龐德新 艾白布·阿不力米提 朱召召 郭新維 楊文新 郝力博

中國(guó)石油新疆油田公司

0 引言

井筒積液是導(dǎo)致氣井產(chǎn)氣量下降的主要原因之一[1-5]，當(dāng)積液嚴(yán)重時(shí)，氣井將停噴。以塔里木油田塔中氣田為例，2015年4月底，總共投產(chǎn)的126口氣井中有25口井井筒產(chǎn)生了積液，占比達(dá)19.8%，井筒積液導(dǎo)致氣井?dāng)y液能力大幅下降，產(chǎn)氣量逐漸降低，使氣田的穩(wěn)產(chǎn)形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻[6]。為了提升氣井的攜液能力，可以將小直徑連續(xù)油管作為速度管柱，下入生產(chǎn)管柱中進(jìn)行排水采氣[7]。然而，由于連續(xù)油管在低壓低產(chǎn)氣井井筒內(nèi)的受力情況復(fù)雜[8-9]，在地層流體所含腐蝕性介質(zhì)的復(fù)合作用下[10-11]，連續(xù)油管失效甚至斷脫在生產(chǎn)管柱中的事故屢見(jiàn)不鮮，需要對(duì)其進(jìn)行打撈，而打撈連續(xù)油管存在落魚(yú)長(zhǎng)度大、體積大、魚(yú)頭可動(dòng)等諸多難點(diǎn)[12]。目前，打撈連續(xù)油管的作業(yè)管柱都為常規(guī)管柱，且多數(shù)集中于作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低的空井筒[13]，鮮有生產(chǎn)管柱內(nèi)打撈連續(xù)油管的作業(yè)案例。常規(guī)管柱打撈工藝在低壓低產(chǎn)氣井生產(chǎn)管柱中打撈連續(xù)油管時(shí)面臨諸多難題：①生產(chǎn)管柱尺寸小，作業(yè)空間受限，而市面上鮮有小尺寸的專用連續(xù)油管落魚(yú)打撈工具；②在氣井中進(jìn)行打撈時(shí)必須實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)，但常規(guī)管柱用于帶壓作業(yè)時(shí)流程繁復(fù)[14]，井控風(fēng)險(xiǎn)高。為此，基于連續(xù)油管尺寸小、移動(dòng)靈活、可連續(xù)起下、自帶壓的優(yōu)勢(shì)[15-16]，提出了連續(xù)油管打撈連續(xù)油管工藝，并結(jié)合低壓低產(chǎn)氣井的實(shí)際特點(diǎn)，配套研發(fā)了一系列專用打撈工具，并成功應(yīng)用在羊塔克凝析氣田T1井。該工藝安全性高、效率高、作業(yè)成功率高，配套工具可靠性高、耐用性強(qiáng)，可以為低壓低產(chǎn)氣井生產(chǎn)管柱內(nèi)打撈連續(xù)油管的難題提供有效解決方案。

1 工藝流程

首先，使用射流解堵工具沖洗至魚(yú)頂，對(duì)作業(yè)通道內(nèi)蠟垢、油污、地層砂以及其他影響打撈作業(yè)的障礙物進(jìn)行清理；然后，使用通井工具通至魚(yú)頂，再次確保打撈作業(yè)通道暢通；打鉛印判斷魚(yú)頂形狀，為落魚(yú)引入提供可視化依據(jù)；連續(xù)油管帶打撈工具串入井，在魚(yú)頂上方10～20 m處做提拉測(cè)試，記錄懸重，為后續(xù)打撈作業(yè)施加安全載荷提供參考數(shù)據(jù)；嘗試在速度管柱未達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前將其全部一次性撈出，若未能實(shí)現(xiàn)，則循環(huán)解卡重新嘗試，若循環(huán)解卡無(wú)效，則實(shí)施機(jī)械切割打撈方案，分段將速度管柱撈出。

