井下節流器用新型打撈筒的研制與試驗

馬勝吉

(中國石油集團川慶鉆探工程公司井下作業公司)

在天然氣開采過程中，為了實現經濟、可持續的開采，經常需要對其流量進行控制。流量控制的節流方式一般分為地面節流和井下節流，井下節流工藝是把按采氣要求設計好的井下節流器及其配套工具通過繩索作業的方式坐放在油管中設計位置，氣井生產時，天然氣經過井下節流器節流后，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。相比地面節流，井下節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勢[1-4]。但由于目前所生產的節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，就需要取消節流器或更換節流嘴。而這都需要專用的打撈工具和工藝將節流器從井內取出。

近年來，隨著工藝技術水平的發展，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，成功解決了常規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流體打撈筒，并對其進行了試驗研究。

一、現用節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流器為例，其參數如表1所示。

表1 井下節流器參數

目前采用的某院為打撈井下節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，效果極不理想。如2010年5～7月在廣安4口井施工作業中，只有1口井打撈成功。通過研究分析，發現井下節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 現用井下節流器打撈工具

如果用連續油管設備進行打撈作業，可以先下通井規通井，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，使用發現，不太適合連續油管使用。

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，即撈獲井下節流器后，如果連續油管施加于節流器上提噸位達到一定噸位時，仍然提不動節流器，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。在打撈作業過程中，連續油管與生產油管建立洗井循環通道保持暢通，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。

依據一般工程規范規定，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，采用KQ65-70型井口，于2010年5月完井，自噴生產，節流器坐封在井下2 400 m處。作業設備為38.1 mm外徑連續油管作業設備1套，700型壓裂車1臺。現場先用連續油管帶通井規通井，然后下鉛印，未探到節流器頂端形狀，懷疑節流器上端有井內雜質存留，換連續油管打撈工具串：液壓丟手+打撈工具，在遇阻后上提連續油管100 m，700型壓裂車開泵，緩慢下連續油管，遇阻1.5 t，下壓3 t，上提連續油管10 m后連續2次下壓至3 t，起連續油管，節流器被成功抓獲。

五、結論

針對現有井下節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，特別是與連續油管作業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，工具抓手傷害節流器打撈頸，造成后期打撈撈獲困難。