油井管柱液壓動(dòng)力鉗校驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)研究*

李 旭,田 鳴,楊 川,劉永剛,崔永興,黃 倩,閆星宇

(1.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000; 2.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

在石油天然氣的鉆采作業(yè)中,需要將單根油井管通過(guò)螺紋連接裝配成管柱形成油氣流通通道,采用扭矩上扣設(shè)備對(duì)油井管柱螺紋連接進(jìn)行上卸扣已成為常用方法。隨著對(duì)油管螺紋連接扭矩控制的精細(xì)化要求和機(jī)械制造業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展,扭矩上扣設(shè)備也在不斷地升級(jí)換代,從原始的粗放式的手動(dòng)吊鉗到液動(dòng)力大鉗,以及自動(dòng)化程度很高的鐵鉆工[1-3]?，F(xiàn)在可提供上扣扭矩?cái)?shù)據(jù)/曲線的液壓動(dòng)力鉗作為一種油套管柱扭矩上扣設(shè)備,已在國(guó)內(nèi)各大油氣田得到廣泛使用[4]。

油井管柱在井下服役期間承受拉伸、壓縮、彎曲、內(nèi)壓和外壓等復(fù)雜載荷,螺紋連接部位是油井管柱的薄弱環(huán)節(jié),在油氣井中容易發(fā)生失效事故,如某油田近十年來(lái)的螺紋連接失效事故達(dá)到83起,該失效事故數(shù)量是油井管柱失效事故總數(shù)量的70%。因此,學(xué)者們對(duì)螺紋連接失效機(jī)理進(jìn)行了大量深入的研究,包括從應(yīng)力行為、螺紋結(jié)構(gòu)、上扣操作、扭矩控制以及螺紋脂等各個(gè)角度對(duì)油套管柱連接螺紋的服役行為和安全進(jìn)行分析,如利用有限元模擬上扣扭矩對(duì)螺紋連接應(yīng)力、應(yīng)變分布力學(xué)行為和疲勞壽命進(jìn)行研究[5-7]。理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果均表明,合理的上扣扭矩與螺紋連接的安全可靠性直接相關(guān),采用較小扭矩或過(guò)大扭矩時(shí),會(huì)降低螺紋連接強(qiáng)度,發(fā)生松動(dòng)形成脫扣、脹扣、刺漏或斷裂失效[8-10],所以用于螺紋連接上扣操作的液壓動(dòng)力鉗的輸出扭矩精度對(duì)螺紋連接的上扣扭矩精確控制十分重要?，F(xiàn)在的液壓動(dòng)力鉗扭矩精度的檢測(cè)方法還僅限于對(duì)個(gè)別構(gòu)件的檢測(cè),如液壓表、傳感器等,并不能直接檢測(cè)液壓動(dòng)力鉗作用在管柱螺紋連接上的輸出扭矩,因而本文基于大量的試驗(yàn)研究和效果評(píng)價(jià),提出了一種直接檢驗(yàn)液壓動(dòng)力鉗主鉗輸出扭矩的校驗(yàn)方式,為液壓動(dòng)力鉗的扭矩精度校驗(yàn)提供了一種更有效和更精確的校驗(yàn)方法。

1 液壓動(dòng)力鉗扭矩精度檢驗(yàn)

1.1 液壓動(dòng)力鉗發(fā)展現(xiàn)狀

液壓動(dòng)力鉗由主鉗系統(tǒng)、背鉗系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成,主鉗系統(tǒng)包括鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)和一些輔助零部件[11]。上世紀(jì)五十年代,由于液壓動(dòng)力鉗工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因而液壓動(dòng)力鉗廣泛使用于國(guó)外鉆井平臺(tái),在六十年代已經(jīng)大范圍推廣應(yīng)用[12]。目前,國(guó)外對(duì)新型液壓動(dòng)力鉗進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)的新型動(dòng)力鉗已具有自動(dòng)化、功能多樣化、輕型化以及數(shù)字化特點(diǎn),提高了液壓動(dòng)力鉗的操作性。

國(guó)內(nèi)石油鉆采扭矩上扣設(shè)備的研究和生產(chǎn)開(kāi)始于上世紀(jì)六十年代初期[13-14]。在八十年代以后,研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家吸收了國(guó)外石油鉆采扭矩旋扣設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)和國(guó)內(nèi)研究成果,液壓動(dòng)力鉗技術(shù)發(fā)展較快。目前,國(guó)內(nèi)液壓動(dòng)力鉗的生產(chǎn)制造已實(shí)現(xiàn)系列化和定制化,產(chǎn)品性能較穩(wěn)定,可以滿足國(guó)內(nèi)對(duì)液壓扭矩大鉗的需求,并替代了進(jìn)口液壓扭矩大鉗,國(guó)化產(chǎn)達(dá)到了95%以上。

