一種新型送入工具的研制與應用*

郝宙正 程仲 張英 劉禹銘 陳立偉 柴希偉

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司)

0 引 言

在油氣田井下作業過程中，經常通過丟手作業[1-2]實現送入工具與留井管柱的分離作業，例如尾管送入作業、儲層保護閥回接作業、水平井壓裂管柱送入作業及堵塞器投放作業等。目前，丟手作業一般采用兩種方法：一種是采用單一機械或液壓脫手形式，如采用剪切銷釘懸掛和螺紋連接等，但該方法存在銷釘中途剪切提前丟手的風險，且在脫手失敗后，無法提供備用方案；另外一種是采用機械和液壓結合的形式，該方法尤其適用于機械脫手困難的大位移井和大斜度井，可為丟手作業提供雙重解決方案，但是在管柱漏壓的情況下，液壓脫手也存在失敗的風險。上述井下管柱丟手作業的送入工具種類繁多，適應性不強。針對上述問題，研制了一種送入工具總成，通過工作筒實現送入工具與留井管柱橋接，工作筒采用可控電化學腐蝕材料(簡稱CEM，Controlled Electrochemical Corrosion Materials),可在設定時間自動溶解[3-6]，避免了后期磨銑修井作業，同時也為送入工具的分離提供了一種全新的解決方案。該送入工具總成在管柱遇阻時可提供扭矩，具備液壓、機械及自溶等3種脫手方式,安全可靠,作業風險低，通過工作筒可與多種井下管柱連接完成脫手作業，具備標準化作業推廣價值。

本文建立了彈性爪結構和接觸應力計算模型，利用有限元分析建立了彈性爪軸對稱有限元模型，評估了彈性爪插入、上提及解鎖時3種應力狀態，同時對CEM鎂鋁合金溶解速率進行分析，準確控制工作筒分解時間。研究結果有利于指導送入工具的設計與研究，推動了送入工具標準化應用。

1 技術分析

1.1 結構

送入工具總成結構如圖1所示，該工具由活塞組件、支撐裝置、承扭機構及鎖緊機構組成，它將工作筒與留井管柱送入到位后與其分離。工作筒丟手后，當其采用碳鋼材料時，可作為回接與打撈工作筒使用；當其為CEM合金時，可在設定時間自行溶解。

1—心軸；2—振動外筒；3—碟簧組；4—下外筒；5—活塞；6—定子橡膠；7—轉子；8—動閥；9—下接頭。

1—上接頭；2、8—承扭機構；3、11—活塞組件；4—外套；5—彈簧；6—固定銷釘；7—襯套；9、10—鎖緊機構；12、13—支撐裝置。

1.2 工作原理

通過送入工具將工作筒與留井管柱送入到位后，以20.0 kN的作用力下壓管柱，投入密封球或者飛鏢并開泵正循環，使密封球或者飛鏢到達預定承接位置后，繼續增大管內壓入力，安裝在中心管和活塞腔上的剪切銷釘被剪斷，在液壓力的作用下活塞腔移動至心軸上端限位處，并帶動彈性爪從工作筒連接凹槽內脫離，上提管柱即可實現液壓脫手。

如果液壓脫手失敗，反轉管柱當扭矩為2.0 kN·m時，剪切上接頭和外套的防轉剪切銷釘，隨后以20.0 kN的作用力下壓管柱，上接頭防轉機構進入外套防轉凹槽時，中心管帶動下接頭下移，彈性爪失去下接頭支撐端面而收回，上提管柱即可實現機械脫手。

如果液壓與機械脫手均沒有成功，一般采取切割打撈的方式進行事故處理作業，通常作業周期長，施工成本高。而該送入工具工作筒采用了鎂鋁合金自溶材料，在設定時間能自行溶解，從而為送入工具脫手提供了一種全新的解決方案。

