馬勝吉

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)

在天然氣開(kāi)采過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的開(kāi)采，經(jīng)常需要對(duì)其流量進(jìn)行控制。流量控制的節(jié)流方式一般分為地面節(jié)流和井下節(jié)流，井下節(jié)流工藝是把按采氣要求設(shè)計(jì)好的井下節(jié)流器及其配套工具通過(guò)繩索作業(yè)的方式坐放在油管中設(shè)計(jì)位置，氣井生產(chǎn)時(shí)，天然氣經(jīng)過(guò)井下節(jié)流器節(jié)流后，壓力、溫度降低，而降溫降壓后的天然氣又會(huì)在井筒中充分吸收地?zé)?，使其溫度重新升高，破壞水合物生成條件。當(dāng)?shù)竭_(dá)井口時(shí)，天然氣溫度較高，壓力較低，地面無(wú)需再節(jié)流，也無(wú)需水套爐加熱生產(chǎn)即可實(shí)現(xiàn)水合物的有效防治。相比地面節(jié)流，井下節(jié)流工藝由于取消了水套爐，地面流程也得到了簡(jiǎn)化，具備基建投資少、井口壓力低、帶液能力強(qiáng)、耗費(fèi)人力少等諸多優(yōu)勢(shì)[1-4]。但由于目前所生產(chǎn)的節(jié)流器還不能在井內(nèi)進(jìn)行流量調(diào)整，在開(kāi)采一段時(shí)間以后，由于井底壓力下降，為了增大采氣量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)采，就需要取消節(jié)流器或更換節(jié)流嘴。而這都需要專(zhuān)用的打撈工具和工藝將節(jié)流器從井內(nèi)取出。

近年來(lái)，隨著工藝技術(shù)水平的發(fā)展，我國(guó)的打撈工具研制水平也得到了較大提高[5]。比如徐健等設(shè)計(jì)了一套液壓助力式的連續(xù)油管落魚(yú)打撈矛和打撈筒[6]，較好地解決了水平井和深井連續(xù)油管落魚(yú)打撈的問(wèn)題；張榮軍等研制了一種套銑-打撈組合式打撈工具[7]，通過(guò)套銑、打撈同時(shí)作業(yè)，成功解決了常規(guī)套銑打撈法對(duì)于出砂嚴(yán)重井不適用的問(wèn)題；肖述琴等研制了一種井下節(jié)流器用的氣舉打撈工具[8]，騰學(xué)清等設(shè)計(jì)了一種螺桿鉆具打撈工具[9]，通過(guò)地面試驗(yàn)證明具有較好的造扣功能；利用氣井壓力使節(jié)流器上行；梁紅梅等設(shè)計(jì)了一種可鉆式橋塞磨銑打撈工具[10]，可鉆除橋塞，提高摩銑打撈效率。但是以上結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也僅僅是解決了部分工藝問(wèn)題，很難解決節(jié)流器的打撈過(guò)程中存在的問(wèn)題，為此本文研制了一種新型節(jié)流體打撈筒，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

一、現(xiàn)用節(jié)流器打撈工具存在的問(wèn)題

以西南油氣田某單位所采用的井下節(jié)流器為例，其參數(shù)如表1所示。

表1 井下節(jié)流器參數(shù)

目前采用的某院為打撈井下節(jié)流器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的打撈工具，如圖1所示，其上部為活動(dòng)式打撈筒，下部為固定式打撈筒，其主要是通過(guò)鋼絲繩下入到井內(nèi)進(jìn)行打撈。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次作業(yè)，效果極不理想。如2010年5～7月在廣安4口井施工作業(yè)中，只有1口井打撈成功。通過(guò)研究分析，發(fā)現(xiàn)井下節(jié)流器在井內(nèi)長(zhǎng)期工作，頂部雜質(zhì)沉積較多，活動(dòng)部件因腐蝕被卡，造成打撈工具要么根本抓不住井下節(jié)流器打撈頸，要么抓住了又沒(méi)有足夠的力將其解卡，即使在正常下工具的過(guò)程中，也可能因?yàn)榫诟街碾s質(zhì)造成工具遇卡。由于該結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)其采用鋁銷(xiāo)釘時(shí)，最大上提力不得超過(guò)8～9 kN，采用銅銷(xiāo)釘時(shí)，最大上提力不得超過(guò)20～22 kN。因而，經(jīng)常出現(xiàn)撈獲工具后，因?yàn)樯咸崃υ诘搅虽N(xiāo)釘剪切極限時(shí)還不能提動(dòng)節(jié)流器。且該打撈工具結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，故障率高，現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)困難，經(jīng)常需要送外維修，浪費(fèi)了大量時(shí)間和人力、物力。

