仇炜谏， 李纯金， 吉浩， 周宏根

（江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江 212003）

1 桥塞常用坐封方式及国内外应用现状

电缆桥塞封堵是油气井内封层作业经常采用的工程技术，常用的火药式电缆桥塞封堵技术由20世纪80年代由美国引进[1]。火药式电缆桥塞坐封工具依靠电缆下放桥塞工具[2]、通电引燃火药爆炸释放能量，形成工具内部零件相对位移使得张力棒断裂完成坐封、密封[3-4]。但这种工艺施工中需要用到民爆物品，而民爆物品的采购、运输、储存、使用不仅需要专用的防爆设备，同时还需要得到政府部门的审批，给生产组织带来不便。另外火药燃烧后产生的废料若处置不当容易污染环境、也不方便工具清洗保养。故提出一种以电动机代替火药提供动力的电动式液压增力桥塞坐封工具。

传统桥塞坐封依靠火药爆炸产生推力，使得工具内活塞与液压缸发生相对位移，通过活塞力传递进行卡瓦的外扩与密封环的压缩[5]。火药式密封的缺点在于在施工中需要民爆物品，安全系数低，且产生的瞬时推力大、不易控制，容易对工具和套管造成损伤。机械式桥塞坐封工具，需要桥塞连接油管下放，下放时间长、下放精度低、人工成本高[6-7]。新疆油田公司杨玉梅[8]设计出电动式电缆桥塞坐封工具适用于120℃高温、小尺寸桥塞。中国石油集团测井有限公司贺红民等[9]设计出一种液压式桥塞坐封工具，其通过井内液柱压力为动力源，通过驱动和液压控制系统将油井内液体抽入工具中，进行液压坐封。中国石油西部钻探工程公司独创“回油复位单向阀装置”的桥塞坐封工具，并取得成功应用70多次[10]。

2 电动式液压增力桥塞坐封方案设计

本桥塞坐封工具需在180℃高温、50 MPa高压下完成对400 kN大尺寸桥塞的坐封密封，并且设计工具尺寸受到管柱限制，单独使用电动式或液压式均无法在结构强度、驱动功率上满足工作要求。故提出将电动式与液压式相结合。本工具使用直流电动机驱动代替火药爆炸，优点为产生的推力大小可调节、推力速度稳定[11]，避免了火药瞬间爆炸对工具产生损伤。因直流电动机的输出为高转速低转矩，所以在电动机输出端增设一个行星减速机，并通过梯形丝杠传动机构，将转矩转化为直线推力。由于在有限直径的套管内，直流电动机、行星减速机与梯形丝杠的尺寸受到限制，强度上均无法达到坐封桥塞所需推力。因此在梯形丝杠末端增设液压增压系统。在油井中，由于不同的地质、不同深度，无法正确测量井下静液压且液压值各不相同[12]，为使得本工具能直接适用于多数油井，故不通过井下静液压进行增压，而是增设一个全封闭式液压箱。这也是本工具的技术特点之一。图1为坐封工具功能分解图，图2为坐封工具结构示意图。

图1 坐封工具坐封方案功能分解图

图2 坐封工具结构示意图

3 总体结构设计

3.1 主要技术指标

桥塞坐封工具需要在深井中完成坐封、密封工作，由于地热梯度的存在，坐封工具的环境温度在70～180℃[13]。多数油井中存在地下水，按照水下静液压计算，深度为3000 m的深井静液压约为30 MPa，所以坐封工具应具有较好的密封性能和耐高压性[14]。本工具适用配套φ114 mm桥塞，所需最小剪断力为273 kN，且工具需要在5 min内完成坐封、密封工作。坐封工具的技术指标如表1所示。

表1 坐封工具技术指标

3.2 设计流程及关键技术参数

本工具技术特点为通过增设一个全封闭式液压箱，以达到增大梯形丝杠推力的目的。根据图3坐封工具技术参数计算流程图。确定工具主要技术指标后，对市场标准件O型圈和外购件直流电动机与行星减速机选型，坐封工具最大外径为114 mm，除去壁厚与空隙，得知直流电动机与行星减速机法兰固定直径为圆形90 mm或者方形70 mm，在有限空间的工具内安装合适的直流电动机与减速机，达到梯形丝杆输出所需要合适的转速和稳定的推力。按照计算公式：

