趙志敏 蘇洪生 秦二衛(wèi) 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(fā)領域得到廣泛應用。橋塞坐封方式主要有連續(xù)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(chǎn)生的高壓，通過坐封機構(gòu)，爆炸高壓能量轉(zhuǎn)換為拉力，實現(xiàn)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(guī)定，極大地增加了管理和使用成本。

該文內(nèi)所設計的電纜式橋塞坐封工具液壓動力系統(tǒng)保留電纜傳輸爆炸坐封的優(yōu)點，將液壓能通過坐封機構(gòu)轉(zhuǎn)換為拉力，實現(xiàn)橋塞的坐封和丟手作業(yè)。具有作業(yè)速度快、易于操作、成本低、安全可靠等特點。

1 液壓系統(tǒng)設計

1.1 液壓系統(tǒng)原理設計

液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)速進行工作，油泵輸出高壓油液經(jīng)過單向閥給后端的坐封機構(gòu)供油。坐封機構(gòu)將液壓系統(tǒng)提供的液壓能轉(zhuǎn)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(tǒng)壓力、排除系統(tǒng)多余油液的作用。油泵入口端設置油濾，對進入液壓系統(tǒng)的油液進行過濾。油泵出油口的單向閥防止液壓系統(tǒng)未工作時油液不外泄和坐封完成后外界環(huán)境中泥漿倒灌。

1.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計算

根據(jù)坐封機構(gòu)內(nèi)活塞面積驗算，液壓系統(tǒng)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(tǒng)工作壓力28 MPa，流量0.684 L/min。

1.2.1 油泵參數(shù)計算

液壓泵排量V=0.36 mL/r，額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩 ：Tb=Pb/（2πn）=1.695N·m

1.2.2 磁力耦合器參數(shù)

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

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

1.2.3 電機參數(shù)計算

根據(jù)油泵的相關(guān)參數(shù)對電機的參數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)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(shù)

選取溢流閥最小開啟壓力29.4 MPa，最小關(guān)閉壓力大于25.9 MPa。為了減小系統(tǒng)所需電機功率，經(jīng)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(tài)，考慮到系統(tǒng)單次工作時間較短，滿足系統(tǒng)要求。

1.2.5 單向閥參數(shù)

單向閥的相關(guān)參數(shù)：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(tǒng)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(jié)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(tǒng)要求。

1.3 液壓系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計

動力系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)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(xiàn)隔離狀態(tài)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(nèi)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(cè)部進入，由軸心處往外輸出高壓油液。油箱內(nèi)部安裝有平衡活塞，起作用為平衡內(nèi)外壓力及油液補償。當液壓短節(jié)工作時，油箱內(nèi)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(nèi)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(yè)時，在地面啟動直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，220 V交流電變換成直流電通過單芯電纜傳輸?shù)骄聞恿ο到y(tǒng)（負極接大地），調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速進行工作，油泵輸出油液經(jīng)過單向閥后給后端的坐封機構(gòu)供油，坐封機構(gòu)帶動橋塞完成坐封和丟手作業(yè)。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(jiān)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(nèi)試驗

2018年1月3日進行液壓坐封工具聯(lián)調(diào)試驗。儀器串組成：動力系統(tǒng)+坐封機構(gòu)+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(nèi)聯(lián)調(diào)試驗圖

3 現(xiàn)場試驗

2018年1月10日在YYSY-2H井進行現(xiàn)場試驗，橋塞位置為1781m。儀器串組成：CCL+動力系統(tǒng)+坐封機構(gòu)+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(wěn)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(tǒng)首次在海上平臺進行了應用。在QK18-2-P2井連續(xù)三趟完成7”橋塞作業(yè)，作業(yè)深度3 412 m～3 740 m，應用效果良好，使動力系統(tǒng)的推廣應用跨上了新的臺階，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場作業(yè)圖

4 結(jié)論

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