注入頭的發展現狀及系統載荷分析

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

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

2 注入頭發展現狀分析

2.1 國外注入頭發展現狀

由于西方發達國家工業發達，技術成熟，起步較早，在連續油管作業裝備的使用上經驗更豐富，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、設計連續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注入頭的工廠。美國Stewart＆Stevenson公司、Foremost公司生產的注入頭各不相同，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廣泛使用。在注入頭技術上，美國海德瑞公司是擁有專利最多的公司，是斯倫貝謝、貝克休斯等技術服務公司的指定注入頭設備供應商。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4 1/2”連續油管。

美國Stewart＆Stevenson公司也是生產注入頭的廠家，在1989年，開始開發連續油管裝備，以設計的產品可靠性高、重量輕而聞名于世。

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

2.2 國內注入頭發展現狀

20世紀70年代，中國開始引進連續管作業技術。由于引進成本非常昂貴，注入頭等關鍵技術受國際專利保護，國內僅在沖砂洗井、氣舉排液、鉆橋塞、清蠟、注氮等常規作業中使用。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，為了開發出具有自主知識產權的連續管設備，國內石油機械公司主要通過自主研發與技術引進相結合的方式，關于連續油管裝備的研發設計工作，獲得了一定的研發成果。國內主要代表公司有：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有限公司等。

這些年，由于連續油管鉆井技術呈現出技術優勢越來越明顯，國內幾大石油機械公司對連續油管鉆機裝備的關注度越來越高。四川宏華石油設備有限公司在連續油管鉆井裝備開發上，取得較大突破，研究比較深入、技術水平成熟。雖然該公司研制出了較新型連續油管鉆機裝備，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 系統載荷分析

連續油管注入頭的系統比較復雜，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，夾持塊與連續油管直接接觸，承受主要載荷，直接決定連續油管的工作狀態，需要將鏈條總成上所受的主要載荷簡化成作用在連續油管上的軸向力，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，在作業過程中，夾持塊與連續油管會產生摩擦力，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油管的最大軸向力，才能使連續油管起出和下入。

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—連續油管與夾持塊的摩擦系數；連續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。

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動的鏈輪驅動，所以鏈條總成所受的最大牽引載荷需要計算。根據注入頭的結構受力分析，可分析出，鏈條總成所受的牽引載荷，由連續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：

注入頭的驅動力是由兩個液壓馬達提供，夾持系統主要由夾緊油缸和張緊油缸組成。夾持塊夾緊連續油管所需的夾緊力，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，避免鏈條松動產生的跳齒和脫鏈現象。

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，取1.25；n—夾緊油缸的數量。

3.4 注入頭張緊油缸的載荷分析

由于注入頭的內部結構復雜，在作業時，會產生額外的沖擊、振動，并且因為作業工況的不同，鏈條的傳動載荷在正常作業過程中不均勻。液壓馬達的驅動力帶動鏈輪上的鏈條總成旋轉，鏈條總成帶動夾持塊夾緊連續油管運動。如果鏈條總成的緊張狀態得不到保證，就會導致運動不平衡，鏈條堆積在一起。由于注入頭是連續油管作業機最重要的部件，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，是保證連續油管作業機正常運轉的關鍵。

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 結論

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

在進行連續油管下入作業時，隨著下入深度的增加，連續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，連續油管的重力在逐漸增加，而增加的幅度，要比提升作業時增加的幅度大，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。