仇煒諫， 李純金， 吉浩， 周宏根

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

1 橋塞常用坐封方式及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

電纜橋塞封堵是油氣井內(nèi)封層作業(yè)經(jīng)常采用的工程技術(shù)，常用的火藥式電纜橋塞封堵技術(shù)由20世紀(jì)80年代由美國(guó)引進(jìn)[1]?；鹚幨诫娎|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(nèi)部零件相對(duì)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(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用不僅需要專用的防爆設(shè)備，同時(shí)還需要得到政府部門的審批，給生產(chǎn)組織帶來(lái)不便。另外火藥燃燒后產(chǎn)生的廢料若處置不當(dāng)容易污染環(huán)境、也不方便工具清洗保養(yǎng)。故提出一種以電動(dòng)機(jī)代替火藥提供動(dòng)力的電動(dòng)式液壓增力橋塞坐封工具。

傳統(tǒng)橋塞坐封依靠火藥爆炸產(chǎn)生推力，使得工具內(nèi)活塞與液壓缸發(fā)生相對(duì)位移，通過(guò)活塞力傳遞進(jìn)行卡瓦的外擴(kuò)與密封環(huán)的壓縮[5]?；鹚幨矫芊獾娜秉c(diǎn)在于在施工中需要民爆物品，安全系數(shù)低，且產(chǎn)生的瞬時(shí)推力大、不易控制，容易對(duì)工具和套管造成損傷。機(jī)械式橋塞坐封工具，需要橋塞連接油管下放，下放時(shí)間長(zhǎng)、下放精度低、人工成本高[6-7]。新疆油田公司楊玉梅[8]設(shè)計(jì)出電動(dòng)式電纜橋塞坐封工具適用于120℃高溫、小尺寸橋塞。中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司賀紅民等[9]設(shè)計(jì)出一種液壓式橋塞坐封工具，其通過(guò)井內(nèi)液柱壓力為動(dòng)力源，通過(guò)驅(qū)動(dòng)和液壓控制系統(tǒng)將油井內(nèi)液體抽入工具中，進(jìn)行液壓坐封。中國(guó)石油西部鉆探工程公司獨(dú)創(chuàng)“回油復(fù)位單向閥裝置”的橋塞坐封工具，并取得成功應(yīng)用70多次[10]。

2 電動(dòng)式液壓增力橋塞坐封方案設(shè)計(jì)

本橋塞坐封工具需在180℃高溫、50 MPa高壓下完成對(duì)400 kN大尺寸橋塞的坐封密封，并且設(shè)計(jì)工具尺寸受到管柱限制，單獨(dú)使用電動(dòng)式或液壓式均無(wú)法在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)功率上滿足工作要求。故提出將電動(dòng)式與液壓式相結(jié)合。本工具使用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)代替火藥爆炸，優(yōu)點(diǎn)為產(chǎn)生的推力大小可調(diào)節(jié)、推力速度穩(wěn)定[11]，避免了火藥瞬間爆炸對(duì)工具產(chǎn)生損傷。因直流電動(dòng)機(jī)的輸出為高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩，所以在電動(dòng)機(jī)輸出端增設(shè)一個(gè)行星減速機(jī)，并通過(guò)梯形絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為直線推力。由于在有限直徑的套管內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)、行星減速機(jī)與梯形絲杠的尺寸受到限制，強(qiáng)度上均無(wú)法達(dá)到坐封橋塞所需推力。因此在梯形絲杠末端增設(shè)液壓增壓系統(tǒng)。在油井中，由于不同的地質(zhì)、不同深度，無(wú)法正確測(cè)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(shù)油井，故不通過(guò)井下靜液壓進(jìn)行增壓，而是增設(shè)一個(gè)全封閉式液壓箱。這也是本工具的技術(shù)特點(diǎn)之一。圖1為坐封工具功能分解圖，圖2為坐封工具結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

橋塞坐封工具需要在深井中完成坐封、密封工作，由于地?zé)崽荻鹊拇嬖?，坐封工具的環(huán)境溫度在70～180℃[13]。多數(shù)油井中存在地下水，按照水下靜液壓計(jì)算，深度為3000 m的深井靜液壓約為30 MPa，所以坐封工具應(yīng)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(nèi)完成坐封、密封工作。坐封工具的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 坐封工具技術(shù)指標(biāo)

