連續油管打撈連續油管關鍵工具研究與應用

艾白布·阿不力米提， 龐德新， 王一全， 郭新維， 楊文新， 焦文夫

（中國石油新疆油田分公司工程技術公司，新疆克拉瑪依 834000）

近年來，隨著我國石油勘探開發技術的不斷發展，油氣勘探開發逐步向深部復雜地層推進，深井和超深井在油氣田開發中所占比例逐年攀升，對石油工程技術提出了更高的要求[1-2]。與此同時，連續油管及其技術越來越成熟，作業范圍越來越廣泛。因為相比于常規管柱，連續油管作業具有連續起下、可以帶壓作業等技術優勢[3-5]。但在作業過程中連續油管斷裂情況仍時有發生，不但影響了油氣井正常生產，還造成了較大的經濟損失[6]。目前，國外已有多家油服公司形成了成套的井下連續油管打撈工具，但國內與連續油管配套打撈工具相關的研究還較少，技術不夠成熟[7]。

針對上述問題，在調研國內外連續油管打撈技術現狀的基礎上，提出了連續油管打撈連續油管的思路，并結合油田現場的實際技術需求，針對φ88.9 mm生產管柱內的φ38.1 mm連續油管落魚，研制了連續油管打撈連續油管的專用打撈工具，并在塔里木油田進行了現場應用，為連續油管打撈提供了一種新的技術途徑。

1 連續油管打撈連續油管的技術需求

連續油管打撈連續油管是指以連續油管為作業管柱打撈井內連續油管落魚的技術。與常規管柱打撈技術相比，該技術具有以下優勢：1）可以在不動井內管柱、不壓井的情況下進行打撈，充分體現了其經濟、高效和靈活的特點[8-9]；2）連續油管作業機自動化程度高，可以實現快速連續起下，節省了常規管柱打撈作業過程中接單根的時間，可以在明顯降低現場作業人員勞動強度的同時，大幅提高工作效率，在深井作業過程中體現得更為明顯；3）連續油管作業機具有更加完善的現場數據采集與處理系統，能更好地滿足精細化打撈作業的現場需求，為打撈作業的順利實施奠定基礎。

為了充分發揮連續油管打撈連續油管的技術優勢，必須要解決下述難題：1）連續油管自身不能旋轉，增大了引入魚頂的難度[10]；2）連續油管屬柔性管，打撈過程中易因下壓載荷控制不當而出現不可逆的屈曲變形，甚至造成嚴重后果[11]；3）打撈過程中抓獲落魚后，若落魚嚴重遇卡，易造成意外丟手。

為了克服以上技術難點，打撈工具必須滿足以下要求：1）可以順利引入落魚，這是打撈作業成功的基礎；2）抓獲落魚后地面要有響應，以防止注入頭過度下壓；3）若落魚遇卡嚴重可以緊急處理，這是保證整個打撈過程作業安全、可控的前提。基于此，筆者從配套連續油管專用打撈工具入手，通過獨特的結構設計來解決上述難點，以滿足連續油管打撈連續油管的技術需求。

2 專用打撈工具結構設計

打撈作業的重點是確定打撈工藝流程，并輔之以合適的打撈工具[9]。針對連續油管打撈連續油管的技術難點，對打撈工具結構進行了針對性的設計，在工具中集成了旋轉引入、魚頂抓獲、魚頂引入檢測和剪切等模塊機構（見圖1）。打撈過程中，從底部引鞋處旋轉引入魚頂，卡瓦抓獲魚頂，隨后上部單流閥關閉；然后上提連續油管，進行打撈作業。各個機構在打撈作業過程中通過相互響應和配合，使現場打撈過程更加穩定、可控和高效。

圖1 專用打撈工具的結構Fig.1 Structure of fishing tool

2.1 旋轉引入機構

旋轉引入機構需將管柱的軸向運動轉化為引鞋的繞軸旋轉，可以實現魚頂引入，為此，設計利用“雙線螺旋導軌+銷釘”機構，實現引鞋的下壓旋轉功能（見圖2）。其中，彈簧的作用是使工具中的軌道銷釘在下入過程中始終處于軌道下方的末端，為魚頂加壓引入創造條件。

2.2 魚頂抓獲機構

圖2 旋轉引入機構結構示意Fig. 2 Schematic of the rotary guiding mechanism

經過分析打撈筒的結構和落魚尺寸，研制出一種帶錐度和開口的卡瓦魚頂抓獲結構，卡瓦內部為一小角度斜面，斜面上加工有公制螺紋，且上下兩端均設計有開口槽（見圖3）。連續油管從下部穿入卡瓦過程中打撈卡瓦徑向擴張變形，卡瓦內部的螺紋牙頂與連續油管外壁間產生一定的接觸應力；上提管柱打撈過程中，由于接觸應力的作用，卡瓦隨連續油管共同運動至下部斜面，卡瓦進一步收縮，緊緊抓住落魚。

