连续油管作业机注入头与滚筒协同动作液压方案与分析.pdf

2011年第 1期液压与气动 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 Introduce and analyse three hydraulic controlling sche mes w ith injector of coiled tubing unit and tubing reel ZHANG Jianqing 胜利油田高原石油装备有限责任公司, 山东 东营257091 摘 要 连续油管作业技术是一项具有广阔应用前景的实用性技术, 该作业技术能实现各种常归和复杂 的井下作业。连续油管作业机关键部件是注入头, 注入头的动作要求与油管另一端缠绕的油管滚筒有相互的 协同动作关系, 以保证在注入及上提油管的作业时油管的合理受力, 防止过卷及过放。该文针对连续油管作业 机液压系统设计过程中对注入头与滚筒协同作业部分的液压控制提出 3种方案并对 3种方案进行比较分析。 关键词 连续油管; 注入头; 协同作业; 液压系统 中图分类号 TH 137 文献标识码 B 文章编号 1000 4858 2011 01006903 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。 收稿日期 20100818 作者简介 张建庆 1978, 男, 山东省东营市人, 工程师, 主 要从事石油装备及液压气动系统设计工作。 3 . 1 方案一 见图 1 图 1 方案一 69 液压与气动2011年第 1期 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 70 2011年第 1期液压与气动 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。 参考文献 [ 1] 崔孝斌, 张运翘. 连续油管作业机液压系统分析 [ J]. 石 油机械, 1993 , 21 12 34- 38 , 43. [ 2] 周士昌. 液压系统设计图集 [M ]. 机械工业出版社, 2004 . [ 3] 成大先, 等. 机械设计手册单行本液压控制 [M ]. 化学工 业出版社, 2004 . [ 4] 李宗田. 连续油管技术手册 [M ]. 石油工业出版社, 2003 . SAUER 90系列电控油泵双控系统的改进 丁友林, 郑逢铭, 陈 健, 罗小辉 I mprovement of double control syste m for electric control SAUER 90 series pump DING Youlin ,ZHENG Feng m ing ,CHEN Jian ,LUO X iaohui 二机集团 南阳华美石油设备有限公司, 河南 南阳 473006 摘 要 通过设备在调试过程中发现 SAUER 双控系统; 备用控制; 改进措施 中图分类号 TH 137 文献标识码 B 文章编号 1000 4858 2011 01007102 1 前言 测井绞车为油田一种专用设备, 其上的传动装置 有采用 SAUER 90系列轴向柱塞变量泵的, 而其中采 用电气排量控制方式的油泵可配置两套控制系统, 其 中一套控制系统采用该种油泵配套的电控手柄进行控 制, 我们称其为 电控 或 主控 ; 另一套控制系统可 通过液控的方式对其控制, 我们称其为 备用控制或 副控。 2 工作原理 SAUER90系列电控油泵 1与配套的马达 2组成 闭式回路, 配备油箱、 过滤器、 散热器及管线接头等后 组成基本的液压系统。配备动力源且油泵配备控制装 置 3或 4 、 5 、 6后, 就可以让整个液压系统运转起来。 液压系统运转过程中遇有紧急情况, 需紧急让液压系 统停止工作, 可以通过控制两位两通电磁换向阀 7来 使液压系统停止工作, 使液压系统紧急卸荷。 该种油泵有以下 3种控制方式。 控制方式一 电控 或 主控 采用该种油泵 配套的电控手柄 3对油泵 1进行控制。先导控制阀 1- 2 对应将电控手柄 3输出的电气信号转换为压力信 号并将此压力信号作为先导级控制推动伺服阀 1 -3阀 芯运动, 从而实现主控制油路对伺服缸 1 - 4活塞的控 制。而伺服阀 1 - 3阀芯位置同时受电控手柄 3输出的 电气信号及斜盘位置反馈信号影响进而实现排量的闭 环控制。通过电控手柄 3输出的电气信号转换成压力 信号从而实现泵斜盘角度 泵排量 的比例控制。 控制方式二 备用控制或 副控 将油泵 1的 M 3口的压力油通过节流截止阀 4 、 液控手柄 5及叠加 式液控单向阀 6引入油泵 1的 M4或 M5口, 最终进入 伺服缸 1 - 4 。通过液控手柄 5调节进入伺服缸 1- 4 的压力油压力的高低实现泵斜盘角度 泵排量 的 控制。 收稿日期 20100630 作者简介 丁友林 1970, 男, 湖北天门人, 高级工程师, 硕 士, 主要从事油田测试设备的开发设计及制造工作。 71