基于拓撲優化的井下大范圍打撈筒工具研發與試驗

摘" "要：針對現有落魚打撈工具，打撈范圍小、更換頻繁及現場打撈效率低的問題，設計了一種大范圍打撈筒工具，提高打撈效率，降低使用成本。采用拓撲優化理論對常規籃瓦式打撈筒進行受力分析，以？準206 mm打撈筒和？準139.7 mm落魚為研究對象，優化設計新型大范圍打撈筒工具，并開展室內和現場試驗進行驗證。工具室內試驗在特定試驗臺架上進行抗拉、抗扭、極限性能及打撈范圍適用性測試；現場試驗在中海油服新疆作業支持基地進行，驗證工具打撈作業應用效果。結果表明，優化后的大范圍打撈工具在拉力800 kN和轉矩15 kN·m試驗參數下，籃瓦和落魚咬合穩定；在拉力1 500 kN極限工況測試中，籃瓦內齒出現崩齒與明顯磨損；該工具能滿足±3 mm打撈范圍要求，籃瓦咬合落魚牢固，接觸表面無滑移和明顯損傷。大范圍打撈筒工具結構合理，作業效率是常規打撈筒工具的3倍，為現場打撈作業提供了技術支撐。

關鍵詞：打撈筒；拓撲優化；結構優化；落魚；試驗

中圖分類號：TE921.9" " " " " 文獻標志碼：A" " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.005

Research and Experiment of Downhole Large-Range Overshot Tools

Based on Topological Optimization

GAO Pengyang， LI Yong

（China Oilfield Services Limited，Tianjin 300459，China）

Abstract： Research was conducted to solve the problems of the existing fishing tools for lost fish， such as small fishing range， frequent tool replacement， and low fishing efficiency on site. To improve the fishing efficiency and reduce the tool usage cost， a long-range overshot tool was designed. The method involved using the topological optimization theory to perform a force analysis on the conventional basket-type overshot. Taking the ？準206 mm overshot and the ？準139.7 mm lost fish as the research objects， a new large-range overshot tool was optimally designed， and indoor tests and field tests were conducted for verification. The indoor tests were conducted on a special test bench to test the tensile and torsional strength， the ultimate performance of the tool， and the applicability of the fishing range. The field tests were conducted for fishing operations at the Xinjiang Operation Support Base of COSL to verify the application effect of the tool. The results show that under the test parameters of a pulling force of 800 kN and a torque of 15 kN·m， the bite between the basket slip and the lost fish of the optimized long-range fishing tool is stable. In the ultimate working condition test with a pulling force of 1，500 kN， tooth breakage and obvious wear occurred on the innlarge-rangeer teeth of the basket slips. This tool can meet the requirement of a fishing range of ±3 mm， the basket slips firmly bite the lost fish， and there is no slippage and obvious damage on the contact surface. The structure of the large range overshot tool is reliable， and its operating efficiency is three times that of the conventional overshot tool， providing a technical reference for on-site fishing operations.

Key words： overshot; topological optimization; structural optimization; fish; test

隨著油氣開采技術向超深井、水平井和上翹井發展，油氣鉆采井況越來越復雜，鉆井事故頻發，對落魚打撈作業的效率和質量要求日益提高［1-2］。其中打撈筒是不可或缺的一種工具，主要用于打撈油管、鉆桿、軸筒類等魚頂為圓柱形的落魚工具。打撈筒的結構簡單應用廣泛，但是目前常規打撈筒只能用于打撈直徑偏差范圍在±1 mm以內的落魚［3］，超出范圍時需要更換不同尺寸的卡瓦，導致現場作業周期和作業成本增加，需要研制出大范圍打撈筒以提高生產效率，降低工具使用成本。

