鄭偉

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434023）

1 注入頭的工作原理

連續(xù)油管注入頭是連續(xù)油管下入和起出油井的關(guān)鍵設(shè)備，由可正反方向旋轉(zhuǎn)的兩個液壓馬達提供動力，并通過減速機進行減速，然后驅(qū)動兩個鏈輪進行工作，兩個驅(qū)動鏈輪通過二套鏈條，帶動兩個從動鏈輪進行運轉(zhuǎn)。鏈條上安裝有夾持塊，通過對稱布置的夾持塊夾緊連續(xù)油管，使連續(xù)油管跟隨鏈條一起正反轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動鏈輪的正反轉(zhuǎn)，可以進行起出、下入油管作業(yè)。注入頭為連續(xù)油管作業(yè)機提供動力，可以克服油管在井內(nèi)的浮力，強行將油管注入井內(nèi)；也可以夾持懸停連續(xù)油管，進行鉆磨銑作業(yè)。同時，根據(jù)井下作業(yè)工況的情況，可調(diào)節(jié)注入頭的提升或下入連續(xù)油管的速度。注入頭可以根據(jù)井下工具串的重量和鉆壓，通過調(diào)節(jié)夾緊力的大小，可以進行不同噸位、不同載荷的作業(yè)。

2 注入頭發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 國外注入頭發(fā)展現(xiàn)狀

由于西方發(fā)達國家工業(yè)發(fā)達，技術(shù)成熟，起步較早，在連續(xù)油管作業(yè)裝備的使用上經(jīng)驗更豐富，注入頭形式也比較多樣。美國海德瑞公司，是一家專門從事生產(chǎn)、設(shè)計連續(xù)油管的百年老店型公司，該公司的注入頭市場占有率達70%，在美國有一家專門生產(chǎn)注入頭的工廠。美國Stewart＆Stevenson公司、Foremost公司生產(chǎn)的注入頭各不相同，各有特長。

美國海德瑞公司后來被美國NOV國民油井公司收購，該公司的裝備在世界范圍內(nèi)廣泛使用。在注入頭技術(shù)上，美國海德瑞公司是擁有專利最多的公司，是斯倫貝謝、貝克休斯等技術(shù)服務(wù)公司的指定注入頭設(shè)備供應(yīng)商。目前，美國海德瑞公司注入頭最大提升能力能達到140000磅，最大下入力70000磅，最大速度42m/min,最大適應(yīng)4 1/2”連續(xù)油管。

美國Stewart＆Stevenson公司也是生產(chǎn)注入頭的廠家，在1989年，開始開發(fā)連續(xù)油管裝備，以設(shè)計的產(chǎn)品可靠性高、重量輕而聞名于世。

20世紀(jì)90年代，加拿大Foremost公司開始致力于設(shè)計獨具特色的連續(xù)油管裝備，加拿大Foremost公司主要設(shè)計淺層井用連續(xù)油管鉆機，可以大幅節(jié)約鉆機費用，已成為北美最重要的連續(xù)油管鉆機供應(yīng)商。加拿大Foremost公司已經(jīng)研發(fā)出最大提升力900kN（200K磅）、注入頭最大提升力540kN（120000磅）、下入力180kN（40000磅）的連續(xù)油管鉆機。

2.2 國內(nèi)注入頭發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，中國開始引進連續(xù)管作業(yè)技術(shù)。由于引進成本非常昂貴，注入頭等關(guān)鍵技術(shù)受國際專利保護，國內(nèi)僅在沖砂洗井、氣舉排液、鉆橋塞、清蠟、注氮等常規(guī)作業(yè)中使用。同時，存在裝備過時、裝備不匹配、使用頻率率低、施工昂貴等缺點，為了開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)管設(shè)備，國內(nèi)石油機械公司主要通過自主研發(fā)與技術(shù)引進相結(jié)合的方式，關(guān)于連續(xù)油管裝備的研發(fā)設(shè)計工作，獲得了一定的研發(fā)成果。國內(nèi)主要代表公司有：中國石油集團江漢機械研究所、中石化四機石油機械有限公司、煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司等。

這些年，由于連續(xù)油管鉆井技術(shù)呈現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯，國內(nèi)幾大石油機械公司對連續(xù)油管鉆機裝備的關(guān)注度越來越高。四川宏華石油設(shè)備有限公司在連續(xù)油管鉆井裝備開發(fā)上，取得較大突破，研究比較深入、技術(shù)水平成熟。雖然該公司研制出了較新型連續(xù)油管鉆機裝備，但是，受成本等原因制約，在油田實際使用較少，沒有廣泛推廣。