2 主體打撈工具串組成

主體打撈工具串自下往上由自旋引入工具、抓獲—剪切工具與抓獲檢測(cè)工具等3種工具組成（圖1）。

2.1 自旋引入工具

由于連續(xù)油管本身不能傳遞扭矩，為了增大落魚(yú)成功引入的概率，研發(fā)了自旋引入工具。如圖2所示，該工具設(shè)有雙道互成180°的內(nèi)凹螺旋導(dǎo)軌，壓縮彈簧套于導(dǎo)軌之上，其作用是確保引鞋在接觸魚(yú)頂前軌道銷釘位于軌道最下端，引鞋接觸魚(yú)頂后，施加軸向載荷，內(nèi)筒及上部作業(yè)管柱下移，軌道銷釘將被迫在導(dǎo)軌做相對(duì)于內(nèi)筒的螺旋上行運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)外筒以及引鞋旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)落魚(yú)的螺旋引入。

圖1 工具串整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 連續(xù)油管自旋引入工具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 抓獲—剪切工具

落魚(yú)被引入后打撈工具串整體繼續(xù)下行，落魚(yú)相對(duì)上行進(jìn)入抓獲—剪切工具。如圖3所示，抓獲卡瓦內(nèi)壁整體呈小角度傾斜，壁面上密布咬緊牙槽，下口徑略大于落魚(yú)外徑以便于落魚(yú)通過(guò)，上口徑略小于落魚(yú)外徑以便于咬緊落魚(yú)。落魚(yú)進(jìn)入后，抓獲卡瓦上部被撐開(kāi)，同時(shí)下部開(kāi)始收縮，咬緊牙槽咬住落魚(yú)完成抓獲。上提管柱遇卡是打撈作業(yè)過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，若遇卡嚴(yán)重仍上提解卡將有可能拉斷工作管柱從而釀成更嚴(yán)重的井下事故。由此，提出剪切方案，使剪切銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度小于工作管柱，當(dāng)上提載荷達(dá)到剪切銷釘剪切強(qiáng)度時(shí)其將被卡瓦座剪斷，繼續(xù)上提作業(yè)管柱，卡瓦座相對(duì)下行推動(dòng)剪切卡瓦下行，剪切卡瓦到達(dá)斜面后下部擠壓收縮，剪斷落魚(yú)，從而保證打撈作業(yè)安全進(jìn)行。

圖3 抓獲—剪切工具結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 抓獲檢測(cè)工具

魚(yú)頂引入及抓獲是對(duì)井下落魚(yú)施壓的過(guò)程，由于速度管柱長(zhǎng)期處于井下惡劣的環(huán)境中，物理化學(xué)性質(zhì)已發(fā)生較大改變，若魚(yú)頂抓獲后繼續(xù)盲目施加載荷，容易將其擠斷，嚴(yán)重影響打撈進(jìn)度。由此，自主研發(fā)了撈獲檢測(cè)工需以準(zhǔn)確判斷魚(yú)頂抓獲時(shí)間。該工具是一個(gè)正向過(guò)液的特殊單流結(jié)構(gòu)（圖4），魚(yú)頂未引入時(shí)，正向泵入的工作液可通過(guò)推桿上的通孔向下流動(dòng)，魚(yú)頂引入后，推動(dòng)推桿上行使得鋼球緊密坐于球座之上，正向循環(huán)通道被關(guān)閉，正向循環(huán)泵壓將突增，利用該現(xiàn)象可以判斷落魚(yú)是否被成功抓獲。抓獲落魚(yú)后，上提工具串，抓獲—剪切工具中的抓獲卡瓦由于受到落魚(yú)自重、落魚(yú)與井壁間的摩擦或落魚(yú)遇卡等因素的影響，隨落魚(yú)略向下行，推桿暫時(shí)失去落魚(yú)支撐亦略向下行，從而使鋼球離開(kāi)球座，正向循環(huán)通道重新被打開(kāi)。

圖4 抓獲檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)示意圖

3 重要構(gòu)件性能分析

3.1 自旋引入工具

軌道銷釘?shù)氖芰Ψ治鋈鐖D5所示，當(dāng)自旋引入工具正常工作時(shí)，需滿足式（1），即

式中F表示引入過(guò)程中落魚(yú)對(duì)軌道銷釘?shù)淖饔昧?，N；Fb表示自旋引入工具旋轉(zhuǎn)模塊（包括軌道銷釘、外筒、引鞋）所受浮力，N；G表示旋轉(zhuǎn)模塊所受重力，N；f表示軌道銷釘所受摩擦力，N；FN表示螺旋導(dǎo)軌作用于軌道銷釘?shù)膲毫?，N；β表示導(dǎo)軌螺紋升角，(°)。

