李銀銀，周志宏,*，曾華，王湯

(1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，荊州 434023； 2.中石化江漢石油工程有限公司頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)服務(wù)公司，武漢 430000)

連續(xù)管可帶壓連續(xù)作業(yè)，裝置具有占地面積小、作業(yè)效率高、搬遷安裝方便等諸多常規(guī)作業(yè)機(jī)不具有的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于油氣開(kāi)采的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。連續(xù)管平時(shí)儲(chǔ)存在滾筒上，作業(yè)時(shí)從滾筒上展開(kāi)，經(jīng)鵝頸導(dǎo)向器和注入頭注入井中，或者由注入頭從井中起升，經(jīng)鵝頸導(dǎo)向器導(dǎo)向滾筒，再由滾筒卷繞到滾筒上[3-4]。在注入頭和滾筒之間的連續(xù)管必須有一定的張力，保證連續(xù)管的有序展開(kāi)或卷繞整齊。張力不能太小，否則可能造成亂管[5]；也不能太大，太大會(huì)造成中性層偏移，影響連續(xù)管的疲勞壽命[6]。連續(xù)管注入頭和滾筒都采用液壓馬達(dá)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)，注入頭和滾筒各自形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)連續(xù)管將二者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)。注入頭和滾筒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)它們之間的連續(xù)管的張力有很大的影響。如果張力變化幅度過(guò)大，可能產(chǎn)生張力過(guò)載，造成連續(xù)管的損傷；如果張力產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)，有可能激起連續(xù)管的共振，造成連續(xù)管的損傷[7]。

近幾年來(lái)，研究人員對(duì)注入頭與滾筒間的連續(xù)管的張力進(jìn)行了研究。彭嵩等[8]研究和設(shè)計(jì)了連續(xù)管測(cè)井機(jī)注入頭液壓系統(tǒng)，解決注入頭與滾筒協(xié)同控制問(wèn)題；張建慶[9]研究了注入頭和滾筒間液壓同步的問(wèn)題；楊高[10]、劉平國(guó)等[11]研究了滾筒液壓系統(tǒng)的溢流壓力控制張力的問(wèn)題；劉遠(yuǎn)波等[12]、段文益等[13]通過(guò)將滾筒液壓系統(tǒng)改成電液來(lái)解決張力控制的問(wèn)題；馬衛(wèi)國(guó)等[14]則通過(guò)MATLAB模擬滾筒液壓系統(tǒng)來(lái)分析張力的變化問(wèn)題。但目前所有的研究均未考慮注入頭液壓系統(tǒng)、滾筒液壓系統(tǒng)之間的動(dòng)力耦合以及在作業(yè)中動(dòng)力參數(shù)的變化對(duì)張力的影響。

實(shí)際上，注入頭-滾筒-連續(xù)管構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，注入頭和滾筒的液壓系統(tǒng)是其中的子系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中任何一個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)變化將會(huì)影響到另一個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)?，F(xiàn)通過(guò)有限元及MATLAB/Simulink軟件，建立連續(xù)管注入頭與滾筒液壓系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)模型，考慮注入頭液壓系統(tǒng)、滾筒液壓系統(tǒng)之間的動(dòng)力耦合以及在作業(yè)中動(dòng)力參數(shù)的變化對(duì)連續(xù)管上張力的影響，分析不同操作速度下，滿滾筒和空滾筒起升注入過(guò)程中連續(xù)管上張力變化情況，解決導(dǎo)向器與滾筒之間連續(xù)管的張力過(guò)載及管體振動(dòng)問(wèn)題，為連續(xù)管注入頭與滾筒液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及作業(yè)提供指導(dǎo)。

1 注入頭和滾筒液壓系統(tǒng)

注入頭的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1為變量泵；2為液缸；3為三位四通閥；4為比例閥；5為單向閥；6，7為溢流閥；8，18為液壓泵；9為跟隨閥；10為控制閥；11為液動(dòng)換向閥；12為液壓馬達(dá)；13為剎車液缸；14為手動(dòng)控制閥；15，16，17為減壓閥；M代表電機(jī)圖1 注入頭液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic system of injection head

