一種連續(xù)管滾筒控制液路系統(tǒng)研究

楊高

(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，湖北荊州434000)

連續(xù)管技術(shù)是石油工業(yè)領(lǐng)域的一門新型技術(shù)，高效、安全、環(huán)保，用于解決常規(guī)技術(shù)難以解決的各種作業(yè)難題，顯示出了無可比擬的優(yōu)勢(shì)。連續(xù)管作業(yè)機(jī)主要由運(yùn)載設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、注入頭、滾筒、連續(xù)管、導(dǎo)向器、控制室、防噴器、防噴盒等部件組成，可廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、測(cè)井、修井、增產(chǎn)等各個(gè)作業(yè)領(lǐng)域，被譽(yù)為“萬能作業(yè)機(jī)”［1］。

滾筒是連續(xù)管作業(yè)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是存儲(chǔ)和運(yùn)輸連續(xù)管，并在作業(yè)過程中配合注入頭起下操作進(jìn)行連續(xù)管收放。連續(xù)管是一根長(zhǎng)度達(dá)幾百米至幾千米的鋼管，常用外徑范圍為2.54 ～8.89 cm(1 ～3.5 in)，強(qiáng)度等級(jí)有4.83 MPa(700 PSI)、5.52 MPa(800 PSI)、6.2 MPa(900 PSI)和6.89 MPa(1 000 PSI)，最高到7.58 MPa(1 100 PSI)甚至8.27 MPa(1 200PSI)［2－3］。由于連續(xù)管管徑和強(qiáng)度分級(jí)較多，剛性較大，而且作業(yè)過程中還經(jīng)常需要配合注入頭頻繁地進(jìn)行連續(xù)管起下操作，如何滿足多種連續(xù)管的纏繞控制，并跟隨注入頭同步運(yùn)動(dòng)是滾筒液路系統(tǒng)需要解決的主要問題。

在常規(guī)的連續(xù)管作業(yè)機(jī)液壓控制系統(tǒng)中，滾筒驅(qū)動(dòng)都采用馬達(dá)+減速器，馬達(dá)由溢流閥的壓力來控制連續(xù)管的背拉力，但控制精度不高，系統(tǒng)發(fā)熱較大。如果采用電液復(fù)合控制技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，使用維護(hù)要求較高［4－6］。文中研究針對(duì)滾筒原有液路系統(tǒng)的不足，進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并提出了一種閉式反饋控制解決方案。

1 滾筒的工作特點(diǎn)

滾筒的主要工作就是當(dāng)注入頭從井筒中向上起出連續(xù)管時(shí)收卷連續(xù)管，當(dāng)注入頭向井筒中下入連續(xù)管時(shí)從滾筒上放出連續(xù)管，并在收放過程中始終保持注入頭與滾筒之間的連續(xù)管拉緊，如圖1所示。由于連續(xù)管的剛性大、滾筒被動(dòng)調(diào)速、使用工況復(fù)雜，因此與普通鋼絲繩纏繞、主動(dòng)控制的液壓絞車相比，連續(xù)管滾筒的工作具有其特殊性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)滾筒收卷和放出連續(xù)管的過程中，甚至停機(jī)待命時(shí)，都需要保持連續(xù)管拉緊，使得連續(xù)管能在滾筒上緊緊纏繞，防止連續(xù)管回彈松弛打亂盤卷，影響作業(yè)進(jìn)度，甚至導(dǎo)致作業(yè)事故。

(2)同一個(gè)型號(hào)的滾筒一般都需要適應(yīng)多種規(guī)格連續(xù)管的使用，連續(xù)管管徑、壁厚、鋼級(jí)的不同，所需的張緊拉力大小也不一樣，因此滾筒控制要能方便根據(jù)連續(xù)管規(guī)格進(jìn)行張緊拉力的調(diào)節(jié)。

