火驅點火裝置電纜滾筒與注入頭自動協同動作液控原理研究與應用

周漢鵬，高 亮，陳漢杰，劉 江，但永軍，李學清

1中石油新疆油田分公司工程技術公司，新疆 克拉瑪依2中石化西南石油工程有限公司，四川 成都

1.前言

中石油新疆油田分公司自主研發的車載移動式火驅點火裝置本質上是一種小型連續油管作業裝置(圖1)，其工作原理是利用金屬鎧裝電纜掛載點火器(井下電加熱裝置)，經注入頭帶壓下入到油層位置，給點火器通電加熱注入井中的空氣，高溫空氣進入油層從而把油層點燃。該鎧裝電纜既能輸送電能，又兼具連續油管的功能，是實現帶壓作業的核心部件。該裝備的研發解決了火驅采油技術規模化應用的技術瓶頸[1]，但作為一種全新的裝備，還有諸多尚待改進和提高的方面，電纜滾筒與注入頭不能自動協同動作就是問題之一。所謂滾筒與注入頭的協同動作是指在注入頭上提或下注連續油管時，油管另一端的滾筒同步卷入或釋放等量的油管，以保證在注入及上提油管的作業過程中滾筒上的油管合理受力，防止過卷及過放[2]。具體來講，就是要求在作業過程中未下注的連續油管始終纏繞在滾筒上，下注過程中滾筒隨著注入頭的下注釋放連續油管，在釋放的同時始終為連續油管提供一定的張緊力；在上提過程中，滾筒以合理的拉力收卷連續油管，以保證連續油管整齊有序地纏繞在滾筒上。

在項目研發之初，研發團隊重點關注的是裝備基本功能的實現，所以重點放在了注入頭、點火器、鎧裝電纜及電纜滾筒等幾個核心部件的功能結構研究上，忽視了電纜滾筒與注入頭自動協同動作的功能要求。因此只設計了滾筒與注入頭各自分別調速的功能，作業時由操作者人工調定二者的速度，使其基本保持同步。在實際作業過程中因不可能將二者速度調得完全相等，只能通過持續觀察注入頭與滾筒之間電纜的松緊程度來調節注入頭或者滾筒的速度，使二者間電纜適度張緊。上述操作不僅非常繁瑣，對操作人員要求很高，而且也容易出現不同步；一旦不同步，就會出現亂管、注入頭或滾筒被拽倒等現象，造成安全事故[3]。此外，根據文獻[4]的研究，“選擇合適的張緊力對連續管的使用壽命起著至關重要的作用”，因此依靠操作者目測電纜的松緊程度來判斷張緊力的大小顯然太過粗略，不能達到提高電纜使用壽命的要求和目的。為此，非常有必要研究出能夠精確控制電纜張緊力并使滾筒與注入頭自動協同動作的控制方法。

2.自動控制原理研究與實現

2.1.滾筒背壓法

滾筒背壓法是國內外連續油管作業機普遍采用的一種滾筒與注入頭自動協同動作的控制方法。滾筒背壓法是指在注入頭下管過程中，滾筒的控制邏輯是“出井”(即卷管)，但在注入頭的拖動下被動放管，對油管的拉力取決于背壓閥(液控調壓閥)調定的壓力。圖2 為典型的連續油管作業機滾筒馬達驅動主液路圖，滾筒馬達由獨立的葉片泵驅動，其工作壓力由液控調壓閥給定，其轉向由液控向閥控制。下管時，注入頭的控制閥給定為“進井”，滾筒的控制閥為“出井”。此時，滾筒與注入頭對油管的作用力方向相反，在油管上形成張力，油管最終的運動方向取決于注入頭與滾筒對油管拉力的大小。因目的是下管，所以滾筒的工作壓力較低，一般為2 MPa 左右(管徑不同略有差別)。在注入頭的驅動下，油管下注，滾筒馬達在油管的驅動下被動反轉，這就實現了滾筒與注入頭的自動協同動作，也實現了油管的張力控制。滾筒馬達工作于“泵”工況：從油箱吸油，泵出的液壓油經背壓閥流回油箱，同時從油泵來的液壓油也

