0 引言

目前，在海上完井市场中进行单独封隔器的投放^[1]及坐封时均采用电缆火药爆炸^[2-6]和使用钻杆或油管液压提供动力完成。为了提高作业效率和降低海上作业时效成本，对于井斜60°以下的井况多采用效率较高的电缆火药爆炸形式进行封隔器的快速投放，但常规电缆火药爆炸坐封工具需要使用民用火工品，其在工具准备、使用和现场维保过程中均存在较大的安全隐患，且国家对火药的贮存、运输及安装使用都有严格规定，在一定程度上增加了管理成本；同时在技术上因其只能进行一次点火坐封，当脱手释放销钉的设定拉断值因工况复杂存在额外偏差时，其无法进行二次加载提高坐封和脱手的推力载荷，亦存在封隔器不能完全坐封及后续电缆无法脱手等风险。与此同时，调研发现国内外部分油服公司拥有与自己桥塞配套的电动式或电动液压式坐封工具^[7-10]，其无法满足与海上完井封隔器配套及高效坐封和脱手一体化的要求。

针对上述问题和渤海垦利油田多采用多组封隔器单独投放进行分段注水的作业需求^[11]，笔者研制了适合海上系列完井封隔器可连续投放的高效电动液压坐封脱手一体化工具，并对工具进行了强度分析和现场试验。

1 技术分析 1.1 结构

电动液压坐封脱手一体化工具结构如图 1所示。

该工具主要由电-液动力装置、坐封与脱手一体化机构和井口配套装置3部分组成，其上端可依次连接CCL磁定位测井仪，通过电缆实现系列封隔器高效下入的连续作业。

电-液动力装置结构如图 2所示。装置优选井下微型直流电机和液压泵，可将低功率电能转换为35 MPa的输出油压，且在装置下端设置有出口单向阀和高压溢流阀，可有效防止井内完井液或钻井液回流污染工具，同时避免负载过大导致工具内部油压超额损坏的失效风险。在工具油箱底部增设平衡弹簧和浮动活塞，可有效避免内部液压油因温度变化膨胀而引起的额外压力影响。

坐封与脱手一体化机构结构如图 3所示，主要包括注油接头、一级活塞、二级活塞、活塞心轴、三级活塞、四级活塞、安全销钉、坐封推筒、释放螺栓、承托环、悬挂弹性爪和支撑套等。坐封机构设计为4级活塞，可满足海上系列完井封隔器坐封和脱手的轴向推力载荷需要。脱手机构设计一种具有唯一最小剪切过渡弧面的释放螺栓和带内部支撑套的悬挂弹性爪，可满足一体化坐封和脱手的精准控制需要。

在井口配套装置中，为了实现在井口通过电缆对井下工具的有效控制和连续作业的高效维保，配套设计了动力控制箱(见图 4a)和注油电泵(见图 4b)。动力控制箱可将220 V交流电转换为井下直流电机所需的100 V直流电，实现低输入功率与高输出载荷的有效控制。注油电泵与动力装置油箱设计有专用的注油单向阀嘴，可在连续作业中保持不拆解工具的状态下实现井下工具的快速注油复位，满足海上油田连续下入多组封隔器的高效维保要求。

1.2 工作原理

首先采用电缆连接工具入井并校深确认到位，然后根据电缆实测电阻计算损耗的电压，再调定井口输出至直流电机的输入电压为100 V左右，设定最大负载下的工作电流为3 A并启动井下电-液动力装置。井下直流电机通过电磁传动器带动微型液压泵将油箱中的液压油加压，并通过输油中心管注入到下端连接的坐封工具活塞中，随着液压油不断注入4级活塞，坐封工具末端的坐封推筒在90 kN时剪切安全销钉后，挤压封隔器胶筒和卡瓦径向膨胀直至坐封完成。最后当轴向推力继续增大至释放螺栓250 kN的极限抗拉载荷时，释放螺栓被拉断，悬挂弹性爪内部的支撑套下移，即实现送入工具与封隔器上部的连接螺纹脱离，同时可通过监测井口输出电流瞬间变小以判断封隔器是否顺利完成了一键式坐封和脱手的功能联动。

1.3 技术创新点

(1) 在设计电-液动力装置时，优选井下微型直流电机、磁力传动装置和液压泵，可将井口低功率电能转化为井下35 MPa的较高输出油压；同时配备了出口单向阀、高压溢流阀和浮动活塞装置，保证了动力装置工作的安全性，满足了海上系列完井封隔器坐封和脱手所需推力载荷的动力源需要。

(2) 在设计坐封与脱手一体化机构时，创新设计了4级活塞，可将动力装置的输出油压转化为400 kN的推力载荷，同时对脱手释放螺栓的剪切过渡弧面进行优化设计，可实现封隔器坐封完成后精准拉断的一体化脱手，且可通过更换坐封推筒和悬挂弹性爪规格，满足各种完井封隔器的连续投放作业。

(3) 为了提高工具的操作可靠性，配套设计了可将井口普通220 V交流电压转化为井下直流电机所需的100 V额定电压和3 A额定电流的动力控制箱，并可通过调节输入电流以精确控制井下输出油压和推力载荷；同时配套设计了可快速给工具注油并使工具复位的注油电泵，提高了封隔器连续投放作业的维保效率。

