遠(yuǎn)程控制水泥頭的研制及性能試驗(yàn)

鄭曉志， 周保德， 張紅艷， 戴文潮，陳志峰， 李風(fēng)雷

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.北京石油機(jī)械廠，北京 102206)

?鉆井完井?

遠(yuǎn)程控制水泥頭的研制及性能試驗(yàn)

鄭曉志1， 周保德1， 張紅艷2， 戴文潮1，陳志峰1， 李風(fēng)雷1

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.北京石油機(jī)械廠，北京 102206)

深井、超深井尾管固井作業(yè)中施工壓力高，井口固井水泥頭的操作難度和安全風(fēng)險(xiǎn)較大，為此，在對(duì)常規(guī)水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上研制了遠(yuǎn)程控制水泥頭，結(jié)合水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并采用無線通訊控制技術(shù)進(jìn)行氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制水泥頭投塞、投球和固井管匯通斷。室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明，遠(yuǎn)程控制水泥頭滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求。遠(yuǎn)程控制水泥頭在某地?zé)峋叹鳂I(yè)中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過遠(yuǎn)程控制水泥頭控制終端，順利完成了各項(xiàng)功能動(dòng)作，達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求。遠(yuǎn)程控制水泥頭的成功研制，為井口高壓環(huán)境下固井作業(yè)安全提供了保障。

固井；水泥頭；遠(yuǎn)程控制；性能試驗(yàn)

隨著油氣勘探開發(fā)從淺層、中深層向深層、超深層發(fā)展,鉆井難度越來越大，尾管固井作業(yè)環(huán)境日趨復(fù)雜,封固段增長(zhǎng)、注替量增大、施工泵壓升高[1-5]，對(duì)固井所用的鉆桿水泥頭的耐壓等級(jí)要求逐漸提高，井口操作人員人身安全風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，因此，確保高壓環(huán)境下井口水泥頭的操作安全成為關(guān)鍵。目前，國(guó)外幾大石油工具服務(wù)公司均研發(fā)了遠(yuǎn)程控制水泥頭，并且已在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，如Halliburton公司的Commander 1000 Top_Drive 水泥頭、Baker Hughes公司 的LaunchPRO Wireless TD 水泥頭以及Weatherford公司的Remote_Control Top_Drive 水泥頭。國(guó)內(nèi)的遠(yuǎn)程控制水泥頭技術(shù)尚處于調(diào)查研究階段，尚未見到可遠(yuǎn)程控制的固井水泥頭工具的相關(guān)報(bào)道[6-9]。為此，筆者通過對(duì)常規(guī)水泥頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，配置氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并采用無線通訊控制方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，研制了遠(yuǎn)程控制水泥頭原理樣機(jī)，并開展了遠(yuǎn)程控制水泥頭的室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為井口高壓環(huán)境下的固井作業(yè)提供了一種新的安全有效的工具。

1 遠(yuǎn)程控制水泥頭技術(shù)要求及設(shè)計(jì)思路

研制遠(yuǎn)程控制水泥頭的關(guān)鍵是,設(shè)計(jì)適用于鉆機(jī)電磁干擾環(huán)境下的無線通訊控制系統(tǒng)，以及如何將遠(yuǎn)程控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與常規(guī)水泥頭相結(jié)合以滿足固井工藝要求，為此需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

1) 常規(guī)水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將可控的機(jī)械機(jī)構(gòu)與常規(guī)水泥頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使可遠(yuǎn)程控制的機(jī)械機(jī)構(gòu)完成水泥頭投球、投塞和管匯通斷等功能動(dòng)作[10-13]。

2) 機(jī)械機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是遠(yuǎn)程控制水泥頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的保證；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有安全、方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，成為鉆機(jī)上遠(yuǎn)距離操作水泥頭的最佳選擇。

