液压增力解卡打捞装置的研制及应用

平恩顺， 王瑞泓， 樊震刚， 孙立波， 王志民， 赵 磊， 邵俊龙

中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司

0 引言

在大修井施工过程中，由于井眼轨迹、套管变形、管柱的砂卡，垢卡等各种因素以及水力锚、桥塞，封隔器等各种大直径工具的入井作业均易产生卡钻现象，需要进行解卡打捞作业。受井眼轨迹，大井斜角等客观因素的影响，致使打捞管柱、打捞工具在井筒内的受力状态发生变化。常规打捞技术主要依靠修井机从井口施加的提拉载荷，并不能直接有效传递到井下卡钻位置，造成解卡打捞成功率较低。

目前大修井施工工艺一般先进行套铣打捞，遇卡之后进行活动解卡，震击解卡，之后进行倒扣打捞，不行只能进行套磨铣施工。普通的倒扣套磨铣法、活动解卡以及大力上提解卡往往不能满足实际解卡需要；震击解卡，提供的震击力又十分有限，而且需要频繁震击，成功率较低。为解决这一难题，国内对液压增力解卡装置进行了研制,李加院[1]对液压增力解卡井下管柱进行受力分析及强度校核。郭建国，叶金胜等[2- 6]研制的液压增力解卡装置，没有设计泄压机构，不具备解卡判断功能。朱泽军，韩学良等[7- 13]设计的液压增力解卡装置，存在解卡上提力较低，工作行程较短的问题。基于以上研究成果，笔者研制了一种液压增力解卡打捞装置，不仅具有较高的解卡上提力，较大的工作行程，而且具备解卡判断功能，提高了解卡打捞成功率，同时缩短了施工周期，降低了作业成本，具有良好的推广应用前景。

1 液压增力解卡打捞装置的研制

1.1 液压增力解卡打捞装置的主要结构

图1中液压增力解卡打捞装置主要由锚定悬挂机构、多级液压增力机构、六方杆和加压球座机构组成。工具上端连接钻杆或油管，下端连接可退式捞矛。

1.上接头； 2.锥体； 3.卡瓦牙； 4.推牙活塞； 5.锁块； 6.推牙剪钉； 7.进液孔； 8.锁块活塞； 9.外筒； 10.密封圈； 11.外筒释放孔； 12.中心管； 13.多级增力活塞； 14.中心管过液孔； 15.外套接箍； 16.泄压孔； 17.中心管与外套剪钉； 18.六方杆； 19.球； 20.球座接头。

锚定悬挂机构主要由上接头、锥体、卡瓦牙、推牙活塞、锁块、推牙剪钉、进液孔、锁块活塞组成，其作用是在管柱加压时将液压增力解卡打捞装置锚定在套管内壁上，并承受多级液压增力机构所产生的上提力。

多级液压增力机构是直接产生解卡上提力的重要部件，主要由外筒、密封圈、外筒释放孔、中心管、多级增力活塞、中心管进液孔，外套接箍以及中心管与外套剪钉等组成。多级液压增力机构通过六方杆机构、球和球座接头下端连接有可退式捞矛，见图2。

图2 可退式捞矛

多级液压增力机构采用多级串联式活塞缸结构，根据所需解卡上提力和井眼轨迹可设置不同级数；加压球座机构是液压增力打捞装置的关键部件，可以满足工具加压密封和反洗井的要求。

1.2 液压增力解卡打捞装置的工作原理

1.2.1 锚定悬挂机构

通过底端可退捞矛上提一定负荷捞住落鱼后，从管柱内加压，高压流体通过进液孔进入锁块活塞和锁块之间。一方面，提供向右作用力推动锁块活塞向右移动，锁块活塞与锁块松开，直至剪断推牙剪钉；另一方面，提供向左作用力推动推牙活塞向左移动，推动卡瓦牙沿锥体涨开卡瓦牙，将打捞管柱锚定在套管内壁上。

1.2.2 多级液压增力机构

继续升高管柱内压力，高压流体进入中心管过液孔，提供向左作用力，推动多级增力活塞左移，液压在多级液压增力机构处产生叠加作用，多级增力活塞带动中心管向左移动，将液压产生的增力直接作用于可退捞矛上，给底端可退捞矛提供解卡上提力，移动至设计行程位置处，直至剪断剪钉及中心管与外套相连的剪钉，当中心管完成指定行程后，管柱通过泄压孔内、外连通，地面泵车压力大幅度下降，套管内泄压，表明落鱼已经移动，解卡成功。

