随着油气勘探开发从浅层、中深层向深层、超深层发展, 钻井难度越来越大，尾管固井作业环境日趋复杂, 封固段增长、注替量增大、施工泵压升高^[1-5]，对固井所用的钻杆水泥头的耐压等级要求逐渐提高，井口操作人员人身安全风险也越来越大，因此，确保高压环境下井口水泥头的操作安全成为关键。目前，国外几大石油工具服务公司均研发了远程控制水泥头，并且已在现场推广应用，如Halliburton公司的Commander 1000 Top_Drive水泥头、Baker Hughes公司的LaunchPRO Wireless TD水泥头以及Weatherford公司的Remote_Control Top_Drive水泥头。国内的远程控制水泥头技术尚处于调查研究阶段，尚未见到可远程控制的固井水泥头工具的相关报道^[6-9]。为此，笔者通过对常规水泥头的机械结构进行优化，配置气动驱动系统，并采用无线通讯控制方式实现远程操作，研制了远程控制水泥头原理样机，并开展了远程控制水泥头的室内测试和现场试验，为井口高压环境下的固井作业提供了一种新的安全有效的工具。

1 远程控制水泥头技术要求及设计思路

研制远程控制水泥头的关键是, 设计适用于钻机电磁干扰环境下的无线通讯控制系统，以及如何将远程控制驱动系统与常规水泥头相结合以满足固井工艺要求，为此需要解决以下关键技术：

1) 常规水泥头机械结构优化。将可控的机械机构与常规水泥头结构进行有机结合，使可远程控制的机械机构完成水泥头投球、投塞和管汇通断等功能动作^[10-13]。

2) 机械机构的驱动系统。机械机构的驱动系统是远程控制水泥头实现远程控制的保证；气动驱动系统具有安全、方便、快捷的优点，成为钻机上远距离操作水泥头的最佳选择。

3) 水泥头操作命令输入、传输及解读。常规尾管固井作业中，需要严格按照先后次序和持续时间进行投球坐挂悬挂器、循环钻井液、泵注水泥浆、投放胶塞和泵注顶塞液等操作步骤，无法传递操作信息、传递错误的操作信息或信息延迟都将导致固井作业的施工风险甚至井下故障的发生，因此可靠、安全的通讯控制系统是实现水泥头远程控制的基础。

根据研制远程控制水泥头的技术关键，确定其设计思路为：在保留常规水泥头整体机械结构的同时，对投球、投塞的部分结构进行优化；机械机构配置气动执行器件，通过气动系统驱动机械机构动作；采用无线通讯控制技术控制气动系统中的电磁阀，进而实现远程控制气动系统的目的；采用人机交互技术实现操作命令的输出、状态监测和信息反馈。

2 远程控制水泥头的结构

结合常规钻杆水泥头机械结构以及远程控制驱动系统的技术要点，设计远程控制水泥头主要由水泥头机械本体、气动系统、工控单元(上位机)和无线操作终端(下位机)组成，如图 1所示。

机械本体在常规钻杆水泥头机械结构的基础上进行改进，主要完成固井井口机械连接、循环管汇连接及通断控制和憋压球与固井胶塞的储存及投放等功能。

气动系统由执行气缸、电磁换向阀等气动元件组成，通过控制电磁阀的通断，实现气路换向控制，从而通过执行气缸驱动机械机构完成水泥头各项功能动作。

工控单元(上位机)、无线操作终端及其之间的通讯模块组成通讯控制系统，作为远程控制水泥头的“大脑”，进行操作命令的获取、解读以及输出控制信号，并控制气动系统完成相应动作，实现控制机械机构完成既定功能的目的。

气动系统和工控单元(上位机)统一集成在防爆箱内，安装于机械本体上。操作终端(下位机)采用便携式计算机，通过人机交互的组态软件，将人工操作命令通过数据通信远距离无线传输给工控单元(上位机)，从而远程操控水泥头完成各项功能动作。

3 远程控制水泥头的设计 3.1 机械结构设计 3.1.1 整体结构

远程控制水泥头的机械本体用于连接钻杆与注水泥管汇，各功能部件组合完成固井水泥头的各项功能。远程控制水泥头整体结构主要由提拉顶盖、本体、胶塞释放机构、投球装置、旋转单元和下接头组成(见图 2)。

提拉顶盖用于水泥头吊装，上由壬接口和下由壬接口用于连接固井管汇、胶塞释放机构和投球装置，在气动执行器的作用下实现胶塞投放和憋压球的投球功能，下接头主要用于连接钻杆。远程控制水泥头机械本体的主要设计参数为：水泥头直径127.0 mm，工作压力35 MPa，最大轴向载荷6.54 MN；连接扣型为φ114.3 mm贯眼钻杆扣；管汇规格为φ50.8 mm, 连接扣型为1502型由壬扣；胶塞容腔内径100.0 mm；胶塞容腔长度355.0 mm；水泥头整体长度2 832.0 mm。

3.1.2 胶塞投放机构

胶塞投放机构主要完成固井胶塞投放动作，由摆动气缸、左侧密封环、右侧密封环、旋转挡销和扳手组成(见图 3)。胶塞存放在水泥头本体内，被旋转挡销限位，如图 3(a)所示；需要释放胶塞时，控制摆动气缸旋转90°，使旋转挡销中心孔与水泥头本体内孔贯通，打开上由壬管汇阀门，泵注顶替液，在液力作用下胶塞下行，完成胶塞释放，如图 3(b)所示。旋转挡销末端的扳手具有2个作用：一是跟随旋转挡销一起转动，起到投塞动作指示的作用；二是当控制系统失效时，可以人工扳动手柄，实现手动应急释放胶塞功能。