1.3 主要技術參數

送入工具最大外徑/最小內徑：188.5 mm/64.0 mm；

工作溫度：-20.0～120.0 ℃；

中心管抗拉力：1 200.0 kN；

最大正轉扭矩：12.0 kN·m；

額度工作壓力：35.0 MPa；

承扭方式：采用120°均勻布局臺階抗扭；

脫手方式：下壓狀態正加壓24.0 MPa脫手；

應急脫手方式：下壓正轉90°機械脫手和工作筒自溶脫手。

1.4 技術特點

(1)具有液壓脫手和機械脫手2種脫手方式，提高了脫手的安全性和實用性；

(2)管柱可實現正轉下入，解決了管柱遇阻后不能正轉的問題；

(3)工作筒采用普通碳鋼或CEM合金材料，可作為后期回接工作筒使用，也可在特殊情況下自動溶解；

(4)可承受1 150.0 kN的拉伸載荷和500.0 kN的壓縮載荷；

(5)適用于多種井下管柱的脫手作業，通用性強。

2 關鍵零部件彈性爪設計及分析

2.1 結構設計

管柱送入過程中，彈性爪是送入工具的關鍵部件，承受留井管柱的拉壓載荷并具有脫手功能，因此有必要對其進行理論分析和數值模擬計算[7]，證實該結構設計的合理性。本文分別從彈性爪進入、彈性爪送入及彈性爪解鎖工作筒3個關鍵狀態進行了優化設計。彈性爪懸掛機構簡化結構如圖2所示。根據彈性爪的尺寸形態建立懸掛機構模型，并劃分網絡。

1—工作筒；2—外套；3—彈性爪；4—下接頭。

彈性爪送入狀態結構設計如圖3所示。送入狀態上提夾角位置如圖3a所示。工作筒連接凹槽60°斜面與彈性爪60°斜面貼合，下接頭端面45°斜面與彈性爪45°斜面貼面，彈性爪兩斜面形成向內收縮的15 °的夾角，即ABCD區域沿AC/BD方向呈扇形發散趨勢，設計AB段長度為12.3 mm,CD段長度為13.5 mm,該位置CD段長度比AB段長1.2 mm。在送入狀態上提夾角位置，送入工具承受管柱下入過程中的拉伸載荷。

送入狀態下壓位置如圖3b所示。EF段長度為12 mm，工作筒連接凹槽AE段呈60 °斜面，斜面末端AB段長度為14.7 mm，CD段長度為12.9 mm，AB段長度比CD段長1.8 mm，即AB段長度大于CD段，送入工具才能正常脫手。

圖3 彈性爪送入狀態結構圖

2.2 彈性爪進入工作筒強度分析

將工作筒、外套、彈性爪及下接頭建立簡化力學模型，導入有限元分析軟件進行強度分析。為保證計算精度，將彈性爪局部網格加密，采用六面體單元，其他部分使用網格自動劃分。圖4為懸掛機構有限元分析模型。工作筒、外套和下接頭均為4145H合金鋼，調質處理，密度為7 830 kg/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.28，屈服強度為930 MPa，抗拉強度為1 080 MPa。彈性爪采用合金彈簧鋼60Si2Mn，屈服強度為1 274 MPa，彈性模量為206 GPa,泊松比為0.26。

1—工作筒；2—外套；3—彈性爪；4—下接頭。

在工作筒右側端面施加固定約束，在外套、彈性爪及下接頭外圓施加圓形對稱約束，在下接頭A端面施加軸向位移30.0 mm，即彈性爪進入工作筒錐面的位移。根據裝配關系，彈性爪與外套、彈性爪與工作筒以及彈性爪與下接頭均選擇面-面接觸方式。彈性爪與外套組中外套內表面為主面，彈性爪外表面為從面；彈性爪與工作筒組中彈性爪外表面為主面，工作筒內表面為從面；彈性爪與下接頭組中彈性爪外表面為主面，下接頭內表面為從面。通過施加軸向位移載荷模擬計算彈性爪變形對應的等效應力分布，結果如圖5所示。從圖5可見，彈性爪最大等效應力發生在彈性爪開槽根部，應力為146 MPa，遠小于材料屈服強度1 274 MPa，安全系數n=8.75，即n>1，滿足強度要求。提取單片彈性爪進入工作筒的支反力為41.0 N，整組彈性爪由16片組成，故求得彈性爪進入工作筒的合力為656.0 N。

圖5 彈性爪進入工作筒的等效應力分布

2.3 彈性爪送入狀態強度分析

建立工作筒、外套、彈性爪及下接頭簡化力學模型，并在A端面施加1 mm位移載荷，導入有限元分析軟件進行強度分析[8-11]，通過施加軸向位移載荷模擬計算彈性爪變形對應的等效應力分布，結果如圖6所示。從圖6可以看出，彈性爪最大等效應力發生在彈性爪60°和45°接觸面，最大應力為1 131.5 MPa，小于材料屈服強度1 274 MPa，安全系數n=1.12,即n>1，滿足強度要求。提取單片彈性爪支反力為68.2 kN，整組彈性爪由16片組成，故求得彈性爪的合力為1 091.2 kN，因此證明該位置AB段大于CD段1.2 mm的設計合理，同時表明彈性爪在送入狀態下可承受1 091.2 kN的拉伸載荷。

