连续管测井机注入头液压系统的设计.pdf

2 0 1 1 年 1 月 第 3 9卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAUL I CS J a n ．2 01 1 Vo l - 3 9 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 2 0 连续管测井机注入头液压系统的设计 彭嵩，王爱国，马青芳 中国石油集团钻井X - ． 程技术研 究院，北京 1 0 0 1 9 5 摘要注入头是连续油管测井机的核心部分，其液压系统采用 目前先进的电液集成控制技术，实现模块化、集成化设 计，提高连续油管测井机的自动化水平。根据连续管测井机注人头的主要功能和技术耍求以及连续管测井作业的工艺特 点 ，液压系统方案 中，设计满足负载特性要求 的主驱动 回路和辅助驱动 回路 。在此基 础上 ，应用 自动控 制技术 ，实现连续 管测井机工作过程 的 自动化 。实验结果 表明 连续管测井机注入头液压 系统 工作可靠 ，是一种 理想 的连续管 注入 头液压系 统。 关键词 连续管 ；测井机 ；注入头 ；液压系统 中图分 类号 T P 2 7 3 ． 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 0 6 83 D e s i g n o f Hy d r a u l i c S y s t e m o f C o i l e d T u b i n g L o g g i n g T r u c k ’ S I n j e c t o r P E N G S o n g ， WA N G A i g u o ，M A Q i n g f a n g C N P C D r i l l i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 5，C h i n a A b s t r a c t I n j e c t o r i s t h e m a i n p a r t o f c o i l e d t u b i n g l o g g i n g t r u c k ．Mo d u l a r a n d i n t e g r a t i o n d e s i g n o f i t s h y d r a u l i c s y s t e m b y t h e a p p l i c a t i o n o f a d v a n c e d e l e c t r o h y d r a u l i c i n t e g r a t e d c o n t r o l t e c h n i q u e i n t h e c o i l e d t u b i n g l o g g i n g t r u c k h a d i n c r e a s e d t h e d e g r e e o f a u t o m a t i o n ．A c c o r d i n g t O t h e p r i n c i p a l f u n c t i o n s a n d t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s o f c o i l e d t u b i n g l o g g i n g t r u c k ’ S i n j e c t o r ， a n d t h e t e c h n i c s c h a r ’ a c t e r s o f c o n t i n u o u s l o g g i n g t a s k ， i n t h e p r o j e c t o f h y d r a u l i c s y s t e m，t h e m a i n l o o p a n d a u x i l i a r y d r i v e n l o o p w h i c h me t t h e l o a d r e q ui r e me n t s o f t h e s y s t e m we r e de s i g n e d．On t hi s ba s i s．