經過對相關技術及文獻分析，針對油氣開采井下打撈工具的研究主要集中于打撈方法和打撈工藝的優化，針對工具本身的優化設計較少。張杰等［4］通過增加轉換接頭和引導塊設計了引導式卡瓦打撈筒。劉文鵬［5］采用套銑管雙級扣連接設計了可以連接不同工具的彈性打撈筒。趙宏亮等［6］針對井下傾斜鉆頭，改良了現有打撈筒，設計了傘狀母錐接頭、螺旋切割片和弧形扶正器。趙瑞元等［7］針對水平井設計了專用的水平井偏磨油管防縮徑偏心卡瓦打撈筒，提高了水平井管類落物的打撈效率。王一全［8］針對大變徑井筒，通過將工具高度模塊化設計，研發了適用于打撈工具尺寸受限的作業井，并進行了理論計算和現場試驗驗證。平恩順等［9］設計了組合式整形打撈筒，通過加長引鞋和筒體設計提高打撈準確率，主要用于井筒強度差、易變形等特殊井況。劉朕等［10］根據對工具、魚頭和井眼尺寸三者關系的受力狀態建立模型，設計了一體化集成打撈工具以解決井眼尺寸大、落魚斜靠不居中等問題。上述研究多是針對特定井況的打撈筒設計，無法大范圍應用于常規使用工況。

本文結合籃瓦式打撈筒工具結構和結構拓撲優化理論，以？準206 mm打撈筒和？準139.7 mm落魚為研究對象，通過對常規打撈筒工具結構進行優化設計，提出了新型大范圍打撈筒工具（打撈尺寸±3 mm），并針對大范圍打撈筒工具開展室內試驗，從工具抗拉、抗扭、極限性能以及打撈范圍適用性等方面初步驗證打撈筒打撈落魚的結構可靠性，通過現場試驗進一步驗證了大范圍打撈筒工具的應用效果。

1 技術分析

1.1 工具結構及功能

井下打撈筒工具由上接頭、外筒體、A型盤根、籃瓦、銑鞋、緊定螺釘和引鞋等組成，如圖1所示。該工具是打撈井內光滑外徑落魚最有效的工具，可打撈如鉆鋌、鉆桿、油管和隨鉆工具等；能承受大載荷。設計有落魚密封結構，能高泵壓循環，也可以在井內釋放落魚；帶有銑鞋，用于修整落魚的飛邊破口，使落魚順利進入撈筒。工具可連接加長節和加大引鞋等，適用于打撈距魚頂較遠的管段，增大網撈面積，把偏倚井壁的落魚引入至打撈筒內，實現倒扣打撈。

1.2 工作原理

打撈筒工具籃瓦表面為完整的鋸齒形螺紋，外筒體內表面同為鋸齒形螺紋，內外螺紋相互配合并約束籃瓦的膨脹收縮，并且外筒體和籃瓦之間的鋸齒形螺紋配合間隙就是籃瓦的打撈尺寸范圍。籃瓦內孔是多頭鋸齒形螺紋撈牙，周向開有膨脹槽，籃瓦受軸向壓力后直徑增大，受拉力時直徑減小，利用籃瓦的膨脹和收縮使落魚順利進入打撈筒并抱緊。每種規格打撈筒工具的外筒體，都能換裝多種打撈尺寸的籃瓦進行打撈作業。打撈筒工具的內外鋸齒形螺紋均為左旋，順時針旋轉時為卸扣，更便于釋放落魚。釋放落魚時，先對鉆具施加一定的軸向壓力，再對打撈筒施加一定的扭矩，同時銑鞋會限制籃瓦在外筒體內的周向運動，所以籃瓦會隨外筒體一起旋轉卸扣，然后釋放落魚。

2 結構拓撲優化

2.1 結構拓撲優化分析

結構拓撲優化是一種尋找最優材料分布的計算過程，滿足一系列預設條件的同時，達到設計目標。在很多情況下，拓撲優化的過程會直接考慮應力或應變限制條件，以確保結構在最惡劣的工作條件下不會發生破壞［11-12］。結構拓撲優化中的水平集法［13］，可以在三維空間中追蹤物體的拓撲結構變化，并且無需對曲面進行參數化。

