機液復合全通徑丟手工具的研制及應用

摘要：針對超深碳酸鹽巖長裸眼井酸壓完井中常規丟手工具可靠性及通徑能力不足的問題，研制了一種新型機液復合全通徑丟手工具。該丟手工具集成機械丟手工具和液壓丟手工具的優點，采用棘爪式承載結構保障在深井管柱下放過程中，對丟手工具的高抗拉需求，利用壓差滑套作為棘爪解鎖機構，實現工具全通徑，棘爪解鎖后再依靠機械剪切銷釘進行管柱高效丟手。新研制的丟手工具，既能保障深井長裸眼內完井管具的安全下入及后期順利丟手，又避免了管柱縮徑節流問題，有效降低長酸壓管柱摩阻，同時也為后期修井作業提供更多選擇性。通過有限元分析，室內整機試驗及現場應用評價，驗證了新研制的機液一體全通徑丟手工具性能的可靠性及實用性，累計應用46井次，一次到位和丟手成功率均為100%，其中最深7 178.94 m，最大井斜角92.20°，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：超深層；長裸眼；丟手工具；機液復合；全通徑

中圖分類號：TE934.3" " " " "文獻標志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.011

Design and Application of the Aechanicalamp;Hydraulic Disconnector with Full Bore

LIU Zhixiang1，LI Huihui1，ZOU Wei1，XIE Jin1，BO Kehao2，WANG Chong1

（1.Sinopec Northwest Oilfield Completion Test Management Center，Luntai 841600，China；

2.Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 102200，China）

Abstract： A new type of mechanical and hydraulic disconnector with full bore has been developed to address the shortcomings of conventional disconnectors， including insufficient capacity， reliability， and bore during acid fracturing completion in wells with long open holes in ultra-deep carbonate reservoirs. This disconnector incorporates the advantages of both mechanical and hydraulic disconnectors， employing a pawl structure to guarantee the high bearing demand during the pipe string tripping process in deep wells. A sliding sleeve hydraulic relying on pressure is employed as the pawl release mechanism to achieve full bore. Subsequent to the release of the pawl， a mechanical shear pin is utilized to facilitate the efficient release of the pipe string. The newly developed release tool ensures the safe entry and smooth release of the completion string in deep and long open holes， while also avoiding the problem of throttling in shrinkage pipe. This effectively reduces the frictional resistance， thereby providing more selectivity for later workover operations. The reliability and practicality of the newly developed tool have been effectively verified through finite element analysis， indoor testing， and on-site application evaluation. The tool has been applied a total of 46 times， with a 100% success rate. The deepest application was at a depth of 7 178.94 m， with a maximum deviation angle of 92.20°. It has considerable potential for application and offers significant economic benefits.

Key words：" ultra deep layer；long naked hole；release tools；mechanical amp; hydraulic；full bore

裸眼酸壓完井方式是中石化西北油田進行油氣資源開采的主要方式，酸壓率高達75%，加之后期主要采取注水、注氣、酸化等增產措施，導致裸眼段垮塌嚴重，進而會造成完井管柱底部被掩埋，修井時難提出［1-2］。丟手工具是裸眼酸壓完井管柱中的重要工具［3］，可實現管柱發生掩埋時將其丟在井底，有效避免修井時增加油管切割、磨銑、打撈等額外作業。但是，隨著向超深層碳酸鹽巖儲層發展，裸眼段一般大于400 m，最長可達1 544 m，常規丟手器難以同時保障完井管柱安全下入及后期可靠丟手，同時超長管柱酸壓作業對通徑能力也提出了更高需求。

目前，常用的丟手工具結構設計存在以下問題：機械式丟手工具（如，倒扣式、摩擦式、剪銷式等）具有結構簡單、丟手操作方便且無明顯縮徑的特點，但是當應用于深井長裸眼地層作業時，尤其是井眼工況比較復雜的條件下，容易出現銷釘損壞提前丟手或旋轉困難丟手失效問題［4-5］；液壓式丟手工具（如球掛式［6］、懸掛塊式［7］、液壓剪銷式［8］、鎖塊式［9］、棘爪式［10］、活塞式［11］、滑套式［12］、錨定密封式［13］）具有承載能力強且能傳遞較大扭矩的特點，但需要投球并配合球座使用，導致工具內部存在明顯縮徑，增加深層酸壓過程中的管道摩阻，且受固相沉淀、腐蝕等井筒環境影響容易出現球與落座不密封造成的丟手失效問題，同時會限制球座下部完、修井工具的選擇；壓差式封隔器可實現全通徑，但需與封隔器配套使用，且對封隔器上部環空密封性要求較高［14］；復合式丟手工具同時具有兩種或三種丟手方式，該類型丟手工具一種丟手方式失敗可再選另一種丟手方式作業，但僅將機械式和液壓式丟手工具簡單組合，二者單獨存在時的問題并未解決，且工具串復雜［15-18］。

