□ 張 偉 □ 劉 靜 □ 郭乾坤 □ 周忠祥 □ 王 蘭 □ 劉曉峰

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721002 2.中油國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,中國石油天然氣集團有限公司開展了連續(xù)管重大新技術(shù)推廣專項,于2009年建成國內(nèi)首條連續(xù)管生產(chǎn)線,之后研發(fā)了滿足油氣田需求的連續(xù)管系列裝備,實現(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)類型,主要應用于修井、電測井、壓裂、鉆磨、氣舉等領域,應用范圍正在不斷擴展[1-3]。

筆者通過廣泛實地調(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)機的核心裝備,用于連續(xù)管的存儲。作業(yè)時,連續(xù)管滾筒與注入頭協(xié)同動作,纏放連續(xù)管。受運輸?shù)缆废拗坪唾|(zhì)量、質(zhì)心問題影響,傳統(tǒng)連續(xù)管滾筒無法實現(xiàn)車裝或車裝運輸困難。為滿足某地區(qū)常規(guī)氣井開發(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,對接快速,可以隨意組合,實用性強,車裝不受路況影響。

2 總體方案

為滿足道路運輸要求和川渝地區(qū)山地、丘陵工作環(huán)境,7 000 m連續(xù)管滾筒設計為橇裝結(jié)構(gòu)[6],纏管量滿足φ50.8 mm×7 000 m橇規(guī)格的連續(xù)管,可以實現(xiàn)連續(xù)管滾筒與連續(xù)管一橇式運輸。由于連續(xù)管作業(yè)機連續(xù)作業(yè)時間較短,油田電網(wǎng)鋪設范圍有限,7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒采用全液壓驅(qū)動方式,動力取自控制車。7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒滿足常規(guī)連續(xù)管作業(yè)高壓流體介質(zhì)循環(huán)和電纜測井電信號傳輸?shù)囊?所有控制數(shù)據(jù)和信號數(shù)據(jù)的顯示都集中在司鉆控制房內(nèi),滾筒橇與控制車、滾筒橇與高壓泵之間的管纜可以實現(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。滾筒軸通過軸承座固定,結(jié)構(gòu)簡單,拆裝維護方便。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)動裝置安裝在支撐座上,通過鏈條驅(qū)動滾筒。液壓系統(tǒng)[8]、防銹裝置、高壓流體注入裝置、管線架等均與支撐座集成設計。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運輸,也可以在井場內(nèi)短距離整體拖拽移運。

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)時抵抗傾覆力矩,防止產(chǎn)生拉動。安裝橇底部位置的封板設置有排污管線接口,滿足零排放要求。安裝橇端部設置有焊接式掛鉤,方便7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒在井場內(nèi)短距離拖拽移運。安裝橇下部設置叉車過孔,可以用叉車進行轉(zhuǎn)運。安裝橇周邊配有安裝臺,方便人員操作。面板采用鋼格柵制作,方便污物清理。運輸時,支撐板翻轉(zhuǎn)90°,安裝臺向下翻折,與安裝橇采用雙銷固定。

▲圖1 7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒結(jié)構(gòu)

