0 引 言

近年来，连续管作业设备广泛用于油气田水平井修井、钻井、侧钻井、完井、试油、采油、测井和油气集输等作业领域，因此也被叫做“万能作业机”^[1-2]。

随着海洋石油开采力度的不断加大，连续管作业设备在海洋平台上的应用日趋广泛。与常规作业方式相比，连续管作业技术在海洋平台的应用中具有高效率、低成本和可带压作业等诸多优点，但是海洋作业严格的要求和苛刻的工作环境严重制约了连续管设备在海洋平台的应用，尤其是平台油气开发产生更多的易燃易爆气体和连续管本身超大的质量等。国际上知名的连续管装备制造公司，如加拿大的Hydra rig公司、美国的S&S公司等，都专门针对海洋平台进行了防爆连续作业管橇的研发与制造，并占有很大的市场份额，形成了行业垄断之势，严重制约了国内石油服务公司对此类设备的需求，而且设备价格居高不下。为此，烟台杰瑞石油装备技术有限公司经过充分的市场和技术调研后，依托山东省技术创新专项，研发了LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组。

1 总体方案 1.1 结构

LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组由动力橇、控制橇、连续管滚筒橇、注入头与井控橇4个橇块组成，总体结构如图 1所示。控制橇由橇架、控制室、控制系统及液压控制管滚筒等组成。动力橇由橇架、防爆发动机、分动箱、液压泵组及液压动力管滚筒等组成。连续管滚筒橇由橇架、连续管滚筒、排管系统、连续管及高压管汇等组成。注入头与井控橇由橇架、注入头、鹅颈、防喷器、防喷盒和防喷管等组成。

1.2 工作原理

LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组采用液压驱动、电液控制。发动机通过分动箱驱动液压泵组，通过橇组之间快速连接液压管线为注入头、连续管滚筒及防喷器等提供动力与控制，实现连续管在井内的起下作业。

1.3 主要技术参数

控制橇外形尺寸：4.80 m×2.50 m×2.57 m；

动力橇外形尺寸：4.80 m×2.50 m×2.59 m；

连续管滚筒橇外形尺寸：3.82 m×2.60 m×3.20 m；

注入头与井控橇外形尺寸：3.92 m×2.50 m×3.30 m；

控制橇质量：7 000 kg；

动力橇质量：8 000 kg；

连续管滚筒橇(不含油管)质量：8 500 kg；

注入头与井控橇质量：8 500 kg；

注入头最大提升力：360 kN；

注入头最大下推力：180 kN；

注入头起下油管最大速度：58 m/min；

注入头起下油管最小速度：0.06 m/min；

滚筒外形尺寸(外径×内径×内宽)：3 048 mm×1 829 mm×1 778 mm；

滚筒容量：8 100 m(ø31.8 mm连续管)，5 600 m(ø38.1 mm连续管)，3 900 m(ø44.5 mm连续管)；防喷器作业压力：70 MPa；

防喷器内部通径：77.8 mm。

1.4 结构与性能特点

为保证LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组的开发能够满足海洋平台作业现场的使用要求，研发过程中进行了大量技术研究和现场调研，在吸收国外先进产品经验的基础上，解决了产品应用过程中的缺点和不足，并形成了一系列自有特点和关键技术^[3]。

(1) 分体式橇块设计，使每个橇块的质量小于9 000 kg，满足海洋平台的吊装要求。控制橇安装在动力橇上方，既节省平台空间，又满足作业升高扩大视野的要求。

(2) 连续管滚筒橇分体设计，滚筒整体可以快速从橇体中分离，安装简单，可开性高，既减轻吊装质量，又满足不同连续管滚筒的快速更换。

(3) 橇架按照DNV 2.7.1标准进行设计，满足频繁而又严格的海洋吊装要求，可保证平台吊装的安全性。

(4) 整体防爆设计满足ZONE Ⅱ防爆要求。综合运用了本安、隔爆和正压防爆等多种防爆措施，防爆性能优于国外同类产品，提高了设备作业的安全性。

(5) 自主研发国际先进注入头，体积小、质量轻、拉力大，适合海洋橇组使用，最大连续提升力达到360 kN，夹持块表面经过特殊热处理，耐磨性好，整体性能优于国外同类型产品。

(6) 自主研发电液控制系统和数据采集系统，能够实现整个橇组的控制、监控、报警、数据采集与处理及故障诊断等功能，使设备作业更加稳定和安全。

2 主要系统结构与特点

LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组结构上按照4个橇块进行设计，整体主要由动力系统、液压系统、气路系统、连续管滚筒系统、注入头、井控装置、操作与控制系统和橇架等组成。

