新型連續管導向器的研制及應用

郭 峰

（中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024）

連續管作業機在石油行業有著“萬能作業機”的美譽[1－4]，主要用于油田修井、測井、鉆井和完井等領域，也可作為管線管應用于井場或海洋的油氣輸送。連續管作業機可以通過更換不同的連續管適應不同的作業類型，滿足各種作業工藝需要，應用范圍廣[5-7]。

連續管導向器是連續管作業過程中必不可少的部件，用于支撐連續油管質量以及引導連續油管進入或導出注入頭[8]。然而，現有技術中的導向器已經無法滿足作業要求，主要表現為：①其導向器壓蓋沒有采用液壓控制，增加了人工操作壓蓋開啟與關閉的難度；②由于導向器離地面高約10 m，人工操作壓蓋開啟與關閉時需要登高作業，存在安全隱患；③盡管目前有些導向器采用了液壓控制方式，但是這種液壓控制方式是通過同步控制來進行壓蓋關閉及開啟，不利于連續油管順利導入注入頭；④現有技術中導向器架體容易變形，滾輪容易磨損并且會損傷連續油管[9]。

為此，本研究研制了一種新型連續管導向器，該導向器采用液壓順序控制壓蓋開啟與閉合，降低人工操作強度及高空作業風險，并將滾輪壓蓋設計為多位置結構來適應不同管徑的連續油管，拓寬了導向器適應范圍。

1 新型連續管導向器的結構及工作原理

1.1 結構設計

新型連續管導向器由前架體、支撐油缸、后架體、壓蓋油缸、壓蓋、支撐架、滾輪、順序閥等組成，其結構如圖1所示。前架體采用擴口式結構，可以折疊，方便油管導入，支撐連續油管質量，適宜整體運輸；支撐油缸用于作業時支撐前架體，作業完成后將前架體縮回，便于導向器整體上裝及運輸；后架體是導向器主體部分，起導入連續油管及支撐連續油管質量的作用；壓蓋油缸用于控制滾輪壓蓋的開關；壓蓋用于限制連續油管在滾輪圓弧內活動，防止連續油管跳出；支撐架與注入頭相連，用于支撐導向器質量；滾輪適應不同外徑連續油管作業，起導向作用；順序閥用于控制滾輪壓蓋有序開關。設計的連續油管導向器適用于直徑為38.1 mm、44.45 mm和50.8 mm的連續油管，曲率半徑為2 032 mm。

圖1 新型連續管導向器結構示意圖

1.2 工作原理

新型連續管導向器采用液壓控制方式作業。一方面，通過液壓控制支撐油缸，使前架體在作業時能正常打開，并保證作業完成后能完全縮回，減小整體上裝尺寸，便于運輸；另一方面，通過液壓控制壓蓋油缸，使滾輪壓蓋能正常開啟與關閉。為使滾輪壓蓋開啟與閉合能與作業人員操作習慣一致，在液壓控制系統中增加了順序閥，用于滾輪壓蓋的有序開啟與閉合。滾輪壓蓋開啟順序為上—中—下，閉合反之。導向器液壓系統工作順序如圖2所示。

圖2 導向器液壓系統工作順序圖

1.3 技術特點

新型連續管導向器具有以下特點：①不同參數的滾輪以及多位置壓蓋設計，適應不同管徑的連續油管；②采用液壓控制方式，降低作業風險及作業難度，壓蓋的開啟與閉合動作采用順序控制技術，適應現場作業工況；③導向器架體采用工字鋼型材，減小加工制造難度，同時增加了導向器的整體強度。

