液壓增力解卡打撈裝置的研制及應用

平恩順， 王瑞泓， 樊震剛， 孫立波， 王志民， 趙 磊， 邵俊龍

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司

0 引言

在大修井施工過程中，由于井眼軌跡、套管變形、管柱的砂卡，垢卡等各種因素以及水力錨、橋塞，封隔器等各種大直徑工具的入井作業均易產生卡鉆現象，需要進行解卡打撈作業。受井眼軌跡，大井斜角等客觀因素的影響，致使打撈管柱、打撈工具在井筒內的受力狀態發生變化。常規打撈技術主要依靠修井機從井口施加的提拉載荷，并不能直接有效傳遞到井下卡鉆位置，造成解卡打撈成功率較低。

目前大修井施工工藝一般先進行套銑打撈，遇卡之后進行活動解卡，震擊解卡，之后進行倒扣打撈，不行只能進行套磨銑施工。普通的倒扣套磨銑法、活動解卡以及大力上提解卡往往不能滿足實際解卡需要；震擊解卡，提供的震擊力又十分有限，而且需要頻繁震擊，成功率較低。為解決這一難題，國內對液壓增力解卡裝置進行了研制,李加院[1]對液壓增力解卡井下管柱進行受力分析及強度校核。郭建國，葉金勝等[2- 6]研制的液壓增力解卡裝置，沒有設計泄壓機構，不具備解卡判斷功能。朱澤軍，韓學良等[7- 13]設計的液壓增力解卡裝置，存在解卡上提力較低，工作行程較短的問題。基于以上研究成果，筆者研制了一種液壓增力解卡打撈裝置，不僅具有較高的解卡上提力，較大的工作行程，而且具備解卡判斷功能，提高了解卡打撈成功率，同時縮短了施工周期，降低了作業成本，具有良好的推廣應用前景。

1 液壓增力解卡打撈裝置的研制

1.1 液壓增力解卡打撈裝置的主要結構

圖1中液壓增力解卡打撈裝置主要由錨定懸掛機構、多級液壓增力機構、六方桿和加壓球座機構組成。工具上端連接鉆桿或油管，下端連接可退式撈矛。

1.上接頭； 2.錐體； 3.卡瓦牙； 4.推牙活塞； 5.鎖塊； 6.推牙剪釘； 7.進液孔； 8.鎖塊活塞； 9.外筒； 10.密封圈； 11.外筒釋放孔； 12.中心管； 13.多級增力活塞； 14.中心管過液孔； 15.外套接箍； 16.泄壓孔； 17.中心管與外套剪釘； 18.六方桿； 19.球； 20.球座接頭。

錨定懸掛機構主要由上接頭、錐體、卡瓦牙、推牙活塞、鎖塊、推牙剪釘、進液孔、鎖塊活塞組成，其作用是在管柱加壓時將液壓增力解卡打撈裝置錨定在套管內壁上，并承受多級液壓增力機構所產生的上提力。

多級液壓增力機構是直接產生解卡上提力的重要部件，主要由外筒、密封圈、外筒釋放孔、中心管、多級增力活塞、中心管進液孔，外套接箍以及中心管與外套剪釘等組成。多級液壓增力機構通過六方桿機構、球和球座接頭下端連接有可退式撈矛，見圖2。

圖2 可退式撈矛

多級液壓增力機構采用多級串聯式活塞缸結構，根據所需解卡上提力和井眼軌跡可設置不同級數；加壓球座機構是液壓增力打撈裝置的關鍵部件，可以滿足工具加壓密封和反洗井的要求。

1.2 液壓增力解卡打撈裝置的工作原理

1.2.1 錨定懸掛機構

通過底端可退撈矛上提一定負荷撈住落魚后，從管柱內加壓，高壓流體通過進液孔進入鎖塊活塞和鎖塊之間。一方面，提供向右作用力推動鎖塊活塞向右移動，鎖塊活塞與鎖塊松開，直至剪斷推牙剪釘；另一方面，提供向左作用力推動推牙活塞向左移動，推動卡瓦牙沿錐體漲開卡瓦牙，將打撈管柱錨定在套管內壁上。

1.2.2 多級液壓增力機構

繼續升高管柱內壓力，高壓流體進入中心管過液孔，提供向左作用力，推動多級增力活塞左移，液壓在多級液壓增力機構處產生疊加作用，多級增力活塞帶動中心管向左移動，將液壓產生的增力直接作用于可退撈矛上，給底端可退撈矛提供解卡上提力，移動至設計行程位置處，直至剪斷剪釘及中心管與外套相連的剪釘，當中心管完成指定行程后，管柱通過泄壓孔內、外連通，地面泵車壓力大幅度下降，套管內泄壓，表明落魚已經移動，解卡成功。