Figure1.The vehicle-mounted mobilefire-drive ignition device圖1.車載移動式火驅點火裝置

經液控調壓閥流回油箱。提管時，注入頭與滾筒的控制邏輯都是“出井”，此時，注入頭與滾筒對油管的作用力同向，但因滾筒油泵的排量能保證滾筒的卷管速度大于注入頭的最大運行速度，所以滾筒與注入頭之間的油管上依然有張緊力，油管上的張緊力同樣取決于滾筒工作油壓。油管的起升速度由注入頭決定，滾筒泵多余的排量由液控調壓閥排出。

Figure 2.The schematic diagram of hydraulic control by drum back pressure method圖2.滾筒背壓法液控原理圖

Figure 3. The schematic diagram of drum motor control圖3.滾筒馬達控制原理圖

圖3為原火驅點火裝置的電纜滾筒馬達控制原理圖。馬達為定量柱塞馬達，內置液壓釋放型剎車，剎車的釋放壓力為3.5MPa。過載閥用于限定馬達的最高工作壓力，以保護馬達。換向閥、調速閥和減壓閥分別控制馬達的轉向、轉速和扭矩。這種控制模式下，馬達的轉速和轉向完全由操作臺直接控制，無法實現與注入頭的自動協同功能，依靠操作者直接調速來達到滾筒與注入頭的同步動作很困難，且存在諸多弊端。因此，要對原控制液路進行改造來實現滾筒與注入頭的自動協同功能和電纜張力的精確控制。根據最小改動原則，參照滾筒背壓法自動協同動作原理對原機液控制系統進行改造(圖4)。首先是將馬達剎車控制油路由內置式改成了外控式，因為剎車的開啟壓力為3.5MPa，而滾筒背壓法背壓工況下滾筒馬達的油壓僅2 MPa 左右，無法打開剎車，所以要將剎車控制油路改為外控式。另外，在原內置剎車油路的梭閥端增加了一塊壓力表，實時顯示馬達工作壓力。系統背壓工況原理為：將馬達配油盤上的過載閥2當作背壓溢流閥，溢流壓力調到2MPa；釋放剎車；滾筒馬達控制邏輯為“入井”，即“卷管”；注入頭的控制邏輯為“入井”。在注入頭的驅動下，電纜拉動滾筒反轉。滾筒馬達從過載閥2 的右側吸油，“泵”出油液經過載閥2排出，在馬達與過載閥2之間形成一個局部循環。另外，操作臺調速閥分配的油液也經過載閥2 流回油箱。兩路油液在過載閥2內部匯合，可避免局部循環油液溫度升高。經現場實驗驗證，改造后的滾筒控制液路實現了滾筒與注入頭的自動協同功能。

2.2.滾筒加壓法

經改造后的滾筒液路實現了滾筒與注入頭的自動協同功能。但在試驗中發現電纜的張緊力過大，即使將過載閥2壓力調到最低，最外層電纜的張緊力依然高達9500N。而根據文獻[5]推導的計算公式及推薦的松馳角，計算出該鎧裝電纜的合理張緊力為4150N。過大的張緊力既影響電纜的使用壽命，還對井架形成較大的傾翻力矩(見圖1)，不利于設備的穩定作業。因此，需要找出電纜張緊力過大的原因，并進行有針對性的改造。對滾筒進行受力分析，背壓工況下滾筒上作用有4個力矩：①電纜拉力對滾筒的驅動力矩[5](圖5)；②馬達克服背壓對滾筒軸形成的阻力矩，或者說馬達處于“泵”工況下所需要的驅動力矩，該力矩取決于背壓溢流壓力；③滾筒轉動時所有運動副的摩擦力對滾筒軸的阻力矩；④慣性力矩，假定滾筒的角加速度足夠小，忽略該力矩。第①、②個力矩可直接計算，第③個摩擦阻力矩不便直接計算，但可以實測滾筒的空載啟動(空載啟動是指滾筒上纏滿電纜、除重力外無任何外力狀態下啟動)油壓，換算到滾筒軸上，簡稱為啟動力矩。取滾筒勻速運動狀態時進行分析，則3個力矩處于平衡態，即：

綜合公式(1)、(2)，有：

Figure 4. The schematic diagram of automatic collaboration between the drum and motor圖4.滾筒馬達自動協同動作控制原理圖