注入頭液壓系統(tǒng)的工作原理如下：注入頭由變量泵驅(qū)動(dòng)雙速變量馬達(dá)，變量馬達(dá)可以在高速和低速兩檔之間更換，在高速檔或低速檔時(shí)，都可以通過(guò)控制臺(tái)的閥的控制變量泵輸出不同流量供給液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)注入或起升連續(xù)管的兩檔中的速度調(diào)節(jié)。注入頭的液壓馬達(dá)上有常閉式剎車，不工作時(shí)，剎車的液壓回路沒(méi)有壓力油，剎車在彈簧的壓力下剎住液壓馬達(dá)的軸，工作時(shí)，液壓油進(jìn)入剎車回路，使剎車打開(kāi)。變量泵1和液壓馬達(dá)12組成閉式主回路，液壓泵8為閉式液壓系統(tǒng)補(bǔ)油。液壓泵18提供控制系統(tǒng)的液壓油，通過(guò)減壓閥15和控制閥10將剎車先導(dǎo)油導(dǎo)入閥11，接通閥11，如果變量泵1沒(méi)有啟動(dòng)，通過(guò)減壓閥17的壓力油通過(guò)閥11，和單向閥進(jìn)入閥9后直接回油箱，剎車依然無(wú)法開(kāi)啟；如果變量泵1啟動(dòng)了，高壓端通過(guò)梭閥迫使閥9關(guān)閉通往油箱的油路，連通變量泵的高壓回路，高壓油將進(jìn)入剎車液缸13，打開(kāi)剎車。通過(guò)減壓閥16和手動(dòng)控制閥14來(lái)控制液壓馬達(dá)的高低速檔。

在高速或低速擋位上進(jìn)一步的速度控制通過(guò)控制變量泵的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。改變變量泵的斜盤的角度就可以調(diào)節(jié)變量泵的排量，斜盤的角度由液缸2的活塞來(lái)推動(dòng)。為了保證液缸活塞能按確定的要求推動(dòng)斜盤，三位四通閥3的閥殼體與控制活塞相連，當(dāng)比例閥4的動(dòng)作使三位四通閥右邊壓力高時(shí)，其閥芯向左運(yùn)動(dòng)，接通右邊的閥位，液缸右邊充壓，帶動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，閥殼體跟隨運(yùn)動(dòng)，使活塞回到中間的閥位，反之亦然。當(dāng)變量泵1壓力下面高時(shí)，如果壓力超過(guò)允許的壓力，通過(guò)溢流閥7，使壓力油進(jìn)入液壓缸2左邊的腔中，腔中壓力液推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，將右邊腔室的液壓油通過(guò)溢流閥6和單向閥5擠回泵的低壓回路中。

滾筒的液壓系統(tǒng)相對(duì)于注入頭來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，如圖2所示。主回路采用開(kāi)式油路，由主油泵供油給馬達(dá)，滾筒的正反轉(zhuǎn)采用換向閥變換動(dòng)力液的方向，從而控制滾筒的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。安裝在操作臺(tái)上的遠(yuǎn)控溢流閥，通過(guò)對(duì)此閥的調(diào)節(jié)，可使回路壓力在0～17.5 MPa 調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制滾筒的轉(zhuǎn)矩來(lái)控制連續(xù)管的張力。

圖2 滾筒液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic system of reel

2 滾筒與導(dǎo)向器間連續(xù)管張力分析

定義滾筒與鵝頸導(dǎo)向器間連續(xù)管的松弛度R為實(shí)際連續(xù)管長(zhǎng)度與完全繃緊狀態(tài)的差。這樣滾筒與鵝頸導(dǎo)向器間連續(xù)管的張力T與松弛度R就存在一定的函數(shù)關(guān)系，采用有限元來(lái)計(jì)算張力與松弛度的關(guān)系。為了減少計(jì)算規(guī)模，在與滾筒和鵝頸導(dǎo)向器相接觸的部分連續(xù)管用三維模型，而在沒(méi)有接觸的地方用梁?jiǎn)卧?，如圖3所示。

圖3 有限元模型計(jì)算結(jié)果與細(xì)節(jié)Fig.3 Calculation results and details of the finite element model