圖1 現(xiàn)用井下節(jié)流器打撈工具

如果用連續(xù)油管設(shè)備進(jìn)行打撈作業(yè)，可以先下通井規(guī)通井，下沖洗工具洗井清理打撈工具頂部。這樣就能夠避免工具下不到位的現(xiàn)象，但是由于洗井過(guò)程中液體的“滑套效應(yīng)”(液體在井筒內(nèi)自下而上流動(dòng)時(shí)，有部分井壁上液體會(huì)順著井壁向下流)和節(jié)流器以下井筒內(nèi)攜帶雜質(zhì)液體的不斷上竄，還是會(huì)有很多雜質(zhì)會(huì)沉積在節(jié)流器頂部，造成撈獲困難。同時(shí)，從銷(xiāo)釘設(shè)置的抗拉強(qiáng)度上來(lái)看，500 kg力于鋼絲繩來(lái)說(shuō)很好控制，對(duì)于連續(xù)油管操作來(lái)說(shuō)控制就非常困難，雖然后面換裝過(guò)銅銷(xiāo)釘，工具方甚至還表示可以提供鋼銷(xiāo)釘。但是在使用過(guò)程中打撈筒還是經(jīng)常出問(wèn)題，使用發(fā)現(xiàn)，不太適合連續(xù)油管使用。

二、新型打撈筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 打撈工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

采用可退式打撈筒的設(shè)計(jì)方案，即撈獲井下節(jié)流器后，如果連續(xù)油管施加于節(jié)流器上提噸位達(dá)到一定噸位時(shí)，仍然提不動(dòng)節(jié)流器，打撈工具將自動(dòng)脫手，工具脫手時(shí)，要求不得再掉東西在井內(nèi)，同時(shí)不得影響下次打撈。打撈工具要配合下震擊器使用，必須先抓住節(jié)流器再用震擊器向下震擊。打撈工具采用銅剪釘，向下走時(shí)剪釘不受力，向上提時(shí)剪釘受力，其受力范圍為50～70 kN。在打撈作業(yè)過(guò)程中，連續(xù)油管與生產(chǎn)油管建立洗井循環(huán)通道保持暢通，保證能隨時(shí)清除工具附近的井內(nèi)雜質(zhì)。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，工具的抓手可以設(shè)計(jì)成在銷(xiāo)釘被剪斷的情況下，能在一定范圍內(nèi)活動(dòng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，當(dāng)連續(xù)油管上提時(shí)，抓手在落魚(yú)的反作用力下，能通過(guò)專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫手的功能，這個(gè)結(jié)構(gòu)是該工具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于井內(nèi)油管內(nèi)徑為62 mm，所以當(dāng)打撈工具抓手脫手時(shí)，抓手張開(kāi)的外徑不能超過(guò)62 mm，通過(guò)模擬，確定工具外徑設(shè)計(jì)為56 mm為宜。設(shè)計(jì)的新型打撈工具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型打撈工具結(jié)構(gòu)圖

2.銷(xiāo)釘方案設(shè)計(jì)

由于銷(xiāo)釘是整個(gè)打撈工具的核心部件，其關(guān)系著打撈結(jié)果的成功與否，因而需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。根據(jù)使用慣例，采用黃銅作為銷(xiāo)釘?shù)牟馁|(zhì)，具體為黃銅光磨棒HPb63-3 Y，拉伸強(qiáng)度≥430 MPa。

