劉波 武豐 紀(jì)曉飛 武飛 王洪江 劉玉杰 王建 李強(qiáng)

摘要：針對當(dāng)前碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車存在的結(jié)構(gòu)布局不合理、夾持器的牙齒尖、夾持力大、易損碳纖維連續(xù)抽油桿等問題，研制SPM5360TCGJ型碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車。該車采用單車車載式結(jié)構(gòu)，整車全液壓控制，設(shè)計了專用動力滾筒、排桿機(jī)構(gòu)、井口裝置等裝置，適用于圓形碳纖維連續(xù)抽油桿的各項作業(yè)。通過控制動力滾筒的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)桿體的收卷、釋放。排桿機(jī)構(gòu)與動力滾筒聯(lián)動，滾筒旋轉(zhuǎn)1圈，桿體導(dǎo)向機(jī)構(gòu)移動1個導(dǎo)程（1個桿體直徑距離），實(shí)現(xiàn)桿體在滾筒的有序多層排列。井口裝置主要通過前后移動液壓缸、左右移動液壓缸實(shí)現(xiàn)快速對正井口?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，該作業(yè)車結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，作業(yè)靈活，不損傷碳纖維連續(xù)抽油桿，作業(yè)效率高。

關(guān)鍵詞：碳纖維連續(xù)抽油桿; 作業(yè)車; 動力滾筒

中圖分類號：TE933.203? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.006

Abstract：Aiming at the problems existing in the current carbon fiber continuous pumping rod operation vehicle， such as unreasonable structure layout， tooth tip of the gripper， large clamping force， and vulnerable carbon fiber continuous pumping rod， SPM5360TCGJcarbon fiber continuous pumping rod operation vehicle was developed. The vehicle adopts a single-car onboard structure with full hydraulic control. A special power drum， row rod mechanism， and wellhead device were designed， which are suitable for various operations of round carbon continuous suction rods. By controlling the positive and negative rotation of the power roller， the reel and release of the rod body can be realized. The rod row mechanism is linked with the power drum， the drum rotates 1 turn， and the rod body guide mechanism moves 1 guide path （the diameter distance of one-rod body）， so as to realize the orderly multi-layer arrangement of the rod body in the drum. By moving the hydraulic cylinder back and forth and moving the hydraulic cylinder left and right， the wellhead device realized the fast alignment of the wellhead. Through the field application test， the vehicle has a compact structure， reasonable layout， flexible operation， continuous oil pumping rods without carbon fiber， and high efficiency.

Key words：carbon fiber continuous pumping rod; operation vehicle; power drum

碳纖連續(xù)抽油桿是以樹脂為基體，碳纖維作為增強(qiáng)材料，采用拉擠成型工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料碳纖維抽油桿［1-3］。相對于鋼制抽油桿，碳纖連續(xù)抽油桿具有高強(qiáng)、質(zhì)輕、耐腐、抗磨等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維抽油桿替代鋼制抽油桿具有普適性，尤其是在深井、超深井、小套管井、替代電泵井、腐蝕井等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢［4-8］，為油田實(shí)現(xiàn)深抽提液、防腐延壽、節(jié)能降耗提供了一種新技術(shù)。

碳纖維連續(xù)抽油桿的下桿和起桿、油井的檢泵、故障處理等都需要專用作業(yè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。目前，在油氣井進(jìn)行碳纖維連續(xù)管作業(yè)時，大部分是使用鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿作業(yè)車。由于鋼制抽油桿和碳纖連續(xù)抽油桿的材質(zhì)不同、結(jié)構(gòu)尺寸不同、要求條件不同，使用鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿作業(yè)車起下碳纖維連續(xù)抽油桿的局限性特別大［9-12］。使用的無井架碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車只適用于扁帶形狀的碳纖維連續(xù)抽油桿，其收卷系統(tǒng)和注入頭都不適用于圓形截面的碳纖維連續(xù)抽油桿，而且這種作業(yè)車在起桿作業(yè)中會給碳纖維抽油桿施加拉力，同時在導(dǎo)向輪處施加彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致桿體受損嚴(yán)重［13-15］。因此，針對碳纖維連續(xù)抽油桿及其作業(yè)特性，開展其專用配套設(shè)備的技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿工業(yè)化應(yīng)用，對油田生產(chǎn)的節(jié)能降耗，以及深井、超深井、高腐蝕油井舉升意義重大。

