塑料筛管助推器研制及应用_王四一.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-01-13 作者简介 王四一（1984），男，湖北红安人，助理工程师，从事煤矿井下钻探、瓦斯抽采与煤矿探放水研究工作. E-mailwang- siyi 引用格式 王四一，李泉新，刘建林，等. 塑料筛管助推器研制及应用［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）136-140. WANG Siyi， LI Quanxin， LIU Jianlin， et al. Development and application of a plastic screen pipe conveyor［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（3）136-140. 文章编号 1001-1986（2016）03-0136-05 塑料筛管助推器研制及应用 王四一 1，李泉新1，刘建林1，赵江鹏1，刘 勇2 （1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2. 中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074） 摘要 塑料筛管完井能够有效支撑煤层钻孔孔壁，防止松软煤层钻孔孔壁坍塌，改善煤层气 抽采效果。为将塑料筛管输送到钻孔中，研制了一种输送装置塑料筛管助推器。介绍塑料 筛管助推器的机械和液压系统的设计，试验表明该装置可靠，满足钻孔施工现场筛管快速 输送要求。 关 键 词煤层气抽采；塑料筛管；筛管助推器 中图分类号P634 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.027 Development and application of a plastic screen pipe conveyor WANG Siyi1， LI Quanxin1， LIU Jianlin1， ZHAO Jiangpeng1， LIU Yong2 （1. Xi′an Research Institute， China Coal Technology Engineering Group CorpXi′an 710077， China； 2. Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China） Abstract Plastic screen pipe well completion can effectively support the wall of drill hole in soft coal seam， to solve the problem of hole wall collapse， so as to improve CBM drainage effect， therefore， plastic screen completion is increasingly used in development of CBM. To convey the plastic screen pipe into the hole， a plastic screen pipe conveyor has been developed. In this paper， the design of the plastic screen pipe conveyor mechanical and hydrau- lic systems were introduced. Indoor test and field application test have been conducted. Indoor test confirmed that the perance of the conveyor meets the requirements of field application， and field application also proved the convenience and reliability of the device. Key words soft coal seam； CBM drainage； plastic screen pipe； plastic screen pipe conveyor 基于水平对接井开发煤层气的工艺特点，常用 的完井方式主要有裸眼完井［1-3］、套管射孔完井［4-5］ 和筛管完井［6-7］等。