SPM5360TCGJ型碳纖維連續抽油桿作業車研制

劉波 武豐 紀曉飛 武飛 王洪江 劉玉杰 王建 李強

摘要：針對當前碳纖維連續抽油桿作業車存在的結構布局不合理、夾持器的牙齒尖、夾持力大、易損碳纖維連續抽油桿等問題，研制SPM5360TCGJ型碳纖維連續抽油桿作業車。該車采用單車車載式結構，整車全液壓控制，設計了專用動力滾筒、排桿機構、井口裝置等裝置，適用于圓形碳纖維連續抽油桿的各項作業。通過控制動力滾筒的正反轉，實現桿體的收卷、釋放。排桿機構與動力滾筒聯動，滾筒旋轉1圈，桿體導向機構移動1個導程（1個桿體直徑距離），實現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、左右移動液壓缸實現快速對正井口?，F場應用證明，該作業車結構緊湊，布局合理，作業靈活，不損傷碳纖維連續抽油桿，作業效率高。

關鍵詞：碳纖維連續抽油桿; 作業車; 動力滾筒

中圖分類號：TE933.203? ? 文獻標識碼：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

碳纖連續抽油桿是以樹脂為基體，碳纖維作為增強材料，采用拉擠成型工藝生產的復合材料碳纖維抽油桿［1-3］。相對于鋼制抽油桿，碳纖連續抽油桿具有高強、質輕、耐腐、抗磨等優點。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特優勢［4-8］，為油田實現深抽提液、防腐延壽、節能降耗提供了一種新技術。

碳纖維連續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設備來實現。目前，在油氣井進行碳纖維連續管作業時，大部分是使用鋼質連續抽油桿作業車。由于鋼制抽油桿和碳纖連續抽油桿的材質不同、結構尺寸不同、要求條件不同，使用鋼質連續抽油桿作業車起下碳纖維連續抽油桿的局限性特別大［9-12］。使用的無井架碳纖維連續抽油桿作業車只適用于扁帶形狀的碳纖維連續抽油桿，其收卷系統和注入頭都不適用于圓形截面的碳纖維連續抽油桿，而且這種作業車在起桿作業中會給碳纖維抽油桿施加拉力，同時在導向輪處施加彎曲應力，導致桿體受損嚴重［13-15］。因此，針對碳纖維連續抽油桿及其作業特性，開展其專用配套設備的技術研究，實現碳纖維連續抽油桿工業化應用，對油田生產的節能降耗，以及深井、超深井、高腐蝕油井舉升意義重大。

1 總體方案設計

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

1.1 結構及技術參數

SPM5360TCGJ型碳纖維連續抽油桿作業車采用單車車載一體式的結構設計，主要由載運車、動力滾筒、液壓系統、井口裝置、舉升裝置、數據采集和顯示系統等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

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

1.2.1 行車狀態

在作業車轉運時，參考圖1所示，車上各個工作單元處于“收放”狀態，便于運輸。

1.2.2 作業狀態

碳纖維連續抽油桿作業車在作業過程中，作業設備通過盤桿、起下桿等完成連續抽油桿的作業。

1） 盤桿。

液壓泵站驅動液壓馬達，通過減速器帶動動力

滾筒倒轉，利用“排桿系統”將碳纖維連續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1圈，排桿系統向左右前進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。

起桿作業施工步驟主要分為井口對正和起下桿作業2部分。

井口對正時，根據井場的實際情況，選擇好倒車路線和停車位置，進行井口初步對正。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，并將碳纖維連續抽油桿從井中提出足夠長度。將碳纖維連續抽油桿繞過導向架，并與動力滾筒上抽油桿固定座可靠連接。轉動動力滾筒，為抽油桿柱提供提升動力。動力滾筒每轉1圈，排桿器在左右方向前進1個抽油桿直徑的距離，據此可以計算出起出井桿柱的長度，實現起桿作業。如圖4所示。

下桿時，將碳纖維連續抽油桿從動力滾筒上繞出一定長度，將桿的接頭經導向架穿過桿柱注入器，并與油井內已下入桿柱連接。驅動動力滾筒轉動，實現碳纖維連續抽油桿的下井作業。

為了測試抽油桿柱承受的力，在液壓馬達和減速器輸入軸之間安裝扭矩傳感器?？梢园雅ぞ貍鞲衅鞯臏y試值換算為桿柱的力，用此力值判斷抽油桿是否超載。

2 關鍵技術研究

2.1 動力滾筒

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

動力滾筒的設計同時應滿足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桿應盡可能的多，滿足單口井的使用。

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

2.2 井口裝置

碳纖維連續抽油桿作業車在作業時需與井口保證一定的對正精度?，F有的作業設備在對正井口時需反復調整與井口的相對位置，浪費了大量時間。為了使作業車能夠快速、便捷的對正井口，設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、導桿架等組成，如圖6所示。作業車初步對正井口后，通過調整前后移動液壓缸、左右移動液壓缸，可以使井口裝置相對于底盤車移動，從而快速與井口進行對正。支腿油缸支定后，井口裝置承受作業時導桿架、吊機產生的壓力載荷。

