周漢鵬,高 亮,陳漢杰,劉 江,但永軍,李學(xué)清
1中石油新疆油田分公司工程技術(shù)公司,新疆 克拉瑪依2中石化西南石油工程有限公司,四川 成都
中石油新疆油田分公司自主研發(fā)的車載移動(dòng)式火驅(qū)點(diǎn)火裝置本質(zhì)上是一種小型連續(xù)油管作業(yè)裝置(圖1),其工作原理是利用金屬鎧裝電纜掛載點(diǎn)火器(井下電加熱裝置),經(jīng)注入頭帶壓下入到油層位置,給點(diǎn)火器通電加熱注入井中的空氣,高溫空氣進(jìn)入油層從而把油層點(diǎn)燃。該鎧裝電纜既能輸送電能,又兼具連續(xù)油管的功能,是實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)的核心部件。該裝備的研發(fā)解決了火驅(qū)采油技術(shù)規(guī)?;瘧?yīng)用的技術(shù)瓶頸[1],但作為一種全新的裝備,還有諸多尚待改進(jìn)和提高的方面,電纜滾筒與注入頭不能自動(dòng)協(xié)同動(dòng)作就是問題之一。所謂滾筒與注入頭的協(xié)同動(dòng)作是指在注入頭上提或下注連續(xù)油管時(shí),油管另一端的滾筒同步卷入或釋放等量的油管,以保證在注入及上提油管的作業(yè)過程中滾筒上的油管合理受力,防止過卷及過放[2]。具體來講,就是要求在作業(yè)過程中未下注的連續(xù)油管始終纏繞在滾筒上,下注過程中滾筒隨著注入頭的下注釋放連續(xù)油管,在釋放的同時(shí)始終為連續(xù)油管提供一定的張緊力;在上提過程中,滾筒以合理的拉力收卷連續(xù)油管,以保證連續(xù)油管整齊有序地纏繞在滾筒上。
在項(xiàng)目研發(fā)之初,研發(fā)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注的是裝備基本功能的實(shí)現(xiàn),所以重點(diǎn)放在了注入頭、點(diǎn)火器、鎧裝電纜及電纜滾筒等幾個(gè)核心部件的功能結(jié)構(gòu)研究上,忽視了電纜滾筒與注入頭自動(dòng)協(xié)同動(dòng)作的功能要求。因此只設(shè)計(jì)了滾筒與注入頭各自分別調(diào)速的功能,作業(yè)時(shí)由操作者人工調(diào)定二者的速度,使其基本保持同步。在實(shí)際作業(yè)過程中因不可能將二者速度調(diào)得完全相等,只能通過持續(xù)觀察注入頭與滾筒之間電纜的松緊程度來調(diào)節(jié)注入頭或者滾筒的速度,使二者間電纜適度張緊。上述操作不僅非常繁瑣,對(duì)操作人員要求很高,而且也容易出現(xiàn)不同步;一旦不同步,就會(huì)出現(xiàn)亂管、注入頭或滾筒被拽倒等現(xiàn)象,造成安全事故[3]。此外,根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究,“選擇合適的張緊力對(duì)連續(xù)管的使用壽命起著至關(guān)重要的作用”,因此依靠操作者目測(cè)電纜的松緊程度來判斷張緊力的大小顯然太過粗略,不能達(dá)到提高電纜使用壽命的要求和目的。為此,非常有必要研究出能夠精確控制電纜張緊力并使?jié)L筒與注入頭自動(dòng)協(xié)同動(dòng)作的控制方法。
滾筒背壓法是國(guó)內(nèi)外連續(xù)油管作業(yè)機(jī)普遍采用的一種滾筒與注入頭自動(dòng)協(xié)同動(dòng)作的控制方法。滾筒背壓法是指在注入頭下管過程中,滾筒的控制邏輯是“出井”(即卷管),但在注入頭的拖動(dòng)下被動(dòng)放管,對(duì)油管的拉力取決于背壓閥(液控調(diào)壓閥)調(diào)定的壓力。圖2 為典型的連續(xù)油管作業(yè)機(jī)滾筒馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主液路圖,滾筒馬達(dá)由獨(dú)立的葉片泵驅(qū)動(dòng),其工作壓力由液控調(diào)壓閥給定,其轉(zhuǎn)向由液控向閥控制。