電纜橋塞液壓坐封工具動力系統的研制與應用

趙志敏 蘇洪生 秦二衛 張 達 解 慶

（1.航天鈞和科技有限公司，河北 廊坊 065500；2.中國石油集團西部鉆探固井公司，新疆 克拉瑪依 834009）

0 引言

橋塞作為一種油田用井下封堵工具，因其施工工序少、施工周期短、卡封位置準確的特點在油田勘探和開發領域得到廣泛應用。橋塞坐封方式主要有連續油管傳輸水壓坐封和電纜傳輸爆炸坐封，電纜傳輸爆炸坐封方式應用更加廣泛。該工具在使用過程中需要攜帶雷管和炸藥，利用炸藥爆炸瞬間產生的高壓，通過坐封機構，爆炸高壓能量轉換為拉力，實現橋塞的坐封和丟手。但在使用過程中需要用到火工品，存在較大的安全隱患，且對其貯存、運輸及安裝使用都有嚴格的管理規定，極大地增加了管理和使用成本。

該文內所設計的電纜式橋塞坐封工具液壓動力系統保留電纜傳輸爆炸坐封的優點，將液壓能通過坐封機構轉換為拉力，實現橋塞的坐封和丟手作業。具有作業速度快、易于操作、成本低、安全可靠等特點。

1 液壓系統設計

1.1 液壓系統原理設計

液壓系統原理圖如圖1所示，有刷直流電機通過井口供給直流電，通過磁力耦合器拖動油泵按照一定轉速進行工作，油泵輸出高壓油液經過單向閥給后端的坐封機構供油。坐封機構將液壓系統提供的液壓能轉換為拉力，完成橋塞的坐封及丟手動作。旁路上設置的安全閥具有限制系統壓力、排除系統多余油液的作用。油泵入口端設置油濾，對進入液壓系統的油液進行過濾。油泵出油口的單向閥防止液壓系統未工作時油液不外泄和坐封完成后外界環境中泥漿倒灌。

1.2 液壓系統主要參數計算

根據坐封機構內活塞面積驗算，液壓系統需提供25 MPa壓力，工作所需油液2.67 L，坐封時間要求≤5 min。設定系統工作壓力28 MPa，流量0.684 L/min。

1.2.1 油泵參數計算

液壓泵排量V=0.36 mL/r，額定轉速n=2000r/min，容積效率ηv=0.95，總效率ηb=0.9。

輸出流量：q=Vnηv=0.684L/min

輸出功率：Po=qp/60=319.2W

輸入功率：Pb=Po/ηb=355W

輸入轉矩 ：Tb=Pb/（2πn）=1.695N·m

1.2.2 磁力耦合器參數

磁力耦合器所需傳遞的扭矩為1.695 N·m，取安全系數為3，則磁力耦合器額定傳遞扭矩為5 N·m。

圖1 液壓系統原理圖

1.2.3 電機參數計算

根據油泵的相關參數對電機的參數進行計算，電機及磁力耦合器的總效率ηd=0.7，磁力耦合器內圈的輸出扭矩Td=Tb=1.695 N·m。

電機的輸出功率：Pdo=Pb=355W

電機的額定轉速：n=2000r/min

電機的額定功率：Pd=Pdo/ηd=507W

電機的額定電壓：U=300V

電機的額定電流：I=Pd/U=1.69A

1.2.4 溢流閥參數

選取溢流閥最小開啟壓力29.4 MPa，最小關閉壓力大于25.9 MPa。為了減小系統所需電機功率，經過溢流閥卸荷的油液應盡可能地少，因此溢流閥工作時為臨界開啟狀態，考慮到系統單次工作時間較短，滿足系統要求。

1.2.5 單向閥參數

單向閥的相關參數：正向開啟壓力0.05 MPa，反向截止時泄漏量小，全開流量10 L/min，滿足系統要求。

1.2.6 油箱容積計算

由于油箱容積要求大，因此采用雙節油箱。油箱容積為3 L，油液補償裝置可補償油液容量為2.7 L，滿足系統要求。

1.3 液壓系統機械結構設計

動力系統機械結構示意圖如圖2所示，其主要由打撈頭、無刷直流電機、磁力耦合器、油泵、油箱、平衡活塞和集成閥塊等組成。打撈頭上端與CCL相連，用來確定橋塞位置。無刷直流電機不浸油，用磁力耦合器來實現隔離狀態下的扭矩傳遞，磁力耦合器外圈與電機相連接，裝于空氣腔，磁力耦合器內圈與油泵相連接，裝于液壓油腔。油泵為浸油式，油液從油泵側部進入，由軸心處往外輸出高壓油液。油箱內部安裝有平衡活塞，起作用為平衡內外壓力及油液補償。當液壓短節工作時，油箱內的油液被輸往外部，此時活塞左移（圖示位置），起到油液補償作用，同時也能將外部泥漿壓力傳遞進油箱內部作為油泵入口壓力。

1.4 工作原理

需要進行井下封堵作業時，在地面啟動直流可調穩壓電源，220 V交流電變換成直流電通過單芯電纜傳輸到井下動力系統（負極接大地），調節輸出電壓至預定電壓，此時電機通過磁力耦合器拖動油泵按照一定轉速進行工作，油泵輸出油液經過單向閥后給后端的坐封機構供油，坐封機構帶動橋塞完成坐封和丟手作業。在坐封和丟手過程中，地面供電電流會逐步增大，當丟手成功后，地面供電電流會突然變小，通過監測地面供電電流的變化情況，可以方便、準確地判斷橋塞是否丟手成功。

2 室內試驗

2018年1月3日進行液壓坐封工具聯調試驗。儀器串組成：動力系統+坐封機構+模擬橋塞。供電電壓100V，丟手前最大供電電流1.83 A，隨后供電電流突降為0.53 A，同時，模擬橋塞完成丟手。整個工作用時1分20秒。隨后拆分模擬橋塞，檢查弱點被拉斷，驗證了工具的性能，如圖3所示。

圖3 室內聯調試驗圖

3 現場試驗

2018年1月10日在YYSY-2H井進行現場試驗，橋塞位置為1781m。儀器串組成：CCL+動力系統+坐封機構+7”橋塞。電纜長度3 000 m，測量電纜電阻阻值為31 Ω，設定直流穩壓電源供電電壓為160 V。丟手前最大供電電流1.85A，隨后供電電流突降為0.81 A，且供電電流不再升高，判斷橋塞完成丟手。整個工作時間4分30秒。

2018年8月，該動力系統首次在海上平臺進行了應用。在QK18-2-P2井連續三趟完成7”橋塞作業，作業深度3 412 m～3 740 m，應用效果良好，使動力系統的推廣應用跨上了新的臺階，如圖4所示。

圖4 現場作業圖

4 結論

電纜式橋塞液壓坐封工具動力系統采用單芯電纜供電，利用CCL定位，用磁力耦合器來實現無刷直流電機拖動油泵旋轉，向坐封工具輸出高壓油液，實現橋塞的坐封和丟手。通過監測地面供電電流的變化判斷橋塞是否完成丟手，具有作業速度快、易于操作、成本低、安全可靠等特點。