機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具的研制及應(yīng)用

摘要：針對超深碳酸鹽巖長裸眼井酸壓完井中常規(guī)丟手工具可靠性及通徑能力不足的問題，研制了一種新型機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具。該丟手工具集成機(jī)械丟手工具和液壓丟手工具的優(yōu)點(diǎn)，采用棘爪式承載結(jié)構(gòu)保障在深井管柱下放過程中，對丟手工具的高抗拉需求，利用壓差滑套作為棘爪解鎖機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工具全通徑，棘爪解鎖后再依靠機(jī)械剪切銷釘進(jìn)行管柱高效丟手。新研制的丟手工具，既能保障深井長裸眼內(nèi)完井管具的安全下入及后期順利丟手，又避免了管柱縮徑節(jié)流問題，有效降低長酸壓管柱摩阻，同時也為后期修井作業(yè)提供更多選擇性。通過有限元分析，室內(nèi)整機(jī)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用評價(jià)，驗(yàn)證了新研制的機(jī)液一體全通徑丟手工具性能的可靠性及實(shí)用性，累計(jì)應(yīng)用46井次，一次到位和丟手成功率均為100%，其中最深7 178.94 m，最大井斜角92.20°，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：超深層；長裸眼；丟手工具；機(jī)液復(fù)合；全通徑

中圖分類號：TE934.3" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.011

Design and Application of the Aechanicalamp;Hydraulic Disconnector with Full Bore

LIU Zhixiang1，LI Huihui1，ZOU Wei1，XIE Jin1，BO Kehao2，WANG Chong1

（1.Sinopec Northwest Oilfield Completion Test Management Center，Luntai 841600，China；

2.Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 102200，China）

Abstract： A new type of mechanical and hydraulic disconnector with full bore has been developed to address the shortcomings of conventional disconnectors， including insufficient capacity， reliability， and bore during acid fracturing completion in wells with long open holes in ultra-deep carbonate reservoirs. This disconnector incorporates the advantages of both mechanical and hydraulic disconnectors， employing a pawl structure to guarantee the high bearing demand during the pipe string tripping process in deep wells. A sliding sleeve hydraulic relying on pressure is employed as the pawl release mechanism to achieve full bore. Subsequent to the release of the pawl， a mechanical shear pin is utilized to facilitate the efficient release of the pipe string. The newly developed release tool ensures the safe entry and smooth release of the completion string in deep and long open holes， while also avoiding the problem of throttling in shrinkage pipe. This effectively reduces the frictional resistance， thereby providing more selectivity for later workover operations. The reliability and practicality of the newly developed tool have been effectively verified through finite element analysis， indoor testing， and on-site application evaluation. The tool has been applied a total of 46 times， with a 100% success rate. The deepest application was at a depth of 7 178.94 m， with a maximum deviation angle of 92.20°. It has considerable potential for application and offers significant economic benefits.

Key words：" ultra deep layer；long naked hole；release tools；mechanical amp; hydraulic；full bore

裸眼酸壓完井方式是中石化西北油田進(jìn)行油氣資源開采的主要方式，酸壓率高達(dá)75%，加之后期主要采取注水、注氣、酸化等增產(chǎn)措施，導(dǎo)致裸眼段垮塌嚴(yán)重，進(jìn)而會造成完井管柱底部被掩埋，修井時難提出［1-2］。丟手工具是裸眼酸壓完井管柱中的重要工具［3］，可實(shí)現(xiàn)管柱發(fā)生掩埋時將其丟在井底，有效避免修井時增加油管切割、磨銑、打撈等額外作業(yè)。但是，隨著向超深層碳酸鹽巖儲層發(fā)展，裸眼段一般大于400 m，最長可達(dá)1 544 m，常規(guī)丟手器難以同時保障完井管柱安全下入及后期可靠丟手，同時超長管柱酸壓作業(yè)對通徑能力也提出了更高需求。