1.2 液壓動(dòng)力鉗的校驗(yàn)技術(shù)

液壓動(dòng)力鉗的主鉗扭矩動(dòng)力來(lái)自液壓系統(tǒng)中的液壓馬達(dá),液壓馬達(dá)經(jīng)行程減速器進(jìn)行一級(jí)或兩級(jí)減速后,由此產(chǎn)生可使鉗頭齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的高低兩種轉(zhuǎn)速,從而帶動(dòng)油井管柱旋轉(zhuǎn),進(jìn)行螺紋連接的上扣或卸扣操作。液壓動(dòng)力鉗扭矩的確定是根據(jù)力平衡原理,當(dāng)傳感器與鉗體中心線垂直且同在同一水平面時(shí),扭矩等于傳感器所受的力與動(dòng)力鉗力臂長(zhǎng)度的乘積[15]。圖1為扭矩計(jì)算示意圖,用公式(1)對(duì)扭矩進(jìn)行計(jì)算。

圖1 扭矩計(jì)算示意圖

τ=F·l

(1)

式中:τ為扭矩,N·m;F為傳感器所受到的力,N;l為動(dòng)力鉗的力臂長(zhǎng)度,m。

為了在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)對(duì)上扣扭矩的進(jìn)行合理控制,需要對(duì)液壓動(dòng)力鉗的扭矩精度進(jìn)行定期校驗(yàn)。技術(shù)人員進(jìn)行了很多扭矩檢驗(yàn)方法和油井管柱螺紋連接上扣操作方法的研究,并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,例如SY/T 7009—2014《套管鉗扭矩儀技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石油鉆井下套管作業(yè)中使用的套管鉗扭矩儀的原理與組成、要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則,適用于套管鉗扭矩儀的制造、檢驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)。SY/T 6742—2008《套管鉗扭矩儀校準(zhǔn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了套管鉗扭矩儀校準(zhǔn)方法的基本要求,適用于新制造、使用中和修理后的壓力傳感式和拉力傳感式套管鉗扭矩儀的校準(zhǔn),油管液壓大鉗和扭矩儀的校準(zhǔn)也可參照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

目前在液壓動(dòng)力鉗的校驗(yàn)過(guò)程中,主要采用單元素(檢驗(yàn)傳感器和液壓表)的校驗(yàn)方式,該方法只是針對(duì)單個(gè)元件的精度進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn),其不足點(diǎn)在于沒(méi)有考慮整個(gè)扭矩傳遞系統(tǒng)對(duì)輸出扭矩的影響,如當(dāng)發(fā)生液壓系統(tǒng)滲漏、傳感器松動(dòng)、傳動(dòng)件間的配合面磨損松動(dòng)、主動(dòng)鉗與背鉗不平衡等情況時(shí)對(duì)鉗頭輸出扭矩的影響,如圖2所示。當(dāng)發(fā)生這些情況時(shí),由于傳輸系統(tǒng)的傳動(dòng)效率、能量損失變化或結(jié)構(gòu)上的缺欠,即使液壓表的精度和傳感器的精度仍處于良好狀態(tài),但輸出的扭矩已與大鉗設(shè)計(jì)時(shí)的理論計(jì)算結(jié)果(扭矩儀上的顯示數(shù)值)發(fā)生了偏差。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)等對(duì)扭矩值的影響

1.3 基于輸出終端的直接扭矩測(cè)量方法

為了解決液壓動(dòng)力鉗的真實(shí)輸出扭矩與顯示輸出扭矩間存在的由于傳動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)偏差,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于扭矩輸出終端的液壓動(dòng)力鉗檢驗(yàn)系統(tǒng),直接檢測(cè)鉗頭輸出的扭矩值,從而避免了傳統(tǒng)的間接式檢驗(yàn)存在的系統(tǒng)偏差。這種油井管柱液壓動(dòng)力鉗扭矩精度檢測(cè)系統(tǒng)包括:扭矩承載基體、扭矩傳感器、扭轉(zhuǎn)角傳感器、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和信號(hào)顯示屏。其中,扭矩承載基體為厚壁圓柱狀,與油井管柱結(jié)構(gòu)相似,且扭矩承載基體選取的材料應(yīng)為高強(qiáng)度、高彈性和高疲勞強(qiáng)度的金屬材料。信息處理系統(tǒng)包括信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和比較模塊,用于對(duì)來(lái)自連接扭矩傳感器和扭轉(zhuǎn)角傳感器的傳輸信息進(jìn)行處理。

