新型整體式液壓可退撈矛研制與應(yīng)用

金 陽，陳 波，宋明珊

(1.中國石化西南油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司 川東北采氣廠，四川 閬中 637000)

新型整體式液壓可退撈矛研制與應(yīng)用

金 陽1，陳 波2，宋明珊1

(1.中國石化西南油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司 川東北采氣廠，四川 閬中 637000)

為解決在修井打撈作業(yè)中常用的幾類撈矛存在的不適用性等問題，研制了新型整體式液壓可退撈矛。該撈矛依靠液缸推動(dòng)卡瓦下行、擴(kuò)張進(jìn)行打撈，而釋放丟手則通過提放連接工具的管柱實(shí)現(xiàn)。撈矛外筒及錨桿都無變徑點(diǎn)，避免了應(yīng)力集中。與撈矛外筒同等直徑的引導(dǎo)槽備塊對卡瓦片提供了足夠的支撐強(qiáng)度，保證了工具的抗扭性能。卡瓦與引導(dǎo)槽內(nèi)的倒角結(jié)構(gòu)滿足了卡瓦整體外張的角度，并確保了較好的咬合效果。經(jīng)過地面試驗(yàn)及3井次的入井打撈作業(yè)，打撈成功率和丟手成功率均為100%。

修井工具；撈矛；液壓；機(jī)械丟手

目前，中石化西南油氣分公司所使用的打撈矛中根據(jù)用途及特點(diǎn)分類，常用的主要有滑塊撈矛、螺旋卡瓦撈矛、提放式可退撈矛等。這幾種常用撈矛都存在著一定的不適用性和使用局限性。例如，滑塊撈矛具有較高的抗拉性能，但由于應(yīng)力集中造成的抗扭性能極低，致使該類工具經(jīng)常發(fā)生扭斷。提放式可退撈矛的抗扭性能較強(qiáng)，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度較低，經(jīng)常發(fā)生拉斷現(xiàn)象。螺旋卡瓦撈矛則由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致其打撈強(qiáng)度受限、存在變徑應(yīng)力集中點(diǎn)等缺陷。因此，中石化西南地區(qū)常用的幾種撈矛都存在著適用條件單一、操作使用局限性強(qiáng)等問題，且在施工過程中引起一些事故，如表1。

表1 中石化西南油氣分公司撈矛事故統(tǒng)計(jì)

由此，提出了新型液壓撈矛工具的設(shè)計(jì)方案。本新型液壓撈矛從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上克服了常規(guī)撈矛存在的主要缺陷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)入井條件下的反復(fù)操作和多井次的重復(fù)使用。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)液壓啟動(dòng)，機(jī)械式丟手，有效地提高了井下落魚的打撈成功率和修井作業(yè)效果。

1 設(shè)計(jì)要求

新型撈矛的設(shè)計(jì)原則主要是滿足常規(guī)的修井工況和適用于有針對性的打撈對象，并且要求工具具有可退及倒扣的功能，依據(jù)此設(shè)計(jì)原則需滿足4點(diǎn)要求：

1) 針對73 mm油管及配套工具。目標(biāo)打撈對象以73 mm油管及其配套封隔器、滑套等工具為主。

2) 內(nèi)部加壓啟動(dòng)。工具內(nèi)部加壓啟動(dòng)，利用液壓形式實(shí)現(xiàn)卡瓦張開，進(jìn)而提高工具操作的穩(wěn)定性并降低誤操作的可能性[1]。

3) 滿足抗拉、抗扭性能。結(jié)構(gòu)既能抗拉、又能抗扭，同時(shí)滿足打撈及倒扣作業(yè)的需要。

4) 具備可退機(jī)構(gòu)。打撈作業(yè)時(shí)若無法成功撈出落魚，工具可以利用自身機(jī)構(gòu)進(jìn)行丟手以便為下一步作業(yè)創(chuàng)造井筒條件[2]。

2 工具結(jié)構(gòu)

工具總體結(jié)構(gòu)如圖1，包括自上而下密封連接的上、下錨桿，上、下外筒，復(fù)位彈簧和上部連接螺紋。其外筒分為上下兩部分，上外筒頂部設(shè)有泄流通孔，而上筒內(nèi)部空間被錨桿密封環(huán)分為兩部分，上部分為安裝彈簧的腔體；下部分為液壓缸。工具外筒下部套筒上部為連接螺紋，連接螺紋下部為一道環(huán)形槽，下部為分瓣卡瓦。錨桿上部分與外部套筒中間的連接部分為安裝復(fù)位彈簧的空間，上部錨桿下部為連接螺紋，用于連接下部錨桿。上部錨桿中間存在傳壓孔，液缸位置有徑向的貫穿孔。下部錨桿為支撐椎體，其每隔45°有一個(gè)40°的卡瓦軌道槽，軌道槽同樣為45°。該工具只需1次管柱內(nèi)加壓，就可啟動(dòng)工具實(shí)現(xiàn)打撈。

