注入頭的發(fā)展現(xiàn)狀及系統(tǒng)載荷分析

鄭偉

【摘 要】注入頭是連續(xù)油管下入和起出油井的關(guān)鍵設(shè)備，國外發(fā)達(dá)國家在連續(xù)油管裝備上起步較早，經(jīng)過發(fā)展現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于油、氣田中，可以進(jìn)行鉆井、修井、完井、壓裂等各種作業(yè)，由于國外技術(shù)封鎖以及國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，類似連續(xù)油管等高端作業(yè)裝備起步較晚，并且存在設(shè)備老化、不配套、使用率低、費(fèi)用高等問題。由于連續(xù)油管的注入頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境比較惡劣，維護(hù)保養(yǎng)困難，作業(yè)容易產(chǎn)生額外的沖擊、振動(dòng)，通過對(duì)注入頭各系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以有效優(yōu)選各系統(tǒng)參數(shù)，有效提高系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性。

【Abstract】The injection head is a key equipment for the coiled tubing to enter and start the well. Foreign developed countries start earlier on coiled tubing equipment， after development， it has been widely used in oil and gas fields， which can carry out various operations， such as drilling， well repair， well completion and fracturing. Due to the foreign technical blockade and the weak industrial base in China， high-end equipment such as coiled tubing started late， and there exists some problems such as aging equipment， not matching， low utilization rate， high cost and so on， the extra shock and vibration are easily generated in the operation. Through analyzing each system of the injection head， the parameters of each system can be effectively optimized， and the stability and reliability of the whole system can be effectively improved.

【關(guān)鍵詞】注入頭;工作原理;發(fā)展現(xiàn)狀;載荷;分析

【Keywords】injection head; working principle; development status; load; analysis

【中圖分類號(hào)】? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）10-0155-02

1 注入頭的工作原理

連續(xù)油管注入頭是連續(xù)油管下入和起出油井的關(guān)鍵設(shè)備，由可正反方向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，并通過減速機(jī)進(jìn)行減速，然后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)鏈輪進(jìn)行工作，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)鏈輪通過二套鏈條，帶動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)鏈輪進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。鏈條上安裝有夾持塊，通過對(duì)稱布置的夾持塊夾緊連續(xù)油管，使連續(xù)油管跟隨鏈條一起正反轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動(dòng)鏈輪的正反轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行起出、下入油管作業(yè)。注入頭為連續(xù)油管作業(yè)機(jī)提供動(dòng)力，可以克服油管在井內(nèi)的浮力，強(qiáng)行將油管注入井內(nèi);也可以夾持懸停連續(xù)油管，進(jìn)行鉆磨銑作業(yè)。同時(shí)，根據(jù)井下作業(yè)工況的情況，可調(diào)節(jié)注入頭的提升或下入連續(xù)油管的速度。注入頭可以根據(jù)井下工具串的重量和鉆壓，通過調(diào)節(jié)夾緊力的大小，可以進(jìn)行不同噸位、不同載荷的作業(yè)。

2 注入頭發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 國外注入頭發(fā)展現(xiàn)狀

由于西方發(fā)達(dá)國家工業(yè)發(fā)達(dá)，技術(shù)成熟，起步較早，在連續(xù)油管作業(yè)裝備的使用上經(jīng)驗(yàn)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(chǎn)、設(shè)計(jì)連續(xù)油管的百年老店型公司，該公司的注入頭市場占有率達(dá)70%，在美國有一家專門生產(chǎn)注入頭的工廠。美國Stewart&Stevenson;公司、Foremost公司生產(chǎn)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(nèi)廣泛使用。在注入頭技術(shù)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(shù)服務(wù)公司的指定注入頭設(shè)備供應(yīng)商。目前，美國海德瑞公司注入頭最大提升能力能達(dá)到140000磅，最大下入力70000磅，最大速度42m/min，最大適應(yīng)4 1/2”連續(xù)油管。

美國Stewart&Stevenson;公司也是生產(chǎn)注入頭的廠家，在1989年，開始開發(fā)連續(xù)油管裝備，以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可靠性高、重量輕而聞名于世。

20世紀(jì)90年代，加拿大Foremost公司開始致力于設(shè)計(jì)獨(dú)具特色的連續(xù)油管裝備，加拿大Foremost公司主要設(shè)計(jì)淺層井用連續(xù)油管鉆機(jī)，可以大幅節(jié)約鉆機(jī)費(fèi)用，已成為北美最重要的連續(xù)油管鉆機(jī)供應(yīng)商。加拿大Foremost公司已經(jīng)研發(fā)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(xù)油管鉆機(jī)。

