新型整體式液壓可退撈矛研制與應用

金 陽，陳 波，宋明珊

(1.中國石化西南油氣分公司 石油工程技術研究院，四川 德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司 川東北采氣廠，四川 閬中 637000)

新型整體式液壓可退撈矛研制與應用

金 陽1，陳 波2，宋明珊1

(1.中國石化西南油氣分公司 石油工程技術研究院，四川 德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司 川東北采氣廠，四川 閬中 637000)

為解決在修井打撈作業中常用的幾類撈矛存在的不適用性等問題，研制了新型整體式液壓可退撈矛。該撈矛依靠液缸推動卡瓦下行、擴張進行打撈，而釋放丟手則通過提放連接工具的管柱實現。撈矛外筒及錨桿都無變徑點，避免了應力集中。與撈矛外筒同等直徑的引導槽備塊對卡瓦片提供了足夠的支撐強度，保證了工具的抗扭性能。卡瓦與引導槽內的倒角結構滿足了卡瓦整體外張的角度，并確保了較好的咬合效果。經過地面試驗及3井次的入井打撈作業，打撈成功率和丟手成功率均為100%。

修井工具；撈矛；液壓；機械丟手

目前，中石化西南油氣分公司所使用的打撈矛中根據用途及特點分類，常用的主要有滑塊撈矛、螺旋卡瓦撈矛、提放式可退撈矛等。這幾種常用撈矛都存在著一定的不適用性和使用局限性。例如，滑塊撈矛具有較高的抗拉性能，但由于應力集中造成的抗扭性能極低，致使該類工具經常發生扭斷。提放式可退撈矛的抗扭性能較強，但由于結構設計問題導致抗拉強度較低，經常發生拉斷現象。螺旋卡瓦撈矛則由于結構特點導致其打撈強度受限、存在變徑應力集中點等缺陷。因此，中石化西南地區常用的幾種撈矛都存在著適用條件單一、操作使用局限性強等問題，且在施工過程中引起一些事故，如表1。

表1 中石化西南油氣分公司撈矛事故統計

由此，提出了新型液壓撈矛工具的設計方案。本新型液壓撈矛從結構設計上克服了常規撈矛存在的主要缺陷，同時實現入井條件下的反復操作和多井次的重復使用。該結構可以實現液壓啟動，機械式丟手，有效地提高了井下落魚的打撈成功率和修井作業效果。

1 設計要求

新型撈矛的設計原則主要是滿足常規的修井工況和適用于有針對性的打撈對象，并且要求工具具有可退及倒扣的功能，依據此設計原則需滿足4點要求：

1) 針對73 mm油管及配套工具。目標打撈對象以73 mm油管及其配套封隔器、滑套等工具為主。

2) 內部加壓啟動。工具內部加壓啟動，利用液壓形式實現卡瓦張開，進而提高工具操作的穩定性并降低誤操作的可能性[1]。

3) 滿足抗拉、抗扭性能。結構既能抗拉、又能抗扭，同時滿足打撈及倒扣作業的需要。

4) 具備可退機構。打撈作業時若無法成功撈出落魚，工具可以利用自身機構進行丟手以便為下一步作業創造井筒條件[2]。

2 工具結構

工具總體結構如圖1，包括自上而下密封連接的上、下錨桿，上、下外筒，復位彈簧和上部連接螺紋。其外筒分為上下兩部分，上外筒頂部設有泄流通孔，而上筒內部空間被錨桿密封環分為兩部分，上部分為安裝彈簧的腔體；下部分為液壓缸。工具外筒下部套筒上部為連接螺紋，連接螺紋下部為一道環形槽，下部為分瓣卡瓦。錨桿上部分與外部套筒中間的連接部分為安裝復位彈簧的空間，上部錨桿下部為連接螺紋，用于連接下部錨桿。上部錨桿中間存在傳壓孔，液缸位置有徑向的貫穿孔。下部錨桿為支撐椎體，其每隔45°有一個40°的卡瓦軌道槽，軌道槽同樣為45°。該工具只需1次管柱內加壓，就可啟動工具實現打撈。

1—撈矛中心桿上部；2—圓柱螺旋復位彈簧；3—彈簧套；4—中心桿密封；5—外筒密封；6—外筒下套；7—撈矛椎體。

3 工作原理

液壓錨定撈矛主要是依靠液壓壓縮彈簧，推動卡瓦液缸下行進而使卡瓦片在錐形體的作用下向外擴張，抓取落魚。此工具使用時，修井打撈管柱帶液壓錨定型撈矛探魚頂后可直接進行入魚。因為該工具在設計時其自然狀態下卡瓦是收回狀態，卡瓦外徑小于魚腔內徑，因而在下入過程中不會與落魚內壁產生較大摩阻[3-4]。

當通過井口放入量確認入魚后，提高泵壓推動液缸下行，進而帶動卡瓦片下行且被錐形體支撐后擴張，抓緊落魚。由于卡瓦齒是單向齒，允許向下行程。但一旦抓緊落魚后無法回縮，進而起到單向受力的作用。此時只需將錨桿上提，使卡瓦咬緊落魚從而將落魚提出。