3) 水泥頭操作命令輸入、傳輸及解讀。常規(guī)尾管固井作業(yè)中，需要嚴(yán)格按照先后次序和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行投球坐掛懸掛器、循環(huán)鉆井液、泵注水泥漿、投放膠塞和泵注頂塞液等操作步驟，無法傳遞操作信息、傳遞錯(cuò)誤的操作信息或信息延遲都將導(dǎo)致固井作業(yè)的施工風(fēng)險(xiǎn)甚至井下故障的發(fā)生，因此可靠、安全的通訊控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水泥頭遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。

根據(jù)研制遠(yuǎn)程控制水泥頭的技術(shù)關(guān)鍵，確定其設(shè)計(jì)思路為：在保留常規(guī)水泥頭整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)投球、投塞的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；機(jī)械機(jī)構(gòu)配置氣動(dòng)執(zhí)行器件，通過氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)作；采用無線通訊控制技術(shù)控制氣動(dòng)系統(tǒng)中的電磁閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制氣動(dòng)系統(tǒng)的目的；采用人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作命令的輸出、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息反饋。

2 遠(yuǎn)程控制水泥頭的結(jié)構(gòu)

結(jié)合常規(guī)鉆桿水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)以及遠(yuǎn)程控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制水泥頭主要由水泥頭機(jī)械本體、氣動(dòng)系統(tǒng)、工控單元(上位機(jī))和無線操作終端(下位機(jī))組成，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制水泥頭的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structural compositions of the remotely-controlled cement head

機(jī)械本體在常規(guī)鉆桿水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要完成固井井口機(jī)械連接、循環(huán)管匯連接及通斷控制和憋壓球與固井膠塞的儲(chǔ)存及投放等功能。

氣動(dòng)系統(tǒng)由執(zhí)行氣缸、電磁換向閥等氣動(dòng)元件組成，通過控制電磁閥的通斷，實(shí)現(xiàn)氣路換向控制，從而通過執(zhí)行氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)完成水泥頭各項(xiàng)功能動(dòng)作。

工控單元(上位機(jī))、無線操作終端及其之間的通訊模塊組成通訊控制系統(tǒng)，作為遠(yuǎn)程控制水泥頭的“大腦”，進(jìn)行操作命令的獲取、解讀以及輸出控制信號(hào)，并控制氣動(dòng)系統(tǒng)完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械機(jī)構(gòu)完成既定功能的目的。

氣動(dòng)系統(tǒng)和工控單元(上位機(jī))統(tǒng)一集成在防爆箱內(nèi)，安裝于機(jī)械本體上。操作終端(下位機(jī))采用便攜式計(jì)算機(jī)，通過人機(jī)交互的組態(tài)軟件，將人工操作命令通過數(shù)據(jù)通信遠(yuǎn)距離無線傳輸給工控單元(上位機(jī))，從而遠(yuǎn)程操控水泥頭完成各項(xiàng)功能動(dòng)作。

3 遠(yuǎn)程控制水泥頭的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 整體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程控制水泥頭的機(jī)械本體用于連接鉆桿與注

水泥管匯，各功能部件組合完成固井水泥頭的各項(xiàng)功能。遠(yuǎn)程控制水泥頭整體結(jié)構(gòu)主要由提拉頂蓋、本體、膠塞釋放機(jī)構(gòu)、投球裝置、旋轉(zhuǎn)單元和下接頭組成(見圖2)。

提拉頂蓋用于水泥頭吊裝，上由壬接口和下由壬接口用于連接固井管匯、膠塞釋放機(jī)構(gòu)和投球裝置，在氣動(dòng)執(zhí)行器的作用下實(shí)現(xiàn)膠塞投放和憋壓球的投球功能，下接頭主要用于連接鉆桿。遠(yuǎn)程控制水泥頭機(jī)械本體的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：水泥頭直徑127.0 mm，工作壓力35 MPa，最大軸向載荷6.54 MN；連接扣型為φ114.3 mm貫眼鉆桿扣；管匯規(guī)格為φ50.8 mm,連接扣型為1502型由壬扣；膠塞容腔內(nèi)徑100.0 mm；膠塞容腔長(zhǎng)度355.0 mm；水泥頭整體長(zhǎng)度2 832.0 mm。

