一種新型電動式液壓增力橋塞坐封工具的研制

仇煒諫， 李純金， 吉浩， 周宏根

（江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212003）

1 橋塞常用坐封方式及國內外應用現狀

電纜橋塞封堵是油氣井內封層作業經常采用的工程技術，常用的火藥式電纜橋塞封堵技術由20世紀80年代由美國引進[1]。火藥式電纜橋塞坐封工具依靠電纜下放橋塞工具[2]、通電引燃火藥爆炸釋放能量，形成工具內部零件相對位移使得張力棒斷裂完成坐封、密封[3-4]。但這種工藝施工中需要用到民爆物品，而民爆物品的采購、運輸、儲存、使用不僅需要專用的防爆設備，同時還需要得到政府部門的審批，給生產組織帶來不便。另外火藥燃燒后產生的廢料若處置不當容易污染環境、也不方便工具清洗保養。故提出一種以電動機代替火藥提供動力的電動式液壓增力橋塞坐封工具。

傳統橋塞坐封依靠火藥爆炸產生推力，使得工具內活塞與液壓缸發生相對位移，通過活塞力傳遞進行卡瓦的外擴與密封環的壓縮[5]。火藥式密封的缺點在于在施工中需要民爆物品，安全系數低，且產生的瞬時推力大、不易控制，容易對工具和套管造成損傷。機械式橋塞坐封工具，需要橋塞連接油管下放，下放時間長、下放精度低、人工成本高[6-7]。新疆油田公司楊玉梅[8]設計出電動式電纜橋塞坐封工具適用于120℃高溫、小尺寸橋塞。中國石油集團測井有限公司賀紅民等[9]設計出一種液壓式橋塞坐封工具，其通過井內液柱壓力為動力源，通過驅動和液壓控制系統將油井內液體抽入工具中，進行液壓坐封。中國石油西部鉆探工程公司獨創“回油復位單向閥裝置”的橋塞坐封工具，并取得成功應用70多次[10]。

2 電動式液壓增力橋塞坐封方案設計

本橋塞坐封工具需在180℃高溫、50 MPa高壓下完成對400 kN大尺寸橋塞的坐封密封，并且設計工具尺寸受到管柱限制，單獨使用電動式或液壓式均無法在結構強度、驅動功率上滿足工作要求。故提出將電動式與液壓式相結合。本工具使用直流電動機驅動代替火藥爆炸，優點為產生的推力大小可調節、推力速度穩定[11]，避免了火藥瞬間爆炸對工具產生損傷。因直流電動機的輸出為高轉速低轉矩，所以在電動機輸出端增設一個行星減速機，并通過梯形絲杠傳動機構，將轉矩轉化為直線推力。由于在有限直徑的套管內，直流電動機、行星減速機與梯形絲杠的尺寸受到限制，強度上均無法達到坐封橋塞所需推力。因此在梯形絲杠末端增設液壓增壓系統。在油井中，由于不同的地質、不同深度，無法正確測量井下靜液壓且液壓值各不相同[12]，為使得本工具能直接適用于多數油井，故不通過井下靜液壓進行增壓，而是增設一個全封閉式液壓箱。這也是本工具的技術特點之一。圖1為坐封工具功能分解圖，圖2為坐封工具結構示意圖。

圖1 坐封工具坐封方案功能分解圖

圖2 坐封工具結構示意圖

3 總體結構設計

3.1 主要技術指標

橋塞坐封工具需要在深井中完成坐封、密封工作，由于地熱梯度的存在，坐封工具的環境溫度在70～180℃[13]。多數油井中存在地下水，按照水下靜液壓計算，深度為3000 m的深井靜液壓約為30 MPa，所以坐封工具應具有較好的密封性能和耐高壓性[14]。本工具適用配套φ114 mm橋塞，所需最小剪斷力為273 kN，且工具需要在5 min內完成坐封、密封工作。坐封工具的技術指標如表1所示。

表1 坐封工具技術指標

3.2 設計流程及關鍵技術參數

本工具技術特點為通過增設一個全封閉式液壓箱，以達到增大梯形絲杠推力的目的。根據圖3坐封工具技術參數計算流程圖。確定工具主要技術指標后，對市場標準件O型圈和外購件直流電動機與行星減速機選型，坐封工具最大外徑為114 mm，除去壁厚與空隙，得知直流電動機與行星減速機法蘭固定直徑為圓形90 mm或者方形70 mm，在有限空間的工具內安裝合適的直流電動機與減速機，達到梯形絲桿輸出所需要合適的轉速和穩定的推力。按照計算公式：