當無法提動落魚而需要工具丟手時，錨桿只需要下放一定的行程即可釋放卡瓦。因為卡瓦在彈簧反作用力的作用下自動回彈至自然狀態，且自然狀態下卡瓦外徑小于落魚內徑，因而丟手后可直接提出。考慮到井下的特殊環境，當卡瓦牙咬合落魚內壁較深而造成丟手后無法自然釋放卡瓦時，將錨桿下放至入魚位置深度，只需正轉工具半圈就可旋落并致使彈簧伸長收回卡瓦。

4 技術參數

根據前期工具研發期間的模擬計算結果和地面試驗實測的試驗數據，該工具的尺寸和操作參數如表2。

表2 整體液壓式可退撈矛的尺寸和操作參數

5 技術創新

5.1 設計思路

與常規撈矛的設計原理基本類似，都是以機械形式利用錐形體的變徑使卡瓦張開進而卡死落魚進行打撈。結合現有撈矛的實際問題并從實際應用角度出發，新型整體式液壓撈矛在設計思路上進行了調整與創新，具體的設計思路有2方面。

1) 設計擴張機構支撐卡瓦實現打撈。

有悖于普通撈矛利用錐形體擴張卡瓦的設計，設計液壓或機械擴張機構，使工具整體在無明顯變徑的前提下，利用擴張機構實現卡瓦的徑向支撐，達到咬合落魚的目的，實現打撈。

此思路的優勢是工具整體無變徑點，外徑基本相同，無應力集中，工具可靠性更強。

2) 保留錐形體支撐卡瓦設計，設計液壓或機械丟手。

遵循常規的設計思路，依然利用錐形體支撐卡瓦，但啟動方式可進行更改，設計機械或液壓機構實現打撈及丟手。綜合考慮兩種設計思路的優缺點，分別從兩種方案的結構形式、錨定方式、丟手方式、操作難易程度、穩定性及適用性角度對工具進行了定性對比分析，其分析結果如表3所示。

表3 兩種設計方案定性對比分析結果

綜合分析這兩種方案優缺點，設計方案二從實際應用的角度最具有實用性，其總體性能最接近于現場要求。擬選定方案二進行進一步改進及細節設計。設計初稿如圖2。

1—上錨桿；2—外筒；3—復位彈簧；4—卡瓦連接筒；5—下錨桿。

5.2 設計改進

針對初始結構設計方案的不足，從結構改進的角度出發對本工具設計進行了以下幾項技術改進，如圖3～5。

1) 優化工具為外筒內軸式結構，確定了工具總體結構和各部件的連接形式。

2) 復位彈簧移至上部彈簧套，極大地簡化了工具整體結構。

3) 優化錨桿及外筒連接扣位置及壁厚，提升了工具的總體強度。

3) 加大液壓缸受力面面積，降低工具啟動壓力至5 MPa之內。

4) 優化卡瓦材料、形狀及連接方式。

5) 對單片卡瓦進行熱處理，卡瓦牙調質及滲氮0.3～0.5 mm[2]。

6) 變徑外筒設計、錨桿連接螺紋等。

圖3 原始設計結構

圖4 修改中期結構

圖5 修改后期結構

6 工具特點

新型液壓撈矛工具克服了常規撈矛使用局限性強、容易損壞等問題。相對于常規撈矛，具有如下特點：

1) 卡瓦靠液壓作用啟動下行。液壓錨定撈矛運行的方式是靠液壓帶動缸套下行，推動卡瓦擴張咬合落魚內壁。由于卡瓦是單向卡齒，因而一旦卡瓦卡掛住落魚，其不會自動回彈[5]。

2) 機械方式丟手。通過結構改進和功能的重新設計，適用性及穩定性更為理想。管柱只需進行簡單的下放即可實現卡瓦的回彈丟手[6]。

3) 襯套肩部提供抗拉力、背塊提供抗扭力。工具打撈落魚時，錨桿和襯套肩部臺階承受了主要拉力，而在強扭倒扣時，工具椎體上的備塊承受了一定的轉矩值，也對卡瓦起到了一定的保護作用[7]。

4) 抗摩擦機構。卡瓦片反向的長度延伸到錨桿肩部臺階處，從而有效地避免了管柱在下放過程中工具與套管壁產生的摩擦力對工具自身的影響，提高井下適應性[8]。

7 操作步驟

該工具在操作使用上稍稍區別于傳統撈矛工具，主要是因工具的啟動靠液缸推動卡瓦下行，而釋放丟手則依靠機械形式，具體操作步驟為：

1) 下放、入魚。管柱帶整體式撈矛下放到魚頂，通過井口放入量確認是否入魚。由于卡瓦片在自然狀態下處于收緊狀態且外徑小于落魚內徑，因而入魚過程相對簡單。

2) 加壓、撐開卡瓦。確認工具入魚后管內加壓，由于卡瓦在液缸推力的作用下會自動向下運動進而擴張到張開狀態，咬合落魚內壁，此時上提管柱使錨桿產生一個相對于卡瓦的相對運動，致使卡瓦對于落魚的抓取越來越穩，因而可進行上提打撈。