2.2 國內(nèi)注入頭發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，中國開始引進(jìn)連續(xù)管作業(yè)技術(shù)。由于引進(jìn)成本非常昂貴，注入頭等關(guān)鍵技術(shù)受國際專利保護(hù)，國內(nèi)僅在沖砂洗井、氣舉排液、鉆橋塞、清蠟、注氮等常規(guī)作業(yè)中使用。同時(shí)，存在裝備過時(shí)、裝備不匹配、使用頻率率低、施工昂貴等缺點(diǎn)，為了開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的連續(xù)管設(shè)備，國內(nèi)石油機(jī)械公司主要通過自主研發(fā)與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合的方式，關(guān)于連續(xù)油管裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)工作，獲得了一定的研發(fā)成果。國內(nèi)主要代表公司有：中國石油集團(tuán)江漢機(jī)械研究所、中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司、煙臺(tái)杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司等。

這些年，由于連續(xù)油管鉆井技術(shù)呈現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯，國內(nèi)幾大石油機(jī)械公司對(duì)連續(xù)油管鉆機(jī)裝備的關(guān)注度越來越高。四川宏華石油設(shè)備有限公司在連續(xù)油管鉆井裝備開發(fā)上，取得較大突破，研究比較深入、技術(shù)水平成熟。雖然該公司研制出了較新型連續(xù)油管鉆機(jī)裝備，但是，受成本等原因制約，在油田實(shí)際使用較少，沒有廣泛推廣。

3 系統(tǒng)載荷分析

連續(xù)油管注入頭的系統(tǒng)比較復(fù)雜，存在很多輔助零件，在受力分析時(shí)，需要對(duì)輔助零件進(jìn)行簡化。鏈條總成是主要承載件，夾持塊與連續(xù)油管直接接觸，承受主要載荷，直接決定連續(xù)油管的工作狀態(tài)，需要將鏈條總成上所受的主要載荷簡化成作用在連續(xù)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(yè)過程中，夾持塊與連續(xù)油管會(huì)產(chǎn)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(yùn)動(dòng)方向相反，摩擦力的大小需大于夾持塊與連續(xù)油管的最大軸向力，才能使連續(xù)油管起出和下入。

夾緊力的計(jì)算公式：F=Fmax/f

公式中：F—夾緊油缸所需夾緊力（N）;f—連續(xù)油管與夾持塊的摩擦系數(shù);連續(xù)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(fā)生摩擦，因此所受的摩擦力計(jì)算公式為：

F=2uF

公式中：u—材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

3.2 鏈條總成承受的載荷分析

注入頭液壓馬達(dá)的工作狀況由負(fù)載決定，而鏈條總成由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鏈輪驅(qū)動(dòng)，所以鏈條總成所受的最大牽引載荷需要計(jì)算。根據(jù)注入頭的結(jié)構(gòu)受力分析，可分析出，鏈條總成所受的牽引載荷，由連續(xù)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(fù)載公式為：

FLmax=Fmax+2Fmax[1+2（u/fd）]

注入頭的驅(qū)動(dòng)力是由兩個(gè)液壓馬達(dá)提供，夾持系統(tǒng)主要由夾緊油缸和張緊油缸組成。夾持塊夾緊連續(xù)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(shí)間后，會(huì)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(dòng)產(chǎn)生的跳齒和脫鏈現(xiàn)象。

3.3 注入頭夾緊油缸的載荷分析

公式中：F—單個(gè)油缸的載荷;c —摩擦系數(shù)，取1.25;n—夾緊油缸的數(shù)量。

3.4 注入頭張緊油缸的載荷分析

由于注入頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在作業(yè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的沖擊、振動(dòng)，并且因?yàn)樽鳂I(yè)工況的不同，鏈條的傳動(dòng)載荷在正常作業(yè)過程中不均勻。液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)鏈輪上的鏈條總成旋轉(zhuǎn)，鏈條總成帶動(dòng)夾持塊夾緊連續(xù)油管運(yùn)動(dòng)。如果鏈條總成的緊張狀態(tài)得不到保證，就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不平衡，鏈條堆積在一起。由于注入頭是連續(xù)油管作業(yè)機(jī)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(tǒng)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)，是保證連續(xù)油管作業(yè)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

由于兩個(gè)鏈條總成對(duì)稱分布，鏈條總成所承受的載荷平均分配給每個(gè)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(jié)論

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

在進(jìn)行連續(xù)油管下入作業(yè)時(shí)，隨著下入深度的增加，連續(xù)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(xù)油管的重力在逐漸增加，而增加的幅度，要比提升作業(yè)時(shí)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(jìn)行起油管作業(yè)時(shí)，工況正好相反，注入頭鏈條的牽引力會(huì)逐漸增加，而方向會(huì)一致。

【參考文獻(xiàn)】

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