1.2.3 六方桿和加壓球座機構

當落魚移動設計行程后，加壓球座機構不再承壓，自動泄壓，泵車壓力突降，停泵泄壓。待錨定懸掛機構自動收回后，以一定負荷上提管柱，打撈出原井管柱。

1.3 液壓增力解卡上提力的計算分析

液壓增力解卡是利用多級活塞缸在液壓力作用下帶動中心管產生解卡上提力，取多級活塞缸中任一個活塞結構單元進行受力分析[14- 15]，見圖3。

圖3 活塞結構單元受力分析

液壓增力解卡過程中，向管柱內打壓，不同井深處的管柱內壓力：

(1)

式中：pw—管柱內壓力，MPa；pws—井口管柱內壓力，MPa；ρw—管柱內液體密度，kg/m3;g—重力加速度，9.8 N/kg;α—井斜角，(°);dl—打撈管柱微元長度，m。

油套環空壓力：

(2)

式中：pr—油套環空壓力，MPa；prs—井口套壓，MPa；ρr—油管環空內液體密度，kg/m3。

活塞實際作用面積A：

(3)

由于同一井深處管柱內壓力常大于環空壓力，當管柱內液體與環空液體密度相同時，用式(1)減式(2)，并取井口套壓prs=0，簡化可得單級活塞所受到的合力：

(4)

若多級活塞缸串聯，則液壓增力解卡裝置產生的總解卡上提力為：

(5)

式中：n—活塞缸級數；Di—第i級活塞外徑，m；di—第i級連桿外徑，m。

若活塞上端面與環空不連通，式(5)可寫為：

(6)

從式(5)和式(6)可以看出，液壓增力解卡打撈裝置產生的總解卡上提力F與井口管柱內壓力pws成正比，井口管柱內壓力越大，井下獲得的解卡上提力也越大。

1.4 液壓增力解卡打撈裝置的主要技術性能參數

液壓增力解卡打撈裝置的主要技術性能參數如表1所示，液壓增力解卡打撈裝置泵壓與解卡上提力對應值如表2所示。

表1 液壓增力解卡打撈裝置主要技術性能參數

表2 液壓增力解卡打撈裝置泵壓與解卡上提力對應值

1.5 液壓增力解卡打撈裝置的性能特點

(1)當中心管完成工作行程后，管柱內、外連通，地面泵車壓力大幅下降，套管內泄壓，表明落物已經移動，從而判斷解卡成功。

(2)通過串聯的多級增力活塞結構產生拉力疊加，將液壓力轉化為向上的多級增力拉力直接作用于底端可退式撈矛上，提拉落魚。

(3)液壓增力解卡打撈裝置，采用井下液壓增力的方式提供解卡力，直接將解卡上提力作用在井筒內卡點位置，不受井身結構的限制，對地面設備及打撈管柱抗拉強度要求降低。

2 現場應用

液壓增力解卡打撈裝置在大港油田自X井進行了現場試驗。自X井是一口油井，該井施工目的是修套、解卡打撈、找堵漏。2018年7月含水升高，產量由日產油3.54 t降至0.16 t，含水由22.7%上升至99.4%，分析套漏造成含水上升，于2020年12月25日高含水停。因該井套漏前正常日產液4.58 m3，日產油3.54 t，含水22.7%，認為該井存在潛力。下步建議該井打撈井下防砂密封封隔器后找堵漏，恢復生產。預計措施后日產液量6 m3，日增油4 t。2021年11月9日，下入打撈管柱自上而下為：?73 mm平式油管167根+變扣+?73 mm加厚短節1根+?114 mm液壓增力解卡打撈裝置+?62 mm可退撈矛，末根方入0.45 m，遇防砂密封封隔器深度1 593.91 m。首先通過可退撈矛進行常規打撈：上提負荷300 kN未開(原負荷100 kN)。通過可退撈矛常規解卡未開后，嘗試用液壓增力解卡打撈裝置解卡：通過可退撈矛上提負荷220 kN撈住原井管柱，通過地面泵車打壓12 MPa，穩壓15 min，泄壓，上提負荷最大220 kN，解卡。之后起出?62 mm可退撈矛+?114 mm液壓增力解卡打撈裝置+?73 mm加厚短節1根+變扣+?73 mm平式油管167根。起出打撈管柱，液壓增力解卡打撈裝置完好，撈獲防砂密封封隔器+鐵扶正器+?73 mm平式油管1根+割縫篩管×3.56 m，如圖4所示。

圖4 液壓增力解卡打撈裝置打撈出原井管柱

3 結論及建議

(1)液壓增力解卡打撈裝置采用井下液壓增力的方式提供解卡力，直接將解卡上提力作用在井下卡點位置，最高解卡上提力1 000 kN，最大行程600 mm，具備解卡判斷功能，提高了解卡打撈成功率。

(2)用液壓增力解卡打撈裝置進行解卡打撈作業，單井平均可節約大修作業成本15萬元，縮短了施工周期，降低了作業成本，具有顯著的經濟效益。

(3)隨著油田開發中后期的發展，水平井、大斜度井的修井數量也將逐年增加，應進一步研制采用液壓動力方式的修井工具，提高修井施工作業的一次成功率。