對水平集函數的參數大規模散亂數據進行擬合，采用徑向基函數和Ｂ樣條曲線來擬合水平集函數，形成可視化的三維曲面，用簡單的一元函數描述多元函數，對水平集函數進行插值，改變插值系數間接更新水平集函數［14-15］。其中B樣條曲線表達式為：

水平集函數及材料邊界描述如圖2所示，通過平面邊界Φ2切割出兩個區域，對應Φ1為籃瓦區域，Φ3為打撈筒的外筒體，籃瓦區域的中心為孔洞，孔洞中為落魚（套管）。

打撈筒主要受到落魚對籃瓦的擠壓力p1、籃瓦齒對落魚的抓緊力F、環空壓力p3和軸向載荷F1，打撈筒的受力分析如圖3所示。分析時一般只考慮軸向載荷與徑向載荷［17］。打撈筒開始旋轉時，外筒體通過螺紋結構帶動籃瓦膨脹與收縮，籃瓦、外筒體、落魚三者之間形成多因素的徑向應力，對打撈筒施加一定的拉力，形成軸向載荷。

2.2 拓撲優化模型

籃瓦的外螺紋與外筒體的內螺紋配合，隨著打撈筒逆時針旋轉，籃瓦直徑逐漸減小，對落魚的抓緊力逐漸增強；當籃瓦順時針旋轉，籃瓦直徑變大，所以通過外力作用可以輕松卸扣打撈筒。當逆時針旋轉到一定極限時，會造成籃瓦與落魚咬合程度過大，籃瓦內齒會產生屈服變形，而籃瓦受力也會直接影響工具使用壽命以及打撈的可靠性，籃瓦力學模型使用參數方程如式（3）～（5）所示。

籃瓦受力應力示意如圖4a所示，可以看出籃瓦打撈落魚下端受到應力的較集中［18］，所以需要調整籃瓦下端結構，減小應力集中，保證增大籃瓦膨脹范圍后籃瓦受到的應力不會達到材料屈服強度。優化后籃瓦結構如圖4b所示，在籃瓦下端增加應力釋放槽結構，同時增加籃瓦下端咬合落魚的長度，使得籃瓦咬合落魚過程中應力變化更小。

3 室內試驗與現場試驗

3.1 室內試驗

3.1.1 試驗方案

為測試優化后大范圍打撈筒的打撈范圍和結構可靠性，2024-06，采用某公司 360° 液壓全旋系統作為試驗臺架開展試驗。該試驗臺架主要由液壓驅動系統、控制系統、移動支架和滑軌組成。采用液壓驅動系統夾持打撈筒外筒體，模擬井下打撈筒打撈落魚的過程，如圖5所示。根據現場要求設置試驗參數如表1所示，？準206 mm大范圍打撈筒工具主要技術參數如表2所示。

試驗步驟：

1） 打撈筒與？準136.7 mm落魚安裝后，先施加100 kN的拉力，持續10 s，確定籃瓦與落魚咬合穩定，無明顯位移。

２） 將拉力緩慢均勻增大到200 kN，保持30 s，確定籃瓦與落魚咬合穩定，無明顯位移。

３） 重復上述步驟，每次增加100 kN直至拉力增大到800 kN，且每次保持30 s，觀察籃瓦與落魚

狀態。

４） 進行扭轉測試，先施加3 kN·m的力，保持10 s，確定籃瓦與落魚咬合穩定。

5） 重復上述步驟，每次增加3 kN·m直至轉矩增大到15 kN·m，每次保持10 s，觀察籃瓦和落魚狀態。

6） 開展破壞性測試，先施加300 kN的拉力，保持10 s，確定籃瓦與落魚咬合穩定，無明顯位移。

7） 重復上述步驟，每次增加300 kN直至拉力增大到1 500 kN（現場最大拉力），每次保持30 s，觀察籃瓦和落魚狀態。

8） 采用同一籃瓦依次分別對？準136.7、？準139.7、？準142.7 mm，（±3 mm范圍內）三種落魚進行打撈模擬，將打撈筒和落魚安裝至打撈預定位置，增大拉力到800 kN進行拉伸，維持60 s后退出落魚，觀察籃瓦與落魚狀態。