就较硬煤层而言，地质条件相对 简单、煤质坚硬致密、井壁稳定性好，以裸眼完井 为主。而对于我国普遍存在的松软煤层，由于地质 条件复杂，裸眼完井易造成井壁坍塌，进而堵塞气 流通道；套管射孔完井虽可解决井壁坍塌问题，但 下套管固井过程中，易污染煤层，同时造成井壁附 近煤层渗透率降低。在软煤层中使用塑料筛管完井 能够有效支撑软煤层钻孔孔壁， 解决孔壁坍塌问题， 且对煤层没有伤害。因此，塑料筛管完井正越来越 多地应用于煤层气开发之中。为将塑料筛管输送到 钻孔中，研制了一种筛管输送装置塑料筛管助 推器。 1 筛管助推器的设计 1.1 筛管规格 筛管材质选用 PE100 管材。该管材具有更高的 耐压强度、安全系数、环刚度以及良好的抗应力开 裂能力。 考虑到筛管下入孔底会受到较大的挤压力， 选择标准中壁厚为 4.6 mm 的管。目前 U 型井完井 所用的筛管直径大都为 50.8 mm［8-9］，因此设计的筛 管助推器主要针对这个直径的筛管。 1.2 筛管助推器主体结构设计 筛管助推器要实现的功能是把塑料筛管下入到 煤层钻孔中，其功能与连续油管注入器非常接近。 连续油管注入器结构如图 1 所示。其原理是在注 入器上部设有两台油马达， 分别驱动两副链条运动， ChaoXing 第 3 期 王四一等 塑料筛管助推器研制及应用 137 链条外侧嵌装油管卡瓦。另有 3 台夹紧缸推动夹紧 压块压紧链条靠近井口中心一边的内侧，使油管卡 瓦夹紧油管。 当靠近井口中心一边链条向下运动时， 将油管下入井内，反之将油管从井内起出［10］。参考 其结构，对筛管助推器进行了设计。 1张紧油缸；2夹紧油缸；3油马达；4驱动链轮；5链条； 6夹紧压块；7张紧链轮；8油管卡瓦 图 1 连续油管注入器典型结构 Fig.1 The typical structure of coiled tubing injector 1.2.1 夹持方案设计 筛管助推器向井下注入的是塑料筛管，其强度 比连续油管低很多，夹持力不需要很大，决定采用 橡胶材质的皮带进行输送。考虑到皮带外表面是平 的，如果做成类似连续油管注入器夹紧压块的弧形 槽，则需要特殊加工，实施难度大，因此选择采用 3 组皮带副夹持和输送塑料筛管。为防止“打滑”现 象，决定采用同步带传动副。如图 2a 所示，采用 3 组同步带副来夹住要输送的 PE 筛管，其中两组固 定的同步带副成 90布置（考虑到刚好可以用角钢作 1同步带副（3 组）；2塑料筛管；3平行四边形机构杆件； 4手轮调节装置；5液压马达安装板；6皮带松紧机构 图 2 夹持方案设计 Fig.2 The design of clamping 为支撑架），第三组同步带副与这两组同步带成 135布 置。第三组同步带副采用平行四边行机构的方式安装， 如图 2b 所示，通过夹紧手轮调节装置压紧塑料筛管。 手轮调节机构由手轮、丝杆、调节块、丝杆固定 限位杆组成。 通过手轮带动丝杆与调节块相对运动使 安装于平行四边行机构上的第三组皮带轮压紧筛管， 丝杆固定限位杆则在第三组皮带轮压紧筛管后顺时 针旋转， 直至压紧调节块， 使手轮不会在筛管输送过 程中出现松动， 维持夹紧压力， 从而保证输送摩擦力。 同步带的松紧通过皮带松紧调节机构调节。 1.2.2 皮带及皮带轮选型 3 组皮带副以三角形的形态夹住 PE 筛管，PE 筛管直径为 50.8 mm，皮带宽度 30 mm，皮带轮宽 度 32 mm，直径 78.5 mm（装上皮带以后直径 80 mm）。 PE 筛管表面较光滑，与同步带之间的摩擦系数 较小， 而 PE 筛管的输送主要依靠 PE 筛管与同步带之 间的摩擦力，因此为了保证足够的摩擦力，需要加大 同步带与 PE 筛管的摩擦面积，防止出现“打滑”现象。 同时考虑到空间限制， 筛管助推器的体积又不能过大， 3 组同步带副均由一个主动轮和 5 个从动轮组成，主 动轮由液压马达驱动。主要机构如图 2 所示。 筛管助推器整体结构如图 3 所示。 图 3 筛管助推器整体结构图 Fig.3 The overall structure diagram of plastic screen pipe conveyor 1.3 液压系统设计 3 个液压马达可以选择串联和并联的模式。串 联的时候同步性好，能够同时完全发挥 3 个液压马 达的作用，但是与并联相比，要提供相同的输送力， 系统压力是并联方式系统压力的 3 倍。 并联方式也有一个缺点，会导致一个或者两个 液压马达出现打滑现象，不能充分发挥 3 个液压马 达的能力。 