馬勝吉

(中國石油集團川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)

在天然氣開采過程中，為了實現經濟、可持續(xù)的開采，經常需要對其流量進行控制。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計好的井下節(jié)流器及其配套工具通過繩索作業(yè)的方式坐放在油管中設計位置，氣井生產時，天然氣經過井下節(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在井筒中充分吸收地熱，使其溫度重新升高，破壞水合物生成條件。當到達井口時，天然氣溫度較高，壓力較低，地面無需再節(jié)流，也無需水套爐加熱生產即可實現水合物的有效防治。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化，具備基建投資少、井口壓力低、帶液能力強、耗費人力少等諸多優(yōu)勢[1-4]。但由于目前所生產的節(jié)流器還不能在井內進行流量調整，在開采一段時間以后，由于井底壓力下降，為了增大采氣量，實現經濟開采，就需要取消節(jié)流器或更換節(jié)流嘴。而這都需要專用的打撈工具和工藝將節(jié)流器從井內取出。

近年來，隨著工藝技術水平的發(fā)展，我國的打撈工具研制水平也得到了較大提高[5]。比如徐健等設計了一套液壓助力式的連續(xù)油管落魚打撈矛和打撈筒[6]，較好地解決了水平井和深井連續(xù)油管落魚打撈的問題；張榮軍等研制了一種套銑-打撈組合式打撈工具[7]，通過套銑、打撈同時作業(yè)，成功解決了常規(guī)套銑打撈法對于出砂嚴重井不適用的問題；肖述琴等研制了一種井下節(jié)流器用的氣舉打撈工具[8]，騰學清等設計了一種螺桿鉆具打撈工具[9]，通過地面試驗證明具有較好的造扣功能；利用氣井壓力使節(jié)流器上行；梁紅梅等設計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。但是以上結構的設計也僅僅是解決了部分工藝問題，很難解決節(jié)流器的打撈過程中存在的問題，為此本文研制了一種新型節(jié)流體打撈筒，并對其進行了試驗研究。

一、現用節(jié)流器打撈工具存在的問題

以西南油氣田某單位所采用的井下節(jié)流器為例，其參數如表1所示。

表1 井下節(jié)流器參數

目前采用的某院為打撈井下節(jié)流器專門設計的打撈工具，如圖1所示，其上部為活動式打撈筒，下部為固定式打撈筒，其主要是通過鋼絲繩下入到井內進行打撈。經過現場多次作業(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。通過研究分析，發(fā)現井下節(jié)流器在井內長期工作，頂部雜質沉積較多，活動部件因腐蝕被卡，造成打撈工具要么根本抓不住井下節(jié)流器打撈頸，要么抓住了又沒有足夠的力將其解卡，即使在正常下工具的過程中，也可能因為井壁附著的雜質造成工具遇卡。由于該結構的限制，當其采用鋁銷釘時，最大上提力不得超過8～9 kN，采用銅銷釘時，最大上提力不得超過20～22 kN。因而，經常出現撈獲工具后，因為上提力在到了銷釘剪切極限時還不能提動節(jié)流器。且該打撈工具結構相對復雜，故障率高，現場修復困難，經常需要送外維修，浪費了大量時間和人力、物力。

圖1 現用井下節(jié)流器打撈工具

如果用連續(xù)油管設備進行打撈作業(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象，但是由于洗井過程中液體的“滑套效應”(液體在井筒內自下而上流動時，有部分井壁上液體會順著井壁向下流)和節(jié)流器以下井筒內攜帶雜質液體的不斷上竄，還是會有很多雜質會沉積在節(jié)流器頂部，造成撈獲困難。同時，從銷釘設置的抗拉強度上來看，500 kg力于鋼絲繩來說很好控制，對于連續(xù)油管操作來說控制就非常困難，雖然后面換裝過銅銷釘，工具方甚至還表示可以提供鋼銷釘。但是在使用過程中打撈筒還是經常出問題，使用發(fā)現，不太適合連續(xù)油管使用。

二、新型打撈筒結構設計

1. 打撈工具結構設計方案

采用可退式打撈筒的設計方案，即撈獲井下節(jié)流器后，如果連續(xù)油管施加于節(jié)流器上提噸位達到一定噸位時，仍然提不動節(jié)流器，打撈工具將自動脫手，工具脫手時，要求不得再掉東西在井內，同時不得影響下次打撈。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，向下走時剪釘不受力，向上提時剪釘受力，其受力范圍為50～70 kN。在打撈作業(yè)過程中，連續(xù)油管與生產油管建立洗井循環(huán)通道保持暢通，保證能隨時清除工具附近的井內雜質。

