大口徑井專用電磁打撈器及其關鍵技術

郭 亮

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

大口徑工程井廣泛應用于國內(nèi)各大煤礦，可實現(xiàn)瓦斯強排、水電輸送、通風排水、應急救援等特殊用途。與常規(guī)油氣鉆井工程相比，施工工藝與機具裝備存在較大差異[1-3]，且鉆進速度慢、施工周期長、采用的鉆頭無API 標準認證，由于鉆頭掉件、井口意外墜入等原因產(chǎn)生金屬落物的可能性也更大。如未及時發(fā)現(xiàn)落物并開展打撈作業(yè)，還會引發(fā)鉆頭損壞、部件脫落形成二次落物等不良后果，甚至造成卡鉆，嚴重威脅工程進度與施工安全。然而，大口徑鉆井工程領域并沒有專用、專業(yè)的金屬落物打撈設備或成熟產(chǎn)品，在此情況下：井隊的第1 選擇，是被迫使用石油鉆井行業(yè)內(nèi)的專用打撈設備、產(chǎn)品[4]，然而該類打撈工具的設計初衷是為小直徑井型服務，對于大口徑井的直徑來說太過細小，尺寸規(guī)格不足且性能無法滿足工況，打撈成功率低；第2 選擇，是借鑒上述石油鉆井打撈鉆具的機構特性、原理，遇到事故后緊急委托加工廠按照一定比例放大加工，或現(xiàn)場直接加工的土制工具[5-8]，包括但不限于卡瓦打撈器、鋼絲繩打撈筒等，為保證打撈效率令人滿意，不得不將裝置的截面積放大到滿眼才能保證有效的抓取覆蓋面積，起下鉆必然會造成井下壓力激動，環(huán)空太小容易導致井壁掉塊、失穩(wěn)坍塌、卡阻，現(xiàn)場應用效果并不理想。最終，面對落物束手無策時，甚至會有施工方不甘心廢井，為挽救財產(chǎn)損失而忽視人道主義，雇傭“蛙人”潛入打撈，致使工程項目面臨重大的生命安全隱患。為解決大口徑工程井領域沒有專業(yè)金屬落物打撈裝備的行業(yè)難題，中煤科工集團西安研究院有限公司基于電磁技術自主開發(fā)了大口徑井金屬落物打撈吸盤并形成了配套的打撈工藝[9]，以此成果為基礎，進一步對電磁打撈技術優(yōu)化，研制了新型的大口徑井專用電磁打撈器[10]。

1 大口徑井金屬落物專用電磁打撈器

1.1 原電磁打撈工具優(yōu)勢與缺陷分析

前期試制的電磁打撈吸盤樣機[9]可吸附金屬物體的最大質(zhì)量高達369.9 kg，性能遠超常規(guī)油氣井永磁打撈工具，對落物捕獲成功率高，磁吸距離遠，配套的打撈機具及操作工藝可極大的縮短事故處理時間，優(yōu)勢顯著。但仍存在以下缺陷：面對井下復雜工況的綜合適應能力不強；井內(nèi)穿行過程中流體阻力、井壁摩擦力較大，使提吊鋼絲繩產(chǎn)生了無意義的冗余負載，還可能因為外力作用導致繩端電磁打撈吸盤偏轉、失穩(wěn)、震蕩，導致落物回墜；樣機外形為盤狀，直徑大于高度，實踐中如提吊失穩(wěn)，盤體有可能傾覆并吸附在井壁套管上，雖然可通過斷電解除吸附，重新調(diào)整姿態(tài)，但會增大操作失誤幾率；由于電磁吸附原理的特殊性，打撈成功后必須通電上提，在操作工藝上欠缺靈活性；經(jīng)測試可耐壓3.5 MPa靜液柱壓力，無法適配更深井型的打撈作業(yè)。

1.2 大口徑井電磁打撈器整體結構和主要參數(shù)

