螺杆钻具打捞工具地面试验研究

2013-09-07滕学清杨成新陈世春王树超练章华

石油矿场机械 2013年7期

滕学清，杨成新，陈世春，王树超，练章华

（1.中国石油大学（北京），北京102249；2.塔里木油田公司，新疆库尔勒841000；3.塔里木油田第四勘探公司，新疆库尔勒841000；4.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500）

随着螺杆钻具使用量的增多，由于螺杆钻具本身结构设计和制造质量的缺陷，以及使用保养不当等因素造成的井下事故日益增多，轻者造成砂卡、定子脱胶等事故，重者造成螺杆钻具断裂落井［1－4］。目前打捞工具主要适用于垂直井眼，由于受水平井井眼曲率、井斜角等条件的限制，常规直井打捞工具在水平井中的应用效果很不理想，即使在直井中的螺杆钻具断裂落井，常规打捞工具有时也不能很好地进行打捞，费时、成功率不高且费用较高。因此，本课题组设计了螺杆钻具专用打捞工具，结构如图1所示。该打捞工具适合于直井、定向井和水平井中螺杆钻具断裂落井的打捞。该打捞工具的特殊引鞋部位——特锥扣接头和打捞工具上部接头的强度校核和分析，已在文献［1－2］中进行了系统的理论分析和有限元力学强度分析，其结构在理论上满足强度要求。为了进一步验证该螺杆钻具打捞工具的可靠性和造扣功能，本文在某机械厂加工出了185mm和172mm螺杆钻具专用打捞工具的试制产品，并将185mm螺杆钻具打捞工具送往油田现场进行井下试验，将172mm螺杆钻具打捞工具送往西南石油大学进行地面实物试验研究，以便获取其性能参数。在试验过程中，选用45＃钢和螺杆钻具本体2种材料的井下落鱼进行地面打捞试验，以便校验打捞工具的实际性能。

图1 螺杆钻具打捞工具结构

1 试验装置及原理

为了完成螺杆钻具打捞工具的打捞过程室内模拟试验，对西南石油大学井下装备实验室的JZY－Ⅰ型多用途钻具拆装架进行了技术改造，以便适合于螺杆钻具打捞过程的造扣试验，实现造扣打捞功能。

试验装置如图2所示，其原理为：首先将螺杆钻具打捞工具固定在试验装置的台架上，打捞工具不能旋转，但在液压系统的推力作用下，打捞工具可以随轴向运动，施加钻压在打捞工具上，而被打捞的落鱼则固定在与打捞工具同轴的另一个台架上；落鱼在液压产生的转矩作用下可以旋转，但落鱼不能轴向运动，因此在试验过程中，在施加一定的钻压和转矩的作用下，螺杆钻具打捞工具沿轴向运动，落鱼相对地进入打捞工具引鞋铣齿部位进行毛刺规整，随后进入打捞工具的母锥部位进行造扣，实现打捞落鱼的造扣试验。

图2 螺杆钻具打捞试验装置

2 试验结果分析

172mm螺杆钻具打捞工具技术参数为：最大抗拉力2 000kN，最大抗扭22kN·m，最大抗拉、抗扭最薄弱位置均为安全接头位置。在试验过程中，调节液压系统，使钻压和转矩控制在一定的数值下行进试验。本试验的参数如表1所示。

表1 试验载荷参数

2.1 45＃钢落鱼

利用本文改装的试验装置固定打捞工具，用试验装置冲扣钳咬紧试验用45＃钢落鱼端部，控制台控制冲扣钳旋转给试验落鱼施加转矩，实现打捞工具在试验钢管外壁面造扣。试验结果如图3所示，45＃钢钢管落鱼表面被卡头牙齿咬伤，卸载后铁屑脱落。图4～5为打捞工具对45＃钢钢管落鱼造扣试验结果，打捞工具可以对45＃钢管造出实际的螺纹形状。由于45＃钢材料软、硬度小、韧性好，在试验过程中又存在铁屑排出不畅，铁屑出现在打捞本体的扣中与在钢管落鱼表面形成的扣中反复挤压的情况，以至于所造的扣被挤坏。但试验结果表明，该打捞工具能实现造扣的功能。当造扣牙数较少时，由图4～5可见，采用45＃钢钢管仍能造出完整扣型。

图3 45＃钢落鱼夹紧过程中被咬伤情况

图4 45＃钢造扣试验结果

图5 45＃钢造扣试验结果局部

2.2 螺杆钻具落鱼

为了进一步验证螺杆钻具打捞工具的实用性和可靠性，采用油田现场实际的螺杆钻具落鱼（42CrMo，调质后硬度280～320HB）做进一步的造扣试验。试验过程与45＃钢落鱼同样，螺杆钻具落鱼的试验结果如图6所示。图7是图6b的局部放大照片，可以看出：钻井用螺杆钻具定子所造扣型完整，大约有6牙完整螺纹，并能明显地看出螺纹的形状，有6牙完整螺纹可以承受足够的轴向力并将井下断落的螺杆钻具打捞出来。该试验表明：试验用螺杆钻具打捞工具在实际工程中具有很好的造扣能力，所造之扣具有很强的抗拉能力，能够有效地打捞出螺杆钻具落鱼。

图6 螺杆钻具落鱼造扣试验结果

2.3 积屑分析

在45＃钢钢管落鱼和螺杆钻具落鱼造扣试验完成后，对打捞工具内部造扣螺纹进行了检查和分析，如图8～9所示。由图8可知：在完成45＃钢落鱼打捞造扣试验后，打捞工具内部造扣螺纹表面粘附大量45＃钢铁屑，说明在造扣时被切削的铁屑被再次挤压在螺纹表面造成造扣螺纹损坏，该打捞工具不适合于打捞较软金属材料的井下落物。

图7 螺杆钻具造扣试验螺纹扣局部放大照片

图8 45＃落鱼内部螺纹积屑

图9 螺杆落鱼内部螺纹积屑

由图9可知：在对井下实际螺杆钻具落鱼进行打捞造扣试验后，打捞工具内部的螺纹表面不存在大量铁屑粘附，切屑呈粉末状并掉落，形成了完整的螺纹扣。说明在对强度较高的螺杆钻具落鱼进行打捞造扣时，被切削的铁屑可以被安全排开，不会对新扣造成破坏，可得到很好的螺纹形状，该螺纹能承受较大的轴向提拉力，确保成功打捞落鱼。