井下牽引器的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

馬認(rèn)琦 張璽亮 史紅娟 張鳳輝

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300451)

0 引 言

在石油勘探開發(fā)中，井下牽引器是隨著水平井技術(shù)在油氣開發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越普遍而被提出來(lái)的一種新型井下運(yùn)動(dòng)裝置。它可以滿足水平井下各種作業(yè)儀器(如測(cè)井儀器)的輸送和其它輔助作業(yè)(如射孔、打撈等)的開展，從而解決井下作業(yè)儀器或設(shè)備難以依靠重力被輸送到大斜度井、水平井井下預(yù)定位置的難題。經(jīng)過多年的發(fā)展，具有商業(yè)應(yīng)用代表性的牽引器產(chǎn)品主要包括:丹麥Welltec 公司W(wǎng)ell Tractor 輪式牽引器、英國(guó)Sondex牽引器、英國(guó)ExprGroup 公司的SmarTract 伸縮式牽引器、OMEGA 公司伸縮式牽引器、法國(guó)Schlumberger 公司的MaxTRAC 伸縮式牽引器［1］。而國(guó)內(nèi)在引進(jìn)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外理念開展了一些研究。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西南石油大學(xué)、西安石油大學(xué)、中國(guó)船舶重工集團(tuán)719 所和長(zhǎng)城鉆探工程公司測(cè)井公司等針對(duì)輪式牽引器的研究，取得了一定突破;同時(shí)，在伸縮式水平井井下牽引器的單向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)連續(xù)油管井下牽引器等技術(shù)研究方面也提出了一些實(shí)施方案?？傊瑖?guó)內(nèi)牽引器仍在期待商業(yè)化應(yīng)用的突破。

1 主流產(chǎn)品類型

水平井牽引器經(jīng)過最近十多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，可靠性和性能也不斷提高，形成了多種形式的牽引器，從其驅(qū)動(dòng)方式上可分為:轉(zhuǎn)動(dòng)輪爬行式、抓靠臂伸縮式、螺旋推進(jìn)式牽引器，其中輪式和抓靠式的應(yīng)用比較廣泛。表1 是國(guó)外井下牽引器主流產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)對(duì)比。

1.1 輪式牽引器

輪式牽引器與套管壁連續(xù)接觸，易于實(shí)現(xiàn)勻速控制，便于邊走邊側(cè)，但越障能力受到限制。輪式牽引器根據(jù)其驅(qū)動(dòng)方式可分為自主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和支撐驅(qū)動(dòng)兩種，采用自主驅(qū)動(dòng)式的典型代表是Welletc 輪式電纜牽引器，采用支撐驅(qū)動(dòng)式的代表之一是Sondex 輪式電纜牽引器。

表1 井下牽引器主流產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)對(duì)比

1)Welletc 輪式牽引器

1996 年Welletc 輪式牽引器實(shí)驗(yàn)成功并投入使用;1999 年在阿曼某油田首次用牽引器進(jìn)行了1 550 m 的測(cè)井作業(yè);2000 年在某井4 000 m 的裸眼井段也成功完成射孔、投塞、測(cè)井和打撈作業(yè)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):該牽引器由地面通訊及控制模塊、水力模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電路模塊、水力補(bǔ)償模塊五部分組成。水力模塊通過水力泵驅(qū)動(dòng)流體，控制驅(qū)動(dòng)輪伸出并以一定壓力與井壁接觸。

2)Sondex 輪式牽引器

Sondex 輪式牽引器完全由電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子，可實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)。曾在國(guó)外某油田的3 360 m 長(zhǎng)的9.625 in(1 in=25.4 mm)的套管中可靠工作97 h;在東南亞地區(qū)完成射孔作業(yè)，成功開釆油田中的剩余儲(chǔ)油。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):Sondex 牽引器主要由直流電機(jī)、壓力裝置、輪子扶正器、驅(qū)動(dòng)輪、測(cè)控部分以及套管定位器(CCL)組成。每個(gè)驅(qū)動(dòng)部分包括一對(duì)驅(qū)動(dòng)臂，由高效率的無(wú)刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)在同一根中心軸上的齒輪和驅(qū)動(dòng)鏈傳到驅(qū)動(dòng)臂上，驅(qū)動(dòng)牽引器前進(jìn)。

