井下牵引器的技术现状及发展趋势

马认琦 张玺亮 史红娟 张凤辉

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300451)

0 引 言

在石油勘探开发中，井下牵引器是随着水平井技术在油气开发中应用越来越普遍而被提出来的一种新型井下运动装置。它可以满足水平井下各种作业仪器(如测井仪器)的输送和其它辅助作业(如射孔、打捞等)的开展，从而解决井下作业仪器或设备难以依靠重力被输送到大斜度井、水平井井下预定位置的难题。经过多年的发展，具有商业应用代表性的牵引器产品主要包括:丹麦Welltec 公司Well Tractor 轮式牵引器、英国Sondex牵引器、英国ExprGroup 公司的SmarTract 伸缩式牵引器、OMEGA 公司伸缩式牵引器、法国Schlumberger 公司的MaxTRAC 伸缩式牵引器［1］。而国内在引进相关技术的基础上，借鉴国外理念开展了一些研究。目前，哈尔滨工业大学、西南石油大学、西安石油大学、中国船舶重工集团719 所和长城钻探工程公司测井公司等针对轮式牵引器的研究，取得了一定突破;同时，在伸缩式水平井井下牵引器的单向运动机构、电机驱动连续油管井下牵引器等技术研究方面也提出了一些实施方案。总之，国内牵引器仍在期待商业化应用的突破。

1 主流产品类型

水平井牵引器经过最近十多年的发展，结构不断改进，可靠性和性能也不断提高，形成了多种形式的牵引器，从其驱动方式上可分为:转动轮爬行式、抓靠臂伸缩式、螺旋推进式牵引器，其中轮式和抓靠式的应用比较广泛。表1 是国外井下牵引器主流产品技术参数对比。

1.1 轮式牵引器

轮式牵引器与套管壁连续接触，易于实现匀速控制，便于边走边侧，但越障能力受到限制。轮式牵引器根据其驱动方式可分为自主旋转驱动和支撑驱动两种，采用自主驱动式的典型代表是Welletc 轮式电缆牵引器，采用支撑驱动式的代表之一是Sondex 轮式电缆牵引器。

表1 井下牵引器主流产品技术参数对比

1)Welletc 轮式牵引器

1996 年Welletc 轮式牵引器实验成功并投入使用;1999 年在阿曼某油田首次用牵引器进行了1 550 m 的测井作业;2000 年在某井4 000 m 的裸眼井段也成功完成射孔、投塞、测井和打捞作业。

结构特点:该牵引器由地面通讯及控制模块、水力模块、驱动模块、电路模块、水力补偿模块五部分组成。水力模块通过水力泵驱动流体，控制驱动轮伸出并以一定压力与井壁接触。

2)Sondex 轮式牵引器

Sondex 轮式牵引器完全由电机驱动轮子，可实现双向驱动。曾在国外某油田的3 360 m 长的9.625 in(1 in=25.4 mm)的套管中可靠工作97 h;在东南亚地区完成射孔作业，成功开釆油田中的剩余储油。

结构特点:Sondex 牵引器主要由直流电机、压力装置、轮子扶正器、驱动轮、测控部分以及套管定位器(CCL)组成。每个驱动部分包括一对驱动臂，由高效率的无刷直流电机旋转带动在同一根中心轴上的齿轮和驱动链传到驱动臂上，驱动牵引器前进。

1.2 伸缩式牵引器

抓靠臂式牵引器有液压电机混合驱动和纯机械驱动。抓靠式牵引器与井壁是面积接触，能提供较大的牵引力;抓靠臂可收合，越障能力强;间歇式前进与后退不适合边走边测，能够解决套管变径或套管变形等较严重的井况条件。

1)Smartract 牵引器

Smartract 公司于2000 年3 月推出Smartract 牵引器，先后在加拿大和墨西哥湾进行了测井作业，牵引距离接近12 192 m。

结构特点:Smartract 抓靠臂滑动式牵引器由电缆接头、电路部分、液压部分和上、下抓靠臂组成。抓靠臂牵引器通过两组可张开和收合的扶正器式抓靠臂交替撑到管壁上。

2)OMEGA 公司伸缩式牵引器

OMEGA 公司伸缩式牵引器由电缆接头、电路部分、液压部分以及上、下抓靠臂组成。该牵引器同样采用可以顺序张开或收合的抓靠臂交替撑在管壁上，动力源是非电力的，借助从地面来的缆线提供拉力，但牵引力小［2］。

3)Schlumberger 公司牵引器

2003 年6 月Schlumberger 公司推出新开发的MaxTRAC 型智能水平井牵引器，曾用于中东的现场测试和塔里木测井服务。设计的独到之处在于避免了与井筒的接触，降低了岩屑、不规则井段、割缝、射孔对牵引器的影响。