3.1.3 憋压球投球机构

憋压球投球机构主要完成憋压球投放动作，由球筒、球盖、球框及投球气缸组成(见图 4)。憋压球通过球盖投放在投球机构内的球框中，球框将球限定在圆孔内，当需要投球时，控制投球气缸动作，气缸活塞杆推动球框进入到水泥头本体内腔，球从球框中自由落入水泥头内，完成投球作业。适用投放的憋压球直径为38.0~50.0 mm；投球气缸采用双作用直线气缸，当控制系统失效时，可直接手动推动气缸活塞，实现手动应急操作。

3.1.4 管汇通断控制机构

根据固井施工要求，选择可控的气动旋塞阀作为控制固井管汇通断的机械装置。在普通旋塞阀上安装有气动驱动头，通过电磁阀控制通断，实现驱动旋塞阀往复旋转90°，从而达到旋塞阀上的通道口与阀体上的通道口连通或隔离的目的。设计采用额定工作压力105 MPa的气动旋塞阀, 采用24 V直流电源驱动。

3.2 气动驱动系统设计

结合水泥头的功能特点，投塞、投球和旋塞阀均可采用独立的气动控制回路。以投球气动控制回路为例进行介绍，投球气动控制回路中采用1个两位三通电磁换向阀控制回路通断，1个两位四通电磁换向阀实现直线气缸往复动作，同时设置2个调速阀，达到气路缓冲、执行器平稳动作的目的(见图 5)^[14-16]。投球气动控制回路处于初始状态时，两位四通电磁换向阀为右位机能；需要进行投球动作时，给两位四通电磁换向阀通电，控制气缸前进，球框将球推送到本体内腔自然下落，完成投球动作，随后电磁换向阀断电，两位四通阀回到右位机能，投球气缸复位，将球框从本体内腔收回，不影响后续释放胶塞作业。

气动驱动系统中，采用钻机的0.8 MPa气源作为动力，选用阀板集成型气动控制阀，并应用蓄电池供电，阀和蓄电池集成在防爆控制箱内。所有执行元件均带有手动驱动功能，以保证电控系统失效时能手动操作完成机械机构功能动作，确保施工作业正常连续进行。

3.3 无线通讯操控系统设计

通讯控制系统的上位机与下位机采用无线通讯方式进行操控信息交互^[17-18]。其中，上位机采用西门子可编程逻辑控制器S7-200型PLC, 完成气动系统中各电磁阀的驱动和动作反馈显示；下位机采用预装Windows CE操作系统的工业便携计算机。由于VS2005编程工具与Windows CE操作系统具有良好的兼容性，所以上位机人机操作交互界面用VS2005编程工具编写。上位机与下位机采用成熟的433 MHz的无线通讯进行数据交换，上位机和下位机与无线模块之间采用RS485接口进行通讯，2个均可串口发射与串口接收，以保证上位机和下位机工作状态的准确性。所有元器件均采用24 V蓄电池供电。无线通讯控制系统组成如图 6所示。

为保证系统正常运行及防止误操作，在控制程序设计中设置了“看门狗”，负责程序状态监测及纠正，且操作终端所有按键操作均采用“长按组合按键”有效的判断方式；为便于施工步骤的状态监测，控制箱上的动作显示与操作终端面板上流程显示灯采取同步显示方式。控制程序流程设计如图 7所示。

4 远程控制水泥头性能试验 4.1 室内测试

按照水泥头及胶塞行业标准要求，对远程控制水泥头进行室内性能测试，水泥头整体试压35 MPa，无泄漏，水泥头密封性能达到了设计要求；同时，操作人员手持无线操作终端距离水泥头50 m进行操控，投球、投塞及旋塞阀均能正常动作，达到现场应用要求。

4.2 现场试验

远程控制水泥头在河北某地热井进行了现场试验。该井设计井深2 440.69 m，垂深2 301.00 m，二开采用φ177.8 mm套管及筛管进行完井，其套管串结构(由下至上)为：φ177.8 mm引鞋+φ177.8 mm筛管串+球座+φ177.8 mm管外封隔器+φ177.8 mm注水泥分级箍+φ177.8 mm技术套管+悬挂器(φ193.7 mm×φ177.8 mm)+φ127.0 mm送入钻具。

井口安装远程控制水泥头，总气源管线连接至立管旁0.8 MPa钻机气源接口。在距离井口5.00 m位置处，操作水泥头控制终端，依次操作下由壬旋塞阀、投球气缸、投塞旋转气缸和上由壬旋塞阀，均正常动作，泵注水泥浆45 m³，胶塞到位碰压12 MPa。现场试验结果表明，远程控制水泥头能够进行远程控制固井施工，达到了设计使用要求。

5 结论与建议

1) 通过改进常规水泥头机械结构和集成气动驱动系统，同时采用无线通讯控制技术，实现了水泥头的远程控制，能够降低深井固井及井口高压作业环境下的固井作业风险。

2) 室内测试及现场试验结果表明，远程控制水泥头各项指标功能均达到了设计使用要求，建议进一步开展现场试验并根据试验情况对具性能进行改进，以提高工具的可靠性。