连续油管注入头液压同步控制系统设计

孙仁俊

（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州434020）

连续油管注入头液压同步控制系统设计

孙仁俊

（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州434020）

为了解决连续油管注入头闭式驱动系统的双液压马达输出不同步问题，设计了一种用于注入头马达液压同步控制系统。该系统可对同步马达转速、扭矩、压力等性能参数与驱动马达进行匹配，通过同步控制系统的强制同步迫使两侧液压马达输出转速一致，最终达到实现双液压马达同步运转的目的。模拟油田现场实际工况，对配备液压同步控制系统的注入头进行了动载试验，注入头双侧马达同步性大幅度提高，链条驱动系统低速同步运转平稳。试验结果表明，注入头液压同步控制系统提高了注入头运行的可靠性，降低了注入头工作中对油管造成损伤的风险，提升了连续油管作业设备系统运行的稳定性。

连续油管；注入头；液压同步；控制系统

1 注入头结构概述

注入头是连续油管下入和起出油井的核心部件，其主要功能是克服井下压力对油管的上顶力和摩擦力，把连续油管下入井内或夹持不动或从井内起出。其由两台可正反方向旋转的液压马达带动两个相对布置的链轮进行工作，借助链节间的夹持块夹住连续油管，使之与链条一起运动，最终为连续油管的起升或下放提供动力[1-3]，连续油管注入头结构如图1所示。

国内外注入头同步原来采用同步齿轮进行主动同步的方式，但是注入头箱体体积需做得较大，并且单边链条检修不方便，之后逐步取缔了这种机械同步控制方式。现在普遍使用的是被动同步方式，注入头双链条夹持油管运转系统可近似为刚性连接的同步驱动系统，属于被动同步，由于没有刚性轴连接，并不能保证双侧马达驱动的完全同步性。主动同步与被动同步对比见表1。虽然注入头驱动是采用一个注入头泵带动双侧马达的闭式驱动系统，但双液压马达驱动方式属于自然分流方式，由于两路马达系统控制阀件的性能差异，以及马达实际制造存在的误差等，这些因素会导致双马达系统存在差异，使得闭式系统对双马达液压油流量分配不均匀，导致两马达输出转速不同步；由于两侧液压马达共同驱动同一负载，当两侧马达输出不同步时，会造成油管单侧打滑，进而磨损油管，严重时可能使注入头失稳，对整个系统运转带来影响[4-6]。

图1 注入头结构示意图

表1 主动同步与被动同步对比

2 液压同步控制系统设计

注入头系统由液压驱动 （其液压系统采用了闭式驱动系统）通过一个变量柱塞泵与两个变量马达组成闭式回路。如何保证两马达输出转速同步是目前连续油管设备一直需要解决的难题[7-10]。本研究通过对同步马达与驱动马达进行转速、扭矩、压力等性能参数的匹配，设计出一种液压马达同步控制系统，其目的在于通过同步控制系统的强制同步迫使两侧液压马达输出转速一致，最终实现双液压马达同步运转的目的。液压驱动系统原理图如图2所示。

图2 同步控制系统原理图

图2中，注入头马达液压同步控制系统包括驱动马达1、驱动马达2、同步马达3、同步马达4、同步阀组及连接管路6与连接管路7。驱动马达1、2与系统主油路连接，组成闭式回路；同步马达3与驱动马达1刚性连接；同步马达4与驱动马达2刚性连接；同步阀组出油口A1与同步马达3出油口A′管路连接；同步阀组出油口A2与同步马达3出油口B′管路连接；同步阀组出油口A1′与同步马达4出油口A′管路连接；同步阀组出油口A2′与同步马达4出油口B′管路连接。同步马达3与同步马达4通过管路6、管路7连接组成闭式回路，从液压系统引一路压力油到同步阀组的进油口，通过单向阀E或单向阀F给此闭式回路进行补油。

在起油管时，注入头驱动马达1与2的进油口分别是B与A，同步马达3的B′口为吸油口，同步马达4的A′口为吸油口，假如注入头驱动马达1比马达2转动的更快一些，则其分别串联的同步马达3比同步马达4转动的更快，通过同步阀组内的单向阀E给管路6补油，因速度更快，此时同步马达3的A′口排出的液压油量大于同步马达4的A′口因旋转所需吸入的液压油量，管路7压力迅速增加，驱动同步马达4以更快速度旋转，同步马达4带动与之串联的驱动马达2迫使其以更快速度旋转，从而实现驱动马达1与2的同步运转。假如注入头驱动马达2比1转动的更快一些，通过同步阀组内的单向阀F给管路7补油，因速度更快，此时同步马达4的B′口排出的液压油量大于同步马达3的B′口因旋转所需吸入的液压油量，管路6压力迅速增加，驱动同步马达3以更快速度旋转，同步马达3带动与之串联的驱动马达1迫使其以更快速度旋转，从而达到驱动马达1与2的同步效果。下油管时同步原理与起油管相同。

