新型连续管导向器的研制及应用

郭 峰

（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024）

连续管作业机在石油行业有着“万能作业机”的美誉[1－4]，主要用于油田修井、测井、钻井和完井等领域，也可作为管线管应用于井场或海洋的油气输送。连续管作业机可以通过更换不同的连续管适应不同的作业类型，满足各种作业工艺需要，应用范围广[5-7]。

连续管导向器是连续管作业过程中必不可少的部件，用于支撑连续油管质量以及引导连续油管进入或导出注入头[8]。然而，现有技术中的导向器已经无法满足作业要求，主要表现为：①其导向器压盖没有采用液压控制，增加了人工操作压盖开启与关闭的难度；②由于导向器离地面高约10 m，人工操作压盖开启与关闭时需要登高作业，存在安全隐患；③尽管目前有些导向器采用了液压控制方式，但是这种液压控制方式是通过同步控制来进行压盖关闭及开启，不利于连续油管顺利导入注入头；④现有技术中导向器架体容易变形，滚轮容易磨损并且会损伤连续油管[9]。

为此，本研究研制了一种新型连续管导向器，该导向器采用液压顺序控制压盖开启与闭合，降低人工操作强度及高空作业风险，并将滚轮压盖设计为多位置结构来适应不同管径的连续油管，拓宽了导向器适应范围。

1 新型连续管导向器的结构及工作原理

1.1 结构设计

新型连续管导向器由前架体、支撑油缸、后架体、压盖油缸、压盖、支撑架、滚轮、顺序阀等组成，其结构如图1所示。前架体采用扩口式结构，可以折叠，方便油管导入，支撑连续油管质量，适宜整体运输；支撑油缸用于作业时支撑前架体，作业完成后将前架体缩回，便于导向器整体上装及运输；后架体是导向器主体部分，起导入连续油管及支撑连续油管质量的作用；压盖油缸用于控制滚轮压盖的开关；压盖用于限制连续油管在滚轮圆弧内活动，防止连续油管跳出；支撑架与注入头相连，用于支撑导向器质量；滚轮适应不同外径连续油管作业，起导向作用；顺序阀用于控制滚轮压盖有序开关。设计的连续油管导向器适用于直径为38.1 mm、44.45 mm和50.8 mm的连续油管，曲率半径为2 032 mm。

图1 新型连续管导向器结构示意图

1.2 工作原理

新型连续管导向器采用液压控制方式作业。一方面，通过液压控制支撑油缸，使前架体在作业时能正常打开，并保证作业完成后能完全缩回，减小整体上装尺寸，便于运输；另一方面，通过液压控制压盖油缸，使滚轮压盖能正常开启与关闭。为使滚轮压盖开启与闭合能与作业人员操作习惯一致，在液压控制系统中增加了顺序阀，用于滚轮压盖的有序开启与闭合。滚轮压盖开启顺序为上—中—下，闭合反之。导向器液压系统工作顺序如图2所示。

图2 导向器液压系统工作顺序图

1.3 技术特点

新型连续管导向器具有以下特点：①不同参数的滚轮以及多位置压盖设计，适应不同管径的连续油管；②采用液压控制方式，降低作业风险及作业难度，压盖的开启与闭合动作采用顺序控制技术，适应现场作业工况；③导向器架体采用工字钢型材，减小加工制造难度，同时增加了导向器的整体强度。

2 导向器后架体强度校核

作业过程中，为了使连续油管在油管滚筒和注入头之间保持恒定的张力，并在导入或导出注入头的过程中不会产生连续油管散乱等现象，需要提供给连续油管的弯矩[10]为

式中：δy—连续油管屈服强度，MPa；

D—连续油管外径，mm；

d—连续油管内径，mm。

选取CT110连续油管为研究对象，其屈服强度为770 MPa，油管外径为50.8 mm，壁厚为7.137 4 mm，则Me=10 403.9 N·m。取安全系数1.5，为避免连续油管在导向器中失控弹出，连续管在导向器中可承受的最大力矩为1.5Me=15605.9N·m。考虑到导向器曲率半径为2 032 mm，则连续油管所受力为1.5Me/2.032=7 680.04 N。利用Solidworks软件建立导向器后架体模型，并对其进行有限元分析，结果如图3所示。由图3（a）可知，后架体的最大应力为117.1 MPa，小于材料的许用应力235 MPa。由图3（b）可知，后架体的最大变形量为0.32 mm，满足设计要求。

图3 导向器后架体有限元分析结果

3 导向器对中调整

导向器的作用就是引导连续油管进入或导出注入头并穿过注入头链条系统的中心。图4为导向器对中调节装置示意图，作业时可按以下步骤进行对中：①链条张紧液缸作用约3 MPa的压力，确保夹紧回路的夹紧压力关闭；②沿起连续管方向转动注入头链条至少10圈，检查链条运转是否平稳；③安装好连续管导向器，并作用夹紧力2 MPa，向下连续管的方向运行注入头将连续管从滚筒上拉出，并经导向器拉入注入头；④一旦连续管完全穿过注入头和防喷盒就把夹紧压力增加到3 MPa；⑤从注入头的顶部向下观察链条，观察链条与连续管最初的接触区域；⑥松开锁紧螺母并旋转调整螺栓来调节导向器，确保注入头链条和夹块位于注入头的中心线；⑦拧紧锁紧螺母，然后关闭所有压盖，压盖上提供了孔眼，以便用撬杠或其他工具把连续管拉到滚轮上；⑧操作注入头下入连续管，观察导向器的工作状况，并及时调整，如果导向器位置不正确，注入头运转会产生噪音，夹紧液压缸会跳动，正确地调整导向器可以消除上述现象；⑨拧紧连接螺母、螺栓以使导向器牢固定位。

图4 导向器对中调节装置示意图

图5是导向器正确对中的示意图。导向器的正确对中可降低注入头运转噪声，减少磨损，并保证负载传感器的正确读数。

图5 导向器正确对中示意图

4 现场应用

研制的新型连续管导向器在某油田进行了现场作业，如图6所示。作业中成功将LG360连续管作业机滚筒上的5 000 m连续管（Φ50.8 mm）下入到指定井深进行打捞、射孔等作业。整个作业过程中，导向器架体未见明显变形，液压控制系统简单实用，滚轮未发生明显磨损，连续管无划痕或损伤，获得了较好的经济效益和社会效益。作业后的导向器如图7所示。

图6 新型导向器现场作业照片

图7 作业后导向器照片

5 结 论

（1）设计的新型连续管导向器具有操作简单、节省作业时间、减轻工作强度等优点，可根据不同的连续管作业工艺快速更换连续管，使用效果显著。

（2）滚轮压盖采用多位置设计，可保证导向器适应于不同管径的连续油管，拓宽了导向器的适用性。

（3）导向器设计成可折叠式结构，解决了整体上装困难的问题，并方便运输。

（4）采用液压控制方式，降低人工操作压盖开启与关闭的难度，提高作业安全性；采用顺序阀液压控制方式实现滚轮压盖依次顺序开启及关闭,方便连续油管顺利导入。

（5）滚轮及滚轮压盖以特定的角度分布在鹅颈管架体上，适应连续油管背拉力，不损伤滚轮及连续油管。

[1]贺会群.连续管钻井技术与装备 [J].石油机械，2009，37（7）:1-6.

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[5]郭峰.LG380Q连续管作业橇组的开发[J].焊管，2017，40（4） :27-30.

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