7 000 m橇装连续管滚筒的研制*

□ 张 伟 □ 刘 静 □ 郭乾坤 □ 周忠祥 □ 王 兰 □ 刘晓峰

1.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 721002 2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司 陕西宝鸡 721002

1 研制背景

近年来,中国石油天然气集团有限公司开展了连续管重大新技术推广专项,于2009年建成国内首条连续管生产线,之后研发了满足油气田需求的连续管系列装备,实现了降本增效。连续管作业从单一工艺发展到多种作业类型,主要应用于修井、电测井、压裂、钻磨、气举等领域,应用范围正在不断扩展[1-3]。

笔者通过广泛实地调研,发现目前各地的连续管以φ50.8 mm×6 000 m规格为主[4-5],而某地区常规气井开发所需要的连续管,规格为φ50.8 mm×7 000 m。连续管滚筒作为连续管作业机的核心装备,用于连续管的存储。作业时,连续管滚筒与注入头协同动作,缠放连续管。受运输道路限制和质量、质心问题影响,传统连续管滚筒无法实现车装或车装运输困难。为满足某地区常规气井开发所需φ50.8 mm×7 000 m规格连续管,研制了7 000 m橇装连续管滚筒。这一连续管滚筒集成度高,拆装方便,对接快速,可以随意组合,实用性强,车装不受路况影响。

2 总体方案

为满足道路运输要求和川渝地区山地、丘陵工作环境,7 000 m连续管滚筒设计为橇装结构[6],缠管量满足φ50.8 mm×7 000 m橇规格的连续管,可以实现连续管滚筒与连续管一橇式运输。由于连续管作业机连续作业时间较短,油田电网铺设范围有限,7 000 m橇装连续管滚筒采用全液压驱动方式,动力取自控制车。7 000 m橇装连续管滚筒满足常规连续管作业高压流体介质循环和电缆测井电信号传输的要求,所有控制数据和信号数据的显示都集中在司钻控制房内,滚筒橇与控制车、滚筒橇与高压泵之间的管缆可以实现快速拆装。

3 结构

7 000 m橇装连续管滚筒结构如图1所示[7],滚筒总成属于焊接结构的钢制滚筒。滚筒轴通过轴承座固定,结构简单,拆装维护方便。左支座、右支座与支撑座采用螺栓连接。吊装架、排管臂与左支座、右支座铰接,吊装架固定在支架处,设有梯子方便人员悬挂、摘取吊绳。液压缸一端与排管臂铰接,另一端与左支座、右支座铰接。驱动装置安装在支撑座上,通过链条驱动滚筒。液压系统[8]、防锈装置、高压流体注入装置、管线架等均与支撑座集成设计。支撑座与安装橇采用螺栓连接,连续管滚筒和安装橇可以拆分单独运输,也可以在井场内短距离整体拖拽移运。

4 技术参数

7 000 m橇装连续管滚筒的主要技术参数如下:滚筒总成内圆直径为2 032 mm,滚筒总成外缘直径为3 810 mm,滚筒内侧宽度为2 312 mm,滚筒总成转速为7.3 r/min,允许缠管质量为36 000 kg,外形尺寸为5 100 mm×3 100 mm×3 900 mm,液压系统工作压力为21 MPa,额定流量为135 L/min。

5 关键部件

5.1 安装橇

安装橇是由若干方钢管焊接而成的框架结构,用于支撑连续管滚筒,作业时抵抗倾覆力矩,防止产生拉动。安装橇底部位置的封板设置有排污管线接口,满足零排放要求。安装橇端部设置有焊接式挂钩,方便7 000 m橇装连续管滚筒在井场内短距离拖拽移运。安装橇下部设置叉车过孔,可以用叉车进行转运。安装橇周边配有安装台,方便人员操作。面板采用钢格栅制作,方便污物清理。运输时,支撑板翻转90°,安装台向下翻折,与安装橇采用双销固定。

▲图1 7 000 m橇装连续管滚筒结构

5.2 驱动装置

驱动装置为滚筒总成提供动力,满足滚筒总成的扭矩要求,使连续管下放时在滚筒端处于张紧状态[9]。为方便测井电缆从滚筒轴端注入,采用液压马达+常闭式制动器+直角型减速机+链轮的形式,滚筒总成停止工作或7 000 m橇装连续管滚筒运输时处于刹车状态。液压马达经直角型减速机减速后,通过链条驱动滚筒轴上的大链轮旋转,使滚筒总成获得较低的转速和较大的扭矩。驱动装置安装在支撑座上,通过顶丝调节链轮间距,使链条张紧。