3 系統(tǒng)載荷分析

連續(xù)油管注入頭的系統(tǒng)比較復(fù)雜，存在很多輔助零件，在受力分析時，需要對輔助零件進行簡化。鏈條總成是主要承載件，夾持塊與連續(xù)油管直接接觸，承受主要載荷，直接決定連續(xù)油管的工作狀態(tài)，需要將鏈條總成上所受的主要載荷簡化成作用在連續(xù)油管上的軸向力，以及作用在鏈條總成上與夾緊塊的摩擦力。

3.1 夾持塊與油管的摩擦力分析

鏈條總成受到的摩擦力，夾持塊是通過基體、緩沖墊板與鏈條連接，在作業(yè)過程中，夾持塊與連續(xù)油管會產(chǎn)生摩擦力，由注入頭的工作原理可知，摩擦力的方向與鏈條總成的運動方向相反，摩擦力的大小需大于夾持塊與連續(xù)油管的最大軸向力，才能使連續(xù)油管起出和下入。

夾緊力的計算公式：F=Fmax/f

公式中：F—夾緊油缸所需夾緊力(N)；f—連續(xù)油管與夾持塊的摩擦系數(shù)；連續(xù)油管注入頭使用的鏈條總成是兩排鏈，兩排鏈分別于夾持塊發(fā)生摩擦，因此所受的摩擦力計算公式為：

公式中：u—材料的滑動摩擦系數(shù)。

3.2 鏈條總成承受的載荷分析

注入頭液壓馬達的工作狀況由負載決定，而鏈條總成由液壓馬達驅(qū)動的鏈輪驅(qū)動，所以鏈條總成所受的最大牽引載荷需要計算。根據(jù)注入頭的結(jié)構(gòu)受力分析，可分析出，鏈條總成所受的牽引載荷，由連續(xù)油管所受的軸向力和摩擦力組成，即：FL=F+2Fmax(u/fd)

鏈條總成所受的最大牽引負載公式為：

注入頭的驅(qū)動力是由兩個液壓馬達提供，夾持系統(tǒng)主要由夾緊油缸和張緊油缸組成。夾持塊夾緊連續(xù)油管所需的夾緊力，由夾緊油缸提供。由于鏈條在使用一段時間后，會松邊，為了解決此問題，可以在鏈條總成上配置張緊油缸，避免鏈條松動產(chǎn)生的跳齒和脫鏈現(xiàn)象。

3.3 注入頭夾緊油缸的載荷分析

公式中：F—單個油缸的載荷；c—摩擦系數(shù)，取1.25；n—夾緊油缸的數(shù)量。

3.4 注入頭張緊油缸的載荷分析

由于注入頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在作業(yè)時，會產(chǎn)生額外的沖擊、振動，并且因為作業(yè)工況的不同，鏈條的傳動載荷在正常作業(yè)過程中不均勻。液壓馬達的驅(qū)動力帶動鏈輪上的鏈條總成旋轉(zhuǎn)，鏈條總成帶動夾持塊夾緊連續(xù)油管運動。如果鏈條總成的緊張狀態(tài)得不到保證，就會導(dǎo)致運動不平衡，鏈條堆積在一起。由于注入頭是連續(xù)油管作業(yè)機最重要的部件，而鏈條總成又是注入頭的最重要的部件，通過統(tǒng)計顯示，鏈條總成的損壞是出注入頭夾傷油管的主要原因，所以保證鏈條總成的正常運轉(zhuǎn)，是保證連續(xù)油管作業(yè)機正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

由于兩個鏈條總成對稱分布，鏈條總成所承受的載荷平均分配給每個鏈條總成，使得每套鏈條總成各承受的一半的張緊力。α、β是張緊油缸布置角度。

張緊油缸需要提供的張緊力為：F=Fmax（csoα+cosβ）/2

4 結(jié)論

通過分析，可以得出張緊油缸的張緊力與鏈條總成的關(guān)系，在條件充分允許的情況下，要盡可能縮小液壓馬達驅(qū)動的主鏈輪的軸線與下部從動鏈輪的水平距離。

在進行連續(xù)油管下入作業(yè)時，隨著下入深度的增加，連續(xù)油管的所承受的軸向力在縮小，注入頭提供的牽引力也在逐漸縮小，連續(xù)油管的重力在逐漸增加，而增加的幅度，要比提升作業(yè)時增加的幅度大，這就是注入頭所提供的牽引力減小的主要原因。在進行起油管作業(yè)時，工況正好相反，注入頭鏈條的牽引力會逐漸增加，而方向會一致。