圖6 彈性爪送入狀態等效應力分布

2.4 彈性爪解鎖狀態強度分析

建立工作筒、外套、彈性爪及下接頭簡化力學模型，并在下接頭左端面施加12.0 mm位移載荷，導入有限元分析軟件進行強度分析，計算結果如圖7所示。從圖7可見，彈性爪最大等效應力發生在彈性爪開槽根部A區域，且該部位發生了彎曲變形，局部應力為865.6 MPa，小于材料65Mn屈服強度1 274 MPa，安全系數n=1.47,即n>1，滿足強度要求。同時發現外套與彈性爪接觸C區域的最大等效應力為525.4 MPa，且外套向圓周外側產生了0.1 mm的徑向位移，由于外套與工作筒之間單邊間隙為1 mm,大于因局部應力產生的0.1 mm徑向位移，所以不存在脫手遇卡的風險，但在結構設計中應重點考慮外套壁厚和強度。

圖7 彈性爪解鎖狀態等效應力

彈性爪機構在解鎖狀態前后，其根部沿水平方向順時針偏轉3.05°(見圖8)，造成了B區域產生最大彎曲應力(725.4 MPa)，雖然小于彈簧鋼65Mn屈服強度(1 274 MPa)，但考慮到局部應力過大會造成材料斷裂，熱處理過程中應控制材料硬度在45～50 HRC之間。

圖8 彈性爪解鎖狀態彎曲變形

3 可溶性金屬材料應用研究

目前國內可溶金屬材料的研究尚處于開發階段，國外雖已出現較成熟的產品，但其核心技術尚處于保密階段。根據國內外相關文獻資料[12]，在理論分析和試驗研究的基礎上，工作筒選用了一種具有可溶特性的Mg-Al合金材料(見圖9a)。作為基體主要成分的Mg，電極電位低，形成腐蝕電池的陽極；作為晶界主要成分的Al、Zn、Co，其電極電位高于Mg，形成腐蝕電池的陰極。該材料密度為1.78 g/cm3，硬度70～74 HRB，屈服強度396 MPa，工作筒連接凹槽處最大橫截面積為3 409.5 mm2,求得最大抗拉載荷為1 063.7 kN,大于修井機最大提升載荷900.0 kN，滿足現場設備作業能力要求。

圖9 Mg-Al合金工作筒

Mg-Al合金在KCl溶液中的溶解速率如圖10所示。從圖10可以看出，在溫度80 ℃、質量分數3%的KCl溶液中溶解速率為50～65 mg/(cm2·h)，平均溶解速率為57 mg/(cm2·h)，且隨時間推移溶解速率變化穩定。按照該鎂鋁合金溶解速率，通過計算求得該工作筒薄弱點“連接凹槽”(見圖9b)處每小時溶解厚度為0.52 mm,薄弱點厚度9.80 mm，6.7 h后 “連接凹槽”剩余厚度6.30 mm，最大橫截面積為2 109.6 mm2，求得最大抗拉載荷為658.2 kN。18.8 h后，工作筒薄弱點完全溶解，實現應急脫手。根據實際工況，通過改變工作筒“連接凹槽”厚度可以控制Mg-Al合金材料溶解時間，以達到不同的作業目的。

圖10 Mg-Al合金在KCl溶液中的溶解速率

4 試驗驗證

4.1 送入工具的抗拉和抗壓試驗

為測試送入工具的極限承載能力，確保作業安全，利用拉壓試驗機進行了相關功能測試，測試照片如圖11所示。將送入工具插入工作筒，上下兩端各連接一個試驗接頭，按照50、100、150、200、500、600、700、800、900及1 100 kN，逐級提高測試力，觀察送入工具結構變形情況，記錄試驗數據，試驗結果如表1所示。

