注入头设计计算说明书3.doc

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第二章注入头部件

2.1注入头概述

连续油管注入器是连续油管作业装备的关键设备，注入器主要功能是夹持油管并克服井下压力对油管柱的上顶力和摩擦力,把连续油管下入井内或夹持不动或从井内起出，控制油管注入和起出的速度。

2.2结构形式的拟定

通过对油田连续油管注入头的现场调研，查阅国内外相关文献，多种方案对比，确定注入头设计方案，结构如图2-1、图2-2所示。

由两台同步的可正反转动的液压马达提供动力，链条驱动，带动夹持块夹持连续油管上下移动。

液压马达为低速径向柱塞马达，带有内部实效保护。

两个液压马达通过液压系统达到基本同步，由同步齿轮传动实现链轮的机械同步；由两组胀紧液压缸推动浮动夹块达到链条胀紧的目的；由夹紧液压缸推动夹紧浮动夹块，夹紧装在链条上的油管夹块夹紧油管，通过链条带动夹块实现油管起下动作。

链条上由带有特殊表面形状和处理工艺的夹持块通过链条销轴固定在一起，以适应连续油管的外径，并达到良好的夹持注入的性能，同时达到最小连续油管的夹持变形和最低的附加应力；由压力传感器通过杠杆机构测量连续油管注入和上提力的大小。

注入头的主要设计参数如下：

1、驱动方式：

液压马达；

2、注入最大下入速度：

60m/min（1m/s）；

3、注入方式：

夹持夹块摩擦驱动，链条带动夹块传动；

4、链条张紧液缸数：

2*2个；

5、链条夹紧液缸数：

3*2个；

6、最大下井深度：

4000m；

7、测力系统：

压力传感器；

8、液压马达型号：

CA50；

9、适应连续油管：

Ф31.75mm，Ф38.1mm；

2.3结构形式设计说明

1、连续油管起下方式

作业要求连续油管不断的向油井内注入或起出。

利用夹块夹持油管产生足够的摩擦力，再利用链条输送夹块完成油管的注入或起出。

为了使夹块对油管的夹持应力不超限，必须采用多个夹块夹持。

2、夹块夹持方式

因多夹块必须同时夹持，采用三级浮动的多滚子夹头。

为了保证每个夹块都有一个浮动夹头的滚子夹持，油管承受的夹持力足够能产生下入和提升4000m油管的使用要求。

为减小油管所受压强，采用三组具有24个滚子的浮动夹头。

3、链条与夹块的连接方式

用两条32A链条，每节连接1个夹块，成为双排链条，夹块与链条同时连续运动，这样受力好，提升力大。

4、链条传动方式

链条采用径向低速大扭矩柱塞液压马达传动，省去价格昂贵的减速器，又缩小了轴向尺寸，链条带有胀紧装置。

图2-1注入头

图2-2注入头总体

5、夹块机构

夹块夹持部分的圆弧与管径相符合，为了提高摩擦系数开有横向槽。

夹块结构随链条在链轮上传动，不能发生干涉。

材料具有足够的硬度，好的耐磨性。

采用低合金钢渗碳淬火处理。

6、链条传动同步要求

为了使两个链条运转同步，保证夹块与管子很好的结合，采用相互啮合的齿轮装在链轮轴上。

7、机架结构

为了装配方便，机架采用两块刚度足够的支撑板，通过尺寸精度很高的支撑块支撑。

8、提升力的测量

在注入头下部采用杠杆机构液压缸，连接传感器就可以准确测出提升力。

9、油管的引导

利用装在注入头上方的带滚轮的油管导向架引导油管顺利插入注入头，注入头上下各设一个引导套。

10、注入头的支撑

注入头的动力部分装在支撑架中，作业时有四根可以伸缩的支腿支撑。

2.4油管导向架

注入头顶部装有油管导向架，用于牵引连续油管从卷筒到链条牵引总成的导入与导出，是由一系列与架垂直的滚子组成的弧形架，为保证连续油管圆滑过渡，滚子间距定320mm左右，管子在一定的弯曲半径下弯曲，其变形是处于弹性变形范围的。

在弹性极限内，管子能承受最小弯曲半径R可按下式计算：

式中E－管材的弹性模量，Pa；

D－油管外径，mm；

бs－管材的屈服强度，Pa；

现在我国引进的连、续油管管材一般为ASTM，A-606钢，其中бs=482.58MPa，E＝208.34GPa

按上式计算in、in油管的弯曲半径见表2-1。

表2-1连续油管弯曲半径

连续油管规格（in）

外径（mm）

最小弯曲半径（mm）

31.75

6854

38.10

8224

如果管子弯曲时弯曲半径小于表2-1所列的值，那它将产生塑性变形。

我国各油田引进的能适应in、in油管的连续油管作业机的卷筒半径和导向架半径都远远小于其最小弯曲半径，可见连续油管在起、下作业时均将发生交变的弯曲塑性变形。

但是，管子只是在瞬时处于弯曲塑性变形。

为在运输中减少空间，以及根据现场测绘进口的导向架内侧半径1100mm，设计的油管导向架内侧半径1100mm。

外侧弯曲半径1237mm，前端采用折叠式，结构如图2-3。

图2-3油管导向架

2.5链条载荷

2.5.1链条所受载荷分析

注入头链条上所受的载荷主要是油管上的轴向力（上顶力、油管重力和油管运动的摩擦力）及链条与夹紧压块间的摩擦力。

（1）油管的轴向力

油管的轴向力主要有油井压力对油管的上顶力、下人井内油管的重力、油管在井内产生的摩擦力和油管与防喷器胶心间的摩擦力及油管运动产生的动载荷。

在起出或注入油管的过程中，轴向力随井内油管的深度变化而变。

为防止井下压力窜到地面，通常在油管下部加装一个单向阀，所以认为油井内的上顶力作用在油管底部。

考虑到连续油管在下入和起升时，基本上是匀速运动，动载荷较小忽略不计。

设油管下入深度为L，油管在井内的上顶力为井深L处的液压力乘以油管外径的横截面积，这时油管的轴向力可表示为:

