注入头的发展现状及系统载荷分析

郑伟

【摘 要】注入头是连续油管下入和起出油井的关键设备，国外发达国家在连续油管装备上起步较早，经过发展现已广泛应用于油、气田中，可以进行钻井、修井、完井、压裂等各种作业，由于国外技术封锁以及国内工业基础比较薄弱，类似连续油管等高端作业装备起步较晚，并且存在设备老化、不配套、使用率低、费用高等问题。由于连续油管的注入头的内部结构复杂，工作环境比较恶劣，维护保养困难，作业容易产生额外的冲击、振动，通过对注入头各系统进行分析，可以有效优选各系统参数，有效提高系统整体运行的稳定性及可靠性。

【Abstract】The injection head is a key equipment for the coiled tubing to enter and start the well. Foreign developed countries start earlier on coiled tubing equipment， after development， it has been widely used in oil and gas fields， which can carry out various operations， such as drilling， well repair， well completion and fracturing. Due to the foreign technical blockade and the weak industrial base in China， high-end equipment such as coiled tubing started late， and there exists some problems such as aging equipment， not matching， low utilization rate， high cost and so on， the extra shock and vibration are easily generated in the operation. Through analyzing each system of the injection head， the parameters of each system can be effectively optimized， and the stability and reliability of the whole system can be effectively improved.

【关键词】注入头;工作原理;发展现状;载荷;分析

【Keywords】injection head; working principle; development status; load; analysis

【中圖分类号】                                     【文献标志码】A                                      【文章编号】1673-1069（2018）10-0155-02

1 注入头的工作原理

连续油管注入头是连续油管下入和起出油井的关键设备，由可正反方向旋转的两个液压马达提供动力，并通过减速机进行减速，然后驱动两个链轮进行工作，两个驱动链轮通过二套链条，带动两个从动链轮进行运转。链条上安装有夹持块，通过对称布置的夹持块夹紧连续油管，使连续油管跟随链条一起正反转，通过驱动链轮的正反转，可以进行起出、下入油管作业。注入头为连续油管作业机提供动力，可以克服油管在井内的浮力，强行将油管注入井内;也可以夹持悬停连续油管，进行钻磨铣作业。同时，根据井下作业工况的情况，可调节注入头的提升或下入连续油管的速度。注入头可以根据井下工具串的重量和钻压，通过调节夹紧力的大小，可以进行不同吨位、不同载荷的作业。

2 注入头发展现状分析

2.1 国外注入头发展现状

由于西方发达国家工业发达，技术成熟，起步较早，在连续油管作业装备的使用上经验更丰富，注入头形式也比较多样。美国海德瑞公司，是一家专门从事生产、设计连续油管的百年老店型公司，该公司的注入头市场占有率达70%，在美国有一家专门生产注入头的工厂。美国Stewart&Stevenson;公司、Foremost公司生产的注入头各不相同，各有特长。

美国海德瑞公司后来被美国NOV国民油井公司收购，该公司的装备在世界范围内广泛使用。在注入头技术上，美国海德瑞公司是拥有专利最多的公司，是斯伦贝谢、贝克休斯等技术服务公司的指定注入头设备供应商。目前，美国海德瑞公司注入头最大提升能力能达到140000磅，最大下入力70000磅，最大速度42m/min，最大适应4 1/2”连续油管。

美国Stewart&Stevenson;公司也是生产注入头的厂家，在1989年，开始开发连续油管装备，以设计的产品可靠性高、重量轻而闻名于世。

20世纪90年代，加拿大Foremost公司开始致力于设计独具特色的连续油管装备，加拿大Foremost公司主要设计浅层井用连续油管钻机，可以大幅节约钻机费用，已成为北美最重要的连续油管钻机供应商。加拿大Foremost公司已经研发出最大提升力900kN（200K磅）、注入头最大提升力540kN（120000磅）、下入力180kN（40000磅）的连续油管钻机。

2.2 国内注入头发展现状

20世纪70年代，中国开始引进连续管作业技术。由于引进成本非常昂贵，注入头等关键技术受国际专利保护，国内仅在冲砂洗井、气举排液、钻桥塞、清蜡、注氮等常规作业中使用。同时，存在装备过时、装备不匹配、使用频率率低、施工昂贵等缺点，为了开发出具有自主知识产权的连续管设备，国内石油机械公司主要通过自主研发与技术引进相结合的方式，关于连续油管装备的研发设计工作，获得了一定的研发成果。国内主要代表公司有：中国石油集团江汉机械研究所、中石化四机石油机械有限公司、烟台杰瑞石油装备技术有限公司等。

