新型整体式液压可退捞矛研制与应用

金 阳，陈 波，宋明珊

(1.中国石化西南油气分公司 石油工程技术研究院，四川 德阳 618000；2.中国石化西南油气分公司 川东北采气厂，四川 阆中 637000)

新型整体式液压可退捞矛研制与应用

金 阳1，陈 波2，宋明珊1

(1.中国石化西南油气分公司 石油工程技术研究院，四川 德阳 618000；2.中国石化西南油气分公司 川东北采气厂，四川 阆中 637000)

为解决在修井打捞作业中常用的几类捞矛存在的不适用性等问题，研制了新型整体式液压可退捞矛。该捞矛依靠液缸推动卡瓦下行、扩张进行打捞，而释放丢手则通过提放连接工具的管柱实现。捞矛外筒及锚杆都无变径点，避免了应力集中。与捞矛外筒同等直径的引导槽备块对卡瓦片提供了足够的支撑强度，保证了工具的抗扭性能。卡瓦与引导槽内的倒角结构满足了卡瓦整体外张的角度，并确保了较好的咬合效果。经过地面试验及3井次的入井打捞作业，打捞成功率和丢手成功率均为100%。

修井工具；捞矛；液压；机械丢手

目前，中石化西南油气分公司所使用的打捞矛中根据用途及特点分类，常用的主要有滑块捞矛、螺旋卡瓦捞矛、提放式可退捞矛等。这几种常用捞矛都存在着一定的不适用性和使用局限性。例如，滑块捞矛具有较高的抗拉性能，但由于应力集中造成的抗扭性能极低，致使该类工具经常发生扭断。提放式可退捞矛的抗扭性能较强，但由于结构设计问题导致抗拉强度较低，经常发生拉断现象。螺旋卡瓦捞矛则由于结构特点导致其打捞强度受限、存在变径应力集中点等缺陷。因此，中石化西南地区常用的几种捞矛都存在着适用条件单一、操作使用局限性强等问题，且在施工过程中引起一些事故，如表1。

表1 中石化西南油气分公司捞矛事故统计

由此，提出了新型液压捞矛工具的设计方案。本新型液压捞矛从结构设计上克服了常规捞矛存在的主要缺陷，同时实现入井条件下的反复操作和多井次的重复使用。该结构可以实现液压启动，机械式丢手，有效地提高了井下落鱼的打捞成功率和修井作业效果。

1 设计要求

新型捞矛的设计原则主要是满足常规的修井工况和适用于有针对性的打捞对象，并且要求工具具有可退及倒扣的功能，依据此设计原则需满足4点要求：

1) 针对73 mm油管及配套工具。目标打捞对象以73 mm油管及其配套封隔器、滑套等工具为主。

2) 内部加压启动。工具内部加压启动，利用液压形式实现卡瓦张开，进而提高工具操作的稳定性并降低误操作的可能性[1]。

3) 满足抗拉、抗扭性能。结构既能抗拉、又能抗扭，同时满足打捞及倒扣作业的需要。

4) 具备可退机构。打捞作业时若无法成功捞出落鱼，工具可以利用自身机构进行丢手以便为下一步作业创造井筒条件[2]。

2 工具结构

工具总体结构如图1，包括自上而下密封连接的上、下锚杆，上、下外筒，复位弹簧和上部连接螺纹。其外筒分为上下两部分，上外筒顶部设有泄流通孔，而上筒内部空间被锚杆密封环分为两部分，上部分为安装弹簧的腔体；下部分为液压缸。工具外筒下部套筒上部为连接螺纹，连接螺纹下部为一道环形槽，下部为分瓣卡瓦。锚杆上部分与外部套筒中间的连接部分为安装复位弹簧的空间，上部锚杆下部为连接螺纹，用于连接下部锚杆。上部锚杆中间存在传压孔，液缸位置有径向的贯穿孔。下部锚杆为支撑椎体，其每隔45°有一个40°的卡瓦轨道槽，轨道槽同样为45°。该工具只需1次管柱内加压，就可启动工具实现打捞。

1—捞矛中心杆上部；2—圆柱螺旋复位弹簧；3—弹簧套；4—中心杆密封；5—外筒密封；6—外筒下套；7—捞矛椎体。

3 工作原理

液压锚定捞矛主要是依靠液压压缩弹簧，推动卡瓦液缸下行进而使卡瓦片在锥形体的作用下向外扩张，抓取落鱼。此工具使用时，修井打捞管柱带液压锚定型捞矛探鱼顶后可直接进行入鱼。因为该工具在设计时其自然状态下卡瓦是收回状态，卡瓦外径小于鱼腔内径，因而在下入过程中不会与落鱼内壁产生较大摩阻[3-4]。

