连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学_李银银.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01945-08科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-06-03;修订日期:2022-11-18基金项目:国家科技重大专项(2016ZX05038-006)第一作者:李银银(1989)，男，汉族，湖北十堰人，博士，讲师。研究方向:机械结构与强度、材料宏微观强度。E-mail:liyyhbys163 com。*通信作者:周志宏(1956)，男，汉族，湖南新化人，博士，教授。研究方向:机械强度与计算固体力学、管柱力学。E-mail:zhouzhh394126 com。引用格式:李银银，周志宏，曾华，等 连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学 J 科学技术与工程，2023，23(5):1945-1952Li Yinyin，Zhou Zhihong，Zeng Hua，et al Coupling dynamics of coiled tubing injector head and reel hydraulic systemsJ Science Tech-nology and Engineering，2023，23(5):1945-1952连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学李银银1，周志宏1，2*，曾华1，王汤2(1 长江大学机械工程学院，荆州 434023;2 中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司，武汉 430000)摘要连续管作业时，连续管上的张力与滚筒和注入头的运动状态有关。利用有限元研究了在滚筒和导向器之间连续管的张力与松弛度之间的关系，并拟合成函数关系式。然后建立了连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学模型。研究发现:在匀速运动时，滚筒液压系统的溢流压力能控制连续管上张力的大小;但运动状态快速变化时，张力会产生波动。波动的幅度和波动的频率与滚筒及滚筒上卷绕的连续管的转动惯量有关:当滚筒上卷绕大部分连续管时，快速操纵连续管注入和起升速度手柄将造成较大张力波动，引起张力过小或过载;当滚筒上卷绕很少连续管时，快速操纵连续管注入和起升速度手柄将产生某个频率的张力振动，极有可能引起连续管的共振。关键词连续管;注入头;滚筒;动力学;液压系统中图法分类号TE925;文献标志码ACoupling Dynamics of Coiled Tubing Injector Head andeel Hydraulic SystemsLI Yin-yin1，ZHOU Zhi-hong1，2*，ZENG Hua1，WANG Tang2(1 School of Mechanical Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China;2 Jianghan Shale Gas Development Technical Service Company of SINOPEC，Wuhan 430000，China)Abstract During operation，the tension on coiled tubing between the reel and the injector head is related to the movement of thereel and the injector head The relationship between tension and relaxation of the coiled tubing between reel and gooseneck guide wasstudied by finite element method，and a function was fitted Then，the coupling dynamic model of the coiled tubing injector head andthe reel hydraulic systems was established Through calculation，it is found that，when the motion is stable，the relief pressure can en-sure the tension，but when the motion state changes rapidly，the tension fluctuates The magnitude and frequency of fluctuation are re-lated to the moment of inertia of the reel and the coiled tubing on it When most of coiled tubing is wound up on the reel，the injectingand lifting speed handle of the coiled tubing will cause large fluctuation of tension，resulting in overload or low tension When one layerof coiled tubing is wound on the reel，the accelerating or decelerating in the injecting and lifting of the coiled tubing will produce vibra-tion at a certain frequency which may cause resonance of coiled tubing Keywords coiled tubing;injector head;reel;dynamics;hydraulic system连续管可带压连续作业，装置具有占地面积小、作业效率高、搬迁安装方便等诸多常规作业机不具有的优点，广泛应用于油气开采的各个领域1-2。