2.1 动力系统

考虑海洋平台作业高可靠性的特点和防爆要求，发动机采用MTU-DDC S60全电控防爆发动机，性能可靠、动力强劲，具有高转速、高水温、低油压、低水温自动报警与停机功能。该发动机采用高压共轨电射技术，燃油经济性高，功率391 kW(525 hp)，预留有一定的功率储备。

发动机本体具有防爆功能，配置带缸套水冷却的排气歧管和涡轮增压器，有效地控制机体的表面温度，机体满足Class 1 Division 2要求，电气系统防爆设计符合ATEX Group II Category 3G标准要求。除了发动机本体的防爆以外，还要做外围配套的改装。为防止电火花和电弧的产生，发动机的启动采用气马达进行，启动与熄火的控制阀也采用气阀进行控制，发电机和电瓶采用防爆型，并对电瓶箱进行密封隔爆处理，风扇、皮带和空压机选用防静电产生的型式。

为控制发动机排气温度，除了发动机排气歧管和涡轮增压器有冷却水套以外，对排出的气体再增加一套水冷热交换器，用发动机的冷却水进行二次冷却，确保排气温度不超过200 ℃，这样就需要设计大型的发动机冷却系统，保证发动机水温在允许的范围内并将热量散出。针对排气的火花排出设计有火花捕捉器，同时设计排气温度传感器检测排气温度，并通过控制系统对发动机进行控制，发动机的曲轴箱通气孔也设计有隔爆的通气阀，防止火花进入环境空气。进气系统设计有进气阻燃器、进气紧急截止阀和可燃性气体体积分数检测装置，防止火花和可燃性气体进入发动机，当检测到可燃性气体体积分数超过安全值时，通过控制系统控制进气截止阀关闭。对发动机的油门控制器和综合显示仪表进行隔爆设计^[4]。

2.2 注入头

注入头是连续管作业设备最为重要的部件，其主要的功能是：①提供足够的拉力和推力起下连续管；②控制连续管起下速度；③承受井下连续管的部分自重和附加载荷^[5]。注入头主要由底座、框架、鹅颈(导向架)、液压马达、减速机(带制动装置)、链轮组、双排链条、张紧装置、夹紧装置、指重传感器和深度编码器等组成，结构如图 2所示。

施工作业井内的井下工具和连续管依靠注入头进行起下，因此要保证注入头有足够的夹持力和摩擦力，同时也要保证连续管不被夹伤而缩短寿命。研究了夹持块特殊的表面处理工艺技术，提高了夹持块表面硬度和耐磨性，延长了夹持块的使用寿命。夹持块采用快速拆装结构，更换快捷方便^[5-6]。采用重载双排链条，最大连续提升力达360 kN，最大间歇提升力达到400 kN，比国外同型号产品提高12%。鹅颈的折叠、摆动及压轮夹紧均由液压缸控制实现。配置液压式和电子式2个指重传感器检测井内连续管重力及遇阻情况，既相互备用，又相互校准，配置深度编码器检测连续管下井深度，可以和连续管滚筒上的计数器进行相互校准。

2.3 连续管滚筒

连续管滚筒是连续管作业设备的另一重要部件，其主要功能是容纳和支撑连续管，控制并保持滚筒和注入头之间连续管拉力恒定，确保连续管收放排列整齐。根据海洋平台作业对连续管尺寸的需要，滚筒的内径设计为1 829 mm，外径设计为3 048 mm，内宽设计为1 778 mm，能够容纳3种(ø31.8、ø38.1和 & 44.5 mm)连续管。为了满足海洋平台吊装的需要，连续管滚筒改变了传统的结构，设计成分体结构，由橇架、驱动与支撑装置、滚筒体、高压管汇和排管系统等组成，结构如图 3所示。

分体式滚筒直接由液压马达带动，通过二级齿轮减速驱动分体式滚筒旋转。驱动装置主要由二级减速齿轮组、回转支撑、排管器驱动齿轮、滚筒快接盘和销轴组成。滚筒快接盘和回转支撑固定在一起，油管滚筒通过销轴和滚筒快接盘连接在一起，当液压马达通过齿轮传动系统驱动回转支撑和滚筒快接盘转动时，带动滚筒体转动(见图 4)。2个低速大扭矩马达通过二级齿轮传动系统增大了滚筒的驱动扭矩。滚筒的分体式方案通过拆卸滚筒体与快速连接板之间的销轴实现，分离时只需将4个销轴取出，将高压管汇的旋转接头外部由壬连接拆开，即可将滚筒体吊出，驱动与支撑装置、排管系统和部分高压管汇保留在橇架上，拆装更换方便快捷。分体式滚筒快速更换技术免除了不同规格油管更换时的倒管工作，既提高了效率，又避免了倒管过程中对连续管的损伤。