1—撈矛中心桿上部；2—圓柱螺旋復(fù)位彈簧；3—彈簧套；4—中心桿密封；5—外筒密封；6—外筒下套；7—撈矛椎體。

3 工作原理

液壓錨定撈矛主要是依靠液壓壓縮彈簧，推動(dòng)卡瓦液缸下行進(jìn)而使卡瓦片在錐形體的作用下向外擴(kuò)張，抓取落魚。此工具使用時(shí)，修井打撈管柱帶液壓錨定型撈矛探魚頂后可直接進(jìn)行入魚。因?yàn)樵摴ぞ咴谠O(shè)計(jì)時(shí)其自然狀態(tài)下卡瓦是收回狀態(tài)，卡瓦外徑小于魚腔內(nèi)徑，因而在下入過程中不會(huì)與落魚內(nèi)壁產(chǎn)生較大摩阻[3-4]。

當(dāng)通過井口放入量確認(rèn)入魚后，提高泵壓推動(dòng)液缸下行，進(jìn)而帶動(dòng)卡瓦片下行且被錐形體支撐后擴(kuò)張，抓緊落魚。由于卡瓦齒是單向齒，允許向下行程。但一旦抓緊落魚后無法回縮，進(jìn)而起到單向受力的作用。此時(shí)只需將錨桿上提，使卡瓦咬緊落魚從而將落魚提出。

當(dāng)無法提動(dòng)落魚而需要工具丟手時(shí)，錨桿只需要下放一定的行程即可釋放卡瓦。因?yàn)榭ㄍ咴趶椈煞醋饔昧Φ淖饔孟伦詣?dòng)回彈至自然狀態(tài)，且自然狀態(tài)下卡瓦外徑小于落魚內(nèi)徑，因而丟手后可直接提出?？紤]到井下的特殊環(huán)境，當(dāng)卡瓦牙咬合落魚內(nèi)壁較深而造成丟手后無法自然釋放卡瓦時(shí)，將錨桿下放至入魚位置深度，只需正轉(zhuǎn)工具半圈就可旋落并致使彈簧伸長收回卡瓦。

4 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)前期工具研發(fā)期間的模擬計(jì)算結(jié)果和地面試驗(yàn)實(shí)測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該工具的尺寸和操作參數(shù)如表2。

表2 整體液壓式可退撈矛的尺寸和操作參數(shù)

5 技術(shù)創(chuàng)新

5.1 設(shè)計(jì)思路

與常規(guī)撈矛的設(shè)計(jì)原理基本類似，都是以機(jī)械形式利用錐形體的變徑使卡瓦張開進(jìn)而卡死落魚進(jìn)行打撈。結(jié)合現(xiàn)有撈矛的實(shí)際問題并從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，新型整體式液壓撈矛在設(shè)計(jì)思路上進(jìn)行了調(diào)整與創(chuàng)新，具體的設(shè)計(jì)思路有2方面。

1) 設(shè)計(jì)擴(kuò)張機(jī)構(gòu)支撐卡瓦實(shí)現(xiàn)打撈。

有悖于普通撈矛利用錐形體擴(kuò)張卡瓦的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)液壓或機(jī)械擴(kuò)張機(jī)構(gòu)，使工具整體在無明顯變徑的前提下，利用擴(kuò)張機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卡瓦的徑向支撐，達(dá)到咬合落魚的目的，實(shí)現(xiàn)打撈。

此思路的優(yōu)勢是工具整體無變徑點(diǎn)，外徑基本相同，無應(yīng)力集中，工具可靠性更強(qiáng)。

2) 保留錐形體支撐卡瓦設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)液壓或機(jī)械丟手。

遵循常規(guī)的設(shè)計(jì)思路，依然利用錐形體支撐卡瓦，但啟動(dòng)方式可進(jìn)行更改，設(shè)計(jì)機(jī)械或液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)打撈及丟手。綜合考慮兩種設(shè)計(jì)思路的優(yōu)缺點(diǎn)，分別從兩種方案的結(jié)構(gòu)形式、錨定方式、丟手方式、操作難易程度、穩(wěn)定性及適用性角度對工具進(jìn)行了定性對比分析，其分析結(jié)果如表3所示。

表3 兩種設(shè)計(jì)方案定性對比分析結(jié)果

綜合分析這兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案二從實(shí)際應(yīng)用的角度最具有實(shí)用性，其總體性能最接近于現(xiàn)場要求。擬選定方案二進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)初稿如圖2。