為改進上述缺陷，提高利用電磁技術打撈的成功率與可靠性，研制了大口徑井金屬落物專用電磁打撈器[10]。大口徑井電磁打撈器外觀如圖1。大口徑井電磁打撈器（未安裝打撈籃）剖面圖如圖2。

圖1 大口徑井電磁打撈器外觀Fig.1 Appearance of large diameter well electromagnetic fishing device

圖2 大口徑井電磁打撈器（未安裝打撈籃）剖面圖Fig.2 Profile of large diameter well electromagnetic fishing device without fishing basket installed

大口徑井電磁打撈器主要包括：降阻導流模塊、輸電電纜、走線孔及內(nèi)部填充物、電磁鐵模塊、可拆卸式打撈籃模塊、水眼、可拆卸式導向滑輪模塊、吊耳、排氣孔、流線形導流槽。

其中，電磁鐵模塊呈厚盤狀結構，主要功能為產(chǎn)生磁吸引力，為裝置的核心構成；其上部為降阻導流模塊為類椎形彈頭結構；走線孔及內(nèi)部填充物貫穿降阻導流模塊，輸電電纜通過其連通電磁鐵模塊內(nèi)部；吊耳共3 只，以120°角間距均勻分布在電磁鐵模塊頂部外側；可拆卸式導向滑輪模塊共8 只，呈45°角間距均勻固定在電磁鐵模塊盤體外圍；底部為可選裝式打撈籃。

大口徑井專用電磁打撈器主要參數(shù)如下：①工作額定電壓：110 VDC；②額定電流：11.20 A；③額定功率：1.32 kW；④安裝滑輪與打撈籃模塊下最大自重：285.60 kg；⑤滑輪松弛狀態(tài)下直徑640 mm，滑輪壓縮狀態(tài)下直徑600 mm，拆除滑輪模塊后直徑500 mm；⑥無打撈籃高度876 mm，安裝打撈籃高度1 076 mm；⑦可吸附金屬物體最大質(zhì)量360 kg。

2 大口徑井專用電磁打撈器關鍵技術

2.1 電磁鐵模塊

將電纜按螺線形反復纏繞成匝，通電后，會在螺線管內(nèi)部沿軸向形成磁場。此時，如果在該通電螺線管內(nèi)部插入鐵芯，磁場會進一步將鐵芯磁化，二者疊加形成更強大的磁場，可對金屬物體產(chǎn)生吸引力。同理，如果將U 型鐵的一端插入通電螺線管，并在U 型鐵2 個端口間設置銜鐵，同樣可以形成強磁場。電磁鐵模塊工作原理如圖3。

圖3 電磁鐵模塊工作原理Fig.3 Working principle of electromagnet module

模塊內(nèi)部中心為圓柱狀鐵芯，與其上部頂板、側圍外殼共同構成了一種盤狀有芯結構，該結構類似于U 型鐵以其固定的一端為軸心并旋轉1 周后的拖影軌跡。在此結構形成的環(huán)空空間內(nèi)圍繞鐵心密集纏繞電磁線圈，并以材質(zhì)為鋼的環(huán)形底板為銜鐵，通電后即可在裝置下部形成強磁場，電流越強，電磁線圈數(shù)越多，形成的磁場越強。

在電磁鐵模塊中，鐵芯材質(zhì)為軟鐵，具有導磁率高且斷電即消磁的特性，可避免打撈器在非工作狀態(tài)下帶磁而引起的操作不便。側圍外殼與頂板為高導磁率鎳鋼合金，可最大限度的收斂通電螺線管外圍的發(fā)散磁場，使電磁鐵模塊僅在底部通過銜鐵產(chǎn)生磁場，而頂部與不產(chǎn)生磁場，從而規(guī)避了打撈過程中可能接觸到的金屬套管產(chǎn)生的磁吸干擾。

