第４１卷第１期 测井技术 Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．１ ２０１７年２月 ＷＥＬＬ Ｌ０ＧＧＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ Ｆｅｂ ２０１７ 文章编号：１００４—１３３８（２０１７）０１—０１２０—０３ 一种液压式桥塞座封工具的设计与应用 贺红民，杨新宏，孙志忠，扈勇，平朋勃 （中国石油集团测井有限公庆事业部，陕西西安７１０２０１） 摘要：介绍了一种液压式电缆桥塞座封工具的工作原理，设计方案以及现场应用情况。液压式座封工具通过液柱 压力可以实现桥塞座封，动力来源为井内液柱压力，不需要民爆物品，与目前采用火药燃烧提供动力源的座封工具 相比较，不仅消除了民爆物品给生产组织带来的不便及安全隐患，而且使用后不会产生工业废料，更加安全环保。 为油气田电缆座封桥塞的封层需求提供不同的工艺技术参考。 关键词：生产测井；座封工具；液压式；桥塞 中图分类号：Ｐ６３１．８３ 文献标识码：Ａ Ｄｏｉ：１０．１６４８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—１３３８．２０１７．０１．０２１ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｂｒｉｄｇｅ Ｐｌｕｇ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｔｏｏｌ ＨＥ Ｈｏｎｇｍｉｎ，ＹＡＮＧ Ｘｉｎｈｏｎｇ，ＳＵＮ Ｚｈｉｚｈｏｎｇ，ＨＵ Ｙｏｎｇ，ＰＩＮＧ Ｐｅｎｇｂｏ （Ｃｈａｎｇｑｉｎｇ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｌｏｇｇｉｎｇ ＣＯ．ＬＴｎ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１０２０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒｉｄｇｅ ｐｌｕｇ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｏｏｌ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｌｕｍｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｆｒｏｍ ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｌｕｍｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｉｖｉｌ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｓｅａｌ ｔｏｏｌ，ｔｈｉｓ ｔｏｏｌ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｈｉｄｄｅｎ ｔｒｏｕｂｌｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｐｒｏｄｕｃｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗａｓｔｅ ｗｉｔｈ ｍｏｒｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｉｌｉｆｅｌｄ ｐａｃｋｅｒ ｃａｂｌｅ ｂｒｉｄｇｅ ｐｌｕｇ ｓｅａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｏｇｇｉｎｇ；ｓｅａｌｉｎｇ ｔｏｏｌ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ；ｂｒｉｄｇｅ ｐｌｕｇ ０ 引 言 电缆桥塞封堵是油气井内封层作业经常采用的 工程技术，当前油气井使用的电缆桥塞座封工具主 要是依靠火药燃烧释放出的能量作为动力源进行井 挤压桥塞的套筒在外力作用下作相对运动，从而使 得桥塞上下卡瓦被椎体胀裂卡在套管内壁上，同时 橡胶筒被压缩在环形空间内将套管可靠封堵。