连续管平时储存在滚筒上，作业时从滚筒上展开，经鹅颈导向器和注入头注入井中，或者由注入头从井中起升，经鹅颈导向器导向滚筒，再由滚筒卷绕到滚筒上3-4。在注入头和滚筒之间的连续管必须有一定的张力，保证连续管的有序展开或卷绕整齐。张力不能太小，否则可能造成乱管5;也不能太大，太大会造成中性层偏移，影响连续管的疲劳寿命6。连续管注入头和滚筒都采用液压马达经减速器驱动，注入头和滚筒各自形成一个相对独立的子系统，经过连续管将二者的运动状态联系起来。注入头和滚筒的运动状态对它们之间的连续管的张力有很大的影响。如果张力变化幅度过大，可能产生张力过载，造成连续管的损伤;如果张力产生一定频率的振动，有可能激起连续管的共振，造成连续管的损伤7。近几年来，研究人员对注入头与滚筒间的连续管的张力进行了研究。彭嵩等8 研究和设计了连投稿网址:www stae com cn续管测井机注入头液压系统，解决注入头与滚筒协同控制问题;张建庆9 研究了注入头和滚筒间液压同步的问题;杨高10、刘平国等11 研究了滚筒液压系统的溢流压力控制张力的问题;刘远波等12、段文益等13 通过将滚筒液压系统改成电液来解决张力控制的问题;马卫国等14 则通过 MATLAB 模拟滚筒液压系统来分析张力的变化问题。但目前所有的研究均未考虑注入头液压系统、滚筒液压系统之间的动力耦合以及在作业中动力参数的变化对张力的影响。实际上，注入头-滚筒-连续管构成了一个动力系统，注入头和滚筒的液压系统是其中的子系统。在这个系统中任何一个子系统的状态变化将会影响到 另 一 个 子 系 统 的 状 态。现 通 过 有 限 元 及MATLAB/Simulink软件，建立连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学模型，考虑注入头液压系统、滚筒液压系统之间的动力耦合以及在作业中动力参数的变化对连续管上张力的影响，分析不同操作速度下，满滚筒和空滚筒起升注入过程中连续管上张力变化情况，解决导向器与滚筒之间连续管的张力过载及管体振动问题，为连续管注入头与滚筒液压系统设计及作业提供指导。1注入头和滚筒液压系统注入头的液压系统原理图如图 1 所示。注入头液压系统的工作原理如下:注入头由变量泵驱动双速变量马达，变量马达可以在高速和低速两档之间更换，在高速档或低速档时，都可以通过控制台的阀的控制变量泵输出不同流量供给液压马达实现注入或起升连续管的两档中的速度调节。注入头的液压马达上有常闭式刹车，不工作时，刹车的液压回路没有压力油，刹车在弹簧的压力下刹住液压马达的轴，工作时，液压油进入刹车回路，使刹车打开。变量泵 1 和液压马达 12 组成闭式主回路，液压泵 8 为闭式液压系统补油。液压泵18 提供控制系统的液压油，通过减压阀 15 和控制阀 10 将刹车先导油导入阀 11，接通阀 11，如果变量泵 1 没有启动，通过减压阀 17 的压力油通过阀 11，和单向阀进入阀 9 后直接回油箱，刹车依然无法开启;如果变量泵 1 启动了，高压端通过梭阀迫使阀 9关闭通往油箱的油路，连通变量泵的高压回路，高压油将进入刹车液缸 13，打开刹车。通过减压阀 16和手动控制阀 14 来控制液压马达的高低速档。在高速或低速挡位上进一步的速度控制通过控制变量泵的流量来实现。改变变量泵的斜盘的角度就可以调节变量泵的排量，斜盘的角度由液缸2 的活塞来推动。为了保证液缸活塞能按确定的要求推动斜盘，三位四通阀 3 的阀壳体与控制活塞相连，当比例阀 4 的动作使三位四通阀右边压力高时，其阀芯向左运动，接通右边的阀位，液缸右边充压，带动活塞向左运动，阀壳体跟随运动，使活塞回到中间的阀位，反之亦然。当变量泵 1 压力下面高时，1 为变量泵;2 为液缸;3 为三位四通阀;4 为比例阀;5 为单向阀;6，7 为溢流阀;8，18 为液压泵;9 为跟随阀;10 为控制阀;11 为液动换向阀;12 为液压马达;13 为刹车液缸;14 为手动控制阀;15，16，17 为减压阀;M 代表电机图 1注入头液压系统原理图Fig.1Schematic diagram of hydraulic system of injection head6491科学技术与工程Science Technology and Engineering2023，23(5)投稿网址:www stae com cn如果压力超过允许的压力，通过溢流阀 7，使压力油进入液压缸 2 左边的腔中，腔中压力液推动活塞运动，将右边腔室的液压油通过溢流阀 6 和单向阀 5挤回泵的低压回路中。滚筒的液压系统相对于注入头来说比较简单，如图 2 所示。主回路采用开式油路，由主油泵供油给马达，滚筒的正反转采用换向阀变换动力液的方向，从而控制滚筒的正转和反转。安装在操作台上的远控溢流阀，通过对此阀的调节，可使回路压力在 0 17.5 MPa 调节，进而控制滚筒的转矩来控制连续管的张力。图 2滚筒液压系统原理图Fig.2Schematic diagram of hydraulic system of reel2滚筒与导向器间连续管张力分析定义滚筒与鹅颈导向器间连续管的松弛度 为实际连续管长度与完全绷紧状态的差。这样滚筒与鹅颈导向器间连续管的张力 T 与松弛度 就存在一定的函数关系，采用有限元来计算张力与松弛度的关系。为了减少计算规模，在与滚筒和鹅颈导向器相接触的部分连续管用三维模型，而在没有接触的地方用梁单元，如图 3 所示。在计算中，固定滚筒的位置，移动鹅颈导向器逐步连续管张紧，可计算出张紧力与松弛度之间的关系。以 QT900 钢级，外径为 50.8 mm、壁厚为4.445 mm 的连续管为例，假设滚筒边缘与鹅颈导向图 3有限元模型计算结果与细节Fig.3Calculation results and details of thefinite element model器顶部的水