井下電控水泥釋放工具研制與試驗

摘要：針對國內外傳統油氣井釋放水泥工具所存在的弊端，基于井下電動工具的設計原理，創新性地研制出了一套新型井下電控水泥釋放工具。詳細介紹了該工具的結構組成和工作原理，重點對工具動作部件進行了力學分析，探究了井斜、溫度、壓力及井液性質對工具開啟的影響，所研制的井下電控水泥釋放工具外徑為73 mm，長度為1 400 mm，可根據不同施工井況，通過變扣靈活配備不同規格的儲灰筒。高壓地面試驗和現場施工試驗分別驗證了工具耐高溫高壓性能以及倒灰作業施工的可行性。可為油氣井封堵作業的安全施工提供更高效可行的技術支撐。

關鍵詞：電動工具；油氣井釋放水泥；高溫高壓試驗；現場試驗

中圖分類號：TE921.5 " " " " 文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.010

Development and Testing of an Underground Electrically Controlled Cement Release Tool

WANG Qi1，LIU Chunbin2，YU Lei1，ZHOU Fanian1，WANG Shengsu2

（Southwest Branch of China Petroleum Logging Co.，Ltd.， Chongqing 401120，China；

Changqing Branch of China Petroleum Logging Co.，Ltd.， Xi’an710000，China）

Abstract： In response to the shortcomings of traditional underground ash removal tools at home and abroad，a new type of underground electrically controlled cement release tool has been innovatively developed based on the working principle of underground electric tools. The structure and working principle of the tool have been described in detail，with emphasis on the mechanical analysis of the moving parts of the tool，and the effects of borehole inclination，temperature，pressure and borehole fluid properties on the opening of the tool have been studied. The rationality and reliability of the design were fully verified by high-temperature，high-pressure underground tests and on-site construction tests. "Research experiments have shown that the developed underground electrically controlled cement release tool has an outer diameter of 73 mm and a length of 1 400 mm，and can be flexibly equipped with different specifications of ash storage cylinders according to different construction well conditions. Ground tests and on-site construction tests have verified the high temperature and high pressure resistance performance of the tool and the feasibility of ash dumping operations，respectively. The above conclusions can provide more efficient and feasible technical support for the safe construction of oil and gas well plugging operations.

Key words： electric tool； cement released from oil and gas wells； high temperature and high pressure " " "test； field test

釋放水泥工藝即倒灰工藝，是在電纜將橋塞下放到封堵位置，完成坐封丟手作業之后，為加強封層的安全性和可靠性，通常會在已坐封橋塞的上部釋放水泥，待水泥固化之后，形成橋塞水泥塞的結構，有效地封堵地層［1］。

傳統釋放水泥工具可分為撞擊式和爆炸式。撞擊式工具通過電纜或鋼絲下放到橋塞上部適當距離，再快速下放并通過撞擊橋塞把工具底部破裂盤撞碎，將水泥漿釋放到橋塞上部。此類工藝只能倒灰一次，二次倒灰筒將受到下部水泥影響；撞擊操作復雜，易發生電纜纏繞故而引發事故，且大斜度井中難以實施。而爆炸式工具在破裂盤上增加雷管炸藥，用爆破方式代替撞擊開啟破裂盤釋放水泥漿，規避了撞擊橋塞的操作，也能解決多次倒灰，但需使用民爆物品，其安全管理與使用要求高，整體作業成本較高昂。以上兩種工藝均無法建立通信，通過電纜張力判斷工具位置，不能完全確定倒灰作業是否成功。

近年來，國內外研發出了多種井下電動工具［2～10］，滿足了各類井下作業的需求。

針對以上傳統釋放水泥工藝所存在的弊端，筆者研制了一套井下電控水泥釋放工具，下面重點介紹該工具的結構組成及工作原理，并通過高溫高壓試驗和現場試驗，驗證其合理性及可靠性。