2 導向器后架體強度校核

作業過程中，為了使連續油管在油管滾筒和注入頭之間保持恒定的張力，并在導入或導出注入頭的過程中不會產生連續油管散亂等現象，需要提供給連續油管的彎矩[10]為

式中：δy—連續油管屈服強度，MPa；

D—連續油管外徑，mm；

d—連續油管內徑，mm。

選取CT110連續油管為研究對象，其屈服強度為770 MPa，油管外徑為50.8 mm，壁厚為7.137 4 mm，則Me=10 403.9 N·m。取安全系數1.5，為避免連續油管在導向器中失控彈出，連續管在導向器中可承受的最大力矩為1.5Me=15605.9N·m。考慮到導向器曲率半徑為2 032 mm，則連續油管所受力為1.5Me/2.032=7 680.04 N。利用Solidworks軟件建立導向器后架體模型，并對其進行有限元分析，結果如圖3所示。由圖3（a）可知，后架體的最大應力為117.1 MPa，小于材料的許用應力235 MPa。由圖3（b）可知，后架體的最大變形量為0.32 mm，滿足設計要求。

圖3 導向器后架體有限元分析結果

3 導向器對中調整

導向器的作用就是引導連續油管進入或導出注入頭并穿過注入頭鏈條系統的中心。圖4為導向器對中調節裝置示意圖，作業時可按以下步驟進行對中：①鏈條張緊液缸作用約3 MPa的壓力，確保夾緊回路的夾緊壓力關閉；②沿起連續管方向轉動注入頭鏈條至少10圈，檢查鏈條運轉是否平穩；③安裝好連續管導向器，并作用夾緊力2 MPa，向下連續管的方向運行注入頭將連續管從滾筒上拉出，并經導向器拉入注入頭；④一旦連續管完全穿過注入頭和防噴盒就把夾緊壓力增加到3 MPa；⑤從注入頭的頂部向下觀察鏈條，觀察鏈條與連續管最初的接觸區域；⑥松開鎖緊螺母并旋轉調整螺栓來調節導向器，確保注入頭鏈條和夾塊位于注入頭的中心線；⑦擰緊鎖緊螺母，然后關閉所有壓蓋，壓蓋上提供了孔眼，以便用撬杠或其他工具把連續管拉到滾輪上；⑧操作注入頭下入連續管，觀察導向器的工作狀況，并及時調整，如果導向器位置不正確，注入頭運轉會產生噪音，夾緊液壓缸會跳動，正確地調整導向器可以消除上述現象；⑨擰緊連接螺母、螺栓以使導向器牢固定位。

圖4 導向器對中調節裝置示意圖

圖5是導向器正確對中的示意圖。導向器的正確對中可降低注入頭運轉噪聲，減少磨損，并保證負載傳感器的正確讀數。

圖5 導向器正確對中示意圖

4 現場應用

研制的新型連續管導向器在某油田進行了現場作業，如圖6所示。作業中成功將LG360連續管作業機滾筒上的5 000 m連續管（Φ50.8 mm）下入到指定井深進行打撈、射孔等作業。整個作業過程中，導向器架體未見明顯變形，液壓控制系統簡單實用，滾輪未發生明顯磨損，連續管無劃痕或損傷，獲得了較好的經濟效益和社會效益。作業后的導向器如圖7所示。

圖6 新型導向器現場作業照片

圖7 作業后導向器照片

5 結 論

（1）設計的新型連續管導向器具有操作簡單、節省作業時間、減輕工作強度等優點，可根據不同的連續管作業工藝快速更換連續管，使用效果顯著。

（2）滾輪壓蓋采用多位置設計，可保證導向器適應于不同管徑的連續油管，拓寬了導向器的適用性。

（3）導向器設計成可折疊式結構，解決了整體上裝困難的問題，并方便運輸。

（4）采用液壓控制方式，降低人工操作壓蓋開啟與關閉的難度，提高作業安全性；采用順序閥液壓控制方式實現滾輪壓蓋依次順序開啟及關閉,方便連續油管順利導入。

（5）滾輪及滾輪壓蓋以特定的角度分布在鵝頸管架體上，適應連續油管背拉力，不損傷滾輪及連續油管。

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