当通过井口放入量确认入鱼后，提高泵压推动液缸下行，进而带动卡瓦片下行且被锥形体支撑后扩张，抓紧落鱼。由于卡瓦齿是单向齿，允许向下行程。但一旦抓紧落鱼后无法回缩，进而起到单向受力的作用。此时只需将锚杆上提，使卡瓦咬紧落鱼从而将落鱼提出。

当无法提动落鱼而需要工具丢手时，锚杆只需要下放一定的行程即可释放卡瓦。因为卡瓦在弹簧反作用力的作用下自动回弹至自然状态，且自然状态下卡瓦外径小于落鱼内径，因而丢手后可直接提出。考虑到井下的特殊环境，当卡瓦牙咬合落鱼内壁较深而造成丢手后无法自然释放卡瓦时，将锚杆下放至入鱼位置深度，只需正转工具半圈就可旋落并致使弹簧伸长收回卡瓦。

4 技术参数

根据前期工具研发期间的模拟计算结果和地面试验实测的试验数据，该工具的尺寸和操作参数如表2。

表2 整体液压式可退捞矛的尺寸和操作参数

5 技术创新

5.1 设计思路

与常规捞矛的设计原理基本类似，都是以机械形式利用锥形体的变径使卡瓦张开进而卡死落鱼进行打捞。结合现有捞矛的实际问题并从实际应用角度出发，新型整体式液压捞矛在设计思路上进行了调整与创新，具体的设计思路有2方面。

1) 设计扩张机构支撑卡瓦实现打捞。

有悖于普通捞矛利用锥形体扩张卡瓦的设计，设计液压或机械扩张机构，使工具整体在无明显变径的前提下，利用扩张机构实现卡瓦的径向支撑，达到咬合落鱼的目的，实现打捞。

此思路的优势是工具整体无变径点，外径基本相同，无应力集中，工具可靠性更强。

2) 保留锥形体支撑卡瓦设计，设计液压或机械丢手。

遵循常规的设计思路，依然利用锥形体支撑卡瓦，但启动方式可进行更改，设计机械或液压机构实现打捞及丢手。综合考虑两种设计思路的优缺点，分别从两种方案的结构形式、锚定方式、丢手方式、操作难易程度、稳定性及适用性角度对工具进行了定性对比分析，其分析结果如表3所示。

表3 两种设计方案定性对比分析结果

综合分析这两种方案优缺点，设计方案二从实际应用的角度最具有实用性，其总体性能最接近于现场要求。拟选定方案二进行进一步改进及细节设计。设计初稿如图2。

1—上锚杆；2—外筒；3—复位弹簧；4—卡瓦连接筒；5—下锚杆。

5.2 设计改进

针对初始结构设计方案的不足，从结构改进的角度出发对本工具设计进行了以下几项技术改进，如图3～5。

1) 优化工具为外筒内轴式结构，确定了工具总体结构和各部件的连接形式。

2) 复位弹簧移至上部弹簧套，极大地简化了工具整体结构。

3) 优化锚杆及外筒连接扣位置及壁厚，提升了工具的总体强度。

3) 加大液压缸受力面面积，降低工具启动压力至5 MPa之内。

4) 优化卡瓦材料、形状及连接方式。

5) 对单片卡瓦进行热处理，卡瓦牙调质及渗氮0.3～0.5 mm[2]。

6) 变径外筒设计、锚杆连接螺纹等。

图3 原始设计结构

图4 修改中期结构

图5 修改后期结构

6 工具特点

新型液压捞矛工具克服了常规捞矛使用局限性强、容易损坏等问题。相对于常规捞矛，具有如下特点：

1) 卡瓦靠液压作用启动下行。液压锚定捞矛运行的方式是靠液压带动缸套下行，推动卡瓦扩张咬合落鱼内壁。由于卡瓦是单向卡齿，因而一旦卡瓦卡挂住落鱼，其不会自动回弹[5]。

2) 机械方式丢手。通过结构改进和功能的重新设计，适用性及稳定性更为理想。管柱只需进行简单的下放即可实现卡瓦的回弹丢手[6]。

3) 衬套肩部提供抗拉力、背块提供抗扭力。工具打捞落鱼时，锚杆和衬套肩部台阶承受了主要拉力，而在强扭倒扣时，工具椎体上的备块承受了一定的转矩值，也对卡瓦起到了一定的保护作用[7]。