1.2 伸縮式牽引器

抓靠臂式牽引器有液壓電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)和純機(jī)械驅(qū)動(dòng)。抓靠式牽引器與井壁是面積接觸，能提供較大的牽引力;抓靠臂可收合，越障能力強(qiáng);間歇式前進(jìn)與后退不適合邊走邊測(cè)，能夠解決套管變徑或套管變形等較嚴(yán)重的井況條件。

1)Smartract 牽引器

Smartract 公司于2000 年3 月推出Smartract 牽引器，先后在加拿大和墨西哥灣進(jìn)行了測(cè)井作業(yè)，牽引距離接近12 192 m。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):Smartract 抓靠臂滑動(dòng)式牽引器由電纜接頭、電路部分、液壓部分和上、下抓靠臂組成。抓靠臂牽引器通過兩組可張開和收合的扶正器式抓靠臂交替撐到管壁上。

2)OMEGA 公司伸縮式牽引器

OMEGA 公司伸縮式牽引器由電纜接頭、電路部分、液壓部分以及上、下抓靠臂組成。該牽引器同樣采用可以順序張開或收合的抓靠臂交替撐在管壁上，動(dòng)力源是非電力的，借助從地面來(lái)的纜線提供拉力，但牽引力?。?］。

3)Schlumberger 公司牽引器

2003 年6 月Schlumberger 公司推出新開發(fā)的MaxTRAC 型智能水平井牽引器，曾用于中東的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和塔里木測(cè)井服務(wù)。設(shè)計(jì)的獨(dú)到之處在于避免了與井筒的接觸，降低了巖屑、不規(guī)則井段、割縫、射孔對(duì)牽引器的影響。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):采用抓靠臂為往復(fù)夾緊機(jī)構(gòu)，尺蠖式牽引系統(tǒng)。抓靠臂夾緊機(jī)構(gòu)能隨井徑變化自動(dòng)調(diào)節(jié)抓靠臂張開尺寸，這種結(jié)構(gòu)使得此牽引器不僅能在套管井中使用還可以在裸眼井、井徑變化較大的井中作業(yè)并能夠在牽引器上行和下行過程中采集井內(nèi)數(shù)據(jù)資料，具有較強(qiáng)的越障礙能力。

1.3 螺旋推進(jìn)式牽引器

比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)研制的螺旋驅(qū)動(dòng)式牽引器，有效載荷5 N，速度為80 mm/s，適應(yīng)管徑163 mm ～173 mm［3］。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):由平行于管道軸線運(yùn)動(dòng)的防偏轉(zhuǎn)輪系、軸線與管道軸線形成夾角的驅(qū)動(dòng)輪系兩部分組成，兩部分之間由萬(wàn)向節(jié)連接，萬(wàn)向節(jié)能夠傳遞扭矩。驅(qū)動(dòng)輪系主體由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿軸線旋轉(zhuǎn)，各驅(qū)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條沿著管壁的螺旋線，牽引器的前進(jìn)速度方向是螺旋運(yùn)動(dòng)速度在管道軸線方向的分量，螺旋角越小得到的驅(qū)動(dòng)力越大。

2 發(fā)展方向及建議

根據(jù)對(duì)牽引器的分析與比較，應(yīng)用于石油測(cè)井領(lǐng)域的井下牽引器技術(shù)相對(duì)成熟，但水平井鉆完井新技術(shù)工藝的發(fā)展需求給井下牽引器技術(shù)研究方向又提出了新的要求:

1)大尺寸、大牽引力的傳送牽引器

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上井下牽引器的牽引力都在1 000 kg 以下，外徑尺寸多集中在54 mm、78 mm 或86 mm，不能適用于大井眼的鉆井等作業(yè)，只能牽引測(cè)井電纜或重量輕的儀器。而適用于大位移井牽引下套管、連續(xù)管鉆井承扭加壓破巖等大牽引力作業(yè)場(chǎng)合的牽引器，承受扭矩負(fù)載需要在3 000 N·m 以上。目前，主流產(chǎn)品的牽引器牽引力較小難以滿足需求。因此，隨著牽引器的相關(guān)技術(shù)水平的不斷提高，研究適用于大井眼、地面輸送動(dòng)力源需求小、牽引力大于3 000 kg 以上的井下牽引器是井下傳送技術(shù)的新發(fā)展趨勢(shì)。