為實現上述功能，工具的抓手可以設計成在銷釘被剪斷的情況下，能在一定范圍內活動的結構。同時，當連續(xù)油管上提時，抓手在落魚的反作用力下，能通過專門的機構實現脫手的功能，這個結構是該工具設計的關鍵。由于井內油管內徑為62 mm，所以當打撈工具抓手脫手時，抓手張開的外徑不能超過62 mm，通過模擬，確定工具外徑設計為56 mm為宜。設計的新型打撈工具結構如圖2所示。

圖2 新型打撈工具結構圖

2.銷釘方案設計

由于銷釘是整個打撈工具的核心部件，其關系著打撈結果的成功與否，因而需要對其結構進行設計和校核。根據使用慣例，采用黃銅作為銷釘的材質，具體為黃銅光磨棒HPb63-3 Y，拉伸強度≥430 MPa。

依據一般工程規(guī)范規(guī)定，對于塑性較好的材料剪切許用應力[τm]可由其拉伸許用應力[σ]計算，[τm]=(0.6～0.8)[σ]。則外徑為6 mm的HPb63-3 Y銅銷釘剪切力應大于等于7.29～9.72 kN。以連續(xù)油管上提力60 kN時銷釘被剪斷，外徑為6 mm的銷釘數量應為6～7顆為宜。

為驗證結果的可靠性，通過四川機械設計研究院對材料為黃銅光磨棒HPb63-3 Y的?6 mm銷釘進行剪切試驗，其剪切力為9.15～9.2 kN。實驗結果與計算結果吻合較好，說明設計方案較為可靠。加工裝配后的新型打撈工具實物圖如圖3所示。

圖3 新型打撈工具實物圖

三、打撈工具拉力試驗

為驗證打撈工具的工作能力，對整個工具進行拉力試驗。設計了打撈工具專用工裝結構，如圖4所示。將設計的工裝安裝在力學試驗機上進行拉伸試驗，如圖5所示，每組實驗直至銷釘被剪斷視為結束。本次總共設計3組實驗：第1次安裝直徑為6 mm銅銷釘2顆，其最大拉伸載荷18.4 kN；第二次裝直徑為6 mm銅銷釘2顆，其最大拉伸載荷18.3 kN；第3次裝直徑為6 mm銅銷釘6顆，其最大拉伸載荷61.87 kN。通過3次力學試驗，剪切銷釘被拉斷后，工具都能實現順利脫手，而且模擬落魚打撈頸沒有發(fā)生破壞。同時，在3次試驗中，每次試驗單顆銷釘的最大剪切負荷分別為9.2 kN、9.15 kN、10.3 kN，達到了設計預期。

圖4 試驗工裝設計

圖5 打撈筒整體拉伸試驗

四、現場試驗

該工具曾在西南油氣田某定向斜井進行打撈作業(yè)，采用KQ65-70型井口，于2010年5月完井，自噴生產，節(jié)流器坐封在井下2 400 m處。作業(yè)設備為38.1 mm外徑連續(xù)油管作業(yè)設備1套，700型壓裂車1臺?，F場先用連續(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)流器上端有井內雜質存留，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型壓裂車開泵，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、結論

針對現有井下節(jié)流器用打撈工具存在的問題，特別是現有工具存在的打撈成功率低等問題進行了詳細分析，設計了一種井下節(jié)流器用新型打撈工具，采用可退式打撈筒的設計方案，可實現自動脫手功能。經多次現場使用，該打撈工具能夠有效解決之前打撈工具存在的很多問題，特別是與連續(xù)油管作業(yè)設備及專用工具配合使用時，具備了一趟起下可以解決多個問題的優(yōu)點，結構簡單，工作可靠，撈獲成功率高，上提下壓噸位大且可調，實現了設計之初設定的所有目標。但如果節(jié)流器在井內因腐蝕嚴重造成與生產油管卡死，解卡噸位超過打撈工具設定極限，也會造成打撈不成功。從理論上講，通過改變剪切銷釘材質、增加數量或直徑，可以使該工具脫手噸位更大，提高解卡成功率，但也會造成脫手時，工具抓手傷害節(jié)流器打撈頸，造成后期打撈撈獲困難。