排管器由机械驱动，包括排管臂、双向螺杆组件、导向轮总成和排管器头。排管臂允许油管水平角度从最小10°到最大85°之间调节，并通过液压缸升降来调节高度。排管器头后部安装有油管润滑器，可以在排管过程中对连续管实时润滑，排管器头安装有机械式和电子式计数器记录油管深度。排管器通过驱动齿轮和三级链轮变速可以实现自动排管功能。当滚筒上缠绕不同规格的油管时，只需要更换手柄式变速链轮组便可排管。

2.4 井控装置

设备配置了通过技术合作开发的通径为77.8 mm(3 1/16 in)的防喷器和防喷盒，工作压力70 MPa。防喷器为半封、卡瓦、剪切、全封四联防喷器，闸板可根据管径进行更换，设计有侧出口，可进行节流放喷和压井作业，液压控制，配置有手动锁紧杆。闸板关闭时，可机械锁止，在液压失效时可手动关闭闸板^[7]。防喷盒为侧开门、液压驱动设计，可实现连续管在井中的情况下更换密封，简单快速，适用于多种规格油管。

2.5 液压系统

液压系统是连续管作业设备的核心，实现连续管作业设备的驱动和控制^[5]。LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组采用全液压驱动与控制，发动机通过分动箱为液压泵组提供动力。液压系统包括液压动力系统和液压控制系统，实现注入头驱动、注入头的夹紧和张紧、鹅颈折叠与摆动、连续管滚筒驱动、排管器驱动与升降、液压管滚筒驱动、控制室升降、防喷器和防喷盒控制等功能。注入头的驱动采用变量柱塞泵-变量柱塞马达的闭式回路，实现连续管速度无级可调，既能精确控制，又无溢流能量损失；连续管滚筒驱动采用恒拉力开式回路，使滚筒给连续管在滚筒和注入头之间提供恒定的拉力，并自动跟随注入头的速度和方向，实现滚筒和注入头的协同；其余的驱动与控制采用恒压变量泵开式回路，通过控制阀实现多执行元件的动作，恒压控制使控制系统保持快速的响应速度，提高了控制的准确度和安全性。

2.6 操作与控制

操作与控制系统集成在控制室内，也是设备的核心中枢系统，操作面板布局合理，操作方便。为满足防爆要求，设备的操作控制以液压控制和气控为主，部分控制、监控和数据采集采用电控，控制室采用正压防爆设计，对控制室外部的传感器和电磁阀等电气元件及电路选用本安型或进行隔爆设计^[8]。

自主开发了数据采集监控系统和模拟分析软件，能够从设备上安装的传感器接收和处理连续管深度和速度、油管重力、循环压力、井口压力、液体瞬时流量及累计流量等数据。系统能够对现场实时数据采集与显示、实时记录储存、操作过程中设置数据文件的搜索路径、暂停批文件处理、多信道输入、用户自定义X轴、以图像形式编辑数据、数据实时编辑、数据多轴向交叉图标显示、语言与计量单位制切换、过滤和排列数据、合并与编辑数据等功能。模拟分析软件能进行连续管疲劳分析、受力模拟分析和流体力学模拟分析。

3 性能测试与应用

LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组在厂内进行了严格的单元测试与整机调试。测试内容包括：①注入头的拉力测试与长时间运转；②防喷器和防喷盒的压力与密封测试；③防喷器的剪切测试；④分体式滚筒吊装测试；⑤滚筒缠管测试；⑥防爆性能检测；⑦整机性能调试。测试结果显示橇组各项指标均达到设计要求^[9]。该橇组自2012年10月到2013年12月先后在中石油冀东油田南堡1-3号人工岛、中海油东海天外天平台和中海油南海西江2-43平台等进行了各种作业工况(气举、酸化、伴注、冲砂和解堵等)的现场试验与相关应用，结果显示机组运行稳定，性能可靠，使用效果良好，满足海洋平台的使用要求。

4 结束语

LGQ360B分体式海洋防爆型连续管作业橇组是充分调研国内外市场和技术动态，在研究国外先进技术的基础上，经过与用户充分交流，自主创新开发的适合海洋平台使用的新产品，分橇块设计以及分体式滚筒设计满足海洋平台吊装的要求和安全性，防爆设计满足海洋平台作业安全环境要求。该设备的成功开发降低了油田作业公司的采购成本，提高了连续管在海洋平台应用的安全性和作业效率，将有助于推动海洋平台连续管作业的快速发展。