3.1.2 試驗結果

拉伸測試后籃瓦和落魚表面狀態如圖6所示，可以看出落魚與籃瓦的磨損痕跡。籃瓦內齒有輕微的磨損，落魚上出現較明顯的徑向紋路，沒有出現軸向劃痕，說明在最大拉力作用下，打撈筒中的籃瓦能夠牢固的抓緊落魚，不會發生破壞。當試驗臺架對打撈筒施加拉力時，籃瓦依靠斜面向上運動產生徑向分力，迫使籃瓦咬住落魚，籃瓦在拉力作用下直徑縮小，從而更牢固的抓住落魚［19］。

扭矩的大小和方向也會導致籃瓦內齒與落魚接觸面的磨損，影響打撈筒的打撈效率，因此開展扭轉測試。扭轉測試后籃瓦和落魚表面狀態如圖7所示，可以看，出籃瓦內齒上殘留落魚碎屑，并帶有一定的毛邊，被施加載荷的落魚表面出現較深的劃痕。這是剪切應力導致結構發生剪切變形，在微觀層面轉變為剪切應力，導致晶體結構沿特定滑移面發生錯位運動，從而改變了材料的形狀［20］。說明指定范圍內的扭矩值不會損傷籃瓦結構，但是過大的扭轉力會導致籃瓦出現損傷，在實際作業中需要注意施加的扭矩大小。

拉力過大可能導致籃瓦崩裂或落魚斷裂，需要進一步探究籃瓦在極限工況拉力下與落魚的咬合狀態，因此開展破壞性測試。破壞性測試后籃瓦和落魚表面狀態如圖8所示。試驗中，打撈筒咬住落魚后開始逐漸增加拉力，拉力從300 kN增加到1 200 kN期間，觀測到落魚與籃瓦無明顯相對位移，當拉力從1 200 kN增加到1 500 kN的時候，落魚與打撈筒發生異響。根據圖8a可以看出，此時籃瓦內齒出現崩齒與磨損，表明施加的拉力超過了籃瓦材料的屈服強度。籃瓦的內齒發生屈服變形，內齒與落魚咬合磨損并產生較多的碎屑，在高載荷作用下，兩者之間的接觸應力超過了材料的疲勞極限，同時由于局部應力集中和材料的相互作用導致的摩擦和磨損，落魚表面與籃瓦咬合處出現了較為明顯的痕跡，極限拉力的持續導致籃瓦內齒材料的疲勞累積，從而加速材料磨損和損傷［21］。

試驗打撈？準136.7、？準139.7、？準142.7 mm三種規格落魚后的落魚和籃瓦狀態如圖9所示。從落魚和籃瓦狀態可以看出，圖9a落魚表面為清晰、較淺的咬合痕跡，圖9b落魚表面大部分為較淺的咬合痕跡，存在少數幾條較深咬合痕跡，圖9c落魚表面大部分咬合痕跡均較深，但是無滑移齒痕。結果表明，隨著打撈落魚尺寸增加，籃瓦和落魚咬合力增大，但是整體仍在籃瓦咬合范圍內，三種規格對應的籃瓦內齒均無無明顯崩齒、塑性形變和嚴重磨損等缺陷存在。說明該打撈筒結構可以滿足±3 mm的打撈范圍，且籃瓦和落魚咬合穩定可靠。

3.2 現場試驗

3.2.1 試驗方案

在室內試驗基礎上，為進一步驗證大范圍打撈工具現場實際應用效果，2024-08，在中海油服新疆作業支持基地開展大范圍打撈筒打撈作業，打撈工具串組合及現場安裝如圖10所示。