(3)滾筒速度由注入頭的速度決定，而且會(huì)經(jīng)常變化，為了保證滾筒與注入頭同時(shí)進(jìn)行連續(xù)管操作時(shí)的動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，滾筒應(yīng)跟隨注入頭的速度同步運(yùn)轉(zhuǎn)，收卷過程中，避免過拉，損壞設(shè)備，放管過程中，避免速度過快，導(dǎo)致浮管，實(shí)現(xiàn)滾筒與注入頭的協(xié)同控制。

(4)連續(xù)管放管時(shí)，注入頭拖動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)滾筒馬達(dá)作為泵工況使用，要防止馬達(dá)吸空，損壞馬達(dá)。

(5)連續(xù)管作業(yè)過程中，如果進(jìn)行校深、解卡等操作時(shí)，會(huì)進(jìn)行頻繁的起下操作，要求滾筒的方向控制操作簡(jiǎn)單，防止出錯(cuò)。

(6)作業(yè)時(shí)連續(xù)管內(nèi)、井筒內(nèi)通常都帶有高壓，如果出現(xiàn)操作失誤、控制系統(tǒng)缺陷等將會(huì)導(dǎo)致重大的設(shè)備和人身事故發(fā)生。

圖1 滾筒與注入頭協(xié)同工作示意圖

由于滾筒工作的特殊性和潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此滾筒的控制系統(tǒng)要簡(jiǎn)單、安全可靠，具有防止誤操作和處理緊急事故的能力。

2 常用控制液路系統(tǒng)改進(jìn)

常用控制液路采用開式系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，而且應(yīng)用較多，可以很好地滿足鋼絲繩繩卷揚(yáng)機(jī)的控制要求，作者首先基于該系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)管滾筒控制液路的優(yōu)化研究。

2.1 常用控制液路系統(tǒng)分析

常用控制液路系統(tǒng)通過恒壓變量液壓泵控制滾筒馬達(dá)，該泵正常作業(yè)時(shí)為定量輸出，只有工作壓力大于泵的限定壓力時(shí)，液壓泵輸出流量自動(dòng)減小，起到過載保護(hù)的作用。手動(dòng)換向閥進(jìn)行滾筒的旋轉(zhuǎn)方向控制，減壓閥用于控制流過液控比例換向閥的流量大小，從而控制滾筒的旋轉(zhuǎn)速度，并通過遙控溢流閥調(diào)節(jié)控制連續(xù)管張緊拉力的大小。平衡閥用于滾筒放管時(shí)提供背壓，從而產(chǎn)生足夠的張緊拉力張緊連續(xù)管，如圖2所示。

圖2 滾筒控制開式液路系統(tǒng)

該系統(tǒng)在用于連續(xù)管滾筒控制時(shí)主要存在以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn):(1)起下連續(xù)管時(shí)，需要控制滾筒的速度與注入頭的速度保持一致，恒壓變量泵實(shí)際工作時(shí)供液流量為定量輸出，一般按系統(tǒng)所需最大流量供給，通過溢流閥溢流來適應(yīng)注入頭的速度，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)發(fā)熱量很大。如果采用液控比例換向閥進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，無法判斷流量是否與注入頭匹配，而且注入頭速度經(jīng)常變化，控制難度就更大。(2)放管時(shí)，注入頭拖動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒馬達(dá)在泵工況下使用，易于吸空，為了避免馬達(dá)吸空，需要液壓泵進(jìn)行供液，因此該系統(tǒng)的操作方法是:收管時(shí)，液壓泵主動(dòng)供液驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，放管時(shí)，液壓泵給馬達(dá)反向供液，通過換向閥進(jìn)行起下操作之間的變換。在連續(xù)管作業(yè)過程中，有時(shí)需要頻繁地起下連續(xù)管時(shí)，比如解卡、校深等，就需要來回地操作換向閥進(jìn)行換向，而同時(shí)還需要操作注入頭的換向控制，增加了操作難度，容易導(dǎo)致操作失誤，產(chǎn)生事故。(3)在下管時(shí)，由于液壓泵供油方向?yàn)榭刂茲L筒馬達(dá)放管的方向，當(dāng)注入頭停止下入時(shí)，由于滾筒的慣性會(huì)繼續(xù)朝放管方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致浮管打亂盤卷。(4)不同管徑、不同壁厚、不同等級(jí)的連續(xù)管所需的張緊拉力大小不同，所需平衡閥設(shè)定的最大開啟壓力也不一樣，這就需要在每次更換連續(xù)管后都要進(jìn)行平衡閥的調(diào)節(jié)，使用很不方便。

