液壓增力解卡打撈裝置的研制及應(yīng)用

平恩順， 王瑞泓， 樊震剛， 孫立波， 王志民， 趙 磊， 邵俊龍

中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司

0 引言

在大修井施工過程中，由于井眼軌跡、套管變形、管柱的砂卡，垢卡等各種因素以及水力錨、橋塞，封隔器等各種大直徑工具的入井作業(yè)均易產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象，需要進(jìn)行解卡打撈作業(yè)。受井眼軌跡，大井斜角等客觀因素的影響，致使打撈管柱、打撈工具在井筒內(nèi)的受力狀態(tài)發(fā)生變化。常規(guī)打撈技術(shù)主要依靠修井機(jī)從井口施加的提拉載荷，并不能直接有效傳遞到井下卡鉆位置，造成解卡打撈成功率較低。

目前大修井施工工藝一般先進(jìn)行套銑打撈，遇卡之后進(jìn)行活動解卡，震擊解卡，之后進(jìn)行倒扣打撈，不行只能進(jìn)行套磨銑施工。普通的倒扣套磨銑法、活動解卡以及大力上提解卡往往不能滿足實(shí)際解卡需要；震擊解卡，提供的震擊力又十分有限，而且需要頻繁震擊，成功率較低。為解決這一難題，國內(nèi)對液壓增力解卡裝置進(jìn)行了研制,李加院[1]對液壓增力解卡井下管柱進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度校核。郭建國，葉金勝等[2- 6]研制的液壓增力解卡裝置，沒有設(shè)計(jì)泄壓機(jī)構(gòu)，不具備解卡判斷功能。朱澤軍，韓學(xué)良等[7- 13]設(shè)計(jì)的液壓增力解卡裝置，存在解卡上提力較低，工作行程較短的問題?；谝陨涎芯砍晒P者研制了一種液壓增力解卡打撈裝置，不僅具有較高的解卡上提力，較大的工作行程，而且具備解卡判斷功能，提高了解卡打撈成功率，同時(shí)縮短了施工周期，降低了作業(yè)成本，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1 液壓增力解卡打撈裝置的研制

1.1 液壓增力解卡打撈裝置的主要結(jié)構(gòu)

圖1中液壓增力解卡打撈裝置主要由錨定懸掛機(jī)構(gòu)、多級液壓增力機(jī)構(gòu)、六方桿和加壓球座機(jī)構(gòu)組成。工具上端連接鉆桿或油管，下端連接可退式撈矛。

1.上接頭； 2.錐體； 3.卡瓦牙； 4.推牙活塞； 5.鎖塊； 6.推牙剪釘； 7.進(jìn)液孔； 8.鎖塊活塞； 9.外筒； 10.密封圈； 11.外筒釋放孔； 12.中心管； 13.多級增力活塞； 14.中心管過液孔； 15.外套接箍； 16.泄壓孔； 17.中心管與外套剪釘； 18.六方桿； 19.球； 20.球座接頭。

錨定懸掛機(jī)構(gòu)主要由上接頭、錐體、卡瓦牙、推牙活塞、鎖塊、推牙剪釘、進(jìn)液孔、鎖塊活塞組成，其作用是在管柱加壓時(shí)將液壓增力解卡打撈裝置錨定在套管內(nèi)壁上，并承受多級液壓增力機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的上提力。

多級液壓增力機(jī)構(gòu)是直接產(chǎn)生解卡上提力的重要部件，主要由外筒、密封圈、外筒釋放孔、中心管、多級增力活塞、中心管進(jìn)液孔，外套接箍以及中心管與外套剪釘?shù)冉M成。多級液壓增力機(jī)構(gòu)通過六方桿機(jī)構(gòu)、球和球座接頭下端連接有可退式撈矛，見圖2。