因此式（1）變化為：

式中μ表示導(dǎo)軌與銷釘之間的摩擦系數(shù)，無(wú)因次。

圖5 引入過(guò)程中軌道銷釘受力分析示意圖

因此，只要在引入過(guò)程中施加一定下壓載荷，決定該模塊是否能正常工作的參數(shù)只有導(dǎo)軌螺紋升角與摩擦系數(shù)。以?50.8 mm連續(xù)油管打撈?38.1 mm連續(xù)油管工具為例，螺旋導(dǎo)軌本體、軌道銷釘加工材料均為42CrMo，這二者之間的摩擦系數(shù)約為0.15，可見(jiàn)導(dǎo)軌螺紋升角大于8.53°即可。而該導(dǎo)軌螺紋升角為35°，旋轉(zhuǎn)模塊重力為80.27 N，在清水作業(yè)環(huán)境中所受浮力為10.23 N，因此該模塊在70.04 N的下壓載荷下即可正常工作。利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)引入過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，下壓載荷設(shè)置為70.5 N，計(jì)算時(shí)間為0.2 s，銷釘產(chǎn)生總位移為2.048 mm，具體模擬結(jié)果如圖6所示，該結(jié)果可驗(yàn)證上述結(jié)論。

3.2 剪切銷釘

若井內(nèi)連續(xù)油管落魚(yú)未遇卡，抓獲后可直接將其上提；若遇卡則應(yīng)采用各項(xiàng)解卡方案解卡，如果解卡無(wú)效，為保證施工安全，提出了機(jī)械剪切打撈方案。在井筒條件下，由于連續(xù)油管受力、受腐蝕情況復(fù)雜，往往不能采用其在地面時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)分析問(wèn)題，需充分考慮其在井筒條件下各項(xiàng)參數(shù)的變化。機(jī)械剪切打撈方案涉及井筒條件下連續(xù)油管落魚(yú)最大預(yù)測(cè)拉斷載荷（Ff）、連續(xù)油管作業(yè)管柱最小預(yù)測(cè)拉斷載荷（F）、剪切打撈工具剪切銷釘工作載荷（Fc）及打撈施工載荷（Fw）等4項(xiàng)參數(shù)，若要實(shí)現(xiàn)高效、安全的分段打撈，需滿足Ft＞Fc＞Ff且Fc取值接近Ft。通常情況（Fc＞Fw＞Ff）下，連續(xù)油管落魚(yú)被拉斷；在特殊情況下，連續(xù)油管落魚(yú)某段拉斷載荷大于Ff甚至超過(guò)Fc，接近Ft，此時(shí)Ft＞Fw＞Fc，剪切銷釘被剪斷，剪切卡瓦對(duì)連續(xù)油管落魚(yú)實(shí)施剪切，保證施工安全。

工具設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇銷釘尺寸及加工材料，以?50.8 mm連續(xù)油管打撈?38.1 mm連續(xù)油管工具為例，要求施工載荷在130 kN下將剪切銷釘剪斷，銷釘采用材料為42CrMo，以下式計(jì)算銷釘直徑，即

式中d表示銷釘直徑，m；Fd表示下壓載荷，N；z表示銷釘數(shù)量；Tp表示42CrMo允許用剪切應(yīng)力，MPa；σ表示42CrMo抗拉強(qiáng)度，MPa；n表示安全系數(shù)，對(duì)于塑性材料n值介于1.5～2.0，此次計(jì)算取1.7。

經(jīng)計(jì)算，4顆?8 mm銷釘可以滿足使用要求，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)剪斷過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，下壓載荷設(shè)置為130 kN，計(jì)算時(shí)間為0.2 s，銷釘?shù)刃?yīng)力為1 106.8 MPa，略大于其抗拉強(qiáng)度1 080 MPa，滿足剪切使用要求。具體模擬結(jié)果如圖7所示。