針對現有丟手工具難以適應超深層、長裸眼水平井問題，本文將液壓丟手工具和機械丟手工具的結構優點集于一體，研制了一種機液復合全通徑丟手工具，通過有限元分析，室內評價和試驗證實了其可靠的承載、解鎖和密封性能，并取得了良好的現場應用效果，有效提高了超深碳酸鹽巖完、修井效率。

1 機液復合全通徑丟手工具結構及工作原理

1.1 工具結構分析

機液復合全通徑丟手工具的結構如圖1所示。新工具在管柱到位前后分別采用液壓丟手工具的棘爪機構和機械丟手工具的丟手銷釘承受軸向載荷，且二者通過壓差式解鎖機構轉換。具有以下優點：

1） 棘爪抗拉強度大，可有效避免管柱下入過程中途丟手。

2） 上提管柱完成丟手功能，無需投球，可靠性高，且操作簡單。

3） 實現全通徑，可有效降低超長管柱大排量酸化壓裂時的摩阻。

4） 丟手后落魚的魚頭形狀為規則的圓管，便于后期打撈作業。

1.2 工作原理

完井管柱下入過程。機液復合全通徑丟手工具的上接頭和外筒、外筒和棘爪之間均通過螺紋連接，棘爪的棘齒外壁與釋放套內壁通過齒配合連接，釋放套和下接頭通過螺紋連接，如圖2a所示。棘爪的內側設有可沿軸向移動的活塞套，活塞套外壁設有凸起，凸起對棘爪進行鎖定限位，使其不能張開，承受管柱傳遞的高強度載荷。管柱到位后，坐封封隔器或酸壓時的內外壓差剪斷活塞套與外筒之間的啟動銷釘，活塞套下行，棘爪彈開，如圖2b所示，棘爪和釋放套之間轉化換為丟手銷釘連接。需要丟手時，上提管柱，拉力剪斷丟手銷釘，棘爪和釋放套分離，棘爪及其上部管柱提出，釋放套和下接頭留在井底，如圖2c所示。

1.3 主要技術指標

機液復合全通徑丟手工具金屬材質采用42CrMo，O形密封圈和膠筒材質選用FKM橡膠，與常規丟手工具相比，耐溫由150 ℃提升至204 ℃，耐壓由70 MPa提升至105 MPa。目前有三種規格，具體參數如表1所示。

2 關鍵部件設計分析

2.1 棘爪機構設計分析

棘爪機構的結構如圖3所示，通過控制棘爪彈性力來控制機、液丟手功能的轉化，棘爪的數量、厚度、寬度和長度四個參數影響其彈性力的大小，同時工具在入井過程中整體抗拉強度的薄弱點在棘爪位置，設計棘爪數量12個、厚度9.61 mm、長度127.89 mm、寬度19.22 mm、齒承載角為35°。

使用SOLIDWORDS軟件Simulation功能，對棘爪進行有限元分析，建立線性彈性同向性模型，設置屈服強度為758 MPa，抗拉強度930 MPa，彈性模量121 GPa，泊松比0.28。基于工具本體曲率網格劃分實體網格，網格劃分結果如圖4a所示。施加軸向拉力860 kN，強度理論計算使用Mises應力強度模型，靜應分析結果如圖4b所示，最大靜應力744.5 MPa（＜758 MPa），在材料安全范圍內。

2.1 活塞套和外筒設計分析

機液復合全通徑丟手工具抗內壓的薄弱點為活塞套和外筒，通過上述方法，采用有限元分析軟件，對丟手工具的活塞套和外筒分別施加內部壓力105 MPa，此時活塞套和外筒的最大靜應力分別為659.8 MPa和646.3 MPa（＜758 MPa），在其安全范圍內，如圖5所示。