同步阀组的原理图如图3所示，同步控制系统闭式回路通过一路单独外接的压力油补油管路，经同步阀组内单向阀E或F向管路6或管路7进行补油。同步阀组内的溢流阀M的作用是对同步马达所产生的闭式回路起保护作业，设定压力为35 MPa，当管路7或管路6的压力超过其设定压力时，经单向阀G或H溢流掉多余的压力油；同步阀组内的高压球阀N的作用是：当打开此球阀时，管路7与管路6两端压力相等，两同步马达进出油口压力相同，因同步马达与驱动马达刚性连接，此时两同步马达处于随动状态，同步控制系统闭式回路不起同步作用。

图3 同步阀组原理图

3 注入头动载试验

对配备液压同步控制系统的注入头进行动载试验，模拟油田现场实际工况，实现系统大吨位稳定、连续加载，全面检测注入头控制系统性能及工作稳定性，注入头动载试验实物如图4所示。首先使注入头在高速档和低速档进行空跑，观察注入头两侧链条的运转同步性，没有配备液压同步控制系统的注入头在马达驱动压力为4 MPa时单侧链条开始运转，马达压力为5 MPa时另外一侧链条开始缓慢运转，马达压力达到8 MPa时两边链条速度较接近，而配备液压同步控制系统的注入头在马达驱动压力为4 MPa时两侧链条能同步起动，同步性能较好；然后穿入连续油管进行大吨位加载，相应试验加载数据见表2。

图4 注入头动载试验

表2 注入头动载试验参数

通过动载试验可以得出，本研究设计的用于注入头马达液压同步控制系统，在高速、大吨位运转时，注入头泵输出压力稳定，注入头链条、夹紧油缸抖动明显减轻，注入头运转较之前更平稳，此液压同步控制系统能起到很好的同步作用。因同步控制系统为闭式回路，系统发热是需要考虑的问题，当系统高速运转后，实时测量同步马达温度，最高在87℃左右，选用相应的氟橡胶密封的马达能很好满足要求。

4 结束语

本研究设计的用于注入头马达液压同步控制系统，通过同步控制系统的强制同步迫使两侧液压马达输出转速一致，最终实现双侧液压马达同步运转的目的。该液压同步控制系统能使注入头双侧马达同步性大幅提高，链条驱动系统低速同步运转平稳，提高了注入头运行可靠性，降低了注入头工作中对油管损伤的风险，提升了连续油管作业设备系统运行的稳定性。目前已有2套此类型注入头在油田现场作业，得到了用户的一致认可。

[1]郭峰，张保弟，孙晓明，等.连续管作业机油管滚筒的研制[J].机电产品开发与创新，2012，25（3）：54-55.

[2]李宗田.连续油管技术手册[M].北京：石油工业出版社,2003.

[3]赵章明.连续油管工程技术手册[M].北京：石油工业出版社，2011.

[4]郭峰.LG380/60连续管作业机的研制[J].焊管，2015，38（7）：30-33.

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[6]施志辉，范佳，许立，等.连续油管在滚筒上缠绕的力学研究[J].大连交通大学学报，2011，32（5）：50-52.

[7]孙仁俊，张保弟.连续油管作业机液气系统设计[J].液压与气动，2013（6）：79-80.

[8]张建庆.连续油管作业机注入头与滚筒协同动作液压方案与分析[J].液压与气动，2011（1）：69-71.

[9]孙仁俊.连续油管滚筒自动排管控制方案研究[J].焊管，2017，40（4）：57-59.

[10]罗东.LGC450型连续油管作业车的研制[J].机电产品开发与创新，2015，28（3）：47-49.

Design of Hydraulic Synchronous Control System for Coiled Tubing Injection Head

SUN Renjun
（No.4 Machinery Plant,Sinopec Petroleum Engineering Machinery Co.,Ltd.,Jingzhou 434020,Hubei， China）

In order to solve the out of sync problem of coiled tubing injection head closed drive system double hydraulic motor,a kind of injection head hydraulic motor synchronous control system was designed.The system matched the synchronous motor speed,torque,pressure and other performance parameters with the driving motor,the synchronous control system forced the output speed of both sides of hydraulic motor to be consistent,finally achieved the purpose of synchronous operation of hydraulic motor.Simulated oil field actual working condition,the dynamic load test was conducted for injection head equipped with hydraulic synchronous control system,the synchronous operation of injection head both sides motor was greatly improved,the chain drive system run smoothly at low speed.The test results showed that the injection head hydraulic synchronous control system improved the reliability of the injection head operation,reduced the damage risk of injection head to tubing,and improved the stability of coiled tubing equipment system running.

coiled tubing； injection head； hydraulic synchronization； control system

TE905

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.005

孙仁俊（1986—），男，湖北仙桃人，工程师，硕士，现主要从事石油装备液气设计工作。

2017-05-26

编辑：黄蔚莉