式中：W為電動機所需功率；F為工具最大坐封力；S為工具坐封總行程；t為工具坐封完成時間；η1為高溫下行星輪減速箱輸出效率；η2為梯形絲杠傳動效率；X為功率特定系數。

行星輪減速箱在180℃下選用高溫潤滑脂MoS2時，輸出效率為70%[15]，梯形絲杠傳動效率為30%。由于F=400 kN為最大所需推力，在工具運行過程中，推力從0至最大非線性增長，為使得電動機功率計算精確、選型合適，故取X=0.5。可以算出直流電動機功率為480 W，轉速為3000 r/min。

圖3 坐封工具設計流程圖

綜合分析外購件與設計要求，分析得出梯形絲杠最大直徑為60 mm。絲杠選取材料為42CrMo，經 梯形螺紋牙計算、螺紋強度、螺桿穩定性計算，直徑為60 mm的梯形絲杠可以承受120 kN推力。故取梯形絲杠公稱直徑d=60 mm，導程p=9 mm，絲桿中徑d2=55.5 mm，絲桿可提供最大推力F=100 kN。橋塞坐封所需推力為400 kN，所以設計的封閉式液壓箱橫截面積比為1:4，行程比為4:1，因此整個活塞行程為600 mm。由此可以確定行星輪減速箱減速比為1:256。坐封工具的技術參數如表2所示。

3.3 關鍵部套詳細結構

該坐封工具由驅動段、絲桿傳動段和液壓增力段組成。驅動段由密封蓋、電動機固定筒、直流電動機、行星減速機、減速箱固定筒組成,如圖4所示。

表2 坐封工具技術參數

絲桿傳動段由上外筒、雙列深溝球軸承、梯形絲杠、螺母、上液壓筒、推力圓柱滾子軸承、深溝球軸承組成。如圖5所示。

液壓增力段由中外筒、下液壓筒、活塞外筒、中心通規、推筒、止推密封環、心軸組成,如圖6所示。

4 現場運行工況分析及注意事項

圖4 坐封工具驅動段

圖5 坐封工具絲桿傳動段

圖6 坐封工具液壓增力段

本橋塞坐封工具的施工步驟為：1）在地面上將組裝好的橋塞坐封工具上端連接電纜，下端螺紋連接橋塞，通過電纜下放至所需深度；2）開始進行坐封，打開地面供電裝置，通過地面增壓器產生高壓直流電，經過電纜輸送至工具內的直流電動機；3）高壓直流電經過電纜壓降，達到驅動直流電動機所需電壓，驅動直流電動機產生高速旋轉轉矩，通過行星減速機轉變成低轉速大轉矩輸出；4）減速機與梯形絲桿連接，通過絲桿傳動機構使轉矩轉換成直線推力；推動上液壓筒下行；5）推力經過液壓缸增壓數倍推動卡瓦外擴，擠壓井壁達到錨定作用；6）繼續施加推力使得密封環壓縮擠壓井壁達到密封作用；7）當工具提供的推力使得橋塞完成坐封密封時，橋塞內張力棒剪斷，整個坐封工具與橋塞分離；8）此時所需推力瞬間減小，通過地面觀察輸出電流減小，說明已經完成坐封密封工作；9）地面增壓器停止工作，通過電纜上拉提出坐封工具；10）在地面驅動直流電動機反轉，復位電動式電纜橋塞坐封工具。

5 結 語

1）該新型橋塞坐封工具用直流電動機、行星減速機提供動力代替火藥爆炸進行橋塞坐封，具有下井速度快、坐封過程迅速、清潔環保、安全可靠、低成本且能保護套管等特點。2）該坐封工具可通過地面電流檢測工作狀況，確保橋塞有效坐封，提高成功率。3）該坐封工具結構簡單，可通過電動機正反轉復位，大大簡化施工工序、省時省力。4）該坐封工具通過液壓增力，可運用在大尺寸橋塞上，且能適用于井下惡劣工況。