1.4 主要技术参数

工具外径100 mm，总长3 400 mm，适用温度150 ℃，最大适用井深6 000 m，适用于ø139.7 mm及以上套管井用封隔器投放，动力装置油箱容积3 L，最高输出油压35 MPa，井上供50 Hz、220 V单相交流电，脱手释放螺栓拉断载荷250 kN(可调)，最大轴向推力载荷400 kN。

2 工具强度分析与室内试验 2.1 工具承压强度分析与试验

电-液动力装置作为井下工具动力来源的核心装置，因其内部元件多、输油流道密集，故其外筒和高压油路是整套工具承压能力最薄弱的机构，设计要求其可承受50 MPa泵注压力的极限工况。笔者选择动力装置的基体材料为17-4PH不锈钢，其屈服强度为728 MPa，根据适用工况考虑1.5倍安全系数时，取其安全设计油压为35 MPa，用Solidworks simulation软件对动力装置分别进行额定35 MPa和极限50 MPa输出油压受力分析，结果如图 5所示。

有限元分析结果显示，当动力装置内部油压分别达到35和50 MPa时，最大应力均出现在动力装置下部输油中心管与出口单向阀附近，其应力值分别为487.9和697.0 MPa，均小于所用材质的许用屈服强度，故该工具满足35 MPa额定和最大50 MPa极限输出油压的强度要求。最后通过设定启动压力为35 MPa的溢流阀以控制工具最大输出油压为35 MPa。

为了验证动力装置的有效输出压力和工具承压能力，在试验车间通过在下端安装压力表的方法对其进行输出压力测试，测试结果如表 1所示。

测试结果显示，当直流电机的输入电压设定为100 V时，随着电流稳步上升，其有效输出油压亦稳定增加，当负载电流为3 A时，测得最大输出油压为34.5 MPa，稳压15 min未见压降，故动力装置的有效输出油压和承压能力均满足设计要求。

2.2 脱手释放螺栓的拉断强度分析与试验

释放螺栓作为封隔器坐封载荷和脱手载荷控制的核心零件，其拉断精度值和稳定性决定了封隔器是否可以达到完全坐封和顺利脱手的目的。笔者对释放螺栓的断面结构进行了优化设计，定制了一批材质抗拉强度为921.2 MPa、屈服强度为784.8 MPa、伸长率为10.5%、硬度为28 HRC，且最小剪切面直径相同的圆柱和圆弧过渡2种断面的释放螺栓。2种释放螺栓照片如图 6所示。使用Solidworks Simulation软件对2种释放螺栓同时承受250 kN拉力载荷工况进行受力分析，结果如图 7所示。

有限元分析结果显示，对于圆柱断面的释放螺栓在承受250 kN拉力载荷时, 最大应力为1 227 MPa，满足拉断的强度要求，但其最大应力集中分布在2处变径位置，且中部最小等径圆柱断面的受拉轴向变形较大，故其拉断位置及精度控制难度相对较大；对于圆弧过渡断面的释放螺栓在承受250 kN拉力载荷时，最大应力为1 093 MPa，也满足拉断的强度要求，其最大应力集中出现在中部唯一的最小直径断面，且其受拉轴向变形相对较小。因此，为了精确控制释放螺栓的剪切位置，以及避免过度拉伸变形对拉断值的误差影响，笔者优选圆弧过渡释放螺栓进行现场应用。

为进一步验证2种释放螺栓的拉断精度和稳定性，笔者使用Z600双立柱万能材料试验机对2组释放螺栓进行发拉断测试，测试结果如表 2所示。

测试结果显示，圆柱断面的释放螺栓拉断值误差小于7%，伸长量小于9 mm，而经优化设计圆弧过渡断面的释放螺栓拉断值误差小于4%，伸长量小于5 mm，考虑拉断精度和伸长量的影响，笔者选择圆弧过渡断面的释放螺栓作为控制封隔器坐封和脱手推力载荷的关键零件。

3 现场试验

在JJSY-1试验井对工具进行整机下井试验，以检验工具现场作业的操作可行性和功能参数的技术可靠性。封隔器下入井深为1 781 m，实测电缆电阻为31 Ω，为保证井下直流电机的100 V输入电压，设定井口直流输出电压为160 V。工具组合依次为顶部封隔器、电动液压坐封脱手一体化工具、CCL磁定位测井仪、马龙头和电缆，进行封隔器坐封、脱手和验封测试，试验结果如表 3所示。

下井测试发现，当输入电流增加至1.74 A时，实现了顶部封隔器的一键式坐封和脱手功能。通过检验封隔器的锚定力和密封压力发现，该工具实现了顶部封隔器的完全坐封到位，同时通过回收送入工具的摩阻发现，工具实现了一键式坐封和有效脱手的一体化功能，本次下井成功证明该工具已具备了现场推广应用条件。

4 结论

(1) 创新设计的电动液压坐封脱手一体化工具可满足海上系列完井封隔器连续投放的要求，可以替代海上长期利用火药坐封的传统电缆投放方式，且更加安全、可靠和高效。

(2) 通过对工具强度的分析和试验发现，其动力装置的有效输出油压和承压能力均满足35 MPa的设计要求，优化设计圆弧过渡断面释放螺栓拉断值误差小于4%，伸长量小于5 mm，满足拉断脱手的精度和稳定性要求。

(3) 通过JJSY-1试验井的整机试验，说明该工具可实现一键式完成封隔器坐封和脱手的功能，各项技术指标均符合设计要求，提高了现场作业的效率和安全性，在海上油田具有较高的技术优势和推广应用价值。