7 000 m橇裝連續管滾筒的研制*

□ 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管重大新技術推廣專項,于2009年建成國內首條連續管生產線,之后研發了滿足油氣田需求的連續管系列裝備,實現了降本增效。連續管作業從單一工藝發展到多種作業類型,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研,發現目前各地的連續管以φ50.8 mm×6 000 m規格為主[4-5],而某地區常規氣井開發所需要的連續管,規格為φ50.8 mm×7 000 m。連續管滾筒作為連續管作業機的核心裝備,用于連續管的存儲。作業時,連續管滾筒與注入頭協同動作,纏放連續管。受運輸道路限制和質量、質心問題影響,傳統連續管滾筒無法實現車裝或車裝運輸困難。為滿足某地區常規氣井開發所需φ50.8 mm×7 000 m規格連續管,研制了7 000 m橇裝連續管滾筒。這一連續管滾筒集成度高,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山地、丘陵工作環境,7 000 m連續管滾筒設計為橇裝結構[6],纏管量滿足φ50.8 mm×7 000 m橇規格的連續管,可以實現連續管滾筒與連續管一橇式運輸。由于連續管作業機連續作業時間較短,油田電網鋪設范圍有限,7 000 m橇裝連續管滾筒采用全液壓驅動方式,動力取自控制車。7 000 m橇裝連續管滾筒滿足常規連續管作業高壓流體介質循環和電纜測井電信號傳輸的要求,所有控制數據和信號數據的顯示都集中在司鉆控制房內,滾筒橇與控制車、滾筒橇與高壓泵之間的管纜可以實現快速拆裝。

3 結構

7 000 m橇裝連續管滾筒結構如圖1所示[7],滾筒總成屬于焊接結構的鋼制滾筒。滾筒軸通過軸承座固定,結構簡單,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。驅動裝置安裝在支撐座上,通過鏈條驅動滾筒。液壓系統[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,連續管滾筒和安裝橇可以拆分單獨運輸,也可以在井場內短距離整體拖拽移運。

4 技術參數

7 000 m橇裝連續管滾筒的主要技術參數如下:滾筒總成內圓直徑為2 032 mm,滾筒總成外緣直徑為3 810 mm,滾筒內側寬度為2 312 mm,滾筒總成轉速為7.3 r/min,允許纏管質量為36 000 kg,外形尺寸為5 100 mm×3 100 mm×3 900 mm,液壓系統工作壓力為21 MPa,額定流量為135 L/min。

5 關鍵部件

5.1 安裝橇

安裝橇是由若干方鋼管焊接而成的框架結構,用于支撐連續管滾筒,作業時抵抗傾覆力矩,防止產生拉動。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橇裝連續管滾筒在井場內短距離拖拽移運。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橇裝連續管滾筒結構

5.2 驅動裝置

驅動裝置為滾筒總成提供動力,滿足滾筒總成的扭矩要求,使連續管下放時在滾筒端處于張緊狀態[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橇裝連續管滾筒運輸時處于剎車狀態。液壓馬達經直角型減速機減速后,通過鏈條驅動滾筒軸上的大鏈輪旋轉,使滾筒總成獲得較低的轉速和較大的扭矩。驅動裝置安裝在支撐座上,通過頂絲調節鏈輪間距,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管纏放時實現連續管整齊排列。排管裝置采用螺旋傳動的方式進行排管,分為兩種形式。一種是聯合排管,滾筒軸上的小鏈輪經鏈條驅動絲杠轉動,滑套在絲杠上滑動,帶動導輪及導向裝置在滑桿上滑動,連續管端頭通過導向裝置,與導向裝置內部安裝的計數器接觸,計量連續管長度,通過調整鏈輪之間的傳動比,保證滾筒總成轉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,滾筒總成轉動的距離與導向裝置滑動的距離產生累積誤差造成錯位時,排管液壓馬達經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,調整導向裝置與連續管對齊,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整,適應注入頭導向架高度和方向,避免連續管進出導向裝置時出現大角度折彎,產生表面損傷。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橇裝連續管滾筒可以適應不同的連續管管徑。

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通過連續管注入井底。高壓旋轉接頭鑲入滾筒軸中,與滾筒軸固定并一起旋轉。高壓旋轉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管連接,使高壓流體介質在作業過程中通過連續管注入井底。高壓控制閥組上裝有高壓渦輪流量計和壓力傳感器,介質流量和壓力數據集中在司鉆控制房內顯示。高壓旋轉接頭采用活接頭形式,內部鑲嵌滾珠軸承,實現內層、外層分離,滿足0～15 r/min的轉速要求。

▲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動防銹液的方式,將防銹液注入至連續管表面,用于連續管防銹。來自控制車的氣源經減壓閥、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,對通過的連續管表面注入防銹液。

6 有限元分析

為保證7 000 m橇裝連續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、連續管重力、管內充滿泥漿的重力,均勻分布在滾筒總成上;② 連續管拉力[10];③ 驅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,由于數值較小,可以忽略。

滾筒總成轉速較低,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橇裝連續管滾筒研制完成之后,在廠內進行組裝調試,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。在連續管內注滿水,對7 000 m橇裝連續管滾筒進行連續管提升、下放聯動試驗,試驗時排管整齊,高壓旋轉接頭與滾筒軸固定可靠,轉動靈活。在司鉆控制房內完成對7 000 m橇裝連續管滾筒的控制,邏輯清晰,數據信號實時顯示。試驗中各技術指標均達到設計要求,驗證了設計的合理性和可靠性。

8 結束語

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

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

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