圖3 魚頂抓獲機構示意Fig. 3 Schematic of fish top capturing mechanism

2.3 魚頂引入檢測機構

連續油管屬于柔性管，且經過滾筒纏繞后自身會產生不可逆的殘余彎曲變形[12]。連續油管兩端軸向受壓過程中，隨著壓載荷增大，會逐漸發生正弦及螺旋屈曲變形，甚至發生鎖死[13]。因此，現場打撈作業過程中必須可以通過參數變化來判斷是否抓獲魚頂，以防止下壓力過大造成嚴重后果。為此，在打撈工具中設置了魚頂引入檢測機構（見圖4），在打撈工具卡瓦的上部設置了一組單流閥，在連續油管下入過程中，實施正循環，當魚頂穿過卡瓦到達該機構時，推動推桿上行關閉球閥，此時地面泵壓突然增大，操作人員就可以判斷已抓獲落魚，然后即可上提連續油管開始打撈作業。

圖4 魚頂引入檢測機構示意Fig. 4 Schematic of fish top detection mechanism

2.4 落魚剪切機構

考慮落魚管柱遇卡嚴重的井況，在打撈工具中加入剪切機構，以確保作業的安全性。剪切機構由2部分組成，其結構如圖5所示。上提載荷超過剪切銷釘強度后，剪斷剪切銷釘，卡瓦座下行壓縮剪切卡瓦，剪切卡瓦快速完成收縮的同時剪斷落魚管柱，完成一次剪切打撈作業。

3 專用打撈工具性能研究

圖5 落魚剪切機構示意Fig. 5 Schematic of fish shearing mechanism

在深井中利用連續油管和專用打撈工具打撈連續油管時，必須保證打撈工具性能穩定、可靠。專用打撈工具的結構是基于在φ88.9 mm油管內打撈φ38.1 mm連續油管設計的，因此以該型號工具為對象，校核工具的整體強度，分析工具的打撈和剪切性能。

3.1 工具整體安全性能校核

專用打撈工具各部件材質如下：打撈卡瓦和剪切卡瓦為60Si2Mn，壓縮彈簧為65 Mn，其余部件均為42CrMo。要保證打撈作業的安全，必須保證工具的整體強度達到要求。由于工具既受油管內徑的約束，又要實現一系列功能，因此需要在某些區域減小本體壁厚，這在一定程度上影響了工具的強度。因此，以工具軸向拉伸受力為基礎，尋找工具本體薄弱點，進行強度校核。

工具危險區域位于剪切機構球座的公制螺紋根部，其環形凹槽的內外徑分別為40.0 和47.0 mm，壁厚3.5 mm（見圖6），材質為42CrMo，其抗拉強度為930 MPa，φ38.1 mm CT90連續油管管柱屈服載荷為234.8 kN，該部位的安全系數計算公式為：

式中：n為安全系數；σ為42CrMo材料的抗拉強度，Pa；A為環形薄弱區域的橫截面積，m2；F為φ38.1 mm CT90連續油管的屈服載荷，N。

圖6 剪切機構球座薄弱點處結構參數Fig. 6 Structural parameters of the weak point of the shearing ball seat

計算結果表明，環形凹槽處的安全系數為1.89，該部位安全，因此打撈工具在打撈過程中安全可靠。

3.2 打撈卡瓦抓獲性能

打撈卡瓦是抓獲落魚的關鍵部件，連續油管穿入卡瓦內部后，卡瓦徑向受張力導致卡瓦變形，卡瓦本體內部的螺紋在卡瓦穿入過程中逐漸咬緊連續油管外壁，然后上提管柱，卡瓦在卡瓦座的斜面作用下徑向收縮，進一步緊緊咬住連續油管，完成抓獲。采用ANSYS軟件對打撈卡瓦的工作過程進行有限元計算分析，抓獲機構的網格劃分情況如圖7所示。