試驗步驟：

1） 將落魚安裝至鉆臺上，限制其周向與下降方向的運動，保證僅可被提起。

2） 連接管柱串。

3） 下入管柱串到指定位置，測上提/下放懸重。

4） 下放打撈筒工具，從魚頂撈入落魚，持續下探至與銑鞋接觸，繼續下探至與籃瓦接觸，直到下探至預定距離。

5） 上提，觀察懸重是否增加，判斷是否成功撈住落魚。

6） 向下施加一定壓力，右旋將落魚解卡，向上運行撈筒，退出落魚。

7） 更換落魚規格，采用同一打撈筒工具重復上述操作，直至？準136.7、？準139.7、？準142.7 mm三種規格落魚打撈完成。

3.2.2 試驗結果

現場打撈試驗后？準136.7、？準139.7、？準142.7 mm三種規格落魚狀態及打撈三種落魚后的籃瓦狀態如圖11所示。從打撈試驗的落魚可以看出，圖11a落魚表面清晰、較淺的咬合痕跡，齒痕無滑移；圖11b落魚表面大部分清晰、較深的咬合痕跡，齒痕無明顯滑移現象，說明落魚和籃瓦咬合較緊，但是仍在籃瓦變形范圍內；圖11c落魚表面咬合痕跡較深，齒痕之間交錯明顯，但是單一齒痕無明顯滑移；圖11d籃瓦內齒面無崩齒、塑性變形和明顯磨損現象。因為工具打撈？準136.7、？準139.7、？準142.7 mm三種規格落魚的籃瓦受力逐漸加大，所以落魚表面齒痕深度增加。在打撈？準142.7 mm落魚后右旋解卡退出失敗，經過2次加大扭矩旋動、上提下放操作后才將落魚退出，所以導致？準142.7 mm落魚表面出現大量交錯齒痕。

同室內試驗相比，現場試驗采用完整的工具串連接，并且為軸向作業，所以打撈筒工具在打撈中受整體工具串晃動和重力的影響，同時鉆機的轉矩無法直接傳遞給打撈工具，導致？準142.7 mm落魚需要加大轉矩才能退出籃瓦。現場試驗結果表明，大范圍打撈筒結構可實現±3 mm的打撈范圍，且籃瓦和落魚咬合可靠。

4 結論

1） 結構優化設計有效。經過結構拓撲優化理論分析，確定在籃瓦下端與落魚接觸位置增加應力釋放結構，可減小籃瓦咬合落魚時的應力集中，從而增加籃瓦膨脹范圍。這一設計思路為大范圍打撈筒的成功研發提供了理論基礎。

2） 室內試驗驗證可靠性。①在拉力800 kN和轉矩15 kN·m試驗參數下，籃瓦和落魚咬合穩定，咬合過程中未發生滑移，且籃瓦和落魚表面無明顯磨損，表明工具在正常工作條件下性能可靠。②拉力1 500 kN 破壞性測試中，籃瓦咬合落魚無滑移，但籃瓦內齒出現部分崩齒與明顯磨損，說明在極限工況下籃瓦受到多重應力作用會超過設計極限，這也明確了工具的使用極限。③大范圍打撈工具打撈？準136.7、？準139.7、？準142.7 mm三種規格落魚符合結構設計中±3 mm打撈范圍要求，落魚表面無滑移，籃瓦內齒無崩齒和明顯磨損等重大缺陷，驗證了工具結構設計功能的可靠性。

3） 現場試驗效果良好。現場試驗結果表明，大范圍打撈工具可以順利完成±3 mm打撈范圍的要求，籃瓦與落魚咬合可靠，試驗后籃瓦和落魚表面無崩齒、塑性形變、嚴重磨損和齒痕滑移等缺陷。盡管現場試驗增加了工具串，且受整體工具串晃動和重力影響以及鉆機轉矩無法直接傳遞給打撈工具等不利因素，但該大范圍打撈工具仍能夠滿足現場使用要求。