目前，常用的丟手工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在以下問題：機(jī)械式丟手工具（如，倒扣式、摩擦式、剪銷式等）具有結(jié)構(gòu)簡單、丟手操作方便且無明顯縮徑的特點(diǎn)，但是當(dāng)應(yīng)用于深井長裸眼地層作業(yè)時，尤其是井眼工況比較復(fù)雜的條件下，容易出現(xiàn)銷釘損壞提前丟手或旋轉(zhuǎn)困難丟手失效問題［4-5］；液壓式丟手工具（如球掛式［6］、懸掛塊式［7］、液壓剪銷式［8］、鎖塊式［9］、棘爪式［10］、活塞式［11］、滑套式［12］、錨定密封式［13］）具有承載能力強(qiáng)且能傳遞較大扭矩的特點(diǎn)，但需要投球并配合球座使用，導(dǎo)致工具內(nèi)部存在明顯縮徑，增加深層酸壓過程中的管道摩阻，且受固相沉淀、腐蝕等井筒環(huán)境影響容易出現(xiàn)球與落座不密封造成的丟手失效問題，同時會限制球座下部完、修井工具的選擇；壓差式封隔器可實(shí)現(xiàn)全通徑，但需與封隔器配套使用，且對封隔器上部環(huán)空密封性要求較高［14］；復(fù)合式丟手工具同時具有兩種或三種丟手方式，該類型丟手工具一種丟手方式失敗可再選另一種丟手方式作業(yè)，但僅將機(jī)械式和液壓式丟手工具簡單組合，二者單獨(dú)存在時的問題并未解決，且工具串復(fù)雜［15-18］。

針對現(xiàn)有丟手工具難以適應(yīng)超深層、長裸眼水平井問題，本文將液壓丟手工具和機(jī)械丟手工具的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)集于一體，研制了一種機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具，通過有限元分析，室內(nèi)評價(jià)和試驗(yàn)證實(shí)了其可靠的承載、解鎖和密封性能，并取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果，有效提高了超深碳酸鹽巖完、修井效率。

1 機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)分析

機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具的結(jié)構(gòu)如圖1所示。新工具在管柱到位前后分別采用液壓丟手工具的棘爪機(jī)構(gòu)和機(jī)械丟手工具的丟手銷釘承受軸向載荷，且二者通過壓差式解鎖機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 棘爪抗拉強(qiáng)度大，可有效避免管柱下入過程中途丟手。

2） 上提管柱完成丟手功能，無需投球，可靠性高，且操作簡單。

3） 實(shí)現(xiàn)全通徑，可有效降低超長管柱大排量酸化壓裂時的摩阻。

4） 丟手后落魚的魚頭形狀為規(guī)則的圓管，便于后期打撈作業(yè)。

1.2 工作原理

完井管柱下入過程。機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具的上接頭和外筒、外筒和棘爪之間均通過螺紋連接，棘爪的棘齒外壁與釋放套內(nèi)壁通過齒配合連接，釋放套和下接頭通過螺紋連接，如圖2a所示。棘爪的內(nèi)側(cè)設(shè)有可沿軸向移動的活塞套，活塞套外壁設(shè)有凸起，凸起對棘爪進(jìn)行鎖定限位，使其不能張開，承受管柱傳遞的高強(qiáng)度載荷。管柱到位后，坐封封隔器或酸壓時的內(nèi)外壓差剪斷活塞套與外筒之間的啟動銷釘，活塞套下行，棘爪彈開，如圖2b所示，棘爪和釋放套之間轉(zhuǎn)化換為丟手銷釘連接。需要丟手時，上提管柱，拉力剪斷丟手銷釘，棘爪和釋放套分離，棘爪及其上部管柱提出，釋放套和下接頭留在井底，如圖2c所示。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具金屬材質(zhì)采用42CrMo，O形密封圈和膠筒材質(zhì)選用FKM橡膠，與常規(guī)丟手工具相比，耐溫由150 ℃提升至204 ℃，耐壓由70 MPa提升至105 MPa。目前有三種規(guī)格，具體參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 棘爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

棘爪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過控制棘爪彈性力來控制機(jī)、液丟手功能的轉(zhuǎn)化，棘爪的數(shù)量、厚度、寬度和長度四個參數(shù)影響其彈性力的大小，同時工具在入井過程中整體抗拉強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)在棘爪位置，設(shè)計(jì)棘爪數(shù)量12個、厚度9.61 mm、長度127.89 mm、寬度19.22 mm、齒承載角為35°。

使用SOLIDWORDS軟件Simulation功能，對棘爪進(jìn)行有限元分析，建立線性彈性同向性模型，設(shè)置屈服強(qiáng)度為758 MPa，抗拉強(qiáng)度930 MPa，彈性模量121 GPa，泊松比0.28?；诠ぞ弑倔w曲率網(wǎng)格劃分實(shí)體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4a所示。施加軸向拉力860 kN，強(qiáng)度理論計(jì)算使用Mises應(yīng)力強(qiáng)度模型，靜應(yīng)分析結(jié)果如圖4b所示，最大靜應(yīng)力744.5 MPa（＜758 MPa），在材料安全范圍內(nèi)。

2.1 活塞套和外筒設(shè)計(jì)分析

機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具抗內(nèi)壓的薄弱點(diǎn)為活塞套和外筒，通過上述方法，采用有限元分析軟件，對丟手工具的活塞套和外筒分別施加內(nèi)部壓力105 MPa，此時活塞套和外筒的最大靜應(yīng)力分別為659.8 MPa和646.3 MPa（＜758 MPa），在其安全范圍內(nèi)，如圖5所示。