综合比较，并联方式安装连接 3 个液压马达， 系统压力更低，更安全，并且在外载荷增大的时候， ChaoXing 138 煤田地质与勘探 第 44 卷 3 个液压马达所承受的载荷会趋于平衡，这样 3 个 液压马达的作用也能充分发挥。 液压系统如图 4 所示，由一个溢流阀和换向阀 组成的集成阀块来控制 3 台并联的液压马达。溢流 阀起到限定系统压力的作用，确保系统安全可靠。 换向阀则控制液压马达的正转、反转和停止。 图 4 液压系统图 Fig.4 Hydraulic system diagram a. 下管阻力计算 下筛管过程中，筛管受到钻孔内泥浆的浮力，可以 通过需克服的浮力来计算筛管助推器要达到的推力。 FgVgSLρρ 浮排 （1） 式中 ρ为泥浆密度，取值 1.08103 kg/m3；g 为重 力加速度，取值 9.8 N/kg；V排为筛管排开泥浆的体 积， m3； S 为筛管截面积， 外径 50 mm， 内径 42 mm， 截面积 0.005 7 m2；L 为筛管长度，按施工要求取 400～500 m。 最后算得浮力为 2 446～3 057 N。采用了两种液 压马达连接方式，对筛管助推器进行了试验研究， 最终推（拉）力都能达到 3 kN。 b. 功率和转速确定 当最大输送力F为3 kN， 最大输送速度v为40 m/min， 皮带轮半径 r 为 40 mm 时，有 40 3 4030002 60 NFv （2） 40 159 2π2π0.04 v n r （3） 3 0.04120MFS （4） 式中 F 为输送力，kN；N 为系统总功率，kW；π 为圆周率，取值 3.14；n 为液压马达转速，r/min；S 为马达作用力臂，与皮带轮半径 r 相等，为 0.04 m； M 为最大输出扭矩，Nm。 在后续试验过程中，液压马达并联时，达到最 大拉力（3 kN）时，系统压力为 4 MPa，液压马达的效 率约 80％， 机械传动效率暂定为 80％， 总效率在 60％ 左右。因此，3 个液压马达额定功率不小于 4 kW， 最大扭矩不小于 240 Nm， 最高转速不小于 320 r/min 即可。则每一个液压马达的相关参数功率 1.3 kW 以上，扭矩 80 Nm 以上，最高转速 320 r/min 以上。 根据以上计算，选择的液压马达型号为为派克 生产的 TB0080FS100AAAB。具体参数见表 1。 c. 系统流量计算 液压马达几何排量为 82 mL/r，3 个液压马达是 并联的，所以总几何排量 V 为 246 mL/r，系统最大 流量为 246 15939.1QVn （5） 式中 Q为系统最大流量，L/min。 d. 系统压力计算 3 22 000 3.1 1 39.1 39.1 10 60 N P Q- （6） 式中 P 为系统压力，MPa。 e. 液压泵站参数确定 在后面的试验过程中，当输送力达到 3 kN 时， 系统压力表显示的压力为 4 MPa，因此系统效率为 0.75。为了保证系统正常运行，液压泵站功率要有 一定程度的富余，富余系数定为 2，则要求泵站功 率为 4 kW 以上，最大流量不高于 39.1 L/min，系统 最大压力 8 MPa 以上。 2 筛管助推器试验 2.1 液压马达并联 如图 5 所示，将筛管助推器安装完成后，连接 泵站，以并联的方式安装 3 个液压马达。为了测量 筛管助推器的推（拉）力，将塑料棒放置于筛管助推 表 1 TB0080 摆线液压马达参数 Tab.1 The parameters of TB0080 cycloid hydraulic motor 最大工作压差 /bar 最大扭矩/Nm 最小启动扭矩/Nm 马达 系列 几何排量 /（cm3rev-1） 最大转速 /（revmin-1） 最大流量 /（Lmin-1） 连续 间断 最大驱动压力 /bar 连续间断 最大功率 /kW 连续 间断 TB0080 82 409 34 125 165 190 135 1847.8 92 139 液压马达 溢流阀 换向阀 ChaoXing 第 3 期 王四一等 塑料筛管助推器研制及应用 139 图 5 筛管助推器测试设备连接 Fig.5 The equipment connection of plastic screen pipe conveyor 器中，夹紧，后部钻孔并穿上铁丝与拉力计相连， 拉力计另一端则通过铁丝绑于钻杆上，钻杆则先绑 在钻杆存放架上。 按此安装，测得的最大拉力能达到 3.5 kN，此 时液压系统压力为 6 MPa，当拉力为 3 kN 时，系统 压力则为 4 MPa。