结构特点:采用抓靠臂为往复夹紧机构，尺蠖式牵引系统。抓靠臂夹紧机构能随井径变化自动调节抓靠臂张开尺寸，这种结构使得此牵引器不仅能在套管井中使用还可以在裸眼井、井径变化较大的井中作业并能够在牵引器上行和下行过程中采集井内数据资料，具有较强的越障碍能力。

1.3 螺旋推进式牵引器

比利时布鲁塞尔自由大学研制的螺旋驱动式牵引器，有效载荷5 N，速度为80 mm/s，适应管径163 mm ～173 mm［3］。

结构特点:由平行于管道轴线运动的防偏转轮系、轴线与管道轴线形成夹角的驱动轮系两部分组成，两部分之间由万向节连接，万向节能够传递扭矩。驱动轮系主体由驱动电机驱动沿轴线旋转，各驱轮的运动轨迹是一条沿着管壁的螺旋线，牵引器的前进速度方向是螺旋运动速度在管道轴线方向的分量，螺旋角越小得到的驱动力越大。

2 发展方向及建议

根据对牵引器的分析与比较，应用于石油测井领域的井下牵引器技术相对成熟，但水平井钻完井新技术工艺的发展需求给井下牵引器技术研究方向又提出了新的要求:

1)大尺寸、大牵引力的传送牵引器

目前国内外市场上井下牵引器的牵引力都在1 000 kg 以下，外径尺寸多集中在54 mm、78 mm 或86 mm，不能适用于大井眼的钻井等作业，只能牵引测井电缆或重量轻的仪器。而适用于大位移井牵引下套管、连续管钻井承扭加压破岩等大牵引力作业场合的牵引器，承受扭矩负载需要在3 000 N·m 以上。目前，主流产品的牵引器牵引力较小难以满足需求。因此，随着牵引器的相关技术水平的不断提高，研究适用于大井眼、地面输送动力源需求小、牵引力大于3 000 kg 以上的井下牵引器是井下传送技术的新发展趋势。

2)防钻井液腐蚀及冲刷的密封技术

国外已研制了多种驱动结构的井下牵引器产品进行井下作业，如电机轮式井下牵引器、液压驱动连续管式井下牵引器、纯机械式井下牵引器等，但不论哪种井下牵引器都尚未成熟应用于井下复杂的钻井工况，主要难点在于钻井作业时要承受井筒内循环钻井液的腐蚀及高速冲刷，所以井下牵引器的密封设计是研究方向之一。目前，钻井液绝大多数为水基钻井液，具有腐蚀性且含有固相颗粒，对石油工具的影响是材料腐蚀、高速冲刷和损坏液压密封等。一般来说，3 000 m 左右的井，钻井液密度一般在1.2 g/m3～1.3 g/m3左右，井底压力为60 MPa 左右。

3)越障能力强、自解卡性能突出的牵引器

牵引器下井之后，能够实时监控牵引器的状态，及时发现井内障碍物、井径变化或坍塌等异常情况，避免牵引器卡井、异常断电等井下事故的发生。因此，研究具有井下信息状态监测及实时采集、越障及双向运动功能的牵引器是非常必要的。

4)井下高温下高压直流载波电能及信号传输超强电缆技术

研究大牵引力的牵引器技术难点主要局限于井下高温环境下建立高压直流供电的全双工载波技术和单总线通信技术。而斯伦贝谢公司新近推出的7 -48ZU电缆，仅是40 000 ft(12 192 m)的超长电缆，全球范围内，已经完成了200 多次下井作业，但也仅能为直流电动机提供最大1 200 W 的动力，远不能传输更充足的动力。因此，研究井下高温环境下高压直流载波电能及信号传输超强电缆是今后一段时间的新技术方向。

3 结束语

目前，常用的井下牵引器可以满足射孔、套管测井、打捞、封堵、提捞取样、油井除垢、碎屑(堵塞)清洗、开关阀等井下测井及修井作业［4］。但随着我国页岩油气、致密砂岩油气和煤层气等矿产开采，U 型水平连通井、鱼骨刺井、多分支水平井等开发井型以及水平井多级压裂工艺技术的推广对新一代井下牵引器的需求将提出更高的要求。因此，大尺寸、大牵引力、高速度爬行、越障及自动解卡能力强等不同类型的牵引器技术，是商业上应用的最新发展趋势，将会随着工业技术水平和油气田开发技术水平的提高而实现。

［1］张凤岐.拖拉器在水平井中的生产测井工艺及应用［J］.石油仪器，2006，20(5):92 -93.

［2］［法］Roissy，斯伦贝谢公司编译. 井下传送新技术［J］. 国外测井技术，2012，27(5):16 -18.

［3］徐德宁.水平井牵引机器人机械系统研究［D］.武汉:武汉理工大学，2010

［4］赵 轩，何顺利.美国页岩气藏水平井生产测井技术［J］.国外油田工程，2010，26(12):55 -58.