2.2 降阻防卡技術

2.2.1 可拆卸式滑輪模塊

可拆卸式滑輪模塊如圖4?；喣K主要由滑輪模塊基座、滑輪、水眼、滑輪滾軸、緩沖彈簧、滑輪模塊安裝孔構成?；喕ㄟ^2 個安裝孔位與電磁鐵模塊連接，每個模塊上安裝2 個滑輪，每個滑輪通過滑輪軸固定在基座上，在基座滑輪空腔內(nèi)部、滑輪軸的兩端分別安裝1 個緩沖彈簧。

圖4 可拆卸式滑輪模塊Fig.4 Removable pulley module

該裝置可降低電磁打撈器在井筒內(nèi)穿行時與井壁接觸產(chǎn)生的摩擦力、沖擊力，在有區(qū)別的工況場景下，可實現(xiàn)不同功能：

1）如井徑與電磁打撈器加工直徑接近，電磁打撈器可依靠滑輪的伸縮性，通過所有滑輪以較大接觸面積倚靠、甚至完全抓附在井壁上，極大的提高電磁打撈器在井筒內(nèi)的穿行速度上限與穩(wěn)定性。

結合實驗成套雙人組合動作內(nèi)容，拉丁舞組合動作中基本動作、紐約步、手對手、定點轉、分列式古巴碎步等動作屬于移動位置較小、重心轉換較為快、方向多變的動作。標準舞組合動作中前進并換步、右轉步、左轉步、側行追步等動作多為沿舞程線進行較大移動的舞蹈動作。由此可見，對靈敏素質(zhì)影響有所差異的最主要原因來自于不同舞種的主要的動作特征。

2）如井徑大于電磁打撈器加工直徑，除了減小摩擦力，還可在碰撞過程中起到緩沖避震、保護裝置的作用。

3）如井徑略小于電磁打撈器直徑，井深淺、井段多為套管或井下情況穩(wěn)定，可選擇拆除滑輪模塊，縮小打撈器直徑，用于緊急事故的處理。

4）模塊為可拆卸式設計，增強了可維護性。

2.2.2 降阻導流模塊

開展打撈作業(yè)時，電磁打撈器需下潛至井底數(shù)百米深處。完成打撈作業(yè)后的上提過程中，裝置需克服極大的流體阻力與啟動瞬間激動壓力，裝置自重及上提阻力疊加，會增加鋼絲繩的破斷風險。

為此，在電磁打撈器上部設計降阻導流模塊，模塊外形為類錐形彈頭結構，可有效降低上提過程中的流體阻力，減少行程中的運動速度衰減，降低鋼絲繩及地面提升裝置的負荷[11-12]。其材質(zhì)為工程塑料，降低加工成本的同時，還可一定程度上減少裝置配重，使重心下移，增加上行浮力與云頂穩(wěn)定性。為避免在吊耳侵入椎體的位置形成局部阻力面，在降阻導流模塊與吊耳重合的位置，對椎體自上而下進行了流線型修型。

2.3 可選裝式打撈籃模塊

圖5 可選裝式打撈籃模塊Fig.5 Optional fishing basket module

第1 限位臺肩與電磁鐵模塊嵌套貼合后通過安裝孔連接固定，葉板通過扭簧、合頁固定在第2 限位臺肩上，多組葉板以此類推環(huán)繞安裝，共同組成僅可由外向內(nèi)、不可由內(nèi)向外打開的捕獲結構。

由于電磁打撈器打撈成功后需帶電上提，上提過程中，如中途斷電，捕獲的金屬物體會重新跌落井底?？蛇x裝式打撈籃可為電磁打撈器處理小型金屬落物提供額外的打撈工藝：電磁打撈器下入井底并通電，小型金屬落物在電磁鐵模塊的磁吸引力作用下擠壓并向內(nèi)打開葉板，進入打撈籃內(nèi)腔后被吸附在盤體底部，葉板在復位扭簧的作用下恢復閉合狀態(tài)。此時，落物已進入打撈籃內(nèi)，無論主動關閉電源還是意外斷電，金屬落物脫落后都會被葉板組成的打撈籃底板承接，可有效防止任何原因導致的落物回墜，一旦捕獲即意味著打撈成功。