下管時(shí),注入頭的控制閥給定為“進(jìn)井”,滾筒的控制閥為“出井”。此時(shí),滾筒與注入頭對(duì)油管的作用力方向相反,在油管上形成張力,油管最終的運(yùn)動(dòng)方向取決于注入頭與滾筒對(duì)油管拉力的大小。因目的是下管,所以滾筒的工作壓力較低,一般為2 MPa 左右(管徑不同略有差別)。在注入頭的驅(qū)動(dòng)下,油管下注,滾筒馬達(dá)在油管的驅(qū)動(dòng)下被動(dòng)反轉(zhuǎn),這就實(shí)現(xiàn)了滾筒與注入頭的自動(dòng)協(xié)同動(dòng)作,也實(shí)現(xiàn)了油管的張力控制。滾筒馬達(dá)工作于“泵”工況:從油箱吸油,泵出的液壓油經(jīng)背壓閥流回油箱,同時(shí)從油泵來的液壓油也
Figure1.The vehicle-mounted mobilefire-drive ignition device圖1.車載移動(dòng)式火驅(qū)點(diǎn)火裝置
經(jīng)液控調(diào)壓閥流回油箱。提管時(shí),注入頭與滾筒的控制邏輯都是“出井”,此時(shí),注入頭與滾筒對(duì)油管的作用力同向,但因滾筒油泵的排量能保證滾筒的卷管速度大于注入頭的最大運(yùn)行速度,所以滾筒與注入頭之間的油管上依然有張緊力,油管上的張緊力同樣取決于滾筒工作油壓。油管的起升速度由注入頭決定,滾筒泵多余的排量由液控調(diào)壓閥排出。
Figure 2.The schematic diagram of hydraulic control by drum back pressure method圖2.滾筒背壓法液控原理圖
Figure 3. The schematic diagram of drum motor control圖3.滾筒馬達(dá)控制原理圖
圖3為原火驅(qū)點(diǎn)火裝置的電纜滾筒馬達(dá)控制原理圖。馬達(dá)為定量柱塞馬達(dá),內(nèi)置液壓釋放型剎車,剎車的釋放壓力為3.5MPa。過載閥用于限定馬達(dá)的最高工作壓力,以保護(hù)馬達(dá)。換向閥、調(diào)速閥和減壓閥分別控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和扭矩。這種控制模式下,馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向完全由操作臺(tái)直接控制,無法實(shí)現(xiàn)與注入頭的自動(dòng)協(xié)同功能,依靠操作者直接調(diào)速來達(dá)到滾筒與注入頭的同步動(dòng)作很困難,且存在諸多弊端。因此,要對(duì)原控制液路進(jìn)行改造來實(shí)現(xiàn)滾筒與注入頭的自動(dòng)協(xié)同功能和電纜張力的精確控制。根據(jù)最小改動(dòng)原則,參照滾筒背壓法自動(dòng)協(xié)同動(dòng)作原理對(duì)原機(jī)液控制系統(tǒng)進(jìn)行改造(圖4)。首先是將馬達(dá)剎車控制油路由內(nèi)置式改成了外控式,因?yàn)閯x車的開啟壓力為3.5MPa,而滾筒背壓法背壓工況下滾筒馬達(dá)的油壓僅2 MPa 左右,無法打開剎車,所以要將剎車控制油路改為外控式。另外,在原內(nèi)置剎車油路的梭閥端增加了一塊壓力表,實(shí)時(shí)顯示馬達(dá)工作壓力。系統(tǒng)背壓工況原理為:將馬達(dá)配油盤上的過載閥2當(dāng)作背壓溢流閥,溢流壓力調(diào)到2MPa;釋放剎車;滾筒馬達(dá)控制邏輯為“入井”,即“卷管”;注入頭的控制邏輯為“入井”。在注入頭的驅(qū)動(dòng)下,電纜拉動(dòng)滾筒反轉(zhuǎn)。滾筒馬達(dá)從過載閥2 的右側(cè)吸油,“泵”出油液經(jīng)過載閥2排出,在馬達(dá)與過載閥2之間形成一個(gè)局部循環(huán)。另外,操作臺(tái)調(diào)速閥分配的油液也經(jīng)過載閥2 流回油箱。兩路油液在過載閥2內(nèi)部匯合,可避免局部循環(huán)油液溫度升高。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,改造后的滾筒控制液路實(shí)現(xiàn)了滾筒與注入頭的自動(dòng)協(xié)同功能。
