用于机械防砂管柱的两阶安全接头结构原理及优势分析

刘生平

摘要：为了防止机械防砂管柱被整体卡死在油井井筒内，通常在管柱中使用安全接头，安全接头的主要功能是在打捞管柱遇卡时可以有效丢开，实现分段打捞解卡管柱的作用，但是也相应的增加了打捞工作量。本文介绍了一种新式安全接头，其在具备丢手功能的同时，还有活动连接功能，具备分段解卡管柱并一次性打捞整体管柱的作用，技术优势明显。

关键词：解卡;安全接头;活动连接

机械防砂是一种成熟的治理油井出砂的技术方法，该技术存在的最大问题是在长井段油井实施时，由于机械防砂管柱较长，在井筒内极易形成砂卡，解卡失败则会造成油井复杂施工甚至油井报废等后果，目前解决该问题的主要方法是在机械防砂管柱中按照一定长度间隔加装安全接头。

1 安全接头的作用及缺点

在实施机械防砂技术时，安全接头可以实现打捞被砂卡的防砂管柱时有效丢开，使安全接头以上的管柱被解卡捞出井筒后，再次下捞锚进行解卡打捞安全接头以下的被卡管柱，降低防砂管柱在井筒卡死的概率。目前常用的安全接头从丢开方式上主要有：反扣型、滑套性、剪钉型。这些安全接头丢开后均需再次或多次打捞才能将机械防砂管柱全部捞出井筒，增加了解卡打捞的工作量和生产成本。

2 两阶安全接头的结构原理

通过打捞被卡机械防砂筛管的现场实践发现，一旦安全接头以上的管柱解卡成功后，往往较容易打捞出安全接头以下的管柱，但是受安全接头的功能限制，需经过多次打捞作业才能使井筒内被卡管柱完全捞出。因此，设计研制了具有分两个阶段脱开功能的安全接头，命名为两阶安全接头，该安全接头具有辅助其以上管柱解卡的作用，同时可与其以下的管柱保持连接状态，实现被卡管柱的分段解卡并可一次性捞出井筒的功能。

2.1 结构组成

两阶安全接头的结构与传统的剪钉型安全接头类似，总体上为内外筒结构（图1），分别与其上下的机械防砂筛管连接，外筒和中心管由一阶销钉连接，在一定的拉力作用下销钉可被剪断，外筒和中心管脱开。

此时，外筒与中心管可延轴向活动，但是受衬套的阻挡作用，外筒与中心管不可脱开，从而形成活动连接状态（图2），在此状态再施加一定拉力，可使连接中心管和衬套的二阶销钉剪断，实现安全接头的丢手功能。

2.2 工作原理

实施机械防砂技术时，在防砂管柱中每隔一段安装1个两阶安全接头。以使用1个该安全接头的管柱构成为例，防砂管柱由上至下为：锚定封隔器+机械防砂筛管+安全接头+机械防砂筛管+丝堵（图3）。

打捞被砂卡的机械防砂管柱时，管柱所受重力和浮力与砂卡阻力相比可忽略不计，设打捞管柱可施加的最大上提拉力为，安全接头以上机械防砂管柱受到的砂卡阻力为，安全接头以下机械防砂管柱受到的砂卡阻力为，安全接头的一阶销钉被全部剪断和二阶销钉被全部剪断设计为相同的最小剪切力，由于机械防砂管柱不同部位受到的砂卡阻力不同，所以在解卡管柱时会出现3種情况，相应的安全接头也呈现3中不同的工作状态。

（1）当 且 时，被砂卡的机械防砂管柱解卡成功，可以整体被打捞出井筒，安全接头保持完好状态。在这一过程中，安全接头的作用是连接管柱，其体现的功能与传统的安全接头相同。

（2）当 且 时，则安全接头的一阶销钉全部剪断，这时外筒及其以上的管柱解卡成功且为可活动状态，同时可将上提拉力直接作用在中心管上，此时若，则中心管及其以下管柱解卡成功，且机械防砂管柱整体可以一次性被打捞出井筒，安全接头呈活动连接状态。在这一过程中，安全接头活动连接其上下的机械防砂管柱，实现了被砂卡的管柱分段解卡的同时一次性被打捞出井筒的功能。

当外筒及其以上的管柱解卡成功且将上提拉力直接作用在中心管上时，若，则安全接头的二阶销钉全部剪断，这时安全接头以上的管柱解卡成功，外筒和衬套可以被打捞出井筒，而安全接头以下的管柱解卡失败，中心管随被砂卡管柱留在井筒内，安全接头呈丢开状态。在这一过程中，安全接头的作用是脱开管柱，其体现的功能与传统的安全接头相同。

2.3 基本参数

匹配7吋套管油井设计的两阶安全接头的基本参数，总长度600mm，外径150mm，内径100mm，管壁厚均为6.5mm，抗内压5MPa，脱开拉力100～600KN（根据机械防砂管柱长度调整销钉抗剪切强度）。其他规格套管内应用该工具需调整该接头的外径和内径参数。

两阶安全接头的技术优势

两阶安全接头具有传统安全接头的功能，在机械防砂管柱被砂卡时可以使管柱在安全接头位置脱开，实现管柱的分段解卡打捞。同时，两阶安全接头在一阶销钉全部剪断后可以在机械防砂管柱中起活动连接作用，进而实现了被砂卡的管柱分段解卡的同时一次性被打捞出井筒，减少了打捞次数，从而减少工作量和生产成本，其技术优势是传统安全接头所不具备的。

参考文献：

[1] 程桂华，李升高，潘红政，等.新型安全接头的研制与应用[J].石油钻探技术，2001，29（2）：67-71.

[2] 刘景三，徐孟策.侧钻井作业施工及井下事故的处理[J].钻采工艺，2002，25（11）：99-101.