在桥 塞座封过程中，座封工具的中心连接杆与外部挤压 套筒的相对运动是桥塞座封的关键因素ｌ＿２］。 桥塞座封工具主要由点火装置（打捞帽、点火接 头、点火头）、动力装置（燃烧室）、动力传导装置（活 塞筒、上下活塞、活塞杆）及座封装置（内外连接筒、 下桥塞封堵与丢手，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ｌ１］。因此有必要设计一种即既方便生产同时又安 全环保的座封工具。 挤压套筒）等部件组成；其中动力传导装置连接提拉 桥塞芯轴的中心连接杆，座封装置连接挤压桥塞的 外套筒。当药柱在燃烧药室内燃烧时会产生８０～ １１０ ＭＰａ左右的高压气体，以此推动活塞运动，产 生４５０ ｋＮ的推力，推动座封工具内的活塞与缸套 做相对运动。从而挤压桥塞胶筒完成座封和释放。 １ 设计思路 桥塞座封是依靠提拉桥塞芯轴的中心连接杆与 考虑用其他外力推动工具的活塞和缸套做相对 第一作者：贺红民，男，１９７４年生，从事射孔工艺技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｈｏｎｇｍｉｎ１９７４＠１６３．ｃｏｍ 第４１卷第１期 贺红民，等：一种液压式桥塞座封工具的设计与应用 运动，即可替代以火药燃烧提供动力源的座封方式。 到桥塞封堵作业时，油气井内普遍会灌满液柱以保 ３液压缸设计 ３．１增大液压缸推靠力设计 证井控安全。为此，设计一种凭借井筒内液柱压力 作为动力源的液压式桥塞座封工具成为可能。 主体思路设计为桥塞工具串下井过程中，压井 液与缸体内部活塞隔离，活塞上下压力平衡，与桥塞 液压系统主要作用是为桥塞座封提供推力，动 力来源为井筒内液柱压力。液压缸与井筒沟通后， 产生的最大压力为压缩缸上部液柱的压力。如果仅 连接的中心连接杆和挤压套筒保持稳定状态。当桥 塞到达座封位置后，通过地面控制，压井液进入缸体 内部，使缸体内外产生压差，在压差的作用下，工具 中心连接杆和挤压套筒做相对运动，使下部连接的 桥塞完成座封及丢手。 凭液柱的压力推活塞和压缩缸，使工具的中心连接 杆和挤压套筒做相对运动，那么活塞推靠力需要大 于桥塞上下卡瓦挤压桥塞胶皮的推靠力和桥塞释放 环的剪切力。以当前常用的５ ｉｎ 套管ＷＢＭ型 桥塞为例，座封力需要３０ ０００ ｌｂｆ一。假设只有一 个液压缸体，活塞直径为１００ ＩＴｌｌｎ，不考虑活塞杆的 横截面积。井内液体密度为１×１０。ｋｇ／ｍ。。根据 物体在静液柱下承受的压力计算公式 Ｆ—ｐｓ—ｐｇｈＳ （１） ２ 总体设计 液压式座封工具包括驱动系统和液压系统２个 部分（见图１）。驱动系统主要由电机、进水窗口和 密封塞２部分组成，控制液压系统与进水窗口连通 式中，Ｆ为活塞推靠力；Ｐ为液压缸所处位置的压强； 或隔离。工具串下井过程中隔离进水窗口与液压系 统，防止井内流体从进水窗口流经活塞杆进入压缩 缸内。座封时打开进水窗口，使液压缸与井筒贯通。 液压系统主要由液压缸、活塞、挤压套筒和中心 Ｓ为活塞横截面积；ｐ为井筒内液体密度；ｇ为重力加 速度； 为井筒内液压缸所处位置以上液柱高度。 可以计算出桥塞上部至少需要１ ７６０ ｍ的液柱。 即这种液压缸只能用作井深大于１ ７６０ ｍ的桥塞座 封施工，显然不能满足井深较浅的桥塞封堵需求。 液压缸产生的推靠力与液压缸的横截面以及井 筒内液柱的密度和高度有关，如果要增大液压缸的 推靠力，同时井筒内液柱的密度和高度不变，就只能 增大液压缸的横截面。但是液压缸的横截面受井筒 内径，不能横向增加，所以考虑将多个液压缸进 行串联。 连接杆等组成。活塞与活塞杆连接在一起，中心沟 通。