在計(jì)算中，固定滾筒的位置，移動(dòng)鵝頸導(dǎo)向器逐步連續(xù)管張緊，可計(jì)算出張緊力與松弛度之間的關(guān)系。以QT900鋼級(jí)，外徑為50.8 mm、壁厚為4.445 mm的連續(xù)管為例，假設(shè)滾筒邊緣與鵝頸導(dǎo)向器頂部的水平距離25 m，滾筒中心到鵝頸導(dǎo)向器頂部的垂直距離為20 m。用有限元計(jì)算出松弛度大于零的張力，考慮到連續(xù)管的張緊程度有可能超過(guò)繃直的情況，即松弛度為負(fù)，連續(xù)管處于拉伸變形，可擬合出函數(shù)關(guān)系式(1)，擬合曲線如圖4所示。

圖4 滾筒與鵝頸導(dǎo)向器間連續(xù)管張力與松弛度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between tension and relaxation of the coiled tubing between reel and gooseneck guide

(1)

式(1)中：R為松弛度，mm；T為張緊力，N。其他單位已包含在擬合常數(shù)中。

3 注入頭與滾筒液壓系統(tǒng)的耦合模型

注入頭-滾筒-連續(xù)管構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，注入頭與滾筒液壓動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)之間的連續(xù)管耦合在一起。當(dāng)啟動(dòng)注入頭注入連續(xù)管或是起升連續(xù)管，一般將連續(xù)管加速直到設(shè)定的速度；當(dāng)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)管需要停止時(shí)，連續(xù)管就會(huì)減速直到靜止，這些過(guò)程涉及動(dòng)力響應(yīng)，加速或減速的時(shí)間長(zhǎng)短非常重要。另外，在運(yùn)行過(guò)程中這些系統(tǒng)中的動(dòng)力參數(shù)也在變化，例如滾筒上卷繞的連續(xù)管的長(zhǎng)度不一樣，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不一樣。同樣，下入到垂直井中的連續(xù)管長(zhǎng)度不一樣，注入頭夾持的連續(xù)管的慣性也不一樣。因此系統(tǒng)表現(xiàn)的動(dòng)力特征也不一樣，由慣性效應(yīng)產(chǎn)生張力變化也有很大的差別。用Simulink建立注入頭與滾筒液壓系統(tǒng)的耦合的動(dòng)力學(xué)模型，如圖5(a)所示，其中的T-R model模塊如圖5(b)所示。

在運(yùn)行過(guò)程中，影響系統(tǒng)的參數(shù)主要是慣性和滾筒液壓系統(tǒng)的溢流壓力。注入頭動(dòng)力部分的質(zhì)量主要是懸垂于井中的連續(xù)管，在圖5(a)中用M來(lái)表示，這部分質(zhì)量還產(chǎn)生了向下的重力。滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包括滾筒和滾筒上的連續(xù)管的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，圖5(a)中的“慣量”，設(shè)置時(shí)滿滾筒時(shí)為89 000 kg·m2，滾筒上僅纏繞一層連續(xù)管時(shí)，約為1 700 kg·m2。假設(shè)滾筒的減速比100，折算在滾筒液壓馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別是8.9 kg·m2和0.17 kg·m2。滾筒的液壓壓力由溢流閥設(shè)置，可通過(guò)司鉆臺(tái)遠(yuǎn)程控制，滾筒溢流壓力分別設(shè)置為5 MPa和10 MPa。

4 計(jì)算結(jié)果

在模擬時(shí)，連續(xù)油管的張力依靠滾筒馬達(dá)的溢流閥維持馬達(dá)的反扭矩，即圖5(a)中的滾筒溢流壓力值1和滾筒溢流壓力值2。連續(xù)油管的注入速度和起升速度依靠連續(xù)管速度信號(hào)模塊提供信號(hào)，假設(shè)加減速均為勻加減速。圖6(a)所示的是起升過(guò)程，在第14秒開(kāi)始加速，1 s加速到最大速度；第40秒開(kāi)始減速，1 s內(nèi)減到零。圖6(b)所示的是注入過(guò)程，第14秒時(shí)開(kāi)始加速注入，1 s內(nèi)以勻加速到最大注入速度；第40秒開(kāi)始減速，1 s內(nèi)以勻減速使注入速度為零。在計(jì)算中，假設(shè)加減速時(shí)間為0.1、1、3 s。