1 總體方案設(shè)計

針對目前的連續(xù)抽油桿作業(yè)車存在的桿體受損，以及作業(yè)效率低等問題，設(shè)計動力滾筒對連續(xù)抽油桿進(jìn)行收卷與下放。設(shè)計的井口裝置可前后或左右移動，進(jìn)行井口對正。動力滾筒、排桿器與倒桿架配合進(jìn)行施工作業(yè)，這樣既能減小碳纖連續(xù)抽油桿桿體的損傷，又可以提高作業(yè)效率。

1.1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

SPM5360TCGJ型碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車采用單車車載一體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由載運(yùn)車、動力滾筒、液壓系統(tǒng)、井口裝置、舉升裝置、數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車主要有行車狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)2種工況。該作業(yè)車還具有桿柱載荷測試功能，以便在作業(yè)中判斷桿柱載荷是否超載。

1.2.1 行車狀態(tài)

在作業(yè)車轉(zhuǎn)運(yùn)時，參考圖1所示，車上各個工作單元處于“收放”狀態(tài)，便于運(yùn)輸。

1.2.2 作業(yè)狀態(tài)

碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車在作業(yè)過程中，作業(yè)設(shè)備通過盤桿、起下桿等完成連續(xù)抽油桿的作業(yè)。

1） 盤桿。

液壓泵站驅(qū)動液壓馬達(dá)，通過減速器帶動動力

滾筒倒轉(zhuǎn)，利用“排桿系統(tǒng)”將碳纖維連續(xù)抽油桿從卷盤上倒下，并重新盤繞在動力滾筒上。在盤桿時，動力滾筒每旋轉(zhuǎn)1圈，排桿系統(tǒng)向左右前進(jìn)1個抽油桿直徑的距離，使得抽油桿能有序盤在動力滾筒上，如圖2所示。

2） 起下桿作業(yè)。

起桿作業(yè)施工步驟主要分為井口對正和起下桿作業(yè)2部分。

井口對正時，根據(jù)井場的實(shí)際情況，選擇好倒車路線和停車位置，進(jìn)行井口初步對正。初步對正井口后，井口裝置伸出，并通過左右油缸調(diào)整位置，使井口裝置與井口對正。然后，支腿油缸伸出，支撐井口裝置。如圖3所示。

起桿時，首先使吊車大鉤與吊卡連接，并將碳纖維連續(xù)抽油桿從井中提出足夠長度。將碳纖維連續(xù)抽油桿繞過導(dǎo)向架，并與動力滾筒上抽油桿固定座可靠連接。轉(zhuǎn)動動力滾筒，為抽油桿柱提供提升動力。動力滾筒每轉(zhuǎn)1圈，排桿器在左右方向前進(jìn)1個抽油桿直徑的距離，據(jù)此可以計算出起出井桿柱的長度，實(shí)現(xiàn)起桿作業(yè)。如圖4所示。

下桿時，將碳纖維連續(xù)抽油桿從動力滾筒上繞出一定長度，將桿的接頭經(jīng)導(dǎo)向架穿過桿柱注入器，并與油井內(nèi)已下入桿柱連接。驅(qū)動動力滾筒轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿的下井作業(yè)。

為了測試抽油桿柱承受的力，在液壓馬達(dá)和減速器輸入軸之間安裝扭矩傳感器。可以把扭矩傳感器的測試值換算為桿柱的力，用此力值判斷抽油桿是否超載。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 動力滾筒