（2-1）

式中：

F－油管轴向力，N；

D－油管外径，m；

P0－井口压力，MPa；

ρy－井液密度，kg/m3；

g一重力加速度，9.8m/s2；

L－油管下入深度，m；

d一油管内径，m;

ρg一油管材料的密度，kg/m3；

F’m一油管轴向运动受到的摩擦力，N。

式中第一顶为油管在井内受到的上顶力，第二项是油管的重力，第三项是油管受到的摩擦力，包括油管与井壁和井液间的摩擦及油管与防喷器胶心间的摩擦，下入油管时为正，起出时为负。

F'm是一个与井眼状况和井液性质有关的参数，要得到精确的计算值是比较困难的，也是没有必要的，一般近似地取F'm等于油管受到的浮力。

下入油管时的轴向力为：

（2-2）

起出油管时的轴向力为：

（2-3）

由于ρg/ρy>7，所以下入油管时注入器需克服的最大轴向力为：

（2-4）

起升油管时注入器需克服的最大轴向力为:

（2-5）

式中:

Fxmax－下入油管时的最大轴向力，N；

Fsmax－起升油管时的最大轴向力，N；

Lmax－油管设计下入的最大井深，m。

显然，注入器在设计时应考虑克服的最大轴向力为:

Fmax=max{︱Fxmax︱,︱Fsmax︱}（2-6）

（2）链条所受的摩擦力

链条在运动时与夹紧压块间存在摩擦力，这个摩擦力的方向与链条运动方向相反，大小应足以克服最大轴向力。

为了可靠地夹紧油管，夹紧压块所需的夹紧力应力:

Fj=Fmax/fd（2-7）

式中:

Fj-夹紧压块所需的夹紧力，N；

fd-链条所带油管卡瓦与油管间的摩擦系数，fd=0.5-0.6（s）。

由于有两副链条，每副链条的内周面分别与两侧的夹紧压块发生摩擦，链条所受的摩擦力为:

Fm=2μ0Fj（2-8）

式中:

μ0－钢-钢滑动摩擦系数。

（3）链条所受的牵引负载

链条所受的牵引负载为油管轴向力与链条摩擦力之和:

FL=F+2Fmax（μ0/fd）（2-9）

链条所受的最大牵引负载为:

FLmax=Fmax[1+2（μ0/fd）]（2-10）

链条的牵引负载是油马达的负载，链条牵引负载的变化直接影响到油马达的工况。

取Lmax＝4000m，ρy＝950kg/m3，ρg＝7800kg/m3，Po=25MPa，D=38.1X10－3m，d=28.1*10－3m，fd＝0.5，μ0＝0.1，分别计算了下入和起升油管时FL随井深的变化情况如表2-2，表2-3所示。

表2-2下人油管时FL随井深的变化

井深（m）

0

500

1000

2000

3000

4000

链条牵引负载（KN）

111.96

102.71

93.45

74.93

56.42

37.9

表2-3起出油管时FL随井深的变化

井深（m）

0

500

1000

2000

3000

4000

链条牵引负载（KN）

-54.95

-74.83

-94.07

-134.5

-174.2

-213.1

表中各力向上为正，向下为负。

从表2-2中可见，下入油管时链条牵引负载FL随下入深度的增加而减小，这是因为油管重力随下入深度而增加的数值大于上顶力随下入深度而增加的数值。

由于链条摩擦力是最大下入井深时的油管轴向力确定的，链条摩擦力的存在使链条牵引负载仍然向上，即需要油马达提供扭矩将油管压入井内。

对于外径38.1mm，壁厚5mm的油管，下入井口压力25MPa的井中时，在整个下入过程中，链条牵引负载一直向上，即油马达一直带负载运转，不会出现负扭矩。

从表2-3可见，起出油管时FL绝对值随井深的增加而增加，且在整个起升过程中一直保持向下，即油马达一直带负载运转，不会出现负扭矩。

所以选液压马达的最大负载要大于213.1KN，约22吨，为保证安全，设计时按24吨设计。

2.5.2链轮传动设计计算

1．链轮齿数

在条件允许的情况下，尽量减小结构尺寸，齿数太少，两轴间距减小，液压马达将无法安装，取上链轮齿数z1＝14，下链轮齿数z2＝12

2．链轮转速

3．链条节距p

链条传递功率P＝F*υ

式中F－链条载荷（N）；

υ－链条速度（m/s）；

=24000kg*9.8N/kg*1m/s

=235.2kw

一侧链条传递功率P1＝117.6kw

由于一个轴带动2条链条

单个链条的修正功率为

Pc＝P1f1f2/1.75（2-11）

式中f1－工况系数；

f2－主动链轮齿数系数；

查表得f1＝1.1；f2＝1.9

Pc＝117.6×1.1×1.9/1.75

＝140.5kw

由修正功率Pc＝140.5kw和上链轮的转速n1＝83.7r/min查表选节距p为32A即p＝50.8mm。

上链轮的主要尺寸：

分度圆直径

齿顶圆直径

齿根圆直径

式中dr－滚子外径；

＝199.71mm

下链轮的主要尺寸：

分度圆直径

齿顶圆直径

齿根圆直径

＝167.7mm

计算链轮几何尺寸并绘制链轮工作图，上下链轮图如图2-4、2-5。

4．初定中心距a0p

因一套夹紧机构夹持连续油管所占用的位置是395mm，三套夹紧机构总长度1185mm，2个链轮齿