1.2.3 六方杆和加压球座机构

当落鱼移动设计行程后，加压球座机构不再承压，自动泄压，泵车压力突降，停泵泄压。待锚定悬挂机构自动收回后，以一定负荷上提管柱，打捞出原井管柱。

1.3 液压增力解卡上提力的计算分析

液压增力解卡是利用多级活塞缸在液压力作用下带动中心管产生解卡上提力，取多级活塞缸中任一个活塞结构单元进行受力分析[14- 15]，见图3。

图3 活塞结构单元受力分析

液压增力解卡过程中，向管柱内打压，不同井深处的管柱内压力：

(1)

式中：pw—管柱内压力，MPa；pws—井口管柱内压力，MPa；ρw—管柱内液体密度，kg/m3;g—重力加速度，9.8 N/kg;α—井斜角，(°);dl—打捞管柱微元长度，m。

油套环空压力：

(2)

式中：pr—油套环空压力，MPa；prs—井口套压，MPa；ρr—油管环空内液体密度，kg/m3。

活塞实际作用面积A：

(3)

由于同一井深处管柱内压力常大于环空压力，当管柱内液体与环空液体密度相同时，用式(1)减式(2)，并取井口套压prs=0，简化可得单级活塞所受到的合力：

(4)

若多级活塞缸串联，则液压增力解卡装置产生的总解卡上提力为：

(5)

式中：n—活塞缸级数；Di—第i级活塞外径，m；di—第i级连杆外径，m。

若活塞上端面与环空不连通，式(5)可写为：

(6)

从式(5)和式(6)可以看出，液压增力解卡打捞装置产生的总解卡上提力F与井口管柱内压力pws成正比，井口管柱内压力越大，井下获得的解卡上提力也越大。

1.4 液压增力解卡打捞装置的主要技术性能参数

液压增力解卡打捞装置的主要技术性能参数如表1所示，液压增力解卡打捞装置泵压与解卡上提力对应值如表2所示。

表1 液压增力解卡打捞装置主要技术性能参数

表2 液压增力解卡打捞装置泵压与解卡上提力对应值

1.5 液压增力解卡打捞装置的性能特点

(1)当中心管完成工作行程后，管柱内、外连通，地面泵车压力大幅下降，套管内泄压，表明落物已经移动，从而判断解卡成功。

(2)通过串联的多级增力活塞结构产生拉力叠加，将液压力转化为向上的多级增力拉力直接作用于底端可退式捞矛上，提拉落鱼。

(3)液压增力解卡打捞装置，采用井下液压增力的方式提供解卡力，直接将解卡上提力作用在井筒内卡点位置，不受井身结构的限制，对地面设备及打捞管柱抗拉强度要求降低。

2 现场应用

液压增力解卡打捞装置在大港油田自X井进行了现场试验。自X井是一口油井，该井施工目的是修套、解卡打捞、找堵漏。2018年7月含水升高，产量由日产油3.54 t降至0.16 t，含水由22.7%上升至99.4%，分析套漏造成含水上升，于2020年12月25日高含水停。因该井套漏前正常日产液4.58 m3，日产油3.54 t，含水22.7%，认为该井存在潜力。下步建议该井打捞井下防砂密封封隔器后找堵漏，恢复生产。预计措施后日产液量6 m3，日增油4 t。2021年11月9日，下入打捞管柱自上而下为：Ø73 mm平式油管167根+变扣+Ø73 mm加厚短节1根+Ø114 mm液压增力解卡打捞装置+Ø62 mm可退捞矛，末根方入0.45 m，遇防砂密封封隔器深度1 593.91 m。首先通过可退捞矛进行常规打捞：上提负荷300 kN未开(原负荷100 kN)。通过可退捞矛常规解卡未开后，尝试用液压增力解卡打捞装置解卡：通过可退捞矛上提负荷220 kN捞住原井管柱，通过地面泵车打压12 MPa，稳压15 min，泄压，上提负荷最大220 kN，解卡。之后起出Ø62 mm可退捞矛+Ø114 mm液压增力解卡打捞装置+Ø73 mm加厚短节1根+变扣+Ø73 mm平式油管167根。起出打捞管柱，液压增力解卡打捞装置完好，捞获防砂密封封隔器+铁扶正器+Ø73 mm平式油管1根+割缝筛管×3.56 m，如图4所示。

图4 液压增力解卡打捞装置打捞出原井管柱

3 结论及建议

(1)液压增力解卡打捞装置采用井下液压增力的方式提供解卡力，直接将解卡上提力作用在井下卡点位置，最高解卡上提力1 000 kN，最大行程600 mm，具备解卡判断功能，提高了解卡打捞成功率。

(2)用液压增力解卡打捞装置进行解卡打捞作业，单井平均可节约大修作业成本15万元，缩短了施工周期，降低了作业成本，具有显著的经济效益。

(3)随着油田开发中后期的发展，水平井、大斜度井的修井数量也将逐年增加，应进一步研制采用液压动力方式的修井工具，提高修井施工作业的一次成功率。