圖2 可退式撈矛

多級液壓增力機(jī)構(gòu)采用多級串聯(lián)式活塞缸結(jié)構(gòu)，根據(jù)所需解卡上提力和井眼軌跡可設(shè)置不同級數(shù)；加壓球座機(jī)構(gòu)是液壓增力打撈裝置的關(guān)鍵部件，可以滿足工具加壓密封和反洗井的要求。

1.2 液壓增力解卡打撈裝置的工作原理

1.2.1 錨定懸掛機(jī)構(gòu)

通過底端可退撈矛上提一定負(fù)荷撈住落魚后，從管柱內(nèi)加壓，高壓流體通過進(jìn)液孔進(jìn)入鎖塊活塞和鎖塊之間。一方面，提供向右作用力推動鎖塊活塞向右移動，鎖塊活塞與鎖塊松開，直至剪斷推牙剪釘；另一方面，提供向左作用力推動推牙活塞向左移動，推動卡瓦牙沿錐體漲開卡瓦牙，將打撈管柱錨定在套管內(nèi)壁上。

1.2.2 多級液壓增力機(jī)構(gòu)

繼續(xù)升高管柱內(nèi)壓力，高壓流體進(jìn)入中心管過液孔，提供向左作用力，推動多級增力活塞左移，液壓在多級液壓增力機(jī)構(gòu)處產(chǎn)生疊加作用，多級增力活塞帶動中心管向左移動，將液壓產(chǎn)生的增力直接作用于可退撈矛上，給底端可退撈矛提供解卡上提力，移動至設(shè)計(jì)行程位置處，直至剪斷剪釘及中心管與外套相連的剪釘，當(dāng)中心管完成指定行程后，管柱通過泄壓孔內(nèi)、外連通，地面泵車壓力大幅度下降，套管內(nèi)泄壓，表明落魚已經(jīng)移動，解卡成功。

1.2.3 六方桿和加壓球座機(jī)構(gòu)

當(dāng)落魚移動設(shè)計(jì)行程后，加壓球座機(jī)構(gòu)不再承壓，自動泄壓，泵車壓力突降，停泵泄壓。待錨定懸掛機(jī)構(gòu)自動收回后，以一定負(fù)荷上提管柱，打撈出原井管柱。

1.3 液壓增力解卡上提力的計(jì)算分析

液壓增力解卡是利用多級活塞缸在液壓力作用下帶動中心管產(chǎn)生解卡上提力，取多級活塞缸中任一個活塞結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行受力分析[14- 15]，見圖3。

圖3 活塞結(jié)構(gòu)單元受力分析

液壓增力解卡過程中，向管柱內(nèi)打壓，不同井深處的管柱內(nèi)壓力：

(1)

式中：pw—管柱內(nèi)壓力，MPa；pws—井口管柱內(nèi)壓力，MPa；ρw—管柱內(nèi)液體密度，kg/m3;g—重力加速度，9.8 N/kg;α—井斜角，(°);dl—打撈管柱微元長度，m。

油套環(huán)空壓力：

(2)

式中：pr—油套環(huán)空壓力，MPa；prs—井口套壓，MPa；ρr—油管環(huán)空內(nèi)液體密度，kg/m3。

活塞實(shí)際作用面積A：

(3)

由于同一井深處管柱內(nèi)壓力常大于環(huán)空壓力，當(dāng)管柱內(nèi)液體與環(huán)空液體密度相同時(shí)，用式(1)減式(2)，并取井口套壓prs=0，簡化可得單級活塞所受到的合力：

(4)

若多級活塞缸串聯(lián)，則液壓增力解卡裝置產(chǎn)生的總解卡上提力為：

(5)

式中：n—活塞缸級數(shù)；Di—第i級活塞外徑，m；di—第i級連桿外徑，m。

若活塞上端面與環(huán)空不連通，式(5)可寫為：

(6)

從式(5)和式(6)可以看出，液壓增力解卡打撈裝置產(chǎn)生的總解卡上提力F與井口管柱內(nèi)壓力pws成正比，井口管柱內(nèi)壓力越大，井下獲得的解卡上提力也越大。

