艾白布·阿不力米提， 龐德新， 王一全， 郭新維， 楊文新， 焦文夫

（中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)公司，新疆克拉瑪依 834000）

近年來，隨著我國石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，油氣勘探開發(fā)逐步向深部復(fù)雜地層推進(jìn)，深井和超深井在油氣田開發(fā)中所占比例逐年攀升，對石油工程技術(shù)提出了更高的要求[1-2]。與此同時，連續(xù)油管及其技術(shù)越來越成熟，作業(yè)范圍越來越廣泛。因?yàn)橄啾扔诔Ｒ?guī)管柱，連續(xù)油管作業(yè)具有連續(xù)起下、可以帶壓作業(yè)等技術(shù)優(yōu)勢[3-5]。但在作業(yè)過程中連續(xù)油管斷裂情況仍時有發(fā)生，不但影響了油氣井正常生產(chǎn)，還造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失[6]。目前，國外已有多家油服公司形成了成套的井下連續(xù)油管打撈工具，但國內(nèi)與連續(xù)油管配套打撈工具相關(guān)的研究還較少，技術(shù)不夠成熟[7]。

針對上述問題，在調(diào)研國內(nèi)外連續(xù)油管打撈技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了連續(xù)油管打撈連續(xù)油管的思路，并結(jié)合油田現(xiàn)場的實(shí)際技術(shù)需求，針對φ88.9 mm生產(chǎn)管柱內(nèi)的φ38.1 mm連續(xù)油管落魚，研制了連續(xù)油管打撈連續(xù)油管的專用打撈工具，并在塔里木油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，為連續(xù)油管打撈提供了一種新的技術(shù)途徑。

1 連續(xù)油管打撈連續(xù)油管的技術(shù)需求

連續(xù)油管打撈連續(xù)油管是指以連續(xù)油管為作業(yè)管柱打撈井內(nèi)連續(xù)油管落魚的技術(shù)。與常規(guī)管柱打撈技術(shù)相比，該技術(shù)具有以下優(yōu)勢：1）可以在不動井內(nèi)管柱、不壓井的情況下進(jìn)行打撈，充分體現(xiàn)了其經(jīng)濟(jì)、高效和靈活的特點(diǎn)[8-9]；2）連續(xù)油管作業(yè)機(jī)自動化程度高，可以實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)起下，節(jié)省了常規(guī)管柱打撈作業(yè)過程中接單根的時間，可以在明顯降低現(xiàn)場作業(yè)人員勞動強(qiáng)度的同時，大幅提高工作效率，在深井作業(yè)過程中體現(xiàn)得更為明顯；3）連續(xù)油管作業(yè)機(jī)具有更加完善的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，能更好地滿足精細(xì)化打撈作業(yè)的現(xiàn)場需求，為打撈作業(yè)的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

為了充分發(fā)揮連續(xù)油管打撈連續(xù)油管的技術(shù)優(yōu)勢，必須要解決下述難題：1）連續(xù)油管自身不能旋轉(zhuǎn)，增大了引入魚頂?shù)碾y度[10]；2）連續(xù)油管屬柔性管，打撈過程中易因下壓載荷控制不當(dāng)而出現(xiàn)不可逆的屈曲變形，甚至造成嚴(yán)重后果[11]；3）打撈過程中抓獲落魚后，若落魚嚴(yán)重遇卡，易造成意外丟手。

為了克服以上技術(shù)難點(diǎn)，打撈工具必須滿足以下要求：1）可以順利引入落魚，這是打撈作業(yè)成功的基礎(chǔ)；2）抓獲落魚后地面要有響應(yīng)，以防止注入頭過度下壓；3）若落魚遇卡嚴(yán)重可以緊急處理，這是保證整個打撈過程作業(yè)安全、可控的前提?；诖耍P者從配套連續(xù)油管專用打撈工具入手，通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計來解決上述難點(diǎn)，以滿足連續(xù)油管打撈連續(xù)油管的技術(shù)需求。

2 專用打撈工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

打撈作業(yè)的重點(diǎn)是確定打撈工藝流程，并輔之以合適的打撈工具[9]。針對連續(xù)油管打撈連續(xù)油管的技術(shù)難點(diǎn)，對打撈工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對性的設(shè)計，在工具中集成了旋轉(zhuǎn)引入、魚頂抓獲、魚頂引入檢測和剪切等模塊機(jī)構(gòu)（見圖1）。打撈過程中，從底部引鞋處旋轉(zhuǎn)引入魚頂，卡瓦抓獲魚頂，隨后上部單流閥關(guān)閉；然后上提連續(xù)油管，進(jìn)行打撈作業(yè)。各個機(jī)構(gòu)在打撈作業(yè)過程中通過相互響應(yīng)和配合，使現(xiàn)場打撈過程更加穩(wěn)定、可控和高效。