3 室內(nèi)關(guān)鍵性能評價(jià)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

組裝外徑為127.0 mm規(guī)格的機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具，其中啟動銷釘剪切壓力設(shè)置為16.4 MPa，丟手銷釘剪切拉力設(shè)置為450 kN，開展整機(jī)測試試驗(yàn)。工具上接頭連接打壓短節(jié)，下接頭與堵頭連接，并將上下兩端分別固定在拉力機(jī)上，如圖6所示。

整機(jī)測試主要驗(yàn)證機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具棘爪承載機(jī)構(gòu)、解鎖機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)及丟手機(jī)構(gòu)性能可靠性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 棘爪承載性能評價(jià)

井筒溫度升高至204 ℃并保溫30 min后，拉力機(jī)分別上提載荷至221.6、396.7、625.0、862.0 kN，各穩(wěn)載荷2 min，如圖7所示，期間無丟手現(xiàn)象，且拆開后檢查棘爪無變形或拉長現(xiàn)象，說明棘爪承載性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 解鎖和密封機(jī)構(gòu)性能評價(jià)

中心腔打壓至16.4 MPa，壓力突降至14.6 MPa，判斷啟動銷釘剪斷，繼續(xù)打壓至16.4 MPa，保壓5 min，如圖8所示，泄壓后通過壓力平衡孔觀察活塞套已下移至鎖環(huán)處，此時棘爪已釋放。繼續(xù)打壓至20.7、42.5、63.8、83.9、105.1 MPa，各穩(wěn)壓15 min，壓降＜1%，如圖9所示。表明解鎖和密封機(jī)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 丟手銷釘性能評價(jià)

中心腔壓力卸至0 MPa，上提載荷至440 kN，載荷突降至0 kN，判斷丟手銷釘剪斷，檢查工具實(shí)現(xiàn)丟手，如圖10所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

截至目前，機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具在現(xiàn)場應(yīng)用46井/次，最大下深7 178.94 m，最大井斜角為92.20°，最高井溫162.24 ℃，完井管柱到位成功率100%，未發(fā)生中途丟手情況，且上修時發(fā)生下部管柱埋卡的6井/次均成功丟手。

SHB1#井組下完井管柱至井深6 560.40 m處遇阻，多次上提下放活動，最大下壓60 kN、上提270 kN，均無法通過后將工具串起出井口，檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具仍完好，如圖11所示，證明該丟手工具可有效避免中途意外丟手。

SHB2#井完井管柱正常到位，酸壓時內(nèi)外壓差73.5 MPa，機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具丟手銷釘剪切值為200 kN，生產(chǎn)1 a后進(jìn)行修井作業(yè)，管柱上提100 kN解卡，起出后檢查發(fā)現(xiàn)未發(fā)生丟手，但釋放套正常下行，處于解鎖狀態(tài)，地面施加拉力190 kN后正常丟手，如圖12所示。證明該丟手工具即可實(shí)現(xiàn)丟手可靠性，又保證了酸壓期間完井管柱的完整性。

SHB3#井完井管柱正常到位，酸壓時內(nèi)外壓差47.4 MPa，生產(chǎn)2 a后進(jìn)行上修作業(yè)，管柱上提200 kN解卡，起出后檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具正常丟手，如圖13所示，證明該丟手工具的丟手可靠性。

5 結(jié)論

1） 研制的機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具集成了機(jī)械丟手工具和液壓丟手工具優(yōu)點(diǎn)，既能保障超深、長裸眼內(nèi)完井管柱到位和丟手成功率，又避免了管柱縮徑節(jié)流的問題，有效降低了超深層酸壓管柱摩阻，同時也為后期完井、修井作業(yè)提供了更多選擇性。

2） 通過室內(nèi)關(guān)鍵性能測試及現(xiàn)場應(yīng)用評價(jià)表明，研制的機(jī)液復(fù)合全通徑丟手工具各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，性能可靠、操作簡單，有效解決了超深層碳酸鹽巖長裸眼酸壓完井過程中常規(guī)丟手工具可靠性及通徑能力不足的問題，具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目： 中國石油化工股份有限公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“順北超深井井筒完整性管控關(guān)鍵技術(shù)研究”（P22106）。

作者簡介： 柳志翔 （1980-），男，湖北襄陽人，高級工程師，現(xiàn)從事完井測試及井下工具研究工作。

通信作者： 李會會 （1987-），女，山東臨沭人，高級工程師，現(xiàn)從事完井測試及井下工具研究工作，E-mail：137494261@qq.com。