3) 上提管柱，打撈。工具卡死落魚后，直接上提打撈管柱實施打撈，也可進行旋轉倒扣，該工具均能滿足此兩項打撈要求。

4) 下放、丟手。若落魚無法提動需進行丟手，則只需下放管柱一定行程后，卡瓦在彈簧的作用力下自動收回至自然狀態，而自然狀態下卡瓦是不會對擴張打開的，因此工具會自動丟手。

5) 提出工具。工具丟手后，管柱較短形式下行后即可把上體提出，打撈管柱及工具，提出后進一步制定相關打撈方案。

8 地面試驗

地面試驗主要包括工具功能性測試、拉力體拉力測試、撈矛抗扭性能測試。其中功能性測試主要測試工具基本功能能否順利執行，拉力測試主要測試工具承受拉力極限[9]，抗扭性能測試主要測試工具的總體抗扭能力[10]。測試試驗環境如圖6～8。

在功能性測試試驗中，卡瓦能夠隨著液缸推動順利下移、撐開，泄壓后能夠隨著彈簧彈力復位，完全實現了全部的設計功能。在抗拉性能測試中，拉力機在工具連接扣發生塑性形變之前顯示的抗拉值為440 kN，基本達到73 mm油管的抗拉極限470 kN。在抗扭性能測試試驗中，工具在模擬落魚的油管內部卡死后，利用擰扣機測試最大抗扭值約為2 800 N·m，遠超73 mm油管的最大上扣轉矩值2 500 N·m。

圖6 功能性測試試驗

圖7 抗拉性能試驗

圖8 抗扭性能試驗

9 現場應用效果

截至2016-05，本工具共進行了3井次的4次打撈作業，打撈成功率100% 。其中有1 井次遇卡，實施丟手1井次，丟手成功率100% 。該井經過套銑成功解卡后，再次利用本工具進行打撈作業。總體作業效果較好。

典型應用井例：

井號CX215-3。本井于2015-10-03 進行挖潛作業時，由于井內封隔器無法解封，致使修井隊無法起出原井內管柱，對封隔器以上管柱進行切割后，采取了以下幾項措施：

1) 提出切割點以上管柱，檢查斷口完好。

2) 下撈矛、震擊器，撈獲后進行震擊解卡。

3) 2015-10-04，下帶新型液壓撈矛打撈管柱打撈，折算封隔器處過提力340 kN，無法提出。

4) 下放旋轉丟手，提出打撈管柱。對井內落魚進行套銑，套銑至魚頂以下3 m。

5) 2015-10-05，下帶震擊器和液壓撈矛的打撈管柱，成功撈獲落魚，經9次震擊，解卡成功，管柱最大拉力370 kN，瞬間震擊力680 kN，起出落魚后檢查撈矛本體完好無損。

10 結論

1) 新型液壓撈矛設計方案創新性地提出了液壓啟動、機械丟手的工作方式，后期試驗證明該結構穩定、可靠、易操作。

2) 設計的撈矛矛桿能夠提供打撈所需的拉力，引導槽及備塊能夠提供足夠的倒扣轉矩，兼具了抗拉和抗扭性能。

3) 復位彈簧實現了撈矛的機械丟手方式，其尺寸及強度的設計完全滿足丟手要求，地面試驗也驗證了丟手機構性能的穩定性。

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New Type of Integral Hydraulic Releasing Fishing Spear

JIN Yang1，CHEN Bo2，SONG Mingshan1

(1.PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstitute，SouthwestOilandGasBranchCompany，SINOPEC，Deyang618000，China；2.NortheasternSichuanGasProductionPlant，SouthwestOilandGasBranchCompany，SINOPEC，Langzhong637000，China)

In order to solve the problem such as the inapplicability of common fishing spear in southwest branch company of SINOPEC，the integral hydraulic releasing spear was developed.The fishing spear is unique in the design of hydraulic starting and mechanical releasing.There is no stress concentration because the fishing spear has the same outer diameter.The guide slots and support pad which have the same OD with outer tub of fishing spear can support the enough anti-twisted ability to slips.The chamfer design of slips and guide slots could ensure the good application effect.The indoor testing and field application results of three wells showed that the test and application performance of integral hydraulic releasing fishing spear are reliable，and field operation success rate can reach to 100%.

workover tools；fishing spear；hydraulic；mechanical releasing

2016-08-16

金 陽(1985-)，男，碩士，2010年畢業于西南石油大學油氣田開發專業，長期從事油氣井完井測試技術研究，E-mail：jy8533@163.com。

1001-3482(2017)01-0062-05

TE921.903

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.015