圖1 專用打撈工具的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fishing tool

2.1 旋轉(zhuǎn)引入機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)引入機(jī)構(gòu)需將管柱的軸向運(yùn)動轉(zhuǎn)化為引鞋的繞軸旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)魚頂引入，為此，設(shè)計利用“雙線螺旋導(dǎo)軌+銷釘”機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)引鞋的下壓旋轉(zhuǎn)功能（見圖2）。其中，彈簧的作用是使工具中的軌道銷釘在下入過程中始終處于軌道下方的末端，為魚頂加壓引入創(chuàng)造條件。

2.2 魚頂抓獲機(jī)構(gòu)

圖2 旋轉(zhuǎn)引入機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Schematic of the rotary guiding mechanism

經(jīng)過分析打撈筒的結(jié)構(gòu)和落魚尺寸，研制出一種帶錐度和開口的卡瓦魚頂抓獲結(jié)構(gòu)，卡瓦內(nèi)部為一小角度斜面，斜面上加工有公制螺紋，且上下兩端均設(shè)計有開口槽（見圖3）。連續(xù)油管從下部穿入卡瓦過程中打撈卡瓦徑向擴(kuò)張變形，卡瓦內(nèi)部的螺紋牙頂與連續(xù)油管外壁間產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力；上提管柱打撈過程中，由于接觸應(yīng)力的作用，卡瓦隨連續(xù)油管共同運(yùn)動至下部斜面，卡瓦進(jìn)一步收縮，緊緊抓住落魚。

圖3 魚頂抓獲機(jī)構(gòu)示意Fig. 3 Schematic of fish top capturing mechanism

2.3 魚頂引入檢測機(jī)構(gòu)

連續(xù)油管屬于柔性管，且經(jīng)過滾筒纏繞后自身會產(chǎn)生不可逆的殘余彎曲變形[12]。連續(xù)油管兩端軸向受壓過程中，隨著壓載荷增大，會逐漸發(fā)生正弦及螺旋屈曲變形，甚至發(fā)生鎖死[13]。因此，現(xiàn)場打撈作業(yè)過程中必須可以通過參數(shù)變化來判斷是否抓獲魚頂，以防止下壓力過大造成嚴(yán)重后果。為此，在打撈工具中設(shè)置了魚頂引入檢測機(jī)構(gòu)（見圖4），在打撈工具卡瓦的上部設(shè)置了一組單流閥，在連續(xù)油管下入過程中，實(shí)施正循環(huán)，當(dāng)魚頂穿過卡瓦到達(dá)該機(jī)構(gòu)時，推動推桿上行關(guān)閉球閥，此時地面泵壓突然增大，操作人員就可以判斷已抓獲落魚，然后即可上提連續(xù)油管開始打撈作業(yè)。

圖4 魚頂引入檢測機(jī)構(gòu)示意Fig. 4 Schematic of fish top detection mechanism

2.4 落魚剪切機(jī)構(gòu)

考慮落魚管柱遇卡嚴(yán)重的井況，在打撈工具中加入剪切機(jī)構(gòu)，以確保作業(yè)的安全性。剪切機(jī)構(gòu)由2部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。上提載荷超過剪切銷釘強(qiáng)度后，剪斷剪切銷釘，卡瓦座下行壓縮剪切卡瓦，剪切卡瓦快速完成收縮的同時剪斷落魚管柱，完成一次剪切打撈作業(yè)。

3 專用打撈工具性能研究

圖5 落魚剪切機(jī)構(gòu)示意Fig. 5 Schematic of fish shearing mechanism

在深井中利用連續(xù)油管和專用打撈工具打撈連續(xù)油管時，必須保證打撈工具性能穩(wěn)定、可靠。專用打撈工具的結(jié)構(gòu)是基于在φ88.9 mm油管內(nèi)打撈φ38.1 mm連續(xù)油管設(shè)計的，因此以該型號工具為對象，校核工具的整體強(qiáng)度，分析工具的打撈和剪切性能。

3.1 工具整體安全性能校核

專用打撈工具各部件材質(zhì)如下：打撈卡瓦和剪切卡瓦為60Si2Mn，壓縮彈簧為65 Mn，其余部件均為42CrMo。要保證打撈作業(yè)的安全，必須保證工具的整體強(qiáng)度達(dá)到要求。由于工具既受油管內(nèi)徑的約束，又要實(shí)現(xiàn)一系列功能，因此需要在某些區(qū)域減小本體壁厚，這在一定程度上影響了工具的強(qiáng)度。因此，以工具軸向拉伸受力為基礎(chǔ)，尋找工具本體薄弱點(diǎn)，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

