電纜橋塞液壓坐封工具動(dòng)力系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

趙志敏 蘇洪生 秦二衛(wèi) 張 達(dá) 解 慶

（1.航天鈞和科技有限公司，河北 廊坊 065500；2.中國(guó)石油集團(tuán)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(zhǔn)確的特點(diǎn)在油田勘探和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(yīng)用更加廣泛。該工具在使用過(guò)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(guò)坐封機(jī)構(gòu)，爆炸高壓能量轉(zhuǎn)換為拉力，實(shí)現(xiàn)橋塞的坐封和丟手。但在使用過(guò)程中需要用到火工品，存在較大的安全隱患，且對(duì)其貯存、運(yùn)輸及安裝使用都有嚴(yán)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(shè)計(jì)的電纜式橋塞坐封工具液壓動(dòng)力系統(tǒng)保留電纜傳輸爆炸坐封的優(yōu)點(diǎn)，將液壓能通過(guò)坐封機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為拉力，實(shí)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(diǎn)。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，有刷直流電機(jī)通過(guò)井口供給直流電，通過(guò)磁力耦合器拖動(dòng)油泵按照一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，油泵輸出高壓油液經(jīng)過(guò)單向閥給后端的坐封機(jī)構(gòu)供油。坐封機(jī)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(dòng)作。旁路上設(shè)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(shè)置油濾，對(duì)進(jìn)入液壓系統(tǒng)的油液進(jìn)行過(guò)濾。油泵出油口的單向閥防止液壓系統(tǒng)未工作時(shí)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(jì)算

根據(jù)坐封機(jī)構(gòu)內(nèi)活塞面積驗(yàn)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(shí)間要求≤5 min。設(shè)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(jì)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(jī)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)油泵的相關(guān)參數(shù)對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，電機(jī)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(jī)的輸出功率：Pdo=Pb=355W

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速：n=2000r/min

電機(jī)的額定功率：Pd=Pdo/ηd=507W

電機(jī)的額定電壓：U=300V

電機(jī)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(kāi)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(jī)功率，經(jīng)過(guò)溢流閥卸荷的油液應(yīng)盡可能地少，因此溢流閥工作時(shí)為臨界開(kāi)啟狀態(tài)，考慮到系統(tǒng)單次工作時(shí)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(kāi)啟壓力0.05 MPa，反向截止時(shí)泄漏量小，全開(kāi)流量10 L/min，滿足系統(tǒng)要求。

1.2.6 油箱容積計(jì)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(bǔ)償裝置可補(bǔ)償油液容量為2.7 L，滿足系統(tǒng)要求。

1.3 液壓系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其主要由打撈頭、無(wú)刷直流電機(jī)、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(lái)確定橋塞位置。無(wú)刷直流電機(jī)不浸油，用磁力耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離狀態(tài)下的扭矩傳遞，磁力耦合器外圈與電機(jī)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(jìn)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(bǔ)償。當(dāng)液壓短節(jié)工作時(shí)，油箱內(nèi)的油液被輸往外部，此時(shí)活塞左移（圖示位置），起到油液補(bǔ)償作用，同時(shí)也能將外部泥漿壓力傳遞進(jìn)油箱內(nèi)部作為油泵入口壓力。

1.4 工作原理

需要進(jìn)行井下封堵作業(yè)時(shí)，在地面啟動(dòng)直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，220 V交流電變換成直流電通過(guò)單芯電纜傳輸?shù)骄聞?dòng)力系統(tǒng)（負(fù)極接大地），調(diào)節(jié)輸出電壓至預(yù)定電壓，此時(shí)電機(jī)通過(guò)磁力耦合器拖動(dòng)油泵按照一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，油泵輸出油液經(jīng)過(guò)單向閥后給后端的坐封機(jī)構(gòu)供油，坐封機(jī)構(gòu)帶動(dòng)橋塞完成坐封和丟手作業(yè)。在坐封和丟手過(guò)程中，地面供電電流會(huì)逐步增大，當(dāng)丟手成功后，地面供電電流會(huì)突然變小，通過(guò)監(jiān)測(cè)地面供電電流的變化情況，可以方便、準(zhǔn)確地判斷橋塞是否丟手成功。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2018年1月3日進(jìn)行液壓坐封工具聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。儀器串組成：動(dòng)力系統(tǒng)+坐封機(jī)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(shí)，模擬橋塞完成丟手。整個(gè)工作用時(shí)1分20秒。隨后拆分模擬橋塞，檢查弱點(diǎn)被拉斷，驗(yàn)證了工具的性能，如圖3所示。

圖3 室內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2018年1月10日在YYSY-2H井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，橋塞位置為1781m。儀器串組成：CCL+動(dòng)力系統(tǒng)+坐封機(jī)構(gòu)+7”橋塞。電纜長(zhǎng)度3 000 m，測(cè)量電纜電阻阻值為31 Ω，設(shè)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(gè)工作時(shí)間4分30秒。

2018年8月，該動(dòng)力系統(tǒng)首次在海上平臺(tái)進(jìn)行了應(yīng)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(yīng)用效果良好，使動(dòng)力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用跨上了新的臺(tái)階，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖

4 結(jié)論

電纜式橋塞液壓坐封工具動(dòng)力系統(tǒng)采用單芯電纜供電，利用CCL定位，用磁力耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)拖動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn)，向坐封工具輸出高壓油液，實(shí)現(xiàn)橋塞的坐封和丟手。通過(guò)監(jiān)測(cè)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(diǎn)。