由于該液路系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中產(chǎn)生的各種問題，于是提出了如下改進(jìn)要求:(1)將滾筒方向控制簡(jiǎn)化;(2)減少系統(tǒng)溢流，避免系統(tǒng)過熱;(3)滾筒放管時(shí)可根據(jù)需要方便調(diào)節(jié)連續(xù)管的張力。

2.2 系統(tǒng)改進(jìn)

根據(jù)常用控制液路系統(tǒng)的不足，進(jìn)行了方案一(如圖3)和方案二(如圖4)兩種設(shè)計(jì)改進(jìn)，在這兩種方案中取消了手動(dòng)換向閥。

圖3 滾筒控制開式液路系統(tǒng)改進(jìn)方案一

圖4 滾筒控制開式液路系統(tǒng)改進(jìn)方案二

方案一，無論收管還是放管，液壓泵始終為滾筒馬達(dá)收管方向供油，先導(dǎo)溢流閥通過遙控溢流閥進(jìn)行工作壓力調(diào)節(jié)，先導(dǎo)溢流閥泄油流入滾筒回油路，并通過單向閥與油箱連通，只有當(dāng)回油壓力超過單向閥開啟壓力1 MPa 時(shí)，才能打開單向閥，油液流回油箱。當(dāng)進(jìn)行放管操作時(shí)，注入頭拖動(dòng)連續(xù)管，馬達(dá)工作在泵工況下，先導(dǎo)溢流閥設(shè)定的油液壓力為滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)提供阻力，從而張緊連續(xù)管，先導(dǎo)溢流閥泄油流入回油側(cè)，并通過單向閥保持一定的壓力，主動(dòng)為馬達(dá)提供油液補(bǔ)充，防止馬達(dá)吸空。系統(tǒng)中先導(dǎo)溢流閥用于調(diào)節(jié)滾筒的工作壓力，雙向溢流閥主要用于設(shè)定液路中的過載壓力，防止超壓，保護(hù)設(shè)備和人員安全。

該改進(jìn)方案在正常作業(yè)過程中，避免了頻繁操作換向閥帶來的不便，但是由于無法控制液壓泵的輸出流量，需要通過先導(dǎo)溢流閥高壓溢流來泄掉多余的液壓油，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，特別是當(dāng)系統(tǒng)工作在放管時(shí)，由于先導(dǎo)溢流閥高壓溢流的熱油繼續(xù)在回路里循環(huán)，更加劇了系統(tǒng)的發(fā)熱。

為了解決放管操作時(shí)系統(tǒng)過熱的問題，進(jìn)行了方案二的改進(jìn)，放管操作時(shí)，通過一臺(tái)補(bǔ)油泵為馬達(dá)供液，防止馬達(dá)吸空，先導(dǎo)溢流閥高壓溢流的熱油直接進(jìn)入散熱系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，回油側(cè)多余液壓油通過溢流閥(開啟壓力1 MPa)低壓溢流，發(fā)熱較少。

以上兩種改進(jìn)方案都實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)化的要求，但是都有系統(tǒng)發(fā)熱的問題，雖然方案二減少了系統(tǒng)的發(fā)熱量，但是發(fā)熱依然存在，需要配置大功率散熱器來進(jìn)行系統(tǒng)冷卻。

3 基于閉式系統(tǒng)的滾筒控制液路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決系統(tǒng)的發(fā)熱問題，進(jìn)行了滾筒控制的閉式液路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過反饋控制功能，避免了系統(tǒng)高壓溢流，消除了發(fā)熱源。