圖7 抓獲機構主要部件網格劃分Fig. 7 Meshing of the main components of the capturing mechanism

將打撈卡瓦和連續油管固定、約束，再給卡瓦座施加軸向載荷。當施加軸向載荷為10.0 kN時，打撈卡瓦和連續油管本體的應力云圖如圖8所示。

圖8 打撈卡瓦和連續油管的應力云圖Fig. 8 Stress cloud diagram of fishing slip and coiled tubing

從圖8可以看出：打撈卡瓦收縮后的最大應力為946.11 MPa，主要分布于卡瓦上部的圓孔區域，這是由于卡瓦收縮過程中圓孔處變形量大而引起的應力集中現象；而連續油管本體最大應力為329.88 MPa，為徑向均勻分布，與打撈卡瓦下部的幾何形態相對應。模擬結果表明：打撈卡瓦變形特點符合預期，并且抓獲過程中連續油管本體應力均勻分布，不會對連續油管本體產生破壞性影響。

3.3 剪切卡瓦切割性能

剪切卡瓦是落魚剪切機構的核心部件，上部剪切銷釘被剪斷后，在其下部的斜面作用下快速收縮，剪斷連續油管。因此，為了保障打撈作業的安全，必須對剪切卡瓦的切割性能進行分析。采用ANSYS軟件建立剪切機構核心部件的模型，設置對應材料的特性并劃分網格，結果如圖9所示。

圖9 剪切機構主要部件網格劃分示意Fig. 9 Schematic of the meshing of the main components of shearing mechanism

將剪切卡瓦和連續油管固定，在底座施加72.0 kN軸向載荷，計算剪切卡瓦及連續油管的應力云圖，結果如圖10示。

圖10 剪切卡瓦和連續油管應力云圖Fig. 10 Stress cloud diagram of shear slip and coiled tubing

由圖10可見：剪切卡瓦最大應力為1 264.4 MPa，出現在卡瓦牙牙尖處，超過了材料自身的強度，表現為局部的應力集中現象；連續油管最大應力為940.34 MPa，最大應力分布在卡瓦牙尖接觸區，且已超過連續油管的屈服強度。分析結果表明，軸向載荷達到72.0 kN時，可以成功剪斷連續油管，表明切割性能滿足設計要求。

3.4 打撈施工流程

利用連續油管和專用打撈工具打撈連續油管的工藝流程為：先清洗井筒，保證魚頂以上井筒被沖洗干凈；然后下入打撈工具，將魚頂引入打撈工具后，上提管柱。打撈過程中若落魚管柱沒有明顯遇卡跡象，可以一趟管柱完成打撈作業；若井內落魚管柱遇卡嚴重，可以采取解卡措施，如上提下放管柱、循環解卡等；若解卡措施無效，則實施分段切割打撈作業。

4 專用打撈工具性能室內試驗

為進一步驗證各機構的穩定性，在打撈卡瓦和剪切卡瓦數值模擬計算的基礎上，開展了專用打撈工具功能性室內試驗，以確保工具性能達到現場作業要求，同時對上述分析結果和工具整體性能進一步驗證。

4.1 魚頂引入試驗

引入魚頂是保證打撈成功的前提，在地面利用臥式試驗機進行魚頂引入試驗，利用試驗機提供軸向位移，將打撈工具推向模擬魚頂，繼續加壓迫使彈簧壓縮，同時帶動引鞋旋轉，將貼邊的魚頂引入撈筒內（見圖11）。由引入魚頂過程中的參數變化（見圖12）可以看出，魚頂可以在軸向受壓5.91 kN的情況下被順利引入撈筒，驗證了引鞋旋轉引入魚頂的穩定性。

圖11 魚頂引入試驗示意Fig. 11 Schematic of the fish top guiding test

魚頂引入試驗結果進一步驗證了“雙線螺旋導軌+銷釘”機構的可靠性，表明通過引鞋的旋轉運動可以在φ88.9 mm油管內對偏心貼邊的φ38.1 mm落魚魚頂實施扶正、引入，試驗結果符合預期，為后期現場實施打撈作業奠定了基礎。

圖12 魚頂引入試驗載荷曲線Fig. 12 Load curves of fish top guide test

4.2 魚頂引入檢測試驗

在魚頂引入試驗裝置上、打撈工具頂部連接循環泵，在軸向加壓過程中開泵，全程記錄泵壓的變化情況，泵壓曲線如圖13所示。從圖13可以看出，連續油管上行推動鋼球關閉流體通道，循環泵憋停，造成泵壓曲線明顯跳動， 說明該單流閥檢測機構性能達到預期要求?，F場作業過程中，可以通過設置地面泵車限壓值，在成功引入魚頂后憋停泵，以便現場作業人員判斷上提管柱時機，避免打撈作業的盲目性。