經(jīng)改造后的滾筒液路實(shí)現(xiàn)了滾筒與注入頭的自動(dòng)協(xié)同功能。但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電纜的張緊力過大,即使將過載閥2壓力調(diào)到最低,最外層電纜的張緊力依然高達(dá)9500N。而根據(jù)文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)的計(jì)算公式及推薦的松馳角,計(jì)算出該鎧裝電纜的合理張緊力為4150N。過大的張緊力既影響電纜的使用壽命,還對(duì)井架形成較大的傾翻力矩(見圖1),不利于設(shè)備的穩(wěn)定作業(yè)。因此,需要找出電纜張緊力過大的原因,并進(jìn)行有針對(duì)性的改造。對(duì)滾筒進(jìn)行受力分析,背壓工況下滾筒上作用有4個(gè)力矩:①電纜拉力對(duì)滾筒的驅(qū)動(dòng)力矩[5](圖5);②馬達(dá)克服背壓對(duì)滾筒軸形成的阻力矩,或者說馬達(dá)處于“泵”工況下所需要的驅(qū)動(dòng)力矩,該力矩取決于背壓溢流壓力;③滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所有運(yùn)動(dòng)副的摩擦力對(duì)滾筒軸的阻力矩;④慣性力矩,假定滾筒的角加速度足夠小,忽略該力矩。第①、②個(gè)力矩可直接計(jì)算,第③個(gè)摩擦阻力矩不便直接計(jì)算,但可以實(shí)測(cè)滾筒的空載啟動(dòng)(空載啟動(dòng)是指滾筒上纏滿電纜、除重力外無任何外力狀態(tài)下啟動(dòng))油壓,換算到滾筒軸上,簡(jiǎn)稱為啟動(dòng)力矩。取滾筒勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行分析,則3個(gè)力矩處于平衡態(tài),即:
綜合公式(1)、(2),有:
Figure 4. The schematic diagram of automatic collaboration between the drum and motor圖4.滾筒馬達(dá)自動(dòng)協(xié)同動(dòng)作控制原理圖
式中:F 為電纜張緊力,N;M0為滾筒啟動(dòng)力矩,N?m;p0為滾筒啟動(dòng)油壓,Pa;pb為背壓溢流壓力,Pa;C 為馬達(dá)扭矩系數(shù)(馬達(dá)特性參數(shù)),N?m/Pa;I 為馬達(dá)到滾筒的傳動(dòng)比;R為電纜彎曲半徑,m;h為電纜拉力作用線到電纜纏繞外圓之間的最短距離,因?yàn)閔? R,所以工程計(jì)算中一般以R代替(R+h)[5]。
經(jīng)實(shí)測(cè),滾筒的空載啟動(dòng)油壓為3MPa,而用來當(dāng)作背壓溢流閥的過載閥因可調(diào)精度最低只能調(diào)到1 MPa。將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)代入式(3)中,計(jì)算出最外層電纜(R=0.815m)的張緊力為9320 N,與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符,證明理論分析是正確的,也由此找出了電纜張緊力過大的原因:滾筒的啟動(dòng)力矩和馬達(dá)背壓力矩都偏大。影響滾筒啟動(dòng)力矩的因素主要有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力傳動(dòng)方式以及產(chǎn)品的制造、安裝精度等方面,而對(duì)于1臺(tái)已經(jīng)制造完成的設(shè)備來說,可采取的措施有限。