1 技術分析

1.1 功能結構

井下電控水泥釋放工具整體功能結構方案如圖1所示，可分為井下管串和地面控制兩大部分。井下管串包括通信模塊、注灰系統和電動倒灰工具，地面控制部分包括控制系統和電源。本工具最大優勢是摒棄了現有倒灰工具所常用的爆炸或撞擊的開窗方式，創新性地采用步進電機作為驅動源，配合彈簧活塞機構，完成開窗倒灰動作。

注灰系統主要用于水泥漿的開窗注入動作，包括步進電機及減速器、蓄能彈簧和儲灰筒等，為本工具的核心動作組件；通信模塊包含多組霍爾元件，可以實時監測活塞桿位置以及動作時間，編碼上傳信息到控制系統，并對控制系統的命令解碼執行，對井

下工具起到穩壓控制等作用。控制系統主要用于監測控制井下管串并對其穩壓供電。地面控制系統與井下管串通過電纜連接，通過單芯電纜為井下管串供電，并相互通信。本工具最大外徑為73 mm，長度1 400 mm，最高耐壓140 MPa，最高耐溫175℃，適用于外徑在101.6～127.0 mm套管井封堵作業。

1.2 工作原理

通過鎧裝單芯電纜將地面控制系統與井下管串連接后，在地面進行聯機通電檢查，依次檢查電路通斷、通信情況和命令執行情況。通過電纜下放井下管串，結合磁定位數據及電纜張力變化，判斷管串是否到達目的層位。隨后，地面控制系統再與井下管串進行通信測試，待通信正常穩定后，開始進行倒灰作業。地面控制系統向下下達開窗命令，工具接收到開窗指令后，經緩凝劑調配的水泥漿在重力作用下從打開的開窗筒側孔由流入井內，完成倒灰施工。

井下工具按內置程序執行相關動作。首先，井下工具接收到地面控制系統命令，啟動步進電機，輸出軸將帶動球鎖總成外筒體轉動，使得鋼球與筒體脫落，此時工具芯軸與儀器外殼解鎖。其次，在蓄能彈簧作用下，中間芯軸會向右運動，滑動推桿同時帶動活塞頭運動，打開了上部注灰口。最后，完成開窗動作，水泥漿經注灰口流入井筒內。

2 關鍵設計

注灰系統作為本工具的核心動作組件，為確保其可靠穩定工作，需對其結構進行著重分析設計。注灰系統主要由控制電路、步進電機及減速器、球鎖總成、平衡桿、蓄能彈簧、減震彈簧、中間芯軸、活塞頭等零件組成，如圖2所示。

電纜直接與控制電路和電機減速器連接，起到供電和傳遞控制指令的作用。本系統所配備電纜為？準8 mm鎧裝單芯電纜，內阻8.3 Ω/km，井下最大負載電流400 mA，由于井深的不同會導致為底部供電的電壓不同，本文列出了供電電壓和井深對應關系如表1所示。

電機輸出軸能夠傳遞扭矩到球鎖總成，能夠讓中間芯軸與外部筒體相對轉動，解鎖過程只需電機轉動，無需精確控制，結構簡單，反應靈敏。

解鎖后，中間芯軸在蓄能彈簧的作用下，帶動活塞頭向下運動，從而使上部注灰筒的水泥漿進入卸灰口。為了保證蓄能彈簧能順利打開活塞頭，需對其進行受力分析，如圖3所示。

直井段和斜井段受力分析分別如下：

式中：p為井下壓力，由于儀器尺寸較短，認為上部活塞頭和平衡桿出液體壓力相等；A1、A2、A3分別為活塞上端面、活塞下端面及平衡桿端面截面積；F為蓄能彈簧的彈力；G為中間芯軸的重力；f1、f2、f3、fv分別為活塞頭密封圈摩擦力、滑動推桿密封圈摩擦力、平衡桿密封圈摩擦力、流體阻尼力；ma為中間芯軸的慣性力；θ為井斜角。