3.3 剪切卡瓦

在實(shí)施機(jī)械剪切打撈方案時(shí)，剪切卡瓦在卡瓦座推動(dòng)下沿外筒內(nèi)壁斜面下行，卡瓦牙尖收縮剪切連續(xù)油管，使其達(dá)到強(qiáng)度極限而失效，對(duì)于剪切卡瓦而言，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇加工尺寸及材料。以?50.8 mm連續(xù)油管打撈?38.1 mm連續(xù)油管工具為例，要求在130 kN的施工載荷下剪切卡瓦能夠順利工作，選擇60Si2Mn為加工材料，確定剪切卡瓦牙塊角度、牙塊數(shù)量、卡瓦內(nèi)徑等參數(shù)后，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)剪斷過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，下壓載荷設(shè)置為130 kN，計(jì)算時(shí)間為0.2 s。

如圖8所示，剪切卡瓦尖端形變量為0.639 9 mm，連續(xù)油管與剪切卡瓦牙塊接觸位置形變量為0.065 2 mm，說(shuō)明剪切卡瓦已開(kāi)始對(duì)連續(xù)油管實(shí)施剪切。

圖6 引入過(guò)程中軌道銷釘位移云圖

圖7 剪切過(guò)程中剪切銷釘?shù)刃?yīng)力云圖

圖8 剪切卡瓦、連續(xù)油管形變?cè)茍D

圖9 剪切過(guò)程整體、剪切卡瓦、連續(xù)油管等效應(yīng)力云圖

如圖9所示，最大應(yīng)力點(diǎn)位于剪切卡瓦牙塊尖端，其值為1 012.90 MPa，尚未達(dá)到60Si2Mn的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明剪切卡瓦性能可靠。而連續(xù)油管最大應(yīng)力為676.35 MPa，已大于其抗拉強(qiáng)度（552 MPa），說(shuō)明連續(xù)油管已被剪切。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 目標(biāo)井井況

T1井是羊塔克凝析氣田一口開(kāi)發(fā)直井，于2006年8月14日完鉆，井深為5 420 m。2017年7月18日在?88.9 mm生產(chǎn)管柱中下入?38.1 mm的CT70鋼級(jí)速度管柱進(jìn)行氣舉作業(yè)，速度管柱于2017年11月29日發(fā)生刺漏。2018年9月7日開(kāi)始上提速度管柱，提至井深567 m處速度管柱在鵝頸處斷脫，其后又陸續(xù)提出多段長(zhǎng)度介于3～70 m的速度管柱小節(jié)，總長(zhǎng)為425.9 m，最后一次上提的斷脫點(diǎn)位于井下，初步判定速度管柱在井筒內(nèi)遇卡。井內(nèi)剩余3 207.1 m速度管柱落物，預(yù)計(jì)魚(yú)頂位置在井深2105.5 m處。

4.2 已有速度管柱樣品分析

井深介于425.9～992.9 m的速度管柱表面發(fā)生了不同程度的坑蝕（圖10-a），且有非常明顯的徑向裂口（圖10-b），在起出過(guò)程中速度管柱多次斷脫，脆性明顯增強(qiáng)。為了后續(xù)打撈作業(yè)順利實(shí)施，對(duì)五組腐蝕狀況不同的樣品進(jìn)行硬度分析及拉伸實(shí)驗(yàn)，其中1號(hào)樣品外觀基本完好，2號(hào)樣品遭遇少量坑蝕，3號(hào)樣品遭遇大量坑蝕，4號(hào)樣品遭遇大量坑蝕且分布一條徑向裂口，5號(hào)樣品遭遇大量坑蝕且分布兩條徑向裂口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示1～5號(hào)樣品硬度分別為45.33 HRC、49.56 HRC、51.37 HRC、53.23 HRC、58.01 HRC，拉斷載荷分別為108.89 kN、97.02 kN、86.95 kN、64.94 kN、27.23 kN。而該型號(hào)?38.1 mm的CT70鋼級(jí)連續(xù)油管標(biāo)準(zhǔn)硬度為22.00 HRC，按抗拉強(qiáng)度計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)拉斷載荷應(yīng)為169.52 kN，在實(shí)施打撈的進(jìn)程中需小心控制上提/下放載荷。