活塞杆上端与驱动系统连接，下端通过中心连 接杆与桥塞芯轴连接，与上端连接的驱动系统保持 静止不动的状态。液压缸通过剪切销钉固定在中心 连接杆上，并被活塞分成２段。上端通过活塞杆与 外部隔离，下端与活塞空腔沟通形成压缩缸，压缩缸 下端连接挤压套筒推靠在桥塞上端。当井筒内的液 体进入活塞杆，并通过空腔进入压缩缸。井筒液柱 通过受力分析可见，液压缸产生的推靠力会随 缸体的数量成倍数增加（见图３）。将２个液压缸串 压力推动液压缸整体沿活塞杆向下滑动。液压缸与 活塞杆相对运动即可完成桥塞封堵和释放（见图２）。 接后，液压缸内产生的推靠力增加了１倍。通过这 电机 进水窗 密封塞 活塞杆 活塞 剪切销钉 液压缸 压缩缸 挤压套筒 井筒 桥塞 图１ 工具串下井示意图 图２桥塞座封示意图 图３液压缸串接示意图 ＊非法定计量单位，１ ｉｎ＝０．２５４ ｃｍ，１ ｌｂｆ＝４．４４８ ２２２ Ｎ，下同 测井技术 种方法解决了在浅井内使用液压式桥塞座封工具进 行桥塞作业难题。 ４安全分析 桥塞座封是通过活塞杆与液压缸相对运动而形 成，所以座封工具下井过程中，活塞杆与液压缸必须 保持相对静止。活塞杆固定在驱动系统上，作业中 液压缸体的组装个数计算 Ｎ一 ／［５（Ｈ／１０００）］ （２） 式中，Ｎ为液压缸体数量，按照向上取整的方法计 算；Ｅ为桥塞或封堵器丢手拉断力，ｔ； 为安全系数， 根据丢手拉断力的加工误差确定；Ｈ为封堵位置液 面高度，ｍ。 不发生位移。液压缸通过剪切销钉固定在活塞杆 上，当作用在剪切销钉上的剪切力大于剪切值时，液 压缸即可延活塞杆向下自由滑动（不考虑摩擦力）。 安全系数取１－３，具体根据需要提供的丢手拉 断力的加工误差确定；液面垂直有效深度为液面到 井筒内静止的液压缸主要受重力、剪切销钉的 支撑力（浮力相对较小，可忽略），从运动状态到静止 状态还有一个向下的冲力。假设工具串运行的速度 桥塞座封位置的垂直高度差；井内液体为清水，缸体 数Ｎ按照向上取整的方法计算。 ３．２延长桥塞座封时间设计 为６ ０００ ｍ／ｈ，液压缸的质量为６０ ｋｇ，突然停止用 时０．１ Ｓ。根据动量守恒定律，剪切销所受的冲击力 为１ ｔ。如果用时更短，冲击力将接近剪切销的剪切 实践证明桥塞座封过程中，需要有一定时间才 能保证桥塞卡瓦完全支撑到井壁上，同时密封胶筒 被挤压胀大在井筒内起到密封作用。如果座封时间 力（通常为２．５ ｔ），容易使桥塞受挤压卡在井筒上。 所以在电缆桥塞封堵施工中需要严格控制绞车速 太短，将可能出现桥塞卡瓦在没有完全撑开的情况 下，桥塞的剪切环被剪断，桥塞与座封工具过早分 离。桥塞的承压显然不会满足施工需求，试压时桥 塞会发生滑动下移的现象。 多组串联的液压缸设计时考虑了这个因素，将 度，严禁绞车猛停、猛放。 ５现场应用 目前液压式座封工具已在长庆油田进行了下井 试验，施工顺利，桥塞座封后试压均能满足现场施工 液压缸活塞内的进水通道进行了特殊设计，保证下 缸体内的水灌满后再进入上部缸体，液压缸压力逐 渐增加，延缓了座封时间。保证座封更加可靠。 要求。施工情况统计见表１。作业中为了提高作业 成功率，在计算的液压缸推送力与桥塞剪切力较为 接近时会增加一个液压缸体。 表１液压式桥塞座封工具上井作业统计表 ６ 结 论 （１）液压式座封工具通过液柱压力可以实现桥 关速度要求严格执行。 （４）该工具的动力源为井内液柱，因此在未明 确井内液面高度时不能采用该工艺进行作业。 参考文献： Ｅｌｉ杨玉梅，郑新生．电动式电缆桥塞座封工具［Ｊ］．中国 化工贸易，２０１３（８）：１５６—１５７． 塞座封，该设计思路科学合理。 （２）液压式座封工具的动力来源为井内液注压 力，不需要民爆物品，一方面降低了施工成本，另一 方面也方便了生产组织及工具保养，有很大的推广 价值。 ［２］周建国，郭元庆．电缆桥塞技术在试油工艺中的应用 ［Ｊ］．油气井测试，１９８９（１）：６６—７９． （收稿日期：２０１６—０７—１１本文编辑余迎） （３）考虑到安全因素，建议工具下放速度按照 《ＳＹ／Ｔ５２９９－－２００９电缆式桥塞、倒灰作业规程》相
