连续油管作业机注入头与滚筒协同动作液压方案与分析

张建庆

(胜利油田高原石油装备有限责任公司，山东 东营 257091)

1 概述

连续油管作业机目前在各油田都有一定的分布，其连续油管作业技术解决了各种油田生产中遇到的特殊问题。连续油管作业机的主要核心部件是注入头，它主要是通过液压马达驱动注入头装置动作，同时在一定的夹持力作用下通过夹持块与连续油管管壁的摩擦力驱动连续油管上下动作。在作业过程中未下注的连续油管始终缠绕在油管滚筒上，下注过程中油管滚筒随着注入头的下注往注入头方向释放连续油管，在释放的同时要求始终为连续油管提供张紧力。在此液压系统设计的核心是这种张紧力是如何提供的?如何与注入头一同协作?下面就此问题提出 3种解决方案，并对 3种方案进行分析、淘汰前两种不成熟设计，选择最优化设计方案。

2 系统简要说明

本套注入头液压系统为一套独立的泵控闭式系统，泵采用闭式柱塞变量泵，马达采用双速马达，马达带外控制动器。连续油管滚筒驱动系统为一套独立的泵控闭式系统，泵采用闭式柱塞变量泵，马达带外控制动器。两套系统的泵控均由可摩擦定位的先导手柄控制，先导液压源由双泵同时提供。

3 协作控制方案

在作业过程中要求油管滚筒与注入头之间的油管始终处于张紧状态，张紧力主要是靠注入头与滚筒互拉油管两端提供，在提供张紧力的同时又要求连续油管随着注入头进行油管上提及下注作业，在下注过程中注入头是主动部件，为油管提供一定的拉力，滚筒从动的同时为油管提供一个反向的力，考虑可以由控制滚筒泵与注入头的速比或靠滚筒泵带动滚筒拉油管的力释放造成滚筒释放油管进行下注动作;在上提过程中，注入头提出油管的速度可以很稳定的控制，滚筒只是对连续油管进行缠绕即可，其控制相对简单。下面仅对下注过程中张紧力的实现进行方案分析。

3.1 方案一(见图 1)

图1 方案一

在下注油管过程中依靠两泵的速比关系对连续油管提供张紧力。如图 1控制总成，Z1、Z2分别连接注入头马达和滚筒马达制动器，A1、A2、A3、A4分别连接注入头和滚筒闭式变量泵先导控制油口，P为先导液压源。上部两先导阀为先导控制手柄。阀 a阀 b分别为制动器控制阀，可对先导控制油进行选择，在手柄有动作的时候实现制动器自动开启。阀 c可实现是否选择滚筒和注入头协作动作。阀 d、e为减压阀，可对协作动作时滚筒的协作速度进行调节。

此控制方案原理简单，可根据注入头和滚筒的速度比实现连续油管的张紧，此方案在滚筒背压比较小的情况下适用。但对滚筒马达的速度控制要求很严格，一定要避免滚筒马达失速，如失速连续油管的张紧力就会消失。

3.2 方案二(见图 2)

图2 方案二

在下注的过程中滚筒马达始终为连续油管提供张紧力，当张紧力大到设定值造成管路压力增大时管路溢流，马达空载滚筒反转使滚筒释放连续油管。如图 2控制总成，P为先导液压源，A、B两口分别接在滚筒主油路上。阀 a为协作动作开关，可实现是否选择滚筒和注入头协作动作。阀 b和阀 c为可调溢流阀。在选择协作动作的时候，阀芯 d、e处于开启状态，阀 b和阀 c相当于并联的双向溢流阀。在下注动作的时候先导手柄给滚筒马达一个反向的动作信号，即对连续油管进行缠绕，此时作用于管两端的力均为拉管子的力，滚筒油路管路中产生憋压。当憋压超过溢流阀的设定压力的时候溢流阀会打开，此时相当于马达的两个油口“短路”，马达会空转(闭式系统的低压端背压可以防止马达反转吸空)，滚筒释放连续油管。当释放到管路中的压力低于溢流压力时油管会停止释放，此时继续憋压……，憋压动作不断反复，可实现连续油管的带压释放。

此方案使注入头和滚筒的协作工作转化为注入头带动连续油管动作，造成滚筒油路强行憋压，通过溢流的开启短路马达使滚筒被动强制动作。

3.3 方案三(见图 3)

图3 方案三

在下注的过程中滚筒马达始终为连续油管提供张紧力，当张紧力大到设定值造成管路压力增大时油压打开先导溢流，通过对先导的控制改变泵对滚筒马达的控制方向。如图 3A、B两口分别接先导控制手柄控制信号，P接泵的压力反馈信号，c为闭式泵的变量控制机构，阀 a、b、为两个可调溢流阀，要求阀 a预调压力略大于先导控制压力，阀 d为一梭阀。在注入头进行下注动作的时候，先导手柄给滚筒闭式泵一个反向缠绕的信号，此时连续油管张紧，P口与泵的压力反馈油口相连，压力与滚筒的管路压力相等，调节阀 b的压力使溢流压力小于 P口的压力，从而使压力到达梭阀 d的下端，由于溢流阀 a的压力始终大于泵的先导控制压力，阀 b处压力能够开启梭阀 d，此时便会推动泵的变量作用活塞向相反的方向动作，以达到滚筒连续油管的释放。当连续油管释放到一定的程度，P口压力减少至不足以打开溢流阀 b时，原作用在泵的变量活塞信号便会将活塞推至原位置，既缠绕油管的状态，连续油管此时仍处于张紧状态。憋压动作不断反复，可实现连续油管的带压释放。

此方案控制对象为泵的先导控制，通过对泵的变量先导的压力控制使泵实现正反动作，从而达到控制流量小，控制方便，对压力控制精确。

4 分析

综合 3种方案，第 1种方案在背压很小的情况下能够进行工作，但在工作过程中如果产生很大的背压就会使系统失效，不宜采用。第 2种方案依靠管路中有、无背压来控制系统动作，通过马达 AB口被动联通泄压释放油管，在释放油管过程中泵仍在工作，对系统能量造成很大的浪费，同时由于在主油路上分支出联通油路，溢流阀的通径很大，成本高，可以采用。第 3种方案同样是通过背压来控制系统动作，其作用的对象是泵的先导控制，可以依据管路中压力的变化对泵的工况随时进行调节以达到协同作业的目的，为最优方案。

5 结论

综上所述，第 3种方案是最佳方案。本方案的系统在我公司连续油管作业车中正在使用，在实际使用过程中，协同作业使用效果很好，能够方便的控制注入头下注连续油管过程中的油管张紧，保证了连续油管的正常作业。

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