4) 抗摩擦机构。卡瓦片反向的长度延伸到锚杆肩部台阶处，从而有效地避免了管柱在下放过程中工具与套管壁产生的摩擦力对工具自身的影响，提高井下适应性[8]。

7 操作步骤

该工具在操作使用上稍稍区别于传统捞矛工具，主要是因工具的启动靠液缸推动卡瓦下行，而释放丢手则依靠机械形式，具体操作步骤为：

1) 下放、入鱼。管柱带整体式捞矛下放到鱼顶，通过井口放入量确认是否入鱼。由于卡瓦片在自然状态下处于收紧状态且外径小于落鱼内径，因而入鱼过程相对简单。

2) 加压、撑开卡瓦。确认工具入鱼后管内加压，由于卡瓦在液缸推力的作用下会自动向下运动进而扩张到张开状态，咬合落鱼内壁，此时上提管柱使锚杆产生一个相对于卡瓦的相对运动，致使卡瓦对于落鱼的抓取越来越稳，因而可进行上提打捞。

3) 上提管柱，打捞。工具卡死落鱼后，直接上提打捞管柱实施打捞，也可进行旋转倒扣，该工具均能满足此两项打捞要求。

4) 下放、丢手。若落鱼无法提动需进行丢手，则只需下放管柱一定行程后，卡瓦在弹簧的作用力下自动收回至自然状态，而自然状态下卡瓦是不会对扩张打开的，因此工具会自动丢手。

5) 提出工具。工具丢手后，管柱较短形式下行后即可把上体提出，打捞管柱及工具，提出后进一步制定相关打捞方案。

8 地面试验

地面试验主要包括工具功能性测试、拉力体拉力测试、捞矛抗扭性能测试。其中功能性测试主要测试工具基本功能能否顺利执行，拉力测试主要测试工具承受拉力极限[9]，抗扭性能测试主要测试工具的总体抗扭能力[10]。测试试验环境如图6～8。

在功能性测试试验中，卡瓦能够随着液缸推动顺利下移、撑开，泄压后能够随着弹簧弹力复位，完全实现了全部的设计功能。在抗拉性能测试中，拉力机在工具连接扣发生塑性形变之前显示的抗拉值为440 kN，基本达到73 mm油管的抗拉极限470 kN。在抗扭性能测试试验中，工具在模拟落鱼的油管内部卡死后，利用拧扣机测试最大抗扭值约为2 800 N·m，远超73 mm油管的最大上扣转矩值2 500 N·m。

图6 功能性测试试验

图7 抗拉性能试验

图8 抗扭性能试验

9 现场应用效果

截至2016-05，本工具共进行了3井次的4次打捞作业，打捞成功率100% 。其中有1 井次遇卡，实施丢手1井次，丢手成功率100% 。该井经过套铣成功解卡后，再次利用本工具进行打捞作业。总体作业效果较好。

典型应用井例：

井号CX215-3。本井于2015-10-03 进行挖潜作业时，由于井内封隔器无法解封，致使修井队无法起出原井内管柱，对封隔器以上管柱进行切割后，采取了以下几项措施：

1) 提出切割点以上管柱，检查断口完好。

2) 下捞矛、震击器，捞获后进行震击解卡。

3) 2015-10-04，下带新型液压捞矛打捞管柱打捞，折算封隔器处过提力340 kN，无法提出。

4) 下放旋转丢手，提出打捞管柱。对井内落鱼进行套铣，套铣至鱼顶以下3 m。

5) 2015-10-05，下带震击器和液压捞矛的打捞管柱，成功捞获落鱼，经9次震击，解卡成功，管柱最大拉力370 kN，瞬间震击力680 kN，起出落鱼后检查捞矛本体完好无损。

10 结论

1) 新型液压捞矛设计方案创新性地提出了液压启动、机械丢手的工作方式，后期试验证明该结构稳定、可靠、易操作。

2) 设计的捞矛矛杆能够提供打捞所需的拉力，引导槽及备块能够提供足够的倒扣转矩，兼具了抗拉和抗扭性能。

3) 复位弹簧实现了捞矛的机械丢手方式，其尺寸及强度的设计完全满足丢手要求，地面试验也验证了丢手机构性能的稳定性。

[1] 王威，刘淑静，邓辉，等．智能井液压无级流量调控装置的研制[J]．石油机械，2016(2)：68-70.

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[5] 王新纯．修井施工工艺技术[M]．北京：石油工业出版社，2005.

[6] 聂海光，王新河．油气田井下作业修井工程[M]．北京：石油工业出版社，2006.

[7] 谷洪文．油气井打捞工艺技术手册[M]．北京：石油工业出版社，2010.

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[9] 杨旭，陈举芬，罗邦林．水平井完井及酸化工艺技术在四川磨溪气田的实践与应用[J]．钻采工艺，2004，27(4)：43-46.

[10] 张兴发，栾林明，黄熙，等.可丢手滑块捞矛的开发与应用[J].石油机械，2003，31(4)：39-40.

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 阳(1985-)，男，硕士，2010年毕业于西南石油大学油气田开发专业，长期从事油气井完井测试技术研究，E-mail：jy8533@163.com。

1001-3482(2017)01-0062-05

TE921.903

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.015