滾筒控制閉式液路系統(tǒng)采用力士樂A4VG 系列斜盤式雙向變量柱塞泵，液壓系統(tǒng)原理如圖5所示，液壓泵1 通過外部液壓實(shí)現(xiàn)排量和A、B 油口液流方向的控制，減壓閥4 調(diào)節(jié)輸入變量機(jī)構(gòu)2 的伺服油液壓力大小，從而控制液壓泵的輸出排量，達(dá)到控制馬達(dá)7 轉(zhuǎn)速的目的。方向控制手柄3 可用于控制外部液源流入變量機(jī)構(gòu)2 的不同工作腔(變量腔和回程腔)，從而控制液壓泵輸出流量的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向的控制，但是在滾筒的實(shí)際使用過程中，由于液壓泵的供液方向始終處于控制馬達(dá)收管的方向，所以該方向控制手柄不用于改變液流方向，主要用于當(dāng)手柄放置在中位時(shí)控制滾筒停機(jī)。

圖5 閉式控制液路系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)滾筒與注入頭的協(xié)同控制，減少系統(tǒng)溢流，在液路中增加了反饋控制功能，由于滾筒工作時(shí)，液壓泵始終朝一個(gè)方向供油，所以只在滾筒收管回路設(shè)置了反饋控制模塊。如圖5所示，油路A 的工作壓力通過MA 由連接到回路中的先導(dǎo)式溢流閥8和直動(dòng)式溢流閥7 控制。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力時(shí)，反饋回路中的先導(dǎo)式溢流閥8 被打開，將系統(tǒng)壓力油引入到液壓泵變量機(jī)構(gòu)中的“回程腔”，從而抵消一部分伺服控制壓力，推動(dòng)斜盤向回程(擺角減小)方向擺動(dòng)，使排量減小，必要時(shí)甚至超過中位，直至系統(tǒng)壓力降低到調(diào)定值為止，防止壓力超過調(diào)定的最高壓力。反饋系統(tǒng)的控制流程如圖6所示，設(shè)回路A 的工作壓力為pA，溢流閥設(shè)定溢流壓力為pK，反饋壓力為pX，斜盤擺角為θ，液壓泵輸出流量為Q。

圖6 反饋系統(tǒng)控制流程圖

反饋液壓回路中采用外控外泄先導(dǎo)式溢流閥配合阻尼孔進(jìn)行調(diào)速，因?yàn)楫?dāng)控制的額定壓力與額定流量相同時(shí)，直動(dòng)式溢流量大于先導(dǎo)式溢流量，先導(dǎo)式溢流閥的溢流量較小，且溢流量變化時(shí)，壓力波動(dòng)較小，故常用先導(dǎo)式配合節(jié)流閥作調(diào)速之用，也可用作限壓保護(hù)，故系統(tǒng)無需另加溢流閥［7］。外控外泄方式可減少出口壓力對(duì)溢流閥進(jìn)口壓力的影響，并可通過一個(gè)遙控溢流閥來操作先導(dǎo)溢流閥，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。阻尼孔用于降低壓力脈動(dòng)，減小波動(dòng)幅值，使得控制更加平穩(wěn)［8］。通過試驗(yàn)，在不影響液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的前提下，反饋液壓回路中設(shè)置3 mm 阻尼孔的效果最佳。

該反饋控制功能可在各種變化工況下保持系統(tǒng)工作壓力穩(wěn)定，使得滾筒的輸出扭矩不受速度變化的影響，始終保持不變，而且液壓泵供給滾筒馬達(dá)的流量可跟隨起下連續(xù)管的速度要求自動(dòng)適應(yīng)，需要多少供給多少，系統(tǒng)無溢流，減少了發(fā)熱。同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)液壓泵低壓?jiǎn)?dòng)、超壓限定。