3.2 設(shè)計(jì)流程及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

本工具技術(shù)特點(diǎn)為通過(guò)增設(shè)一個(gè)全封閉式液壓箱，以達(dá)到增大梯形絲杠推力的目的。根據(jù)圖3坐封工具技術(shù)參數(shù)計(jì)算流程圖。確定工具主要技術(shù)指標(biāo)后，對(duì)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)件O型圈和外購(gòu)件直流電動(dòng)機(jī)與行星減速機(jī)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(dòng)機(jī)與行星減速機(jī)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(nèi)安裝合適的直流電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)，達(dá)到梯形絲桿輸出所需要合適的轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定的推力。按照計(jì)算公式：

式中：W為電動(dòng)機(jī)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(shí)間；η1為高溫下行星輪減速箱輸出效率；η2為梯形絲杠傳動(dòng)效率；X為功率特定系數(shù)。

行星輪減速箱在180℃下選用高溫潤(rùn)滑脂MoS2時(shí)，輸出效率為70%[15]，梯形絲杠傳動(dòng)效率為30%。由于F=400 kN為最大所需推力，在工具運(yùn)行過(guò)程中，推力從0至最大非線性增長(zhǎng)，為使得電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算精確、選型合適，故取X=0.5?？梢运愠鲋绷麟妱?dòng)機(jī)功率為480 W，轉(zhuǎn)速為3000 r/min。

圖3 坐封工具設(shè)計(jì)流程圖

綜合分析外購(gòu)件與設(shè)計(jì)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(jīng) 梯形螺紋牙計(jì)算、螺紋強(qiáng)度、螺桿穩(wěn)定性計(jì)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(dǎo)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(shè)計(jì)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(gè)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(shù)參數(shù)如表2所示。

3.3 關(guān)鍵部套詳細(xì)結(jié)構(gòu)

該坐封工具由驅(qū)動(dòng)段、絲桿傳動(dòng)段和液壓增力段組成。驅(qū)動(dòng)段由密封蓋、電動(dòng)機(jī)固定筒、直流電動(dòng)機(jī)、行星減速機(jī)、減速箱固定筒組成,如圖4所示。

表2 坐封工具技術(shù)參數(shù)

絲桿傳動(dòng)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(guī)、推筒、止推密封環(huán)、心軸組成,如圖6所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況分析及注意事項(xiàng)

圖4 坐封工具驅(qū)動(dòng)段

圖5 坐封工具絲桿傳動(dòng)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(guò)電纜下放至所需深度；2）開始進(jìn)行坐封，打開地面供電裝置，通過(guò)地面增壓器產(chǎn)生高壓直流電，經(jīng)過(guò)電纜輸送至工具內(nèi)的直流電動(dòng)機(jī)；3）高壓直流電經(jīng)過(guò)電纜壓降，達(dá)到驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)所需電壓，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)行星減速機(jī)轉(zhuǎn)變成低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩輸出；4）減速機(jī)與梯形絲桿連接，通過(guò)絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成直線推力；推動(dòng)上液壓筒下行；5）推力經(jīng)過(guò)液壓缸增壓數(shù)倍推動(dòng)卡瓦外擴(kuò)，擠壓井壁達(dá)到錨定作用；6）繼續(xù)施加推力使得密封環(huán)壓縮擠壓井壁達(dá)到密封作用；7）當(dāng)工具提供的推力使得橋塞完成坐封密封時(shí)，橋塞內(nèi)張力棒剪斷，整個(gè)坐封工具與橋塞分離；8）此時(shí)所需推力瞬間減小，通過(guò)地面觀察輸出電流減小，說(shuō)明已經(jīng)完成坐封密封工作；9）地面增壓器停止工作，通過(guò)電纜上拉提出坐封工具；10）在地面驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，復(fù)位電動(dòng)式電纜橋塞坐封工具。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）該新型橋塞坐封工具用直流電動(dòng)機(jī)、行星減速機(jī)提供動(dòng)力代替火藥爆炸進(jìn)行橋塞坐封，具有下井速度快、坐封過(guò)程迅速、清潔環(huán)保、安全可靠、低成本且能保護(hù)套管等特點(diǎn)。2）該坐封工具可通過(guò)地面電流檢測(cè)工作狀況，確保橋塞有效坐封，提高成功率。3）該坐封工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)復(fù)位，大大簡(jiǎn)化施工工序、省時(shí)省力。4）該坐封工具通過(guò)液壓增力，可運(yùn)用在大尺寸橋塞上，且能適用于井下惡劣工況。