圖11 送入工具抗拉和抗壓試驗

試驗結束后，觀察彈性爪在拉壓載荷下的變形情況，未發現有明顯的變形，說明彈性爪性能穩定。由表1可見，實際抗拉強度比計算值大，在最大測試拉力為1 150.0 kN時,彈性爪未發生破壞，表明計算誤差在5.4%，考慮到設備測試能力及現場應用情況，未進行彈性爪極限抗拉破壞試驗。試驗結果表明，送入工具可以承受1 150.0 kN的拉伸載荷和510.0 kN的壓縮載荷。

表1 送入工具抗拉和抗壓試驗數據 kN

4.2 送入工具液壓脫手試驗

為驗證送入工具的液壓脫手功能，將送入工具緩慢推入工作筒，測得此時推入力為680.0～720.0 N,而理論計算值為656.0 N，實際推入值比理論計算值大，誤差為3.6%～9.7%。這是因為彈性爪與工作筒之間會產生一定的摩擦力，造成送入工具推入力增大。將送入工具插入工作筒后，以10.0～20.0 kN的作用力下壓，確保工具連接到位，上、下兩端各連接一個試驗接頭，通過加壓泵向送入工具緩慢加壓至24.0 MPa(剪切銷釘剪切壓力)，穩壓1 min之后泄壓。

液壓脫手試驗結果表明：當脫手壓力為24.0 MPa時，彈性爪與工作筒可順利分離，彈性爪收回至外套內(見圖12)，未出現變形卡死現象，送入工具可順利退出工作筒，最大退出拉力為2.0 kN，沒有發現異常情況。彈性爪在拉伸載荷下無明顯變形或斷裂現象，證明該脫手機構理論分析與熱處理硬度選擇合理，同時也表明該工具符合現場使用要求。

圖12 送入工具脫手試驗

4.3 現場試驗

送入工具在實驗室功能性試驗取得成功后，2020年6月在海上作業區塊成功完成了喇叭口扶正器丟手作業，丟手作業管柱如圖13所示。目標井基本情況如下：井身結構為?762.0 mm(30 in)套管×106.5 m +?339.7 mm(13in)套管× 1 065.6 m+?244.5 mm(9in)套管×2 322.9 m+?177.8 mm(7 in)尾管，最大井斜58.3°，每30 m井段最大狗腿度3.85°。

由于落魚頂部工況復雜，直接下入小油管沖洗管柱對接落魚較為困難，決定采取下入喇叭口扶正器(導向)對接至落魚頂部，回收下入工具，然后下入?78.7 mm(3in)油管與70 m小油管至撈矛水眼下，進行沖洗解堵作業。丟手洗井結構如圖14所示。

1—小油管；2—喇叭口；3—落魚；4—?244.5封隔器；5—?177.8封隔器；6—XD滑套；7—?177.8封隔器。

本次丟手作業喇叭口扶正器送入正常，懸重無異常變化，工具送入到位后，井口投脫手鋼球緩慢加壓至25.0 MPa,穩壓15 min后泄壓，上提管柱無過提顯示，上提3 m,緩慢加壓至30.5 MPa,剪切丟手球座，送入工具順利脫手,出井后彈性爪與滑塊結構安全可靠，工具無損傷。

本次作業是該送入工具總成在渤海區塊的首次成功應用，送入井深2 850 m,采用液壓脫手方式，脫手壓力25.0 MPa，球座剪切壓力30.5 MPa，成功完成喇叭口扶正器丟手作業。

5 結論及認識

(1)研制的新型送入工具結構合理，性能可靠，解決了管柱下入過程中不能旋轉的問題，適用于尾管送入、儲層保護閥回接、水平井壓裂管柱送入及堵塞器投放等多種作業。

(2)工作筒采用CEM鎂鋁合金材料,可在設定時間自動溶解，避免了后期磨銑修井作業，提供了一種全新的送入工具脫手方案。

(3)對送入工具關鍵部件進行了設計分析，通過對彈性爪進入工作筒、彈性爪送入及彈性爪解鎖3個關鍵狀態進行理論分析和數值模擬，證明了該結構設計的合理性。

(4)實驗室和現場試驗結果表明，該送入工具總成在管柱遇阻時可提供扭矩，具備液壓、機械及自溶3種脫手方式，安全可靠，適用于多種井下管柱脫手作業，具有標準化作業推廣價值，可有效降低作業成本。后期應針對CEM鎂鋁合金材料在不同工況的溶解速率進行深入研究，準確控制分解時間，提高作業可靠性。