} h e wo r k p r o c e s s o f c o i l e d t u bi n g l o g g i n g t r u c k wa s a ut o ma t e d b y a pp l i c a t i o n o f t h e a u t o m a t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y ． T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f c o i l e d t u b i n g l o g g i n g t r u c k ’ S i n j e c t o r i s r e l i a b l e whi c h i s a n i d e a l hy d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s C o i l e d t u b i n g ； L o g g i n g t ruc k ； I n j e c t o r ； H y d r a u l i c s y s t e m 众所周知 ，水平井技术可 以有效地提 高油 田勘探 开发的综合效益 ，降低石油钻井的综合成本 ，提高采 收率 。并且 ，随着近年来水平井技术 的 日臻成熟和快 速发展 ，越来越 多的水平井投入生 产。这类特殊井身 结构给井下作业带来诸多难题 ，一些 常规测井技术甚 至难 以成行 ，生产测井 的工作 日 益 迫切需要一种高效 率 、低成本 的测井作业工艺和装备 。 连续 管以其 良好的挠性 、刚性和灵活性在水平井 中运用 自如 ，并为水平井的测井作业提供 了有效 的技 术手段。连续管测井是以连续油管为基础 ，内装传输 电缆，将连续油管的刚度与电缆遥测技术有机地结合 在一起 的一种新型测井方法 。这项技术的优点是能够 使用现有 的标准工具 及设备 ，同时 ，该技术被认为是 复杂大斜井和水平井中的一种快捷 、精确 、经济 的测 井方法 。 。 。 连续管测井机是 以连续管测井技术为基础的一种 车载式作业设备 ，总体设计方案如 图 1 所示 。 作者将 目前先进的电液集成控制技术应用于连续油管测井机 中，使得连续 油管测井机性能得到提升 ，形成 了能够 用于连续管测井 的功能齐全的地 面装备 。因此 ，连续 油管测井机是一种集成创新技术 ，目前国际上还没有 相应 的成熟产 品。 卜一 操 作室 2 一滚 筒 3 一 随车 吊 4 一 防喷器s 注 入头6 一鹅 颈导 向器 图1 连续油管测井机的总体设计方案 1 注入 头液 压 系统组成 液压控制 系统作为连续管测 井机 的中枢 ，所有执 行机构的动作都是通过液压控制 系统来实现的 。液压 收 稿 日期 2 0 0 90 30 3 基金项 目国家 8 6 3高技术研究项 目 2 0 0 6 A A 0 6 A 1 0 6 作者简介彭嵩 1 9 6 9 一 ，博士，从事连续管测井地面装备等技术的研发工作。电话 0 1 05 2 7 8 1 7 3 0 ，Em a i l p e n g s o n g d r i c n p c ． c o n 1 ．c n。 第 2期 彭嵩 等连续管测井机注人头液压系统的设计 6 9 控制系统采用 了先进 的电液 比例控 制技术 ，实现 了 连续管测井机的 自动化 ，提高 了连续油管的使用寿命 。 液压控制 系统包括泵 源控制模块 、注人头速度方 向控制模块 、注入 头张紧压紧控制模块 、滚筒控制模 块 、防喷器控制模块 、随车吊控 制模 块以及辅助控制 模块 ，其结构如 图 2所示 。 液 压控 制 系 统泵 源控 制 模块 羹 鎏 f I 囊 藿 f f 饕 蒺 f i器 饕 蒺 控 i f器 囊 蒺 控 f f 翁 接 图 2 液压控 制系统结构简 图 液压控制系统 的动力来 源于柴油发动机 ，经过全 功率取力 口和变 速箱 功 率取 力 口驱 动 3个 径 向柱 塞 泵 ，通过泵源控制模块提供 给各个模块 。 注人头是连续管测井机 的重 要组成部分 ，注入头 所有执行机构 的动作都 由液压 系统来 完成 。其 中，连 续管注入和上提 的低速稳定性 以及注入头和滚筒 的协 同控 制是整个液压控制系统 的关键技术 ，为此 ，作者 采用 了电液 比例控制和闭环控制 的解决 方案。 1 ． 1 注入 头 的主要 功 能 注入头 的主要功能是夹持连续管并 克服井下压力 对连续管 的上 顶力 ，把连 续 管注 入井 内或从 井 内上 提 ；同时 ，注入 头可 以控制 连 续管 注 入或 上 提 的速 度 。 ；并承受整个 悬挂 连续 管 和测 井仪 器 的质 量。 注入 头的典型结构如 图 3所示 。注入头 的上部装有 两 台液压马达 ，分别驱动各 自链条运动 。每副链 条的外 侧嵌有夹持 块 ，链 条的 内侧嵌有与压紧块相接触 的轴 承。注入头 的中部 装有 3 对压 紧油缸 ，推动压紧块压 紧中间的链 条内侧 ，并用夹持块夹 紧连续管 ，通过液 压 马达的转 动方向来控制连续管 的注入或上提 。下部 的两对 张紧油缸推动张紧链轮 ，使链条 张紧 ，保证链 条 的正常工 作。 1 一 主动 链轮 总 成 2 一 液压 马达 3 _ _夹紧 机构 4 一 张紧 机 构 5 一特 制 链条 从动 链轮 总 成 7 一称 重 传感 器 8 _箱 体 及框 架 图 3 连续管测井 机注入头 的典型结构 1 ． 2注入 头的液 压 系统组 成 注入头 的液压系统 主要 由三部 分组成 油源 、控 制和执行部分 。 油源部 分 主要 由柴 油 发动 机 、双 联泵 负 载敏 感泵和恒 压变 量泵 以及 油 箱加 热 、冷 却装 置 等组 成 ，柴油发动机 的全功率取力 口驱 动双联 泵为注入 头 的液压 系统提供动力 。 控制部分 主要集 中在升 降式 操作室 内的控 制 台 ， 包括了电气控制和液压控制两部分。 执行部分 由 2台双排量变 量径 向柱 塞马 达 、3对 压紧油缸 以及 1对张紧油缸组成 。 2注入头液压系统工作原理 根据注入头 的主要功能 和技术要求 以及连续管测 井作业 的工艺 ，注入头 的液压系统可分为 主驱动 回路 和辅助驱动 回路 ，控 制方式采 用 电液 比例控制 模式 ， 其原理示意框 图如 图 4所示 。 负载 敏 感泵 恒 压 变量 泵 图 4连续管测井机注入头 的液压原理示意框 图 2 ． 1主驱 动 回路 主驱动 回路 主要 由负 载敏 感 泵 、电液 比例 方 向 阀 、平衡 阀 、手动换 向阀及 双排 量变 量马 达等组 成。 由于连续管测井机采用车载方式，考虑到工作效率和 系统散热 ，在 注人头 液压系统总体 方案中 ，采用 了负 载敏感泵 为系统提供 动力源 。该泵 能依据外负载的变 化而改变工作压 力和 流量 ，提 高 了系统 的工 作效 率 ； 电液 比例方 向阀控制 马达的流量和转 向，从而实现注 入头注入或上 提连续 管的速度控制 ；平衡 阀在注入头 马达停止转动 时 ，保持 当前连续管 的位置不变 ；手动 换 向阀在系统失 电等 紧急情况下 ，能够手 动操作 连续 管 的注入或上提 ；双排量变量 马达 实现注人 头注入 或 上提 的高低速切换 ，并为测井作业 提供稳定 的低 速保 证 。 正常工作 时 ，马达输入高压油 ，输 出转矩 ，驱动 链条运动 ，驱动 回路为 闭式容积调速 回路 。负载敏感 泵根据注入头 马达所 承载 的外 负荷 ，调整输 出的工作 压力 ，泵 的输 出流量会 随着 系统 的需要进行调整 ，并 通过电液 比例方 向阀调节马达 的输 出转速 ，从而控制 连续管注入或上提 的速度 。通过 电液 比例方 向阀的换 向，可实现注入头马达 的正反 向运动 。 注入头 向下注入连续管 时 ，链条牵引负载所需 的 7 0 机床与液压 马达输出转矩会 随着井深的增加而减小 。在到达一定 深度后 ，马达的输 出转矩为零。并且 ，随着井深 的进 一 步增加 ，链条牵引负载所需 的马达输出转矩变 为负 增长 。此 时 ，为保证测井作业速度控制的要求 ，注入 头马达应反 向工作 ；上提连续管时 ，虽然 马达 的输 出 转矩一直 为负 ，但会 随着井深 的减小 ，得链条牵引负 载所需 的马达输出转矩 的绝对值进一步减小 。 主驱动 回路的控制 回路 由工控机 、P I c及 P R O F I B U S D P现场总线 组成 ，完成 注入 头液压 系统 的控 制任务 。 2 ． 2辅助 驱动 回路 柴油发 动机驱动双联 泵中的恒压变量泵 ，为辅助 驱动 回路中的张紧油缸和压紧油缸提供动力源。张紧 油缸和压紧油缸都是通过三位四通 电磁换 向阀的切换 来实现链条 的张紧和松开。链条张紧和压紧后 ，控制 系统实时检 测压 力 ，紧急情 况下 ，依 靠 蓄 能器来 保 压 。 张 紧油 缸 和 压 紧 油 缸 总 的 进 油 口都 设 有 溢 流 阀 ，控制各个油 缸的供 油压 力 ，并 在各 个油缸 的进 出 口设 有 节流 阀 ，以调 节 张紧油 缸 和压 紧油缸 动作 的速度 。 3 注入头液压系统的特点 1 注人头液压系统采用 电液 比例控制 ，实现 了 注入头和滚筒 的协 同控制 。