過載閥是馬達(dá)配油盤上自帶的,集成在馬達(dá)本體上,不便更換,因其可調(diào)精度低導(dǎo)致的背壓力矩大的問題也無法直接處理。受客觀條件限制,在背壓模式下無法將電纜張緊力調(diào)整到合理的區(qū)間。因此,必須跳出背壓原理的束縛來想辦法。由前文分析可知,電纜張緊力對(duì)滾筒形成的力矩要克服滾筒的啟動(dòng)力矩和馬達(dá)的背壓力矩。滾筒啟動(dòng)力矩永遠(yuǎn)存在,其方向永遠(yuǎn)與運(yùn)動(dòng)方向相反,因此該力矩?zé)o法改變,是驅(qū)動(dòng)滾筒的最小力矩;馬達(dá)背壓力矩是人為增加的,其目的是張緊電纜,但電纜張緊力過大,如果去掉該力矩或使其反向,就能達(dá)到減小電纜張緊力的目的。因此,只要在電纜入井時(shí),將滾筒馬達(dá)由背壓模式改為主動(dòng)加壓模式,即可達(dá)成目的。也就是在電纜入井時(shí)將滾筒馬達(dá)的控制邏輯也改為“入井”,則馬達(dá)不再“拖拉”電纜,而是主動(dòng)“推送”電纜。因此,只要馬達(dá)扭矩不大于滾筒的啟動(dòng)力矩,則滾筒對(duì)電纜的綜合效果依然是“拖拉”,電纜的張緊力F 的計(jì)算公式為:
式中:pg為馬達(dá)工作油壓,可由操作臺(tái)減壓閥給定,Pa。
由式(4)可以看出,要使電纜上有張緊力,馬達(dá)工作油壓pg必須小于p0。當(dāng)然,電纜張緊力不僅要滿足大于零的要求,還必須達(dá)到文獻(xiàn)[5]所推薦方法及參數(shù)計(jì)算出的合理區(qū)間。根據(jù)前文所述,本電纜的合理張緊力為4150N 左右,將張力值代入式(4),得出電纜在最外層時(shí)pg為1.2 MPa。同樣,由式(4)可計(jì)算出電纜處于任意層的馬達(dá)工作油壓。由該結(jié)果可以看出,由里至外,馬達(dá)工作油壓逐漸減小,最大2.0MPa,最小1.2MPa。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),結(jié)果與理論推導(dǎo)完全一致,不但實(shí)現(xiàn)了滾筒與注入頭的自動(dòng)協(xié)同功能,也使電纜張緊力調(diào)到了合理區(qū)間。該種模式下,滾筒馬達(dá)不再工作在背壓工況下,而是正常的主動(dòng)加壓工況。
Figure 5.The applied forceand bending deformation of coiled tubingon thedrum 圖5.連續(xù)油管在滾筒上的受力與彎曲變形
2018年,新疆油田分公司已經(jīng)開始在紅山油田進(jìn)行火驅(qū)工業(yè)化推廣應(yīng)用,車載移動(dòng)式點(diǎn)火裝置作為點(diǎn)火作業(yè)的核心裝備,對(duì)火驅(qū)工業(yè)化推廣起到了至關(guān)重要的作用。截至目前,已在現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)火60多井次。經(jīng)改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了滾筒與注入頭的自動(dòng)協(xié)同功能,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電纜張緊力的精確控制,既降低了操作難度,也起到了延長(zhǎng)電纜使用壽命、降低點(diǎn)火作業(yè)成本的目的。
對(duì)于小型連續(xù)油管或其他連續(xù)管匯入井作業(yè),若背壓溢流壓力無法使其張緊力達(dá)到理想?yún)^(qū)間,或目測(cè)其松馳角(圖5中的α)不在文獻(xiàn)[5]所推薦的合理范圍之內(nèi),可采用降低背壓或改為主動(dòng)加壓的方法來減小管匯張緊力,以延長(zhǎng)管匯的使用壽命。