǎn)接頭采用活接頭形式,內(nèi)部鑲嵌滾珠軸承,實(shí)現(xiàn)內(nèi)層、外層分離,滿(mǎn)足0～15 r/min的轉(zhuǎn)速要求。

▲圖2 高壓流體注入裝置

5.5 防銹裝置

防銹裝置采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)防銹液的方式,將防銹液注入至連續(xù)管表面,用于連續(xù)管防銹。來(lái)自控制車(chē)的氣源經(jīng)減壓閥、二位電磁換向閥,由罐頂部注入,使防銹液從罐底部排出。通過(guò)節(jié)流截止閥控制注液量,由軟管線(xiàn)連接至注液器。注液器安裝在導(dǎo)向裝置后部,對(duì)通過(guò)的連續(xù)管表面注入防銹液。

6 有限元分析

為保證7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒設(shè)計(jì)的可靠性,采用有限元方法進(jìn)行分析。滾筒軸由軸承座固定,支承跨距大,對(duì)滾筒總成進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核在分析中最為關(guān)鍵。

滾筒總成在工作過(guò)程中的受力一共有五個(gè)方面:① 重力,包括滾筒總成重力、連續(xù)管重力、管內(nèi)充滿(mǎn)泥漿的重力,均勻分布在滾筒總成上;② 連續(xù)管拉力[10];③ 驅(qū)動(dòng)裝置向滾筒總成施加的拉力;④ 軸承座支反力;⑤ 排管裝置向滾筒總成施加的拉力,由于數(shù)值較小,可以忽略。

滾筒總成轉(zhuǎn)速較低,采用有限元分析軟件進(jìn)行靜應(yīng)力分析,確保滾筒總成受載情況與實(shí)際工作時(shí)最大程度相符。經(jīng)計(jì)算,滾筒總成應(yīng)力云圖如圖3所示,位移云圖如圖4所示。

▲圖3 滾筒總成應(yīng)力云圖▲圖4 滾筒總成位移云圖

由圖3可知,滾筒總成最大應(yīng)力為189.23 MPa,位于于滾筒軸安裝大鏈輪的軸肩處。可以對(duì)軸肩處進(jìn)行倒角圓滑處理,以消除應(yīng)力集中。滾筒總成的最大應(yīng)力小于鋼材的許用應(yīng)力(212.57 MPa)[11],所以強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

滾筒總成的最大許用撓度為0.000 5L[11],L為支撐跨距,計(jì)算得最大許用撓度為0.825 mm。由圖4可知,滾筒總成最大位移為0.44 mm,位于卷筒壁上減重孔處,小于許用撓度,所以剛度滿(mǎn)足要求。

7 試驗(yàn)

7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒研制完成之后,在廠(chǎng)內(nèi)進(jìn)行組裝調(diào)試,并通過(guò)了滾筒纏管試驗(yàn)、滾筒最大扭矩試驗(yàn)、高壓流體注入裝置靜壓密封試驗(yàn)等功能試驗(yàn)。在連續(xù)管內(nèi)注滿(mǎn)水,對(duì)7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒進(jìn)行連續(xù)管提升、下放聯(lián)動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)排管整齊,高壓旋轉(zhuǎn)接頭與滾筒軸固定可靠,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。在司鉆控制房?jī)?nèi)完成對(duì)7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒的控制,邏輯清晰,數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)中各技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

8 結(jié)束語(yǔ)

所研制的7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒集成度高,拆裝方便,對(duì)接快速,可以隨意組合,實(shí)用性強(qiáng),滿(mǎn)足大容量連續(xù)管滾筒一橇式運(yùn)輸要求,適應(yīng)山地、丘陵環(huán)境。7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒所有控制數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)都集中在司鉆控制房?jī)?nèi)顯示,實(shí)現(xiàn)集中控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用快換鏈輪組結(jié)構(gòu)和更換導(dǎo)向裝置滾輪,7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒可以適應(yīng)不同連續(xù)管管徑的纏繞要求,提高了通用性。

通過(guò)有限元分析和廠(chǎng)內(nèi)試驗(yàn),驗(yàn)證了7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒設(shè)計(jì)的合理性和可靠性,可以推廣應(yīng)用,滿(mǎn)足連續(xù)管裝備市場(chǎng)需求。

隨著連續(xù)管作業(yè)工藝應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展,需要可適應(yīng)更大連續(xù)管尺寸的連續(xù)管裝備,連續(xù)管滾筒的運(yùn)輸和質(zhì)量成為制約連續(xù)管作業(yè)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素,這是今后需要攻克的難點(diǎn)。