并且 ，注入头的注入或上 第 3 9卷 提速度控制为无级调速 ，使连续管测井机实现了工作 过程 的 自动化 。 2 主驱 动 回路与 辅助驱 动 回路 的动 力源 分别 由负载敏感 泵 和恒 压变 量泵 提供 ，控 制 回路 相互 独 立 。 3 主驱 动 回路 由负载敏感 泵提供 注入 头 马达 所需要的流量 ，减少 了液压系统的发热量 ，提高 了液 压系统的工作效率 。注入头马达采用带减速机构和刹 车装置的双排量变量马达 。小排 量情况下 ，提高了注 入头注入或上提 的速度 ；大排量情况下 ，满足了测井 工艺低速稳定性 的要求。 4 注人 头主驱 动 回路 中，由于加入 了手 动换 向阀 ，使得在系统失电的紧急情况下 ，也能够实现连 续管 的注入或上提 ，提高了系统 的安全性 。 参考文献 【 1 】傅阳朝， 李兴名． 连续油管技术[ M] ． 北京 石油工业出 版社 ， 2 0 0 0 ． 【 2 】熊革， 高文倩． 连续油管测井技术[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 3 】许益民． 电液比例控制系统分析 与设计[ M] ． 北京 机械 工业 出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】崔孝斌 ， 张运翘． 连续油管作业机液压系统分析[ J ] ． 石 油机械 ， 1 9 9 3 ， 2 1 1 2 3 4 3 8 ． 【 5 】高纪念， 朱小平． 连续油管注入器液压系统 l J ] ． 西安石 油学院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 4 2 3 8 4 5 ． 上接 第 5 8页 4结论 作者用西 门子软件 7 - 2 0 0编 程设计 了 钢管 的称 重 、测长和喷标 自动化控制系统 ，用组态王进行 了界 面设计 ，而且和 P L C实现 了通信 。在 S 7 2 0 0中编 写 了通讯协议 ，实 现 了喷码机 和 P L C的通讯 连接 。实 验结果表明 作者设计的程序没有任何错误 ，完全符 合要求 ，而且完成一根钢管的称重 、测长和喷标过程 仅仅需要 3 0 s ，该 系统运行稳定可靠 ，没有 出现任何 问题 。与现有 的控制系统 相 比， ． 该设计大大提高了生 产效率 ，具有 良好 的市场前景。 参考 文献 【 1 】西门子 中国 有限公司自动化 与驱动集团． 深入浅出 西 门子 s 7 ． 2 0 0 P L C [ M] ． 北京 北京 航空 航天大 学 出版 社 ， 2 0 0 3 ． 1 2 ． 【 2 】王兆义． 可编程控制器教程 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 3 26 ． 【 3 】时文飞， 侯世英， 张柯， 等． P L C与计算机的串口通信程 序设计 [ J ] ． 机床 电器 ， 2 0 0 5 4 ． 【 4 】马丁． 西门子 P L C应用程序设计实例精讲[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 上接 第 7 9页 合冲剪机剪切工作机构的设 计过程 ，实现了工作机构 的参数化 和优化设计。在 功率相 同、结构简化 、质量 下降的情况下 ，该设备可剪切的最大方钢 、圆钢 、角 钢等尺寸明显增加 ，实现 了产品的高效率 和低能耗 。 参考文献 【 1 】中国机械工程学会编． 锻压手册 第 3卷 锻压车间设 备[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 2 】阎青松 ， 陈华丰． Q A 3 5 Y 一 3 0液压联合 冲剪机 的研制 [ J ] ． 锻压机械 ， 2 0 0 8 1 1 0 9～1 1 2 ． 【 3 】阎青松， 刘杰 ， 陈华丰， 等． 液压联合冲剪机剪切机构的 建模与仿真[ j ] ． 机械 ， 2 0 0 8 5 1 71 9 ． 【 4 】苏金明， 阮沈勇， 王永利． MA T I A B工程数学[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 1 ． 【 5 】许波， 刘征． M A T I A B工程数学应用[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 2 0 0 0 ．