由于當(dāng)前碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)設(shè)備采用“滾筒+注入頭”的方式進(jìn)行碳纖維連續(xù)抽油桿的起下桿作業(yè)，其中滾筒負(fù)責(zé)碳桿的纏繞，注入頭為起下桿作業(yè)提供動力，這種參照鋼制抽油桿作業(yè)方式的注入頭夾持器的牙齒尖、夾持力大，易對碳纖維連續(xù)抽油桿造成損傷。為解決這個問題，采用“滾筒+碳桿自重”的方式進(jìn)行碳纖維連續(xù)抽油桿的起下桿作業(yè)，動力滾筒兼具碳纖維連續(xù)抽油桿的纏繞，同時為起下桿作業(yè)提供動力的功能。

動力滾筒的設(shè)計同時應(yīng)滿足2個前提：一是占用的空間小，滿足車裝要求；二是承載的碳纖維連續(xù)桿應(yīng)盡可能的多，滿足單口井的使用。

為了滿足上述要求，設(shè)計了一種動力滾筒系統(tǒng)，由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、滾筒、排桿器等組成，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿的提升或下放作業(yè)。工作時，液壓泵站驅(qū)動液壓馬達(dá)，并控制滾筒轉(zhuǎn)動。同時，滾筒的中心軸旋轉(zhuǎn)，通過鏈傳動帶動往復(fù)絲杠運(yùn)動，使得滾筒轉(zhuǎn)1圈，往復(fù)絲杠前進(jìn)1個抽油桿直徑的距離。滾筒盤滿1層連續(xù)桿時，往復(fù)絲杠自動換向，使得抽油桿能多排纏繞。排桿器與往復(fù)絲杠配合使用，約束了碳纖維連續(xù)抽油桿的擺動，從而實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿多排緊密、有序地連續(xù)排列在動力滾筒上。動力滾筒上設(shè)有撥叉機(jī)構(gòu)，使其能快速更換不同直徑碳纖維連續(xù)抽油桿。這種動力滾筒作業(yè)方式有效地解決了采用夾持器對碳纖維連續(xù)抽油桿造成損傷的問題，因減去注入頭機(jī)構(gòu)也使整個作業(yè)設(shè)備布局更加合理，同時也降低了作業(yè)強(qiáng)度。

2.2 井口裝置

碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車在作業(yè)時需與井口保證一定的對正精度?，F(xiàn)有的作業(yè)設(shè)備在對正井口時需反復(fù)調(diào)整與井口的相對位置，浪費(fèi)了大量時間。為了使作業(yè)車能夠快速、便捷的對正井口，設(shè)計了快速對正井口的井口裝置。

井口裝置由方鋼管、工字鋼等焊制而成的鋼架、支腿液壓缸、前后移動液壓缸、左右移動液壓缸、導(dǎo)桿架等組成，如圖6所示。作業(yè)車初步對正井口后，通過調(diào)整前后移動液壓缸、左右移動液壓缸，可以使井口裝置相對于底盤車移動，從而快速與井口進(jìn)行對正。支腿油缸支定后，井口裝置承受作業(yè)時導(dǎo)桿架、吊機(jī)產(chǎn)生的壓力載荷。

導(dǎo)桿架由底座、回轉(zhuǎn)軸承、滾輪支架、滾輪等組成，如圖7所示，設(shè)計有約四分之一圓弧的連續(xù)桿通道，改變連續(xù)桿的走向、保護(hù)連續(xù)桿。導(dǎo)桿架的導(dǎo)向輪采用聚氨酯包覆，有利于減少碳纖維連續(xù)抽油桿的損傷。同時，導(dǎo)桿架安裝有回轉(zhuǎn)軸承，使得碳纖維連續(xù)抽油桿的在收卷和下放時，減少橫向力對碳纖維連續(xù)干的損傷，提高連續(xù)抽油桿的使用壽命。