5.3 排管装置

排管装置用于滚筒总成进行连续管缠放时实现连续管整齐排列。排管装置采用螺旋传动的方式进行排管,分为两种形式。一种是联合排管,滚筒轴上的小链轮经链条驱动丝杠转动,滑套在丝杠上滑动,带动导轮及导向装置在滑杆上滑动,连续管端头通过导向装置,与导向装置内部安装的计数器接触,计量连续管长度,通过调整链轮之间的传动比,保证滚筒总成转动一圈的距离与导向装置滑动的距离相近。另一种是强制排管,滚筒总成转动的距离与导向装置滑动的距离产生累积误差造成错位时,排管液压马达经链条带动丝杠使力矩限制器打滑,脱开与滚筒总成之间的动力,调整导向装置与连续管对齐,消除误差。

排管臂采用两组支撑液压缸,能够使排管臂角度灵活调整,适应注入头导向架高度和方向,避免连续管进出导向装置时出现大角度折弯,产生表面损伤。在运输过程中,还可以通过收缩液压缸来降低整体高度,节省运输空间。排管臂翻板采用合页+搭扣的连接形式,可以方便更换链轮。通过更换链轮和导向装置中的滚轮,7 000 m橇装连续管滚筒可以适应不同的连续管管径。

5.4 高压流体注入装置

高压流体注入装置如图2所示。装置的工作压力为103.5 MPa,用于将压裂泵或固井泵排出的高压流体介质通过连续管注入井底。高压旋转接头镶入滚筒轴中,与滚筒轴固定并一起旋转。高压旋转接头一端通过活动弯头与高压控制阀组连接,另一端通过连接管线与连续管连接,使高压流体介质在作业过程中通过连续管注入井底。高压控制阀组上装有高压涡轮流量计和压力传感器,介质流量和压力数据集中在司钻控制房内显示。高压旋转接头采用活接头形式,内部镶嵌滚珠轴承,实现内层、外层分离,满足0～15 r/min的转速要求。

▲图2 高压流体注入装置

5.5 防锈装置

防锈装置采用气动驱动防锈液的方式,将防锈液注入至连续管表面,用于连续管防锈。来自控制车的气源经减压阀、二位电磁换向阀,由罐顶部注入,使防锈液从罐底部排出。通过节流截止阀控制注液量,由软管线连接至注液器。注液器安装在导向装置后部,对通过的连续管表面注入防锈液。

6 有限元分析

为保证7 000 m橇装连续管滚筒设计的可靠性,采用有限元方法进行分析。滚筒轴由轴承座固定,支承跨距大,对滚筒总成进行强度、刚度校核在分析中最为关键。

滚筒总成在工作过程中的受力一共有五个方面:① 重力,包括滚筒总成重力、连续管重力、管内充满泥浆的重力,均匀分布在滚筒总成上;② 连续管拉力[10];③ 驱动装置向滚筒总成施加的拉力;④ 轴承座支反力;⑤ 排管装置向滚筒总成施加的拉力,由于数值较小,可以忽略。

滚筒总成转速较低,采用有限元分析软件进行静应力分析,确保滚筒总成受载情况与实际工作时最大程度相符。经计算,滚筒总成应力云图如图3所示,位移云图如图4所示。

▲图3 滚筒总成应力云图▲图4 滚筒总成位移云图

由图3可知,滚筒总成最大应力为189.23 MPa,位于于滚筒轴安装大链轮的轴肩处。可以对轴肩处进行倒角圆滑处理,以消除应力集中。滚筒总成的最大应力小于钢材的许用应力(212.57 MPa)[11],所以强度满足要求。

滚筒总成的最大许用挠度为0.000 5L[11],L为支撑跨距,计算得最大许用挠度为0.825 mm。由图4可知,滚筒总成最大位移为0.44 mm,位于卷筒壁上减重孔处,小于许用挠度,所以刚度满足要求。

7 试验

7 000 m橇装连续管滚筒研制完成之后,在厂内进行组装调试,并通过了滚筒缠管试验、滚筒最大扭矩试验、高压流体注入装置静压密封试验等功能试验。在连续管内注满水,对7 000 m橇装连续管滚筒进行连续管提升、下放联动试验,试验时排管整齐,高压旋转接头与滚筒轴固定可靠,转动灵活。在司钻控制房内完成对7 000 m橇装连续管滚筒的控制,逻辑清晰,数据信号实时显示。试验中各技术指标均达到设计要求,验证了设计的合理性和可靠性。

8 结束语

所研制的7 000 m橇装连续管滚筒集成度高,拆装方便,对接快速,可以随意组合,实用性强,满足大容量连续管滚筒一橇式运输要求,适应山地、丘陵环境。7 000 m橇装连续管滚筒所有控制数据和信号数据都集中在司钻控制房内显示,实现集中控制和实时监控。采用快换链轮组结构和更换导向装置滚轮,7 000 m橇装连续管滚筒可以适应不同连续管管径的缠绕要求,提高了通用性。

通过有限元分析和厂内试验,验证了7 000 m橇装连续管滚筒设计的合理性和可靠性,可以推广应用,满足连续管装备市场需求。

随着连续管作业工艺应用范围的不断扩展,需要可适应更大连续管尺寸的连续管装备,连续管滚筒的运输和质量成为制约连续管作业机发展的关键因素,这是今后需要攻克的难点。