1.4 液壓增力解卡打撈裝置的主要技術(shù)性能參數(shù)

液壓增力解卡打撈裝置的主要技術(shù)性能參數(shù)如表1所示，液壓增力解卡打撈裝置泵壓與解卡上提力對應(yīng)值如表2所示。

表1 液壓增力解卡打撈裝置主要技術(shù)性能參數(shù)

表2 液壓增力解卡打撈裝置泵壓與解卡上提力對應(yīng)值

1.5 液壓增力解卡打撈裝置的性能特點(diǎn)

(1)當(dāng)中心管完成工作行程后，管柱內(nèi)、外連通，地面泵車壓力大幅下降，套管內(nèi)泄壓，表明落物已經(jīng)移動，從而判斷解卡成功。

(2)通過串聯(lián)的多級增力活塞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉力疊加，將液壓力轉(zhuǎn)化為向上的多級增力拉力直接作用于底端可退式撈矛上，提拉落魚。

(3)液壓增力解卡打撈裝置，采用井下液壓增力的方式提供解卡力，直接將解卡上提力作用在井筒內(nèi)卡點(diǎn)位置，不受井身結(jié)構(gòu)的限制，對地面設(shè)備及打撈管柱抗拉強(qiáng)度要求降低。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

液壓增力解卡打撈裝置在大港油田自X井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。自X井是一口油井，該井施工目的是修套、解卡打撈、找堵漏。2018年7月含水升高，產(chǎn)量由日產(chǎn)油3.54 t降至0.16 t，含水由22.7%上升至99.4%，分析套漏造成含水上升，于2020年12月25日高含水停。因該井套漏前正常日產(chǎn)液4.58 m3，日產(chǎn)油3.54 t，含水22.7%，認(rèn)為該井存在潛力。下步建議該井打撈井下防砂密封封隔器后找堵漏，恢復(fù)生產(chǎn)。預(yù)計(jì)措施后日產(chǎn)液量6 m3，日增油4 t。2021年11月9日，下入打撈管柱自上而下為：?73 mm平式油管167根+變扣+?73 mm加厚短節(jié)1根+?114 mm液壓增力解卡打撈裝置+?62 mm可退撈矛，末根方入0.45 m，遇防砂密封封隔器深度1 593.91 m。首先通過可退撈矛進(jìn)行常規(guī)打撈：上提負(fù)荷300 kN未開(原負(fù)荷100 kN)。通過可退撈矛常規(guī)解卡未開后，嘗試用液壓增力解卡打撈裝置解卡：通過可退撈矛上提負(fù)荷220 kN撈住原井管柱，通過地面泵車打壓12 MPa，穩(wěn)壓15 min，泄壓，上提負(fù)荷最大220 kN，解卡。之后起出?62 mm可退撈矛+?114 mm液壓增力解卡打撈裝置+?73 mm加厚短節(jié)1根+變扣+?73 mm平式油管167根。起出打撈管柱，液壓增力解卡打撈裝置完好，撈獲防砂密封封隔器+鐵扶正器+?73 mm平式油管1根+割縫篩管×3.56 m，如圖4所示。

圖4 液壓增力解卡打撈裝置打撈出原井管柱

3 結(jié)論及建議

(1)液壓增力解卡打撈裝置采用井下液壓增力的方式提供解卡力，直接將解卡上提力作用在井下卡點(diǎn)位置，最高解卡上提力1 000 kN，最大行程600 mm，具備解卡判斷功能，提高了解卡打撈成功率。

(2)用液壓增力解卡打撈裝置進(jìn)行解卡打撈作業(yè)，單井平均可節(jié)約大修作業(yè)成本15萬元，縮短了施工周期，降低了作業(yè)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)隨著油田開發(fā)中后期的發(fā)展，水平井、大斜度井的修井?dāng)?shù)量也將逐年增加，應(yīng)進(jìn)一步研制采用液壓動力方式的修井工具，提高修井施工作業(yè)的一次成功率。