3 室內關鍵性能評價試驗

3.1 試驗設計

組裝外徑為127.0 mm規格的機液復合全通徑丟手工具，其中啟動銷釘剪切壓力設置為16.4 MPa，丟手銷釘剪切拉力設置為450 kN，開展整機測試試驗。工具上接頭連接打壓短節，下接頭與堵頭連接，并將上下兩端分別固定在拉力機上，如圖6所示。

整機測試主要驗證機液復合全通徑丟手工具棘爪承載機構、解鎖機構、密封機構及丟手機構性能可靠性。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 棘爪承載性能評價

井筒溫度升高至204 ℃并保溫30 min后，拉力機分別上提載荷至221.6、396.7、625.0、862.0 kN，各穩載荷2 min，如圖7所示，期間無丟手現象，且拆開后檢查棘爪無變形或拉長現象，說明棘爪承載性能達到設計要求。

3.2.2 解鎖和密封機構性能評價

中心腔打壓至16.4 MPa，壓力突降至14.6 MPa，判斷啟動銷釘剪斷，繼續打壓至16.4 MPa，保壓5 min，如圖8所示，泄壓后通過壓力平衡孔觀察活塞套已下移至鎖環處，此時棘爪已釋放。繼續打壓至20.7、42.5、63.8、83.9、105.1 MPa，各穩壓15 min，壓降＜1%，如圖9所示。表明解鎖和密封機構性能滿足設計要求。

3.2.3 丟手銷釘性能評價

中心腔壓力卸至0 MPa，上提載荷至440 kN，載荷突降至0 kN，判斷丟手銷釘剪斷，檢查工具實現丟手，如圖10所示。

4 現場應用

截至目前，機液復合全通徑丟手工具在現場應用46井/次，最大下深7 178.94 m，最大井斜角為92.20°，最高井溫162.24 ℃，完井管柱到位成功率100%，未發生中途丟手情況，且上修時發生下部管柱埋卡的6井/次均成功丟手。

SHB1#井組下完井管柱至井深6 560.40 m處遇阻，多次上提下放活動，最大下壓60 kN、上提270 kN，均無法通過后將工具串起出井口，檢查發現機液復合全通徑丟手工具仍完好，如圖11所示，證明該丟手工具可有效避免中途意外丟手。

SHB2#井完井管柱正常到位，酸壓時內外壓差73.5 MPa，機液復合全通徑丟手工具丟手銷釘剪切值為200 kN，生產1 a后進行修井作業，管柱上提100 kN解卡，起出后檢查發現未發生丟手，但釋放套正常下行，處于解鎖狀態，地面施加拉力190 kN后正常丟手，如圖12所示。證明該丟手工具即可實現丟手可靠性，又保證了酸壓期間完井管柱的完整性。

SHB3#井完井管柱正常到位，酸壓時內外壓差47.4 MPa，生產2 a后進行上修作業，管柱上提200 kN解卡，起出后檢查發現機液復合全通徑丟手工具正常丟手，如圖13所示，證明該丟手工具的丟手可靠性。

5 結論

1） 研制的機液復合全通徑丟手工具集成了機械丟手工具和液壓丟手工具優點，既能保障超深、長裸眼內完井管柱到位和丟手成功率，又避免了管柱縮徑節流的問題，有效降低了超深層酸壓管柱摩阻，同時也為后期完井、修井作業提供了更多選擇性。

2） 通過室內關鍵性能測試及現場應用評價表明，研制的機液復合全通徑丟手工具各項性能指標均達到設計要求，性能可靠、操作簡單，有效解決了超深層碳酸鹽巖長裸眼酸壓完井過程中常規丟手工具可靠性及通徑能力不足的問題，具有廣闊的推廣應用價值。

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基金項目： 中國石油化工股份有限公司科技攻關項目“順北超深井井筒完整性管控關鍵技術研究”（P22106）。

作者簡介： 柳志翔 （1980-），男，湖北襄陽人，高級工程師，現從事完井測試及井下工具研究工作。

通信作者： 李會會 （1987-），女，山東臨沭人，高級工程師，現從事完井測試及井下工具研究工作，E-mail：137494261@qq.com。