1—上錨桿；2—外筒；3—復(fù)位彈簧；4—卡瓦連接筒；5—下錨桿。

5.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

針對初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的不足，從結(jié)構(gòu)改進(jìn)的角度出發(fā)對本工具設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下幾項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，如圖3～5。

1) 優(yōu)化工具為外筒內(nèi)軸式結(jié)構(gòu)，確定了工具總體結(jié)構(gòu)和各部件的連接形式。

2) 復(fù)位彈簧移至上部彈簧套，極大地簡化了工具整體結(jié)構(gòu)。

3) 優(yōu)化錨桿及外筒連接扣位置及壁厚，提升了工具的總體強(qiáng)度。

3) 加大液壓缸受力面面積，降低工具啟動(dòng)壓力至5 MPa之內(nèi)。

4) 優(yōu)化卡瓦材料、形狀及連接方式。

5) 對單片卡瓦進(jìn)行熱處理，卡瓦牙調(diào)質(zhì)及滲氮0.3～0.5 mm[2]。

6) 變徑外筒設(shè)計(jì)、錨桿連接螺紋等。

圖3 原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖4 修改中期結(jié)構(gòu)

圖5 修改后期結(jié)構(gòu)

6 工具特點(diǎn)

新型液壓撈矛工具克服了常規(guī)撈矛使用局限性強(qiáng)、容易損壞等問題。相對于常規(guī)撈矛，具有如下特點(diǎn)：

1) 卡瓦靠液壓作用啟動(dòng)下行。液壓錨定撈矛運(yùn)行的方式是靠液壓帶動(dòng)缸套下行，推動(dòng)卡瓦擴(kuò)張咬合落魚內(nèi)壁。由于卡瓦是單向卡齒，因而一旦卡瓦卡掛住落魚，其不會(huì)自動(dòng)回彈[5]。

2) 機(jī)械方式丟手。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和功能的重新設(shè)計(jì)，適用性及穩(wěn)定性更為理想。管柱只需進(jìn)行簡單的下放即可實(shí)現(xiàn)卡瓦的回彈丟手[6]。

3) 襯套肩部提供抗拉力、背塊提供抗扭力。工具打撈落魚時(shí)，錨桿和襯套肩部臺(tái)階承受了主要拉力，而在強(qiáng)扭倒扣時(shí)，工具椎體上的備塊承受了一定的轉(zhuǎn)矩值，也對卡瓦起到了一定的保護(hù)作用[7]。

4) 抗摩擦機(jī)構(gòu)?？ㄍ咂聪虻拈L度延伸到錨桿肩部臺(tái)階處，從而有效地避免了管柱在下放過程中工具與套管壁產(chǎn)生的摩擦力對工具自身的影響，提高井下適應(yīng)性[8]。

7 操作步驟

該工具在操作使用上稍稍區(qū)別于傳統(tǒng)撈矛工具，主要是因工具的啟動(dòng)靠液缸推動(dòng)卡瓦下行，而釋放丟手則依靠機(jī)械形式，具體操作步驟為：

1) 下放、入魚。管柱帶整體式撈矛下放到魚頂，通過井口放入量確認(rèn)是否入魚。由于卡瓦片在自然狀態(tài)下處于收緊狀態(tài)且外徑小于落魚內(nèi)徑，因而入魚過程相對簡單。

2) 加壓、撐開卡瓦。確認(rèn)工具入魚后管內(nèi)加壓，由于卡瓦在液缸推力的作用下會(huì)自動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)而擴(kuò)張到張開狀態(tài)，咬合落魚內(nèi)壁，此時(shí)上提管柱使錨桿產(chǎn)生一個(gè)相對于卡瓦的相對運(yùn)動(dòng)，致使卡瓦對于落魚的抓取越來越穩(wěn)，因而可進(jìn)行上提打撈。

3) 上提管柱，打撈。工具卡死落魚后，直接上提打撈管柱實(shí)施打撈，也可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)倒扣，該工具均能滿足此兩項(xiàng)打撈要求。

4) 下放、丟手。若落魚無法提動(dòng)需進(jìn)行丟手，則只需下放管柱一定行程后，卡瓦在彈簧的作用力下自動(dòng)收回至自然狀態(tài)，而自然狀態(tài)下卡瓦是不會(huì)對擴(kuò)張打開的，因此工具會(huì)自動(dòng)丟手。

5) 提出工具。工具丟手后，管柱較短形式下行后即可把上體提出，打撈管柱及工具，提出后進(jìn)一步制定相關(guān)打撈方案。

8 地面試驗(yàn)