式中：W为电动机所需功率；F为工具最大坐封力；S为工具坐封总行程；t为工具坐封完成时间；η1为高温下行星轮减速箱输出效率；η2为梯形丝杠传动效率；X为功率特定系数。

行星轮减速箱在180℃下选用高温润滑脂MoS2时，输出效率为70%[15]，梯形丝杠传动效率为30%。由于F=400 kN为最大所需推力，在工具运行过程中，推力从0至最大非线性增长，为使得电动机功率计算精确、选型合适，故取X=0.5。可以算出直流电动机功率为480 W，转速为3000 r/min。

图3 坐封工具设计流程图

综合分析外购件与设计要求，分析得出梯形丝杠最大直径为60 mm。丝杠选取材料为42CrMo，经 梯形螺纹牙计算、螺纹强度、螺杆稳定性计算，直径为60 mm的梯形丝杠可以承受120 kN推力。故取梯形丝杠公称直径d=60 mm，导程p=9 mm，丝杆中径d2=55.5 mm，丝杆可提供最大推力F=100 kN。桥塞坐封所需推力为400 kN，所以设计的封闭式液压箱横截面积比为1:4，行程比为4:1，因此整个活塞行程为600 mm。由此可以确定行星轮减速箱减速比为1:256。坐封工具的技术参数如表2所示。

3.3 关键部套详细结构

该坐封工具由驱动段、丝杆传动段和液压增力段组成。驱动段由密封盖、电动机固定筒、直流电动机、行星减速机、减速箱固定筒组成,如图4所示。

表2 坐封工具技术参数

丝杆传动段由上外筒、双列深沟球轴承、梯形丝杠、螺母、上液压筒、推力圆柱滚子轴承、深沟球轴承组成。如图5所示。

液压增力段由中外筒、下液压筒、活塞外筒、中心通规、推筒、止推密封环、心轴组成,如图6所示。

4 现场运行工况分析及注意事项

图4 坐封工具驱动段

图5 坐封工具丝杆传动段

图6 坐封工具液压增力段

本桥塞坐封工具的施工步骤为：1）在地面上将组装好的桥塞坐封工具上端连接电缆，下端螺纹连接桥塞，通过电缆下放至所需深度；2）开始进行坐封，打开地面供电装置，通过地面增压器产生高压直流电，经过电缆输送至工具内的直流电动机；3）高压直流电经过电缆压降，达到驱动直流电动机所需电压，驱动直流电动机产生高速旋转转矩，通过行星减速机转变成低转速大转矩输出；4）减速机与梯形丝杆连接，通过丝杆传动机构使转矩转换成直线推力；推动上液压筒下行；5）推力经过液压缸增压数倍推动卡瓦外扩，挤压井壁达到锚定作用；6）继续施加推力使得密封环压缩挤压井壁达到密封作用；7）当工具提供的推力使得桥塞完成坐封密封时，桥塞内张力棒剪断，整个坐封工具与桥塞分离；8）此时所需推力瞬间减小，通过地面观察输出电流减小，说明已经完成坐封密封工作；9）地面增压器停止工作，通过电缆上拉提出坐封工具；10）在地面驱动直流电动机反转，复位电动式电缆桥塞坐封工具。

5 结 语

1）该新型桥塞坐封工具用直流电动机、行星减速机提供动力代替火药爆炸进行桥塞坐封，具有下井速度快、坐封过程迅速、清洁环保、安全可靠、低成本且能保护套管等特点。2）该坐封工具可通过地面电流检测工作状况，确保桥塞有效坐封，提高成功率。3）该坐封工具结构简单，可通过电动机正反转复位，大大简化施工工序、省时省力。4）该坐封工具通过液压增力，可运用在大尺寸桥塞上，且能适用于井下恶劣工况。