扭矩傳感器和扭轉(zhuǎn)角傳感器裝配在扭矩承載基體上,信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)扭矩承載基體上承受的扭矩值和扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行處理,并以數(shù)字形式顯示在信號(hào)顯示屏上。扭矩傳感器安裝固定在扭矩承載基體中部外圓周表面,扭轉(zhuǎn)角傳感器安裝固定在扭矩承載基體近端面處的內(nèi)表面,扭矩傳感器和扭轉(zhuǎn)角傳感器分別通過(guò)信號(hào)傳輸線接入信號(hào)傳輸系統(tǒng)。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將采集的信號(hào)通過(guò)設(shè)定的計(jì)算程序分別轉(zhuǎn)化為第一扭矩值和第二扭矩值,比較模塊對(duì)第一扭矩值和第二扭矩值之間的偏差值進(jìn)行計(jì)算,并與預(yù)設(shè)偏差范圍值進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)谝慌ぞ刂蹬c第二扭矩值的偏差值小于等于預(yù)設(shè)偏差范圍值時(shí),信號(hào)處理系統(tǒng)輸出第一扭矩值,否則輸出測(cè)試裝置出錯(cuò)報(bào)警提示。信號(hào)顯示屏對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的輸出結(jié)果進(jìn)行顯示,通過(guò)對(duì)比液壓動(dòng)力鉗上扭矩儀上顯示的扭矩值與該檢測(cè)系統(tǒng)的顯示扭矩值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓動(dòng)力鉗扭矩輸出精度的校驗(yàn)。

該油井管柱液壓動(dòng)力鉗扭矩精度檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí),模擬液壓動(dòng)力鉗進(jìn)行油井管柱螺紋連接的真實(shí)操作,讓液壓動(dòng)力鉗對(duì)扭矩承載基體施加扭矩載荷,扭矩承載基體直接感受作用于其上面的扭矩載荷,通過(guò)一系列信號(hào)處理后將扭矩值以數(shù)字化的形式顯示在顯示儀器上。此外,該檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)在于自我校驗(yàn),即通過(guò)在扭矩承載基體上設(shè)置了兩套相互獨(dú)立的扭矩傳感系統(tǒng)(扭矩傳感器和扭轉(zhuǎn)角傳感器)和分析系統(tǒng),對(duì)施加在扭矩承載基體上的扭矩值進(jìn)行自我對(duì)比校驗(yàn)再輸出結(jié)果,從而有效保證了該檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試精度和準(zhǔn)確性,使檢測(cè)結(jié)果具有科學(xué)性和可靠性。該檢測(cè)系統(tǒng)的原理和實(shí)物如圖3所示。

圖3 基于輸出端的扭矩檢測(cè)系統(tǒng)原理示意圖和實(shí)物圖

采用以上所述的基于扭矩輸出終端的液壓動(dòng)力鉗校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)塔里木油田在役的50余套液壓動(dòng)力鉗進(jìn)行了校驗(yàn)。校驗(yàn)結(jié)果表明,雖然這些液壓動(dòng)力鉗的液壓表、扭矩儀和扭矩傳感器等單個(gè)元件的精度處于合格范圍,但檢測(cè)出的鉗頭真實(shí)輸出扭矩值與液壓動(dòng)力鉗扭矩儀顯示值之間偏差大于10%的有5臺(tái)大鉗,偏差值為5%～10%的有2臺(tái),偏差小于5%的有43臺(tái),如圖4所示。即滿足工程施工精度要求(偏差小于5%)的僅占受校驗(yàn)的液壓動(dòng)力鉗總數(shù)的86%。該檢測(cè)結(jié)果證明了傳統(tǒng)的采用單個(gè)元件檢測(cè)的方法并不能準(zhǔn)確檢測(cè)液壓動(dòng)力鉗鉗頭的真實(shí)輸出扭矩,尤其是對(duì)使用一段時(shí)間且動(dòng)力傳輸系統(tǒng)有一定磨損的液壓動(dòng)力大鉗。導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因?yàn)橐簤簞?dòng)力鉗扭矩傳輸系統(tǒng)中的各構(gòu)件對(duì)輸出扭矩精度的影響不是簡(jiǎn)單的線性加法和減法的結(jié)果,而是乘法和除法的結(jié)果。因此,開(kāi)展液壓動(dòng)力鉗扭矩傳輸系統(tǒng)的研究,為分析液壓動(dòng)力鉗的扭矩輸出值偏差原因,結(jié)構(gòu)優(yōu)化液壓動(dòng)力鉗傳輸系統(tǒng),提高液壓動(dòng)力鉗的扭矩輸出精度等提出了新的思路和方向。