圖13 魚頂檢測試驗泵壓曲線Fig. 13 Pumping pressure curves of fish top detection test

4.3 卡瓦抓持及剪切試驗

卡瓦對落魚管柱的可靠抓持性能是打撈成功的關鍵，剪切機構為施工安全提供保證。利用立式試驗機進行了打撈卡瓦抓持和剪切卡瓦剪切性能試驗，試驗原理為：在軸向拉伸過程中，卡瓦抓持連續油管，連續油管帶動卡瓦下行并進一步拉伸，剪斷卡瓦座剪切銷釘，推動剪切卡瓦下行，剪切卡瓦遇斜面收縮剪斷連續油管（見圖14），試驗過程中載荷變化曲線如圖15所示。試驗結果表明，4顆φ6.0 mm材質42CrMo剪切銷釘的剪斷載荷為64.8 kN，剪切φ38.1 mm連續油管所需軸向載荷為76.5 kN，該載荷與ANSYS模擬剪斷連續油管載荷（72.0 kN）相差不大，驗證了前期有限元分析的可靠性。

圖14 卡瓦抓持及剪切試驗示意Fig. 14 Schematic of slip engaging and shearing test

圖15 抓獲及剪切試驗曲線Fig. 15 Curves of capturing and shearing test

試驗結果表明：打撈卡瓦對連續油管的抓持可靠，剪切卡瓦在76.5 kN軸向載荷作用下可以剪斷連續油管，且剪切斷口較平整，抓獲機構和剪切機構均達到了設計要求。

5 現場應用

X-1井位于塔里木盆地羊塔克斷裂構造帶，完鉆井深5 435.00 m，生產后期因油壓過低關井，后轉為氮氣氣舉，氣舉過程中φ38.1 mm連續油管斷落在井內。X-1井的井身結構如圖16所示。

5.1 打撈前的準備工作

截取X-1井前期提出的連續油管末端作為試樣。觀察試樣發現連續油管表面腐蝕嚴重，并存在局部開裂。為了驗證落魚管柱的抗拉及抗彎曲力學性能，利用微機電液伺服式萬能試驗機進行拉伸和抗彎破壞性試驗，選取管體狀況較好和出現微裂紋的2組試樣分別進行試驗，發現其抗彎性能基本一致，但拉斷載荷分別為132.9和121.8 kN，說明井內連續油管的軸向抗拉性能明顯降低，增大了一次打撈出落魚的難度。

打撈作業前依次實施了射流解堵及打印作業：1）利用φ63.0 mm射流工具對生產管柱進行射流沖洗，沖洗至魚頂位置；2）下φ60.0 mm鉛模進行打印作業，驗證魚頂狀態。

5.2 打撈施工

下φ63.0 mm打撈管柱進行連續打撈作業，打撈管柱從下至上依次為：φ63.0 mm專用打撈工具+φ54.0 mm轉換接頭+φ54.0 mm馬達頭總成+φ50.8 mm連接器+φ50.8 mm連續油管。利用該打撈管柱打撈過程中發現落魚管柱硬卡嚴重，后續進行連續打撈作業，魚頂均可經過下壓順利引入，抓獲率100%，且魚頂引入瞬間地面可以根據泵壓準確判斷，歷次撈獲率100%。

X-1井打撈管柱共計下入13次，撈獲13段連續油管，撈獲率100%，其中第6次和第9次剪切連續油管，完成剪切打撈，第4次剪切銷釘雖然剪斷，但是因管體拉斷載荷小于剪切卡瓦剪切力，剪切機構未工作，其余10次均為連續油管拉斷；共計撈獲φ38.1 mm連續油管2 851.87 m，其中最小撈獲長度0.27 m，最長837.40 m，充分說明了專用打撈工具性能的可靠性（見圖17）。在打撈作業過程中，連續油管作業機憑借快速起下的特點，在24 h內可以完成1.5趟管柱起下作業（包括安裝、工具連接、試壓和魚頂引入等流程），連續油管起下速度達20.0 m/min，打撈效率是常規管柱打撈作業的4倍，充分體現了連續油管打撈效率高的優勢。

圖17 歷次打撈落魚斷口載荷及撈獲情況曲線Fig. 17 Curves of the breakage load and retrieval of previous fishing jobs

6 結論與建議

1）連續油管打撈連續油管專用工具采用模塊化設計，實現了落魚的高效引入、抓獲、引入檢測及剪切等功能，結構簡單，性能可靠。

2）通過數值模擬計算、室內試驗等方法校核了專用打撈工具的安全性，并對其關鍵機構進行了理論分析及試驗驗證，確保了工具性能的穩定性。

3）現場應用表明，連續油管專用打撈工具可以滿足打撈連續油管作業的要求，且可以大幅提高打撈作業效率。

4）建議進一步擴展連續油管在打撈作業領域的應用范圍，加強相關工具的研發力度，為井筒的快速恢復奠定基礎。