圖2 水泥頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Overall structural design of the cement head

3.1.2 膠塞投放機(jī)構(gòu)

膠塞投放機(jī)構(gòu)主要完成固井膠塞投放動(dòng)作，由擺動(dòng)氣缸、左側(cè)密封環(huán)、右側(cè)密封環(huán)、旋轉(zhuǎn)擋銷和扳手組成(見圖3)。膠塞存放在水泥頭本體內(nèi)，被旋轉(zhuǎn)擋銷限位，如圖3(a)所示；需要釋放膠塞時(shí)，控制擺動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)90°，使旋轉(zhuǎn)擋銷中心孔與水泥頭本體內(nèi)孔貫通，打開上由壬管匯閥門，泵注頂替液，在液力作用下膠塞下行，完成膠塞釋放，如圖3(b)所示。旋轉(zhuǎn)擋銷末端的扳手具有2個(gè)作用：一是跟隨旋轉(zhuǎn)擋銷一起轉(zhuǎn)動(dòng)，起到投塞動(dòng)作指示的作用；二是當(dāng)控制系統(tǒng)失效時(shí)，可以人工扳動(dòng)手柄，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)應(yīng)急釋放膠塞功能。

圖3 膠塞投放機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)Fig.3 The basic structure of rubber plug releasing device

3.1.3 憋壓球投球機(jī)構(gòu)

憋壓球投球機(jī)構(gòu)主要完成憋壓球投放動(dòng)作，由球筒、球蓋、球框及投球氣缸組成(見圖4)。憋壓球通過球蓋投放在投球機(jī)構(gòu)內(nèi)的球框中，球框?qū)⑶蛳薅ㄔ趫A孔內(nèi)，當(dāng)需要投球時(shí)，控制投球氣缸動(dòng)作，氣缸活塞桿推動(dòng)球框進(jìn)入到水泥頭本體內(nèi)腔，球從球框中自由落入水泥頭內(nèi)，完成投球作業(yè)。適用投放的憋壓球直徑為38.0～50.0 mm；投球氣缸采用雙作用直線氣缸，當(dāng)控制系統(tǒng)失效時(shí)，可直接手動(dòng)推動(dòng)氣缸活塞，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)應(yīng)急操作。

圖4 憋壓球投球機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)Fig.4 The basic structure of the pressured ball releasing device

3.1.4 管匯通斷控制機(jī)構(gòu)

根據(jù)固井施工要求，選擇可控的氣動(dòng)旋塞閥作為控制固井管匯通斷的機(jī)械裝置。在普通旋塞閥上安裝有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)頭，通過電磁閥控制通斷，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)旋塞閥往復(fù)旋轉(zhuǎn)90°，從而達(dá)到旋塞閥上的通道口與閥體上的通道口連通或隔離的目的。設(shè)計(jì)采用額定工作壓力105 MPa的氣動(dòng)旋塞閥,采用24 V直流電源驅(qū)動(dòng)。

3.2 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合水泥頭的功能特點(diǎn)，投塞、投球和旋塞閥均可采用獨(dú)立的氣動(dòng)控制回路。以投球氣動(dòng)控制回路為例進(jìn)行介紹，投球氣動(dòng)控制回路中采用1個(gè)兩位三通電磁換向閥控制回路通斷，1個(gè)兩位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)直線氣缸往復(fù)動(dòng)作，同時(shí)設(shè)置2個(gè)調(diào)速閥，達(dá)到氣路緩沖、執(zhí)行器平穩(wěn)動(dòng)作的目的(見圖5)[14-16]。投球氣動(dòng)控制回路處于初始狀態(tài)時(shí)，兩位四通電磁換向閥為右位機(jī)能；需要進(jìn)行投球動(dòng)作時(shí)，給兩位四通電磁換向閥通電，控制氣缸前進(jìn)，球框?qū)⑶蛲扑偷奖倔w內(nèi)腔自然下落，完成投球動(dòng)作，隨后電磁換向閥斷電，兩位四通閥回到右位機(jī)能，投球氣缸復(fù)位，將球框從本體內(nèi)腔收回，不影響后續(xù)釋放膠塞作業(yè)。