為了使工具具有一定的通用性，消除不同類型井筒對工具的影響，需對工具進行一定改進，井筒對工具的主要影響因素有井斜、壓力、溫度以及流體性質等。

1） 井斜對工具的影響。

如果封堵位置在斜井段位置，此時重力在軸向方向上的分量變為Gcos？茲，導致開啟力減小，同時重力會在橫向上出現一個分量Gsin？茲，會使得開啟時的摩擦力增大，同樣會阻礙中間芯軸的開啟。因此，需適當增大蓄能彈簧剛度，降低井斜對工具開啟的影響。

2） 壓力對工具的影響。

隨著井深的增加，井筒內壓力也不斷增加，由于中間芯軸接觸到井液，將對其產生液壓力。中間芯軸的活塞頭的上下表面以及平衡桿下表面直接與井液接觸，從而產生了三個液壓力，為了消除壓力對儀器開啟的影響，需要將三個液壓力平衡，即只要使滑動推桿的截面積（A1-A2）與平衡桿截面積（A3）相等，就能平衡外界井液壓力。此外，壓力會導致密封圈的摩擦力增大，也需要考慮適當增大蓄能彈簧剛度。

3） 溫度對工具的影響。

隨著井深的增加，井筒內的溫度同樣不斷增加，由于熱脹冷縮效應，會導致密封圈膨脹，相對運動時摩擦力增大，而內部芯軸向外膨脹，外部筒體向內收縮將進一步增大摩擦阻力。井液粘度也會受到溫度的影響，高溫情況下會使流體阻尼力降低，削弱了整個工具的減震特性。

4） 井液性質對工具的影響。

井液粘度對工具開啟的有極大影響，在清水井，流體阻力較小，對中間芯軸的開啟影響較小，而在重泥漿井中，流體阻力將急劇增大，阻礙中間芯軸的開啟。由于在封堵井作業時，井液不會進行循環，可能導致井液分層，橋塞可能會存在沉砂，將嚴重影響倒灰作業。

根據以上影響因素分析，可以看出蓄能彈簧以及密封圈的選擇是影響中間芯軸開啟最重要的因素。

1） 密封圈的選擇。

為滿足工具耐溫175 ℃，耐壓140 MPa的性能指標，選擇了耐高溫和機械性能良好的氟橡膠材料。密封圈類型選擇為O形密封圈，適用于靜密封和往復運動密封，具有結構簡單，密封性能良好，摩擦力小等優點［11～13］。本工具采用雙重O形圈結構，確保了工具密封性能。

密封圈的初始壓縮量是保證密封性能及動作反應的重要指標，壓縮量越大，密封性格越好，但是靜摩擦力越大，將導致運動部件的啟動困難和影響響應速度。本儀器O形圈壓縮量選擇應滿足極端工況下密封性能，而且啟動摩擦阻力越小越好［14～15］。

2） 蓄能彈簧的設計。

蓄能彈簧作為工具開窗的動力源，其剛度和初始壓縮量決定了是否能順利開窗。彈簧剛度和初始壓縮量共同決定了最大的彈簧力，如果此力過小，將無法開窗，導致施工作業失敗，如果此力過大，將會產生極大的沖擊振動，可能會破壞工具接線和內部電路。

本工具彈簧的設計應首先考慮彈簧剛度，當蓄能彈簧推動中間芯軸到達底部時，產生的沖擊振動不能對工具性能產生影響。其次，極端情況下，初始彈簧力也能夠順利開啟工具，即在環境溫度175 ℃，外部壓力140 MPa，井斜角為90 °，重泥漿條件的情況下仍能正常啟動工具。

3 高溫高壓試驗

3.1 高溫高壓試驗

為驗證井下電控水泥釋放工具可靠性與穩定性，開展了高溫高壓地面試驗。由于需要驗證儀器在高溫高壓性能，因此需將電纜連接工具，試驗過程中能始終保持良好通信，并能順利完成開關窗動作。試驗所連接井下工具如圖4所示，高溫高壓試驗平臺如圖5所示。