这些年，由于连续油管钻井技术呈现出技术优势越来越明显，国内几大石油机械公司对连续油管钻机装备的关注度越来越高。四川宏华石油设备有限公司在连续油管钻井装备开发上，取得较大突破，研究比较深入、技术水平成熟。虽然该公司研制出了较新型连续油管钻机装备，但是，受成本等原因制约，在油田实际使用较少，没有广泛推广。

3 系统载荷分析

连续油管注入头的系统比较复杂，存在很多辅助零件，在受力分析时，需要对辅助零件进行简化。链条总成是主要承载件，夹持块与连续油管直接接触，承受主要载荷，直接决定连续油管的工作状态，需要将链条总成上所受的主要载荷简化成作用在连续油管上的轴向力，以及作用在链条总成上与夹紧块的摩擦力。

3.1夹持块与油管的摩擦力分析

链条总成受到的摩擦力，夹持块是通过基体、缓冲垫板与链条连接，在作业过程中，夹持块与连续油管会产生摩擦力，由注入头的工作原理可知，摩擦力的方向与链条总成的运动方向相反，摩擦力的大小需大于夹持块与连续油管的最大轴向力，才能使连续油管起出和下入。

夹紧力的计算公式：F=Fmax/f

公式中：F—夹紧油缸所需夹紧力（N）;f—连续油管与夹持块的摩擦系数;连续油管注入头使用的链条总成是两排链，两排链分别于夹持块发生摩擦，因此所受的摩擦力计算公式为：

F=2uF

公式中：u—材料的滑动摩擦系数。

3.2 链条总成承受的载荷分析

注入头液压马达的工作状况由负载决定，而链条总成由液压马达驱动的链轮驅动，所以链条总成所受的最大牵引载荷需要计算。根据注入头的结构受力分析，可分析出，链条总成所受的牵引载荷，由连续油管所受的轴向力和摩擦力组成，即：FL=F+2Fmax（u/fd）

链条总成所受的最大牵引负载公式为：

FLmax=Fmax+2Fmax[1+2（u/fd）]

注入头的驱动力是由两个液压马达提供，夹持系统主要由夹紧油缸和张紧油缸组成。夹持块夹紧连续油管所需的夹紧力，由夹紧油缸提供。由于链条在使用一段时间后，会松边，为了解决此问题，可以在链条总成上配置张紧油缸，避免链条松动产生的跳齿和脱链现象。

3.3 注入头夹紧油缸的载荷分析

公式中：F—单个油缸的载荷;c —摩擦系数，取1.25;n—夹紧油缸的数量。

3.4 注入头张紧油缸的载荷分析

由于注入头的内部结构复杂，在作业时，会产生额外的冲击、振动，并且因为作业工况的不同，链条的传动载荷在正常作业过程中不均匀。液压马达的驱动力带动链轮上的链条总成旋转，链条总成带动夹持块夹紧连续油管运动。如果链条总成的紧张状态得不到保证，就会导致运动不平衡，链条堆积在一起。由于注入头是连续油管作业机最重要的部件，而链条总成又是注入头的最重要的部件，通过统计显示，链条总成的损坏是出注入头夹伤油管的主要原因，所以保证链条总成的正常运转，是保证连续油管作业机正常运转的关键。

由于两个链条总成对称分布，链条总成所承受的载荷平均分配给每个链条总成，使得每套链条总成各承受的一半的张紧力。α、β 是张紧油缸布置角度。

张紧油缸需要提供的张紧力为：F=Fmax（csoα+cosβ）/2

4 结论

通过分析，可以得出张紧油缸的张紧力与链条总成的关系，在条件充分允许的情况下，要尽可能缩小液压马达驱动的主链轮的轴线与下部从动链轮的水平距离。

在进行连续油管下入作业时，随着下入深度的增加，连续油管的所承受的轴向力在缩小，注入头提供的牵引力也在逐渐缩小，连续油管的重力在逐渐增加，而增加的幅度，要比提升作业时增加的幅度大，这就是注入头所提供的牵引力减小的主要原因。在进行起油管作业时，工况正好相反，注入头链条的牵引力会逐渐增加，而方向会一致。

【参考文献】

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【2】任国富，张华光，付钢旦，等.国外连续油管作业机的最新进展[J].石油矿场机械， 2009（02）：97-99.