圖5 氣動(dòng)控制系統(tǒng)基本工作原理Fig.5 Main working principles of the pneumatic control system

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，采用鉆機(jī)的0.8 MPa氣源作為動(dòng)力，選用閥板集成型氣動(dòng)控制閥，并應(yīng)用蓄電池供電，閥和蓄電池集成在防爆控制箱內(nèi)。所有執(zhí)行元件均帶有手動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能，以保證電控系統(tǒng)失效時(shí)能手動(dòng)操作完成機(jī)械機(jī)構(gòu)功能動(dòng)作，確保施工作業(yè)正常連續(xù)進(jìn)行。

3.3 無線通訊操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通訊控制系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)采用無線通訊方式進(jìn)行操控信息交互[17-18]。其中，上位機(jī)采用西門子可編程邏輯控制器S7-200型PLC,完成氣動(dòng)系統(tǒng)中各電磁閥的驅(qū)動(dòng)和動(dòng)作反饋顯示；下位機(jī)采用預(yù)裝Windows CE操作系統(tǒng)的工業(yè)便攜計(jì)算機(jī)。由于VS2005編程工具與Windows CE操作系統(tǒng)具有良好的兼容性，所以上位機(jī)人機(jī)操作交互界面用VS2005編程工具編寫。上位機(jī)與下位機(jī)采用成熟的433 MHz的無線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)和下位機(jī)與無線模塊之間采用RS485接口進(jìn)行通訊，2個(gè)均可串口發(fā)射與串口接收，以保證上位機(jī)和下位機(jī)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確性。所有元器件均采用24 V蓄電池供電。無線通訊控制系統(tǒng)組成如圖6所示。

為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行及防止誤操作，在控制程序設(shè)計(jì)中設(shè)置了“看門狗”，負(fù)責(zé)程序狀態(tài)監(jiān)測(cè)及糾正，且操作終端所有按鍵操作均采用“長(zhǎng)按組合按鍵”有效的判斷方式；為便于施工步驟的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，控制箱上的動(dòng)作顯示與操作終端面板上流程顯示燈采取同步顯示方式?？刂瞥绦蛄鞒淘O(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6 無線通訊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成Fig.6 Components of the radio communication control system

圖7 控制程序設(shè)計(jì)流程Fig.7 The procedure of control program design

4 遠(yuǎn)程控制水泥頭性能試驗(yàn)

4.1 室內(nèi)測(cè)試

按照水泥頭及膠塞行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)遠(yuǎn)程控制水泥頭進(jìn)行室內(nèi)性能測(cè)試，水泥頭整體試壓35 MPa，無泄漏，水泥頭密封性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，操作人員手持無線操作終端距離水泥頭50 m進(jìn)行操控，投球、投塞及旋塞閥均能正常動(dòng)作，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

遠(yuǎn)程控制水泥頭在河北某地?zé)峋M(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井設(shè)計(jì)井深2 440.69 m，垂深2 301.00 m，二開采用φ177.8 mm套管及篩管進(jìn)行完井，其套管串結(jié)構(gòu)(由下至上)為：φ177.8 mm引鞋+φ177.8 mm篩管串+球座+φ177.8 mm管外封隔器+φ177.8 mm注水泥分級(jí)箍+φ177.8 mm技術(shù)套管+懸掛器(φ193.7 mm×φ177.8 mm)+φ127.0 mm送入鉆具。