圖6 注入頭變量泵輸入信號(hào)Fig.6 Input signal of injector head variable displacement pump

4.1 滿滾筒起升

設(shè)連續(xù)管的最大起升速度為1 m/s，處于滿滾筒狀態(tài)，滾筒的溢流壓力為5 MPa或10 MPa，操作起升速度從0到最大起升速度的時(shí)間為參數(shù)，連續(xù)管松弛度和張力隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 起升時(shí)滾筒慣性矩89 000 kg·m2的松弛度與連續(xù)管張力Fig.7 Relaxation and tension of the coiled tubing when inertia moment of reel is 89 000 kg·m2 during lifting

在注入頭加速期間，滾筒的加速度來(lái)不及跟上注入頭的加速度，導(dǎo)致連續(xù)管的松弛度增加，與作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)滾筒和導(dǎo)向器之前連續(xù)管松弛現(xiàn)象一致[15]。加速時(shí)間越長(zhǎng)，加速度越小，產(chǎn)生的松弛度和張力的變化越小。如果滾筒溢流壓力設(shè)定為5 MPa，當(dāng)加速時(shí)間為0.1 s時(shí)，連續(xù)管有一段時(shí)間的松弛，松弛度達(dá)0.9 m，然后連續(xù)管張力迅速升至400 kN以上，形成過(guò)載；可以看出，如果滾筒溢流壓力設(shè)定為10 MPa，雖然松弛度只有0.4 m，但連續(xù)管張力仍然高達(dá)450 kN，過(guò)載嚴(yán)重。如果緩慢加減速，例如用3 s加減速到最大速度時(shí)，張力只達(dá)到150 kN。

4.2 滿滾筒注入

設(shè)連續(xù)管的最大注入速度1 m/s，處于滿滾筒狀態(tài)，滾筒的溢流壓力為5 MPa或10 MPa，操作起升速度的手柄從0 m/s到最大起升速度的時(shí)間為參數(shù)，連續(xù)管松弛度和張力隨時(shí)間的變化如圖8所示。很明顯，在注入頭加速期間，滾筒的加速度來(lái)不及跟上注入頭的加速度，導(dǎo)致連續(xù)管的松弛度增加，加速時(shí)間越長(zhǎng)，加速度越小，產(chǎn)生的松弛度和張力的變化越小，最低加速時(shí)間不能低于3 s。

圖8 注入時(shí)滾筒慣性矩89 000 kg·m2的松弛度與連續(xù)管張力Fig.8 Relaxation and tension of the coiled tubing when inertia moment of reel is 89 000 kg·m2 during injecting

4.3 空滾筒注入與起升

設(shè)連續(xù)管的最大注入速度1 m/s，當(dāng)滾筒上只有少量的連續(xù)管，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1 700 kg·m2，滾筒的溢流壓力為5 MPa或10 MPa，操作起升速度的手柄從0 m/s到最大起升速度的時(shí)間為參數(shù)，連續(xù)管松弛度和張力隨時(shí)間的變化的細(xì)節(jié)如圖9所示。很明顯，發(fā)生了較長(zhǎng)時(shí)間的張力振動(dòng)，滾筒溢流不同，振動(dòng)的頻率不同，溢流壓力越大，頻率越高。在連續(xù)管作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)操作引起的振動(dòng)的頻率與連續(xù)管故有頻率接近時(shí)，將引起導(dǎo)向器與滾筒之前的連續(xù)管發(fā)生共振。

圖9 滾筒慣性矩1 700 kg·m2的連續(xù)管張力Fig.9 Tension of the coiled tubing when inertia moment of reel is 1 700 kg·m2

5 結(jié)論

針對(duì)注入頭液壓系統(tǒng)與滾筒液壓系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

(1)所提出的模型可以很好地模擬注入頭液壓系統(tǒng)與滾筒液壓系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

(2)當(dāng)滾筒上卷繞大部分連續(xù)管時(shí)，滾筒慣性很大，如果操作連續(xù)管注入和起升時(shí)過(guò)于猛烈，容易造成連續(xù)管張力變化過(guò)大，如果張力過(guò)小，會(huì)亂管；如果張力過(guò)大，會(huì)造成連續(xù)管的損傷。建議緩慢加速或減速，加減速時(shí)間不得小于3 s。

(3)在滾筒僅卷繞一層左右連續(xù)管時(shí)，操作連續(xù)管加減速可能導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間的耦合振動(dòng)，如果與連續(xù)管的固有頻率接近，將產(chǎn)生系統(tǒng)共振。