4） 工具打撈效率高。該大范圍打撈筒工具的作業效率是常規打撈筒工具的3倍，能有效提升油田修井現場工具打撈效率，為油氣開采作業節省了時間和成本。

5） 為行業提供借鑒。大范圍打撈筒工具的成功研發和試驗，為油氣開采行業的落魚打撈作業提供了一種新的技術借鑒，尤其是在復雜井況下，對于提高打撈效率、降低作業成本具有重要意義。

參考文獻：

［1］ 范少錕.油田井下打撈作業及其工具改進探析［J］.中國石油和化工標準與質量，2024，44（21）：23-25.

［2］ 鄭尊化，張俊清，杜婭，等.油田井下作業中落物打撈技術研究［J］.中國石油和化工標準與質量，2024，44（15）：184-186.

［3］ 李春盛.連續油管打撈技術在天然氣水平井中的應用［J］.化學工程與裝備，2019（1）：155-157.

［4］ 張杰，謝祥鋒，鐘廣榮，等.大尺寸引導式打撈工具研制及在角探1井應用［J］.鉆采工藝，2019，42（4）：108-109.

［5］ 劉文鵬.彈性打撈筒的研制與應用［J］.西部探礦工程，2019，31（4）：43-44.

［6］ 趙宏亮，鄭躍軍，寧媛松.螺旋切割式打撈筒處理大直徑井孔內落魚［J］.科學技術與工程，2016，16（23）：119-122.

［7］ 趙瑞元，楊義興，王國鋒，等.水平井管類落物打撈工具的設計［J］.機械制造，2023，61（12）：18-20.

［8］ 王一全，王肖偉，程松節，等.大變徑井筒連續管打撈技術及應用［J］.石油機械，2020，48（7）：97-103.

［9］ 平恩順，李巖崎，樊震剛，等.組合式整形打撈筒的研制［J］.油氣井測試，2023，32（2）：49-52.

［10］ 劉朕，張勇，孫小虎，等.大尺寸井眼一體化打撈工具的研制與應用［J］.鉆采工藝，2023，46（3）：159-164.

［11］ 林起崟，賈一鳴，周意蔥，等.面向裝配結構的拓撲優化參數影響分析［J］.機械工程學報，2024，60（15）： 291-303.

［12］ 陳小前，趙勇，霍森林，等.多尺度結構拓撲優化設計方法綜述［J］.航空學報，2023，44（15）：25-60.

［13］ 吳永輝，張東東，陳靜月，等.基于參數化水平集法的約束阻尼結構動力學拓撲優化［J］.上海理工大學學報，2021，43（4）：349-359.

［14］ 曹忠亮，林國軍，董明軍，等.圓柱殼三次非均勻有理B樣條曲線變角度鋪放軌跡設計及屈曲特性［J］.復合材料學報，2022，39（6）：3020-3028.

［15］ Dijk P N， Maute K， Langelaar M， et al. Level-set methods for structural topology optimization： a review［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization，2013，

48（3）：437-472.

［16］ LUO Zhen， WANG Yumichael， WANG Shenyin， et al. A level set-based parameterization method for structural shape and topology optimization［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2008，76（1）：1-26.

［17］ 練章華，萬智勇，宋琳，等.超深井套管卡瓦效應的拉伸極限載荷理論計算［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2024，46（2）：155-163.

［18］ 周揚，路立軍，王生戰，等.水平井射孔槍爆裂原因分析和打撈措施［J］.測井技術，2013，37（5）：583-586.

［19］ 吳春洪.藍式打撈筒在過魚頂打撈中的應用研究［J］.中國石油石化，2017（9）：63-64.

［20］ 張偉，劉秀平.油井多功能打撈筒的研制及應用［J］.石油機械，2005，33（8）：47-48.

［21］ 黃楨，肖仁斌，范興亮，等.深度腐蝕油管的復合打撈工具研究與應用［J］.天然氣工業，2003（S1）：114-117.

（編輯：馬永剛）