但是实验中出现了一个或者两个 马达打滑的情况，对此现象分析认为，由于工艺加 工的原因，皮带与塑料棒接触摩擦力不一样大，摩 擦力大的皮带阻力大流量变为 0，摩擦力小的皮带 阻力小，流量就变大了，因此出现马达打滑的情况。 2.2 液压马达串联 将 3 个液压马达串联，由于液压油会被迫从 3 个液压马达中通过， 因此 3 个液压马达会同时转动。 开动运行后拉力能达到 3 kN，3 个液压马达正常运 转，皮带与塑料棒处于滑动摩擦状态，系统压力为 13 MPa， 此时设备突然振动了一下， 出于安全考虑， 关停了设备。 2.3 输送速度测试 受试验条件所限，泵站额定排量 36 L/min，而 液压马达几何排量如表 1 所示，为 82 mL/rev，因此 马达并联的时候，系统几何排量为 246 mL/rev，而 马达串联时其几何排量仍为 82 mL/min， 并联时液压马达理论转数 n 为 36 000 246 146.3 n （7） 所以，并联时理论输送速度 v 为 π3.14 0.08 146.336.75 vdn （8） 串联时理论速度则能达到 110.25 m/min。 试验过程中， 为了试验方便（试验用筛管仅 16 m）， 通过调速阀将流量调小，但具体数值无法计量。通 过秒表计时，测量结果为并联用了 62 s 将 16 m 筛 管输送完成；串联则用时 20 s。通过计算可知，并联 时下筛管速度 15.5 m/min，串联时速度则为 48 m/s。 2.4 试验分析及结论 液压马达串联和并联的情况下，都能达到输送 力 3 kN 的要求，所不同的是 a. 将马达串联对液压系统压力要求更高，且速 度很快，而液压马达并联则对系统压力要求较低， 为串联时的 1/3，运行平稳； b. 并联时，系统同步性较串联时差，在载荷不 均时，容易出现马达停转的情况，而串联时不会发 生这种情况； c. 液压马达并联及串联时输送速度对比并联 时输送速度相对缓慢，运行平稳；串联时速度较快， 为并联时输送速度的 3 倍。 建议 a. 液压马达采用并联的方式连接； b. 皮带与筛管摩擦系数过小，容易出现“打滑” 的状况，考虑改进皮带，或者选用别的材料的皮带； c. 在今后的加工过程中，对加工工艺要求应该 更高，避免造成夹持筛管时受力不均，液压马达并 联时容易出现 3 个马达不同步的情况。 3 现场应用 晋城成庄区块东四盘区地处沟壑丘陵地带，近 年采用大量直井压裂进行煤层气开发，前期产气效 果较好。但由于该区域主采煤层煤质松软，钻井井 壁易发生坍塌，导致后期产气量衰减较快。针对此 状况，在部分沟壑影响间距较大的直井之间，开展 加密 U 型水平对接井筛管完井工艺技术试验，以提 高煤层气的产气量。 SH-U2 井组是 3 口水平井（SH-U2-1 井、 SH-U2-2 井和 SH-U2-3 井）均与直井 SH-U2-4 对接。 由于煤层易于坍塌，为保证对接施工的成功，设计 近端对接后，沿煤层继续延伸钻进。3 口水平井煤 层段总进尺超过 1 600 m，选用外径 50.8 mm、壁 厚 4.6 mm 的 PE 筛管。用上述筛管下入的工艺技术， 在 3 口水平井煤层段下入 PE 筛管总长度达 1 466 m， 其中 SH-U2-3 井煤层段下入 PE 筛管 570 m，为后 期煤层气排采的产气量和有效期提供了有利保障。 筛管下入深度及井内筛管位置示意如图 6 所示， 筛 管助推器成功地将筛管下入到预定位置， 圆满完成 任务。 4 结 语 塑料筛管输送装置塑料筛管助推器，其夹持 范围40～60 mm（通过手轮调节机构调整）；下管时最 大推力大于 3 kN；下管速度0～40 m/min（与液压泵 站额定流量相关）；外形尺寸长＜0.8 m，宽＜0.5 m， 高＜0.6 m，能够顺利安装于钻机孔口平台上。 ChaoXing 140 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 6 SH-U2-3 井筛管下入深度及井内筛管位置示意图 Fig.6 Depth and location of screen pipe running down in well SH-U2-3 室内试验和现场应用，确定了液压系统采用并联 方式更合理，并且验证了所设计的筛管助推器符合设 计要求。山西晋城现场应用表明，使用效果良好。 参考文献 ［1］ 张志刚，崔立平，王磊. 煤层气裸眼洞穴完井工艺技术与 实践［J］. 断块油气田，1999，6（6）63-65. 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