3.2 試驗結果與分析

2022-09，在中油測井射孔技術研究實驗室的高溫高壓試驗平臺開展了井下電控水泥釋放工具的高溫高壓性能試驗。試驗參數有：試驗溫度175 ℃，壓力140 MPa，試驗介質為清水，恒壓時長30 min。

試驗結果：電控水泥釋放工具在高溫釜中通信始終正常，并在恒溫恒壓期間內完成了開窗作業。取出工具后殼體未發生變形，拆卸后無泄漏。說明電控水泥釋放工具能夠滿足高溫高壓井的倒灰施工作業。

4 現場施工試驗

4.1 施工井概況

施工井井液密度為1.02 g/cm3，封堵位置4 300 m附近，最大井斜21.15°，溫度130.29 ℃，壓力73.41 MPa。4.2 施工過程

結構組成：？準73 mm井下電控水泥釋放工具×1.4 m+？準127 mm儲灰筒×3.5 m+注灰短節+磁定位+馬籠頭。

施工流程：

1） 連接工具串，對地面控制箱和地面井下聯機進行通電檢查，確認通信正常，儀器狀態正常。

2） 地面進行兩次開窗試驗，確保工具能順利開窗。

3） 加注水泥漿，水泥漿根據井深溫度由井隊提供。

4） 吊起工具串入井，下至井深200 m后通電測試通信。

5） 繼續下放電纜，速度6 000 m/h，下放至2 000 m滾筒不停轉測試通信，工具狀態正常，磁定位信號正常，二者無干擾；下放至封堵井段4 300 m減速下放，觀察張力變化，張力明顯減小，確認工具接觸橋塞，上提至未接觸張力，再向上提拉3 m。

6） 地面控制箱通電，檢測通信正常，啟動電動倒灰筒工具，觀察控制箱指示燈變化，顯示井下倒灰工具窗口已經打開，順利倒灰，關閉地面控制箱，再等待1 min，水泥灰流盡。

7） 上提電纜5 m，做好標記，為下一次倒灰做準備。

8） 起出工具，倒灰窗口處于打開狀態，地面檢查儀器，進行一次開窗測試，正常，重新加注水泥，進行二次倒灰。

9） 重新下放電纜，分別在200、2 000 m檢查工具通信，確認無誤。

10） 下放至標記位置后，地面控制箱控制井下工具開啟，重新倒灰，狀態正常，起出工具。工具起出后一切正常，回收工具，倒灰作業完成。

4.3 試驗結果

現場試驗表明，井下電控水泥釋放工具結構簡單，操作便捷。即使在高溫高壓的斜井條件下，工具仍能正常工作，可以順利完成倒灰作業，保證了倒灰成功率，提高了封堵效率，縮短了施工周期。

但在實際施工過程中，發現該工具也存在一定的不足。例如，為了方便插裝纜芯，需留出較長的纜芯余量，從而連接完纜芯固定接頭時，需將多余的纜芯折疊放入接頭內，這樣容易導致電纜變形，還需對穿儲灰筒電纜的固定方式進一步改進。

5 結論

1） 所研制的井下電控水泥釋放工具外徑為73 mm，總長1.4 m，可通過變扣配備不同規格的儲灰筒。該工具通過電纜靠自重入井并通過電控實現倒灰作業，結構簡單，操作便捷，安全可靠。

2） 對動作部件進行了力學分析，綜合考慮了井斜、高溫高壓以及井液性質對開窗作業的影響，并進行了高溫高壓開窗地面試驗，保證了工具極端工況的性能。

3） 現場施工結果表明，電控井下水泥釋放工具能夠滿足施工作業需求，工作效率和施工質量較傳統工具得到大幅提升。

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