圖10 速度管柱部分管體腐蝕情況照片

4.3 打撈難點(diǎn)

由于速度管柱在井筒內(nèi)遇卡，其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生大幅改變，各項(xiàng)解卡措施難以開(kāi)展，導(dǎo)致一次性撈出所有速度管柱的概率低。該井雖為低壓低產(chǎn)氣井，但速度管柱失效后長(zhǎng)期關(guān)井且生產(chǎn)通道完全阻塞，井筒內(nèi)壓力狀況不明，打撈過(guò)程中存在較大的井控風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)作業(yè)通道存在較多變徑位置，增大了上提/下放過(guò)程中工具串或已撈獲落魚(yú)掉落的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 施工情況

在正式打撈作業(yè)前，需進(jìn)行射流解堵、通井、打鉛印等準(zhǔn)備工作。打撈工具串自上往下依次為?50.8 mm連續(xù)油管、?50.8 mm連接器、?54 mm馬達(dá)頭總成、?58 mm抓獲檢測(cè)工具、?58 mm落魚(yú)抓獲工具、?58 mm抓獲—剪切工具及?58 mm自旋引入工具，下入至距魚(yú)頂10～20 m處進(jìn)行提拉測(cè)試，記錄連續(xù)油管懸重?cái)?shù)據(jù)。以低于5 m/min的速度繼續(xù)下放連續(xù)油管，全程正循環(huán)沖洗，排量介于200～350 L/min，限壓控制在5 MPa，待懸重驟減時(shí)停止下放，上提連續(xù)油管復(fù)探魚(yú)頂，重復(fù)3次，確認(rèn)工具串達(dá)到魚(yú)頂位置。繼續(xù)給魚(yú)頂施加載荷，待達(dá)到限壓時(shí)泵車停泵，停止下放，這說(shuō)明抓獲檢測(cè)工具已正常工作，落魚(yú)已順利撈獲。

上提連續(xù)油管，首選方案為在上提載荷小于?38.1 mm與?50.8 mm連續(xù)油管極限載荷的情況下，嘗試將所有連續(xù)油管落魚(yú)一次性撈出，但實(shí)際施工過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，落魚(yú)受卡嚴(yán)重且卡點(diǎn)位置偏下，嘗試多次循環(huán)解卡未果。由此實(shí)施機(jī)械剪切打撈方案，本次打撈作業(yè)共進(jìn)行了13次，歷次打撈?38.1 mm速度管柱長(zhǎng)度分別為403.3 m、96.4 m、24.7 m、363.9 m、837.4 m、0.3 m、57.6 m、19.6 m、0.3 m、220.8 m、90.1 m、469.5 m、268.2 m，歷次作業(yè)參數(shù)如表1所示，其中，第6次與第9次打撈為剪斷速度管柱工況，其余11次為拉斷速度管柱工況，13次打撈都是一次性將魚(yú)頂成功引入且撈獲，成功率達(dá)100%。

表1 T1井歷次打撈作業(yè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 單位：kN

5 結(jié)論

1）射流解堵疏通作業(yè)通道、打鉛印驗(yàn)證魚(yú)頂形狀、提拉測(cè)試確定上提載荷正常區(qū)間是打撈作業(yè)順利進(jìn)行的必要前提。

2）自旋引入工具可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管的旋轉(zhuǎn)打撈功能；抓獲—剪切工具可以實(shí)現(xiàn)落魚(yú)抓獲以及極端情況下剪斷落魚(yú)的雙重目的，防止作業(yè)管柱斷脫進(jìn)而造成更為嚴(yán)重的井下事故；基于泵壓的變化，抓獲檢測(cè)工具可以及時(shí)檢測(cè)到魚(yú)頂是否引入，有效避免引入過(guò)程中盲目施加載荷擠斷落魚(yú)的情況發(fā)生。

3）低壓低產(chǎn)氣井T1井長(zhǎng)期關(guān)井且生產(chǎn)通道完全阻塞，同時(shí)作業(yè)通道存在較多變徑位置，應(yīng)用連續(xù)油管打撈連續(xù)油管工藝，實(shí)現(xiàn)了13次打撈將魚(yú)頂成功引入且撈獲的成功率達(dá)100%。