依據(jù)一般工程規(guī)范規(guī)定，對(duì)于塑性較好的材料剪切許用應(yīng)力[τm]可由其拉伸許用應(yīng)力[σ]計(jì)算，[τm]=(0.6～0.8)[σ]。則外徑為6 mm的HPb63-3 Y銅銷(xiāo)釘剪切力應(yīng)大于等于7.29～9.72 kN。以連續(xù)油管上提力60 kN時(shí)銷(xiāo)釘被剪斷，外徑為6 mm的銷(xiāo)釘數(shù)量應(yīng)為6～7顆為宜。

為驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，通過(guò)四川機(jī)械設(shè)計(jì)研究院對(duì)材料為黃銅光磨棒HPb63-3 Y的?6 mm銷(xiāo)釘進(jìn)行剪切試驗(yàn)，其剪切力為9.15～9.2 kN。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案較為可靠。加工裝配后的新型打撈工具實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 新型打撈工具實(shí)物圖

三、打撈工具拉力試驗(yàn)

為驗(yàn)證打撈工具的工作能力，對(duì)整個(gè)工具進(jìn)行拉力試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了打撈工具專(zhuān)用工裝結(jié)構(gòu)，如圖4所示。將設(shè)計(jì)的工裝安裝在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖5所示，每組實(shí)驗(yàn)直至銷(xiāo)釘被剪斷視為結(jié)束。本次總共設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)：第1次安裝直徑為6 mm銅銷(xiāo)釘2顆，其最大拉伸載荷18.4 kN；第二次裝直徑為6 mm銅銷(xiāo)釘2顆，其最大拉伸載荷18.3 kN；第3次裝直徑為6 mm銅銷(xiāo)釘6顆，其最大拉伸載荷61.87 kN。通過(guò)3次力學(xué)試驗(yàn)，剪切銷(xiāo)釘被拉斷后，工具都能實(shí)現(xiàn)順利脫手，而且模擬落魚(yú)打撈頸沒(méi)有發(fā)生破壞。同時(shí)，在3次試驗(yàn)中，每次試驗(yàn)單顆銷(xiāo)釘?shù)淖畲蠹羟胸?fù)荷分別為9.2 kN、9.15 kN、10.3 kN，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖4 試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

圖5 打撈筒整體拉伸試驗(yàn)

四、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

該工具曾在西南油氣田某定向斜井進(jìn)行打撈作業(yè)，采用KQ65-70型井口，于2010年5月完井，自噴生產(chǎn)，節(jié)流器坐封在井下2 400 m處。作業(yè)設(shè)備為38.1 mm外徑連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備1套，700型壓裂車(chē)1臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)先用連續(xù)油管帶通井規(guī)通井，然后下鉛印，未探到節(jié)流器頂端形狀，懷疑節(jié)流器上端有井內(nèi)雜質(zhì)存留，換連續(xù)油管打撈工具串：液壓丟手+打撈工具，在遇阻后上提連續(xù)油管100 m，700型壓裂車(chē)開(kāi)泵，緩慢下連續(xù)油管，遇阻1.5 t，下壓3 t，上提連續(xù)油管10 m后連續(xù)2次下壓至3 t，起連續(xù)油管，節(jié)流器被成功抓獲。

五、結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有井下節(jié)流器用打撈工具存在的問(wèn)題，特別是現(xiàn)有工具存在的打撈成功率低等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)了一種井下節(jié)流器用新型打撈工具，采用可退式打撈筒的設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫手功能。經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)使用，該打撈工具能夠有效解決之前打撈工具存在的很多問(wèn)題，特別是與連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備及專(zhuān)用工具配合使用時(shí)，具備了一趟起下可以解決多個(gè)問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，撈獲成功率高，上提下壓噸位大且可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)之初設(shè)定的所有目標(biāo)。但如果節(jié)流器在井內(nèi)因腐蝕嚴(yán)重造成與生產(chǎn)油管卡死，解卡噸位超過(guò)打撈工具設(shè)定極限，也會(huì)造成打撈不成功。從理論上講，通過(guò)改變剪切銷(xiāo)釘材質(zhì)、增加數(shù)量或直徑，可以使該工具脫手噸位更大，提高解卡成功率，但也會(huì)造成脫手時(shí)，工具抓手傷害節(jié)流器打撈頸，造成后期打撈撈獲困難。