3.2 滾筒操作方法及控制原理

(1)連續(xù)管起出

推動(dòng)“方向控制手柄”讓液壓泵給馬達(dá)朝收管旋轉(zhuǎn)方向供油，將“減壓閥”調(diào)節(jié)到變量機(jī)構(gòu)的最大限定伺服壓力(系統(tǒng)安裝調(diào)試好后，工作中該閥就不需要再進(jìn)行調(diào)節(jié))，調(diào)節(jié)“遙控溢流閥”使得滾筒將連續(xù)管張緊，滾筒操作調(diào)節(jié)完畢。此時(shí)，如果沒有反饋控制(溢流未通過X4 口接入液壓泵變量機(jī)構(gòu)回程腔)，伺服壓力進(jìn)入變量機(jī)構(gòu)變量腔，推動(dòng)斜盤到最大位置，液壓泵輸出最大排量，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度將達(dá)到最大，如果注入頭不動(dòng)或者速度低于滾筒的最大速度，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度受阻，該系統(tǒng)回路將和前面所講開式系統(tǒng)回路一樣，液路中的壓力會(huì)快速升高到最大限定壓力，多余液壓油液溢流回油箱。由于設(shè)計(jì)了反饋控制，滾筒速度一旦受阻，液壓壓力升高，溢流閥溢流通過X4 口進(jìn)入液壓泵變量機(jī)構(gòu)回程腔，使斜盤向回程(擺角減小)方向擺動(dòng)，液壓泵輸出排量減小，滾筒速度降低，直到與注入頭起出連續(xù)管的速度保持一致，液路系統(tǒng)達(dá)到平衡，變量腔伺服壓力和回程腔反饋壓力共同作用調(diào)定的斜盤擺角大小剛好滿足滾筒轉(zhuǎn)速所需要的流量控制要求。

(2)連續(xù)管下入

同樣，推動(dòng)“方向控制手柄”讓液壓泵給馬達(dá)朝收管旋轉(zhuǎn)方向供油， “減壓閥”已調(diào)節(jié)好，調(diào)節(jié)“遙控溢流閥”使得滾筒將連續(xù)管張緊，滾筒操作調(diào)節(jié)完畢。此時(shí)，液壓系統(tǒng)控制滾筒朝收管方向運(yùn)動(dòng)，但是由于注入頭進(jìn)行下管操作，速度與滾筒的運(yùn)動(dòng)方向相反，而且滾筒對(duì)連續(xù)管的拉力始終小于注入頭，滾筒運(yùn)動(dòng)受阻，液壓壓力升高，溢流閥溢流通過X4口進(jìn)入液壓泵變量機(jī)構(gòu)回程腔，使斜盤向回程(擺角減小)方向擺動(dòng)，液壓泵輸出排量減小，滾筒速度降低，直到速度為0 系統(tǒng)仍不能平衡，因?yàn)闈L筒馬達(dá)在連續(xù)管的拖動(dòng)下，不停向油路A 中輸出液壓油，油路壓力繼續(xù)高于溢流閥設(shè)定壓力，反饋壓力會(huì)繼續(xù)升高，推動(dòng)斜盤超過中位，從而使得液壓泵反向供油到油路B，此時(shí)油路A 變?yōu)橐簤罕玫奈蛡?cè)，油路B為供油側(cè)，直到液壓泵的吸油量與滾筒馬達(dá)輸出流量相等，反饋壓力保持穩(wěn)定，斜盤擺角不再繼續(xù)反向增大，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡。

4 結(jié)論

(1)基于開式液路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了增加回油背壓和補(bǔ)油泵兩種方式，取消了平衡閥，解決了馬達(dá)吸空的問題，通過溢流閥可方便進(jìn)行馬達(dá)壓力的調(diào)節(jié)，滿足不同連續(xù)管的張緊拉力需要。

(2)基于閉式液路系統(tǒng)的滾筒控制，通過負(fù)載反饋可保持滾筒扭矩恒定，速度自動(dòng)適應(yīng)注入頭同步變化，實(shí)現(xiàn)了滾筒與注入頭的完全協(xié)同控制，而且系統(tǒng)無高壓溢流，效率高，發(fā)熱量少，是滾筒控制的最佳方式。

(3)滾筒馬達(dá)始終工作在收管方向，簡(jiǎn)化了滾筒方向控制，也避免了在注入頭下管過程停機(jī)時(shí)的慣性作用導(dǎo)致浮管，作業(yè)更加安全可靠。

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