地面試驗(yàn)主要包括工具功能性測試、拉力體拉力測試、撈矛抗扭性能測試。其中功能性測試主要測試工具基本功能能否順利執(zhí)行，拉力測試主要測試工具承受拉力極限[9]，抗扭性能測試主要測試工具的總體抗扭能力[10]。測試試驗(yàn)環(huán)境如圖6～8。

在功能性測試試驗(yàn)中，卡瓦能夠隨著液缸推動(dòng)順利下移、撐開，泄壓后能夠隨著彈簧彈力復(fù)位，完全實(shí)現(xiàn)了全部的設(shè)計(jì)功能。在抗拉性能測試中，拉力機(jī)在工具連接扣發(fā)生塑性形變之前顯示的抗拉值為440 kN，基本達(dá)到73 mm油管的抗拉極限470 kN。在抗扭性能測試試驗(yàn)中，工具在模擬落魚的油管內(nèi)部卡死后，利用擰扣機(jī)測試最大抗扭值約為2 800 N·m，遠(yuǎn)超73 mm油管的最大上扣轉(zhuǎn)矩值2 500 N·m。

圖6 功能性測試試驗(yàn)

圖7 抗拉性能試驗(yàn)

圖8 抗扭性能試驗(yàn)

9 現(xiàn)場應(yīng)用效果

截至2016-05，本工具共進(jìn)行了3井次的4次打撈作業(yè)，打撈成功率100% 。其中有1 井次遇卡，實(shí)施丟手1井次，丟手成功率100% 。該井經(jīng)過套銑成功解卡后，再次利用本工具進(jìn)行打撈作業(yè)?？傮w作業(yè)效果較好。

典型應(yīng)用井例：

井號(hào)CX215-3。本井于2015-10-03 進(jìn)行挖潛作業(yè)時(shí)，由于井內(nèi)封隔器無法解封，致使修井隊(duì)無法起出原井內(nèi)管柱，對封隔器以上管柱進(jìn)行切割后，采取了以下幾項(xiàng)措施：

1) 提出切割點(diǎn)以上管柱，檢查斷口完好。

2) 下?lián)泼⒄饟羝?，撈獲后進(jìn)行震擊解卡。

3) 2015-10-04，下帶新型液壓撈矛打撈管柱打撈，折算封隔器處過提力340 kN，無法提出。

4) 下放旋轉(zhuǎn)丟手，提出打撈管柱。對井內(nèi)落魚進(jìn)行套銑，套銑至魚頂以下3 m。

5) 2015-10-05，下帶震擊器和液壓撈矛的打撈管柱，成功撈獲落魚，經(jīng)9次震擊，解卡成功，管柱最大拉力370 kN，瞬間震擊力680 kN，起出落魚后檢查撈矛本體完好無損。

10 結(jié)論

1) 新型液壓撈矛設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新性地提出了液壓啟動(dòng)、機(jī)械丟手的工作方式，后期試驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠、易操作。

2) 設(shè)計(jì)的撈矛矛桿能夠提供打撈所需的拉力，引導(dǎo)槽及備塊能夠提供足夠的倒扣轉(zhuǎn)矩，兼具了抗拉和抗扭性能。

3) 復(fù)位彈簧實(shí)現(xiàn)了撈矛的機(jī)械丟手方式，其尺寸及強(qiáng)度的設(shè)計(jì)完全滿足丟手要求，地面試驗(yàn)也驗(yàn)證了丟手機(jī)構(gòu)性能的穩(wěn)定性。

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New Type of Integral Hydraulic Releasing Fishing Spear

JIN Yang1，CHEN Bo2，SONG Mingshan1

(1.PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstitute，SouthwestOilandGasBranchCompany，SINOPEC，Deyang618000，China；2.NortheasternSichuanGasProductionPlant，SouthwestOilandGasBranchCompany，SINOPEC，Langzhong637000，China)

In order to solve the problem such as the inapplicability of common fishing spear in southwest branch company of SINOPEC，the integral hydraulic releasing spear was developed.The fishing spear is unique in the design of hydraulic starting and mechanical releasing.There is no stress concentration because the fishing spear has the same outer diameter.The guide slots and support pad which have the same OD with outer tub of fishing spear can support the enough anti-twisted ability to slips.The chamfer design of slips and guide slots could ensure the good application effect.The indoor testing and field application results of three wells showed that the test and application performance of integral hydraulic releasing fishing spear are reliable，and field operation success rate can reach to 100%.

workover tools；fishing spear；hydraulic；mechanical releasing

2016-08-16

金 陽(1985-)，男，碩士，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè)，長期從事油氣井完井測試技術(shù)研究，E-mail：jy8533@163.com。

1001-3482(2017)01-0062-05

TE921.903

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.015