圖4 塔里木油田在役的液壓動(dòng)力鉗真實(shí)輸出扭矩值與扭矩儀顯示值間的偏差

2 液壓動(dòng)力鉗校驗(yàn)技術(shù)綜合分析

隨著鉆探深度增加和油氣開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展,油井管柱的服役條件和工況環(huán)境對(duì)油井管柱的連接性能和密封性能的要求越來(lái)越高。以提高管柱密封性能為主要目標(biāo)的高性能油井管螺紋連接技術(shù)得到了快速發(fā)展,對(duì)螺紋連接部位的上扣扭矩的精確控制也越來(lái)越重要,基于扭矩儀定量控制上扣扭矩的液壓動(dòng)力鉗也得到了大力發(fā)展。然而,對(duì)液壓動(dòng)力鉗的輸出扭矩精度的校驗(yàn)技術(shù)發(fā)展較慢,其結(jié)果使油井管柱在上扣過(guò)程的上扣扭矩并沒(méi)有得到精確控制,因不合理的上扣扭矩導(dǎo)致油井管柱螺紋連接失效事故經(jīng)常發(fā)生。其主要原因是傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力鉗的扭矩精度校驗(yàn)方式只是對(duì)傳感器、壓力表、液壓控制閥以及扭矩儀等單一元件進(jìn)行校驗(yàn),這種校驗(yàn)方式不能檢測(cè)出液壓動(dòng)力鉗扭矩傳遞系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)以及傳感控制系統(tǒng)等因使用過(guò)程中的機(jī)械磨損、能量損耗以及信號(hào)衰減等因素對(duì)液壓動(dòng)力鉗輸出扭矩的影響,從而不能真實(shí)反映液壓動(dòng)力鉗的扭矩輸出精度。采用基于液壓動(dòng)力鉗鉗頭扭矩輸出終端的扭矩精度校驗(yàn)方法對(duì)塔里木油田在役的50臺(tái)套液壓動(dòng)力鉗的校驗(yàn)結(jié)果,說(shuō)明了即使液壓動(dòng)力鉗的單一元件的精度都是在合格的精度范圍內(nèi),但液壓動(dòng)力鉗真實(shí)地輸出扭矩與動(dòng)力鉗扭矩儀顯示扭矩之間偏差超過(guò)5%的比例達(dá)到了14%,即傳統(tǒng)的采用單一元件的液壓動(dòng)力鉗扭矩精度校驗(yàn)方法不能真實(shí)地檢測(cè)液壓動(dòng)力鉗的扭矩精度,以基于液壓動(dòng)力鉗鉗頭輸出扭矩值的液壓動(dòng)力鉗扭矩校驗(yàn)方法可以更準(zhǔn)確地檢驗(yàn)液壓動(dòng)力鉗的扭矩精度。

3 結(jié) 論

1)油井管柱螺紋連接部位的失效事故經(jīng)常發(fā)生,不合理的上扣扭矩是導(dǎo)致油井管柱螺紋連接失效的重要因素?，F(xiàn)有的采用校驗(yàn)單個(gè)元件的液壓動(dòng)力鉗的校驗(yàn)方法不能檢測(cè)出液壓動(dòng)力鉗作用在油井管柱螺紋連接上的真實(shí)輸出扭矩?cái)?shù)據(jù)。

2)相對(duì)于現(xiàn)有的校驗(yàn)單個(gè)元件的液壓動(dòng)力鉗檢驗(yàn)技術(shù),基于輸出端的液壓動(dòng)力鉗扭矩檢驗(yàn)方法可以更準(zhǔn)確地檢驗(yàn)液壓動(dòng)力鉗的輸出扭矩精度。

3)液壓動(dòng)力鉗扭矩傳輸系統(tǒng)對(duì)液壓大鉗的輸出扭矩有重要影響,對(duì)液壓動(dòng)力鉗扭矩傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可有效提高液壓動(dòng)力鉗的扭矩輸出精度。