5.2 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置為滾筒總成提供動力,滿足滾筒總成的扭矩要求,使連續(xù)管下放時在滾筒端處于張緊狀態(tài)[9]。為方便測井電纜從滾筒軸端注入,采用液壓馬達+常閉式制動器+直角型減速機+鏈輪的形式,滾筒總成停止工作或7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒運輸時處于剎車狀態(tài)。液壓馬達經(jīng)直角型減速機減速后,通過鏈條驅(qū)動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)動裝置安裝在支撐座上,通過頂絲調(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行連續(xù)管纏放時實現(xiàn)連續(xù)管整齊排列。排管裝置采用螺旋傳動的方式進行排管,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)動絲杠轉(zhuǎn)動,滑套在絲杠上滑動,帶動導輪及導向裝置在滑桿上滑動,連續(xù)管端頭通過導向裝置,與導向裝置內(nèi)部安裝的計數(shù)器接觸,計量連續(xù)管長度,通過調(diào)整鏈輪之間的傳動比,保證滾筒總成轉(zhuǎn)動一圈的距離與導向裝置滑動的距離相近。另一種是強制排管,滾筒總成轉(zhuǎn)動的距離與導向裝置滑動的距離產(chǎn)生累積誤差造成錯位時,排管液壓馬達經(jīng)鏈條帶動絲杠使力矩限制器打滑,脫開與滾筒總成之間的動力,調(diào)整導向裝置與連續(xù)管對齊,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,適應注入頭導向架高度和方向,避免連續(xù)管進出導向裝置時出現(xiàn)大角度折彎,產(chǎn)生表面損傷。在運輸過程中,還可以通過收縮液壓缸來降低整體高度,節(jié)省運輸空間。排管臂翻板采用合頁+搭扣的連接形式,可以方便更換鏈輪。通過更換鏈輪和導向裝置中的滾輪,7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒可以適應不同的連續(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)接頭一端通過活動彎頭與高壓控制閥組連接,另一端通過連接管線與連續(xù)管連接,使高壓流體介質(zhì)在作業(yè)過程中通過連續(xù)管注入井底。高壓控制閥組上裝有高壓渦輪流量計和壓力傳感器,介質(zhì)流量和壓力數(shù)據(jù)集中在司鉆控制房內(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,實現(xiàn)內(nèi)層、外層分離,滿足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

防銹裝置采用氣動驅(qū)動防銹液的方式,將防銹液注入至連續(xù)管表面,用于連續(xù)管防銹。來自控制車的氣源經(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。通過節(jié)流截止閥控制注液量,由軟管線連接至注液器。注液器安裝在導向裝置后部,對通過的連續(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)管滾筒設計的可靠性,采用有限元方法進行分析。滾筒軸由軸承座固定,支承跨距大,對滾筒總成進行強度、剛度校核在分析中最為關(guān)鍵。

滾筒總成在工作過程中的受力一共有五個方面:① 重力,包括滾筒總成重力、連續(xù)管重力、管內(nèi)充滿泥漿的重力,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行靜應力分析,確保滾筒總成受載情況與實際工作時最大程度相符。經(jīng)計算,滾筒總成應力云圖如圖3所示,位移云圖如圖4所示。

▲圖3 滾筒總成應力云圖▲圖4 滾筒總成位移云圖

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

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,所以剛度滿足要求。

7 試驗

7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒研制完成之后,在廠內(nèi)進行組裝調(diào)試,并通過了滾筒纏管試驗、滾筒最大扭矩試驗、高壓流體注入裝置靜壓密封試驗等功能試驗。在連續(xù)管內(nèi)注滿水,對7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒進行連續(xù)管提升、下放聯(lián)動試驗,試驗時排管整齊,高壓旋轉(zhuǎn)接頭與滾筒軸固定可靠,轉(zhuǎn)動靈活。在司鉆控制房內(nèi)完成對7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒的控制,邏輯清晰,數(shù)據(jù)信號實時顯示。試驗中各技術(shù)指標均達到設計要求,驗證了設計的合理性和可靠性。

8 結(jié)束語

所研制的7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒集成度高,拆裝方便,對接快速,可以隨意組合,實用性強,滿足大容量連續(xù)管滾筒一橇式運輸要求,適應山地、丘陵環(huán)境。7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒所有控制數(shù)據(jù)和信號數(shù)據(jù)都集中在司鉆控制房內(nèi)顯示,實現(xiàn)集中控制和實時監(jiān)控。采用快換鏈輪組結(jié)構(gòu)和更換導向裝置滾輪,7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒可以適應不同連續(xù)管管徑的纏繞要求,提高了通用性。

通過有限元分析和廠內(nèi)試驗,驗證了7 000 m橇裝連續(xù)管滾筒設計的合理性和可靠性,可以推廣應用,滿足連續(xù)管裝備市場需求。

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