2.3 舉升裝置

現(xiàn)有碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車在作業(yè)前需先用吊車將光桿起出，再配合作業(yè)設(shè)備將連續(xù)桿起出或下放，這樣不僅增加了吊車的費(fèi)用，而且也不符合目前井場的作業(yè)要求。因此，設(shè)計專用舉升裝置，由多級液壓缸、橫梁定滑輪總成、鋼絲繩、吊鉤等組成，如圖8所示。液壓絞車?yán)?0 kN，經(jīng)鋼絲滑輪繩系轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生理論提升力200 kN，不僅能進(jìn)行連續(xù)桿始末段的起下、調(diào)整抽油系統(tǒng)的防沖距，而且可以完成抽油機(jī)井光桿的起下作業(yè)，同時也省去現(xiàn)場吊車的使用。

2.4 測控系統(tǒng)

2.4.1 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)主要為作業(yè)車各個運(yùn)動單元提供液壓動力，由動力部分、控制閥、執(zhí)行單元、液壓油、管路及附件組成。

該作業(yè)車液壓系統(tǒng)采用底盤車取力驅(qū)動液壓泵，由液壓力驅(qū)動液馬達(dá)、液壓缸。通過設(shè)定各分液壓系統(tǒng)的壓力，實(shí)現(xiàn)動力滾筒拉力的超載保護(hù)。

動力滾筒的液壓馬達(dá)采用低轉(zhuǎn)速、大扭矩擺缸式液壓馬達(dá)，配有常閉液壓制動器、減速器、平衡閥，通過換向閥可以實(shí)現(xiàn)動力滾筒的正傳、反轉(zhuǎn)。當(dāng)換向閥處于中位時，常閉液壓制動器制動，從而實(shí)現(xiàn)動力滾筒剎車。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集和顯示

由多個位移傳感器、編碼器、拉力傳感器、扭矩傳感器、顯示儀表、數(shù)據(jù)處理儲存和輸出設(shè)備組成?？梢詫?shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿的下放長度、所受拉力等作業(yè)參數(shù)的采集、處理、顯示、儲存、輸出。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用

SPM5360TCGJ型碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車研制成功后，在勝利油田東辛區(qū)域進(jìn)行起、下桿作業(yè)，并取得成功。目前，已在勝利油田、新疆油田順利起下碳纖維連續(xù)抽油桿300余井次，最大下深3 001 m，在深抽提液、防腐延壽等方面取得初步效果。多年的現(xiàn)場應(yīng)用表明，碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車的應(yīng)用可以顯著提高碳纖維連續(xù)抽油桿的應(yīng)用效果，現(xiàn)場作業(yè)靈活，不損傷抽油桿，大幅提升了現(xiàn)場施工效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

1） SPM5360TCGJ型碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車采用車載式一體化設(shè)計，具有作業(yè)功能齊全、施工靈活快捷、作業(yè)效率高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿的起、下桿作業(yè)，同時也可以進(jìn)行鋼制抽油桿的作業(yè)。

2） 井口裝置由前后移動液壓缸、左右移動液壓缸驅(qū)動，相對于底盤車移動，實(shí)現(xiàn)快速對正井口，降低前期準(zhǔn)備工作時間，提高施工效率。

3） 設(shè)計開發(fā)了動力滾筒、排桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿架等機(jī)構(gòu)，采用“滾筒+碳桿自重”的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿無損起下。其中，動力滾筒正反纏繞，實(shí)現(xiàn)桿體的收卷、釋放，避免外力損傷抽油桿；排桿機(jī)構(gòu)與動力滾筒聯(lián)動，滾筒旋轉(zhuǎn)1圈，桿體導(dǎo)向機(jī)構(gòu)移動1個導(dǎo)程（1個桿體直徑距離），實(shí)現(xiàn)碳纖維連續(xù)抽油桿在滾筒上有序排列。

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