式中：F 為電纜張緊力，N；M0為滾筒啟動力矩，N?m；p0為滾筒啟動油壓，Pa；pb為背壓溢流壓力，Pa；C 為馬達扭矩系數(馬達特性參數)，N?m/Pa；I 為馬達到滾筒的傳動比；R為電纜彎曲半徑，m；h為電纜拉力作用線到電纜纏繞外圓之間的最短距離，因為h? R，所以工程計算中一般以R代替(R+h)[5]。

經實測，滾筒的空載啟動油壓為3MPa，而用來當作背壓溢流閥的過載閥因可調精度最低只能調到1 MPa。將實測的數據代入式(3)中，計算出最外層電纜(R=0.815m)的張緊力為9320 N，與實測結果基本相符，證明理論分析是正確的，也由此找出了電纜張緊力過大的原因：滾筒的啟動力矩和馬達背壓力矩都偏大。影響滾筒啟動力矩的因素主要有產品的結構形式、動力傳動方式以及產品的制造、安裝精度等方面，而對于1臺已經制造完成的設備來說，可采取的措施有限。過載閥是馬達配油盤上自帶的，集成在馬達本體上，不便更換，因其可調精度低導致的背壓力矩大的問題也無法直接處理。受客觀條件限制，在背壓模式下無法將電纜張緊力調整到合理的區間。因此，必須跳出背壓原理的束縛來想辦法。由前文分析可知，電纜張緊力對滾筒形成的力矩要克服滾筒的啟動力矩和馬達的背壓力矩。滾筒啟動力矩永遠存在，其方向永遠與運動方向相反，因此該力矩無法改變，是驅動滾筒的最小力矩；馬達背壓力矩是人為增加的，其目的是張緊電纜，但電纜張緊力過大，如果去掉該力矩或使其反向，就能達到減小電纜張緊力的目的。因此，只要在電纜入井時，將滾筒馬達由背壓模式改為主動加壓模式，即可達成目的。也就是在電纜入井時將滾筒馬達的控制邏輯也改為“入井”，則馬達不再“拖拉”電纜，而是主動“推送”電纜。因此，只要馬達扭矩不大于滾筒的啟動力矩，則滾筒對電纜的綜合效果依然是“拖拉”，電纜的張緊力F 的計算公式為：

式中：pg為馬達工作油壓，可由操作臺減壓閥給定，Pa。

由式(4)可以看出，要使電纜上有張緊力，馬達工作油壓pg必須小于p0。當然，電纜張緊力不僅要滿足大于零的要求，還必須達到文獻[5]所推薦方法及參數計算出的合理區間。根據前文所述，本電纜的合理張緊力為4150N 左右，將張力值代入式(4)，得出電纜在最外層時pg為1.2 MPa。同樣，由式(4)可計算出電纜處于任意層的馬達工作油壓。由該結果可以看出，由里至外，馬達工作油壓逐漸減小，最大2.0MPa，最小1.2MPa。經現場實驗，結果與理論推導完全一致，不但實現了滾筒與注入頭的自動協同功能，也使電纜張緊力調到了合理區間。該種模式下，滾筒馬達不再工作在背壓工況下，而是正常的主動加壓工況。

Figure 5.The applied forceand bending deformation of coiled tubingon thedrum 圖5.連續油管在滾筒上的受力與彎曲變形

3.應用情況與結論

2018年，新疆油田分公司已經開始在紅山油田進行火驅工業化推廣應用，車載移動式點火裝置作為點火作業的核心裝備，對火驅工業化推廣起到了至關重要的作用。截至目前，已在現場點火60多井次。經改進后的液壓系統實現了滾筒與注入頭的自動協同功能，同時也實現了電纜張緊力的精確控制，既降低了操作難度，也起到了延長電纜使用壽命、降低點火作業成本的目的。

對于小型連續油管或其他連續管匯入井作業，若背壓溢流壓力無法使其張緊力達到理想區間，或目測其松馳角(圖5中的α)不在文獻[5]所推薦的合理范圍之內，可采用降低背壓或改為主動加壓的方法來減小管匯張緊力，以延長管匯的使用壽命。