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

2.3 舉升裝置

現有碳纖維連續抽油桿作業車在作業前需先用吊車將光桿起出，再配合作業設備將連續桿起出或下放，這樣不僅增加了吊車的費用，而且也不符合目前井場的作業要求。因此，設計專用舉升裝置，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。液壓絞車拉力為50 kN，經鋼絲滑輪繩系轉換，可產生理論提升力200 kN，不僅能進行連續桿始末段的起下、調整抽油系統的防沖距，而且可以完成抽油機井光桿的起下作業，同時也省去現場吊車的使用。

2.4 測控系統

2.4.1 液壓控制系統

液壓控制系統主要為作業車各個運動單元提供液壓動力，由動力部分、控制閥、執行單元、液壓油、管路及附件組成。

該作業車液壓系統采用底盤車取力驅動液壓泵，由液壓力驅動液馬達、液壓缸。通過設定各分液壓系統的壓力，實現動力滾筒拉力的超載保護。

動力滾筒的液壓馬達采用低轉速、大扭矩擺缸式液壓馬達，配有常閉液壓制動器、減速器、平衡閥，通過換向閥可以實現動力滾筒的正傳、反轉。當換向閥處于中位時，常閉液壓制動器制動，從而實現動力滾筒剎車。

2.4.2 數據采集和顯示

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、數據處理儲存和輸出設備組成?？梢詫崿F碳纖維連續抽油桿的下放長度、所受拉力等作業參數的采集、處理、顯示、儲存、輸出。

3 現場試驗及應用

SPM5360TCGJ型碳纖維連續抽油桿作業車研制成功后，在勝利油田東辛區域進行起、下桿作業，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。多年的現場應用表明，碳纖維連續抽油桿作業車的應用可以顯著提高碳纖維連續抽油桿的應用效果，現場作業靈活，不損傷抽油桿，大幅提升了現場施工效率，具有廣闊的應用前景。

4 結論

1） SPM5360TCGJ型碳纖維連續抽油桿作業車采用車載式一體化設計，具有作業功能齊全、施工靈活快捷、作業效率高的特點，可實現碳纖維連續抽油桿的起、下桿作業，同時也可以進行鋼制抽油桿的作業。

2） 井口裝置由前后移動液壓缸、左右移動液壓缸驅動，相對于底盤車移動，實現快速對正井口，降低前期準備工作時間，提高施工效率。

3） 設計開發了動力滾筒、排桿機構、導桿架等機構，采用“滾筒+碳桿自重”的作業模式，實現碳纖維連續抽油桿無損起下。其中，動力滾筒正反纏繞，實現桿體的收卷、釋放，避免外力損傷抽油桿；排桿機構與動力滾筒聯動，滾筒旋轉1圈，桿體導向機構移動1個導程（1個桿體直徑距離），實現碳纖維連續抽油桿在滾筒上有序排列。

參考文獻：

［1］ 薛國鋒，周春玲．碳纖維連續抽油桿采油配套工具研究［J］．石油天然氣學報，2008，30（3）：391-392．

［2］ 彭勇，閆文輝，職黎光，等.碳纖維連續抽油桿作業車的研制［J］.鉆采工藝，2006（4）：81-82.

［3］ 陳厚，劉建軍，張旺璽，等．新型碳纖維抽油桿的研制［J］．化工科技，2001，9（2）：13-15．

［4］ 李穎，孫希慶，孟光玉，等.碳纖維復合材料柔性抽油桿技術性能及應用［J］.石油機械，2003（3）：42-43.

［5］ 王瑞星，劉波，于海華，等.碳纖維連續抽油桿的研究與應用分析［J］.中小企業管理與科技（中旬刊），2020（2）：178-179.

［6］ 閆文輝，程元林，彭勇，等.碳纖維連續抽油桿作業車自動調平系統設計［J］.石油機械，2006（9）：20-21.

［7］ 孫新國，孫亮，王二化.基于ANSYS的碳纖維連續抽油桿作業車側翻穩定性的有限元分析［J］.機床與液壓，2014，42（22）：67-68.

［8］ 王大彪，強會彬，周健.連續帶壓起下抽油桿作業機現場應用實踐［J］.石油知識，2015（2）：54-55.

［9］ 李喜順. 連續抽油桿、油管一體化小修作業車設計［D］.北京：中國石油大學，2010.

［10］ 張延忠.連續油管作業機注入與滾筒同步控制系統研究［J］.設備管理與維修 ，2015（10）：60.

［11］ 孫仁俊，張保弟.連續油管作業機液氣系統設計［J］.液壓與氣動，2013（6）：79-80.

［12］ 廉冬.碳纖維連續抽油桿的研究與應用［J］.西部探礦工程，2006（S1）：351-353.

［13］ 吳大飛，李雪輝，劉壽軍，等.新型碳纖維連續抽油桿作業機的研制［J］.石油機械，2018，46（7）：84-88

［14］ 張貴賢，王立偉，姜衛華，等.碳纖維復合材料抽油桿應用技術進展［J］.鉆采工藝，2012，35（2）：63-65.

［15］ 張汝貴.ND5320柔性連續抽油桿作業車研制［J］.包頭職業技術學院學報，2013，14（1）：25-28.