井口安裝遠(yuǎn)程控制水泥頭，總氣源管線連接至立管旁0.8 MPa鉆機(jī)氣源接口。在距離井口5.00 m位置處，操作水泥頭控制終端，依次操作下由壬旋塞閥、投球氣缸、投塞旋轉(zhuǎn)氣缸和上由壬旋塞閥，均正常動(dòng)作，泵注水泥漿45 m3，膠塞到位碰壓12 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，遠(yuǎn)程控制水泥頭能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制固井施工，達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求。

5 結(jié)論與建議

1) 通過改進(jìn)常規(guī)水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和集成氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)采用無線通訊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水泥頭的遠(yuǎn)程控制，能夠降低深井固井及井口高壓作業(yè)環(huán)境下的固井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2) 室內(nèi)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，遠(yuǎn)程控制水泥頭各項(xiàng)指標(biāo)功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求，建議進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并根據(jù)試驗(yàn)情況對(duì)具性能進(jìn)行改進(jìn)，以提高工具的可靠性。

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[編輯 滕春鳴]

歡迎訂閱2018年《石油鉆探技術(shù)》

《石油鉆探技術(shù)》創(chuàng)刊于1973年，由中國(guó)石油化工集團(tuán)公司主管、中國(guó)石化集團(tuán)石油工程技術(shù)研究院主辦，是全國(guó)中文核心期刊和歷年中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源刊，被中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD)、美國(guó)《石油文摘》與《化學(xué)文摘》、《中國(guó)石油文摘》和《中國(guó)地質(zhì)文摘》等大量摘錄。

本刊主要報(bào)道國(guó)內(nèi)石油工程(包括鉆井、鉆井液、固井、測(cè)井、錄井、完井、開采等專業(yè))以及鉆采機(jī)械設(shè)備與自動(dòng)化方面的科技進(jìn)展和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)介紹國(guó)外石油工程技術(shù)發(fā)展的水平和動(dòng)向。本刊主要欄目為專家視點(diǎn)、鉆井完井、油氣開發(fā)、測(cè)井錄井。適合于石油、海洋、地礦行業(yè)廣大石油工程技術(shù)人員、高等院校師生和經(jīng)營(yíng)管理者閱讀。

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Development and Performance Tests of Remotely-Controlled Cement Head

ZHENG Xiaozhi1,ZHOU Baode1,ZHANG Hongyan2,DAI Wenchao1,CHEN Zhifeng1,LI Fenglei1

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China; 2.BeijingPetroleumMachineryCo.,Beijing,102206,China)

Due to high operation pressure in liner cementing in deep and ultra-deep wells,it is possible to have significant difficulties and high safety risks in the operation of the wellhead cement head.For this reason,pneumatic driving systems for mechanical structures have been designed on the basis of modifications of mechanical structures in conventional cement heads,combined with the characteristics of mechanical structures of cement head,which allows the remote control of the pneumatic driving system by the use of radio communication techniques.A remotely-controlled cement head has been developed,to complete the plug drop,ball drop and on-off the cementing manifold by remote control.Lab test results showed that the new remotely-controlled cement head could effectively meet the exigencies of field testing.The new cement head has been tested in cementation of a geothermal well through the remote operations of controlling terminals,and thus various actions were performed smoothly enough to satisfy design requirements.The successful development of the remotely-controlled cement head can provide the guarantee for well cementation operations under high wellhead pressures.

well cementing; cement head; remote control; performance test

2016-11-24；改回日期：2017-02-24。

鄭曉志(1962—)，男，遼寧盤山人，1988年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)采油專業(yè)，2007年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事井筒完井工具及工藝技術(shù)研發(fā)和管理工作。E-mail：zxz@shelfoil.com。

中國(guó)石化安監(jiān)局項(xiàng)目“遠(yuǎn)程控制井口注水泥技術(shù)研究”(編號(hào)：G10-WT-16-38)部分研究?jī)?nèi)容。

10.11911/syztjs.201704014

TE925+.2

A

1001-0890(2017)04-0081-06