2)防鉆井液腐蝕及沖刷的密封技術(shù)

國(guó)外已研制了多種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的井下牽引器產(chǎn)品進(jìn)行井下作業(yè)，如電機(jī)輪式井下牽引器、液壓驅(qū)動(dòng)連續(xù)管式井下牽引器、純機(jī)械式井下牽引器等，但不論哪種井下牽引器都尚未成熟應(yīng)用于井下復(fù)雜的鉆井工況，主要難點(diǎn)在于鉆井作業(yè)時(shí)要承受井筒內(nèi)循環(huán)鉆井液的腐蝕及高速?zèng)_刷，所以井下牽引器的密封設(shè)計(jì)是研究方向之一。目前，鉆井液絕大多數(shù)為水基鉆井液，具有腐蝕性且含有固相顆粒，對(duì)石油工具的影響是材料腐蝕、高速?zèng)_刷和損壞液壓密封等。一般來(lái)說，3 000 m 左右的井，鉆井液密度一般在1.2 g/m3～1.3 g/m3左右，井底壓力為60 MPa 左右。

3)越障能力強(qiáng)、自解卡性能突出的牽引器

牽引器下井之后，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控牽引器的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井內(nèi)障礙物、井徑變化或坍塌等異常情況，避免牽引器卡井、異常斷電等井下事故的發(fā)生。因此，研究具有井下信息狀態(tài)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)采集、越障及雙向運(yùn)動(dòng)功能的牽引器是非常必要的。

4)井下高溫下高壓直流載波電能及信號(hào)傳輸超強(qiáng)電纜技術(shù)

研究大牽引力的牽引器技術(shù)難點(diǎn)主要局限于井下高溫環(huán)境下建立高壓直流供電的全雙工載波技術(shù)和單總線通信技術(shù)。而斯倫貝謝公司新近推出的7 -48ZU電纜，僅是40 000 ft(12 192 m)的超長(zhǎng)電纜，全球范圍內(nèi)，已經(jīng)完成了200 多次下井作業(yè)，但也僅能為直流電動(dòng)機(jī)提供最大1 200 W 的動(dòng)力，遠(yuǎn)不能傳輸更充足的動(dòng)力。因此，研究井下高溫環(huán)境下高壓直流載波電能及信號(hào)傳輸超強(qiáng)電纜是今后一段時(shí)間的新技術(shù)方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，常用的井下牽引器可以滿足射孔、套管測(cè)井、打撈、封堵、提撈取樣、油井除垢、碎屑(堵塞)清洗、開關(guān)閥等井下測(cè)井及修井作業(yè)［4］。但隨著我國(guó)頁(yè)巖油氣、致密砂巖油氣和煤層氣等礦產(chǎn)開采，U 型水平連通井、魚骨刺井、多分支水平井等開發(fā)井型以及水平井多級(jí)壓裂工藝技術(shù)的推廣對(duì)新一代井下牽引器的需求將提出更高的要求。因此，大尺寸、大牽引力、高速度爬行、越障及自動(dòng)解卡能力強(qiáng)等不同類型的牽引器技術(shù)，是商業(yè)上應(yīng)用的最新發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)隨著工業(yè)技術(shù)水平和油氣田開發(fā)技術(shù)水平的提高而實(shí)現(xiàn)。

［1］張鳳岐.拖拉器在水平井中的生產(chǎn)測(cè)井工藝及應(yīng)用［J］.石油儀器，2006，20(5):92 -93.

［2］［法］Roissy，斯倫貝謝公司編譯. 井下傳送新技術(shù)［J］. 國(guó)外測(cè)井技術(shù)，2012，27(5):16 -18.

［3］徐德寧.水平井牽引機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2010

［4］趙 軒，何順利.美國(guó)頁(yè)巖氣藏水平井生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)［J］.國(guó)外油田工程，2010，26(12):55 -58.