可選裝式打撈籃尤其適用的小型落物包括但不限于常見金屬脫落件、金屬殘片、牙輪、牙掌、PDC齒片、地面井口跌入的金屬工具、鋼筋、鋼絲、鋼索等，以及規(guī)格、形態(tài)、大小、質(zhì)量接近的金屬物體。在拆除打撈籃的情況下，電磁打撈器底面為圓形平面，更容易對體積與質(zhì)量較大金屬落物進行打撈?？蛇x裝式打撈籃使電磁打撈器的作業(yè)方式更加靈活，面對不同類型落物可采取不同打撈方案，針對性更強。

2.4 水冷技術

電磁鐵模塊通電狀態(tài)下會大量發(fā)熱，長時間過熱運行使電磁線圈電阻上升電流下降，造成磁吸引力衰減。使用電磁打撈工具開展打撈作業(yè)之前，會使用清水驅替井內(nèi)泥漿并清洗井筒，電磁打撈工具的工作環(huán)境為清水，在可以完善電柱密封防水性能的情況下，為提高電磁模塊散熱能力，設計采用水冷技術對電磁鐵模塊內(nèi)部的電磁線圈進行散熱。

為實現(xiàn)這一目的，在電磁打撈模塊側圍外殼、滑輪模塊上設置了多組水眼，水流可以直接進入內(nèi)部與電磁線圈發(fā)生接觸；電磁線圈采用了聚酰胺酰亞胺漆包銅線，具有電阻低、耐壓、防水、耐高溫、耐腐蝕、絕緣等優(yōu)勢；在電磁打撈器頂端和底端設置排水孔，在電磁打撈工具下潛至井底的過程中，內(nèi)腔中的空氣可通過上部排水孔排出，使水流能夠進入電磁鐵模塊內(nèi)部；當電磁打撈器完成作業(yè)上行離開水面后，電磁鐵模塊內(nèi)部殘留的液體可通過下部排水孔排出，實現(xiàn)冷卻。

2.5 走線孔及內(nèi)部填充密封防水技術

考慮到水下帶電作業(yè)的特殊性，為提高大口徑電磁打撈器供電部位整體耐壓防水能力，以絕緣樹脂和防水膠對走線孔內(nèi)部進行了多級熱熔澆筑填充處理。外部防水栓固定在電磁鐵模塊頂板邊緣以上，貫穿頂板，與電磁鐵模塊內(nèi)部貫通，外部輸電線纜與電磁線圈通過其內(nèi)部防水栓的接線柱建立連接。加工完成后，經(jīng)測試，防水栓外部密封防護等級可達到IP68，絕緣等級H 級，耐壓可達5.8 MPa，滿足在580 m 靜液柱壓力的井底工況下使用。

3 應用試驗

2021 年7 月，在銀川市梅花井礦大口徑救援井施工現(xiàn)場，使用旋挖鉆機施工了深度為15 m，井徑為?800 mm 的模擬打撈試驗井筒，向井內(nèi)注水至井口，拋入落物包括：質(zhì)量15.20 kg 的?311.5 mm 報廢鉆頭牙輪1 只、質(zhì)量40.75 kg 的?215.9 mm 報廢三牙輪鉆頭1 只，下入本次研制的大口徑井專用電磁打撈器一次性打撈成功。試驗過程中，研制的大口徑井金屬落物電磁打撈工具運行穩(wěn)定，磁吸引力強，關鍵部位運轉正常，打撈性能強，滿足施工現(xiàn)場事故處理需求。

4 結 語

大口徑井專用的金屬落物電磁打撈器解決了大口徑鉆井工程領域沒有專業(yè)金屬落物打撈工具的難題。大口徑井專用金屬落物電磁打撈器的專用性、專業(yè)性更強。降阻導流模塊、可拆卸式滑輪模塊、可選裝式打撈籃模塊的設計，增強了其針對不同大口徑井型、不同金屬落物的通用性、靈活性，降阻性能強，打撈效率與安全性高，良好的耐壓密封性能使其具備深井打撈能力。