工具危險區(qū)域位于剪切機(jī)構(gòu)球座的公制螺紋根部，其環(huán)形凹槽的內(nèi)外徑分別為40.0 和47.0 mm，壁厚3.5 mm（見圖6），材質(zhì)為42CrMo，其抗拉強(qiáng)度為930 MPa，φ38.1 mm CT90連續(xù)油管管柱屈服載荷為234.8 kN，該部位的安全系數(shù)計算公式為：

式中：n為安全系數(shù)；σ為42CrMo材料的抗拉強(qiáng)度，Pa；A為環(huán)形薄弱區(qū)域的橫截面積，m2；F為φ38.1 mm CT90連續(xù)油管的屈服載荷，N。

圖6 剪切機(jī)構(gòu)球座薄弱點(diǎn)處結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig. 6 Structural parameters of the weak point of the shearing ball seat

計算結(jié)果表明，環(huán)形凹槽處的安全系數(shù)為1.89，該部位安全，因此打撈工具在打撈過程中安全可靠。

3.2 打撈卡瓦抓獲性能

打撈卡瓦是抓獲落魚的關(guān)鍵部件，連續(xù)油管穿入卡瓦內(nèi)部后，卡瓦徑向受張力導(dǎo)致卡瓦變形，卡瓦本體內(nèi)部的螺紋在卡瓦穿入過程中逐漸咬緊連續(xù)油管外壁，然后上提管柱，卡瓦在卡瓦座的斜面作用下徑向收縮，進(jìn)一步緊緊咬住連續(xù)油管，完成抓獲。采用ANSYS軟件對打撈卡瓦的工作過程進(jìn)行有限元計算分析，抓獲機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分情況如圖7所示。

圖7 抓獲機(jī)構(gòu)主要部件網(wǎng)格劃分Fig. 7 Meshing of the main components of the capturing mechanism

將打撈卡瓦和連續(xù)油管固定、約束，再給卡瓦座施加軸向載荷。當(dāng)施加軸向載荷為10.0 kN時，打撈卡瓦和連續(xù)油管本體的應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 打撈卡瓦和連續(xù)油管的應(yīng)力云圖Fig. 8 Stress cloud diagram of fishing slip and coiled tubing

從圖8可以看出：打撈卡瓦收縮后的最大應(yīng)力為946.11 MPa，主要分布于卡瓦上部的圓孔區(qū)域，這是由于卡瓦收縮過程中圓孔處變形量大而引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象；而連續(xù)油管本體最大應(yīng)力為329.88 MPa，為徑向均勻分布，與打撈卡瓦下部的幾何形態(tài)相對應(yīng)。模擬結(jié)果表明：打撈卡瓦變形特點(diǎn)符合預(yù)期，并且抓獲過程中連續(xù)油管本體應(yīng)力均勻分布，不會對連續(xù)油管本體產(chǎn)生破壞性影響。

3.3 剪切卡瓦切割性能

剪切卡瓦是落魚剪切機(jī)構(gòu)的核心部件，上部剪切銷釘被剪斷后，在其下部的斜面作用下快速收縮，剪斷連續(xù)油管。因此，為了保障打撈作業(yè)的安全，必須對剪切卡瓦的切割性能進(jìn)行分析。采用ANSYS軟件建立剪切機(jī)構(gòu)核心部件的模型，設(shè)置對應(yīng)材料的特性并劃分網(wǎng)格，結(jié)果如圖9所示。

圖9 剪切機(jī)構(gòu)主要部件網(wǎng)格劃分示意Fig. 9 Schematic of the meshing of the main components of shearing mechanism

將剪切卡瓦和連續(xù)油管固定，在底座施加72.0 kN軸向載荷，計算剪切卡瓦及連續(xù)油管的應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖10示。

圖10 剪切卡瓦和連續(xù)油管應(yīng)力云圖Fig. 10 Stress cloud diagram of shear slip and coiled tubing

由圖10可見：剪切卡瓦最大應(yīng)力為1 264.4 MPa，出現(xiàn)在卡瓦牙牙尖處，超過了材料自身的強(qiáng)度，表現(xiàn)為局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象；連續(xù)油管最大應(yīng)力為940.34 MPa，最大應(yīng)力分布在卡瓦牙尖接觸區(qū)，且已超過連續(xù)油管的屈服強(qiáng)度。分析結(jié)果表明，軸向載荷達(dá)到72.0 kN時，可以成功剪斷連續(xù)油管，表明切割性能滿足設(shè)計要求。

3.4 打撈施工流程

利用連續(xù)油管和專用打撈工具打撈連續(xù)油管的工藝流程為：先清洗井筒，保證魚頂以上井筒被沖洗干凈；然后下入打撈工具，將魚頂引入打撈工具后，上提管柱。打撈過程中若落魚管柱沒有明顯遇卡跡象，可以一趟管柱完成打撈作業(yè)；若井內(nèi)落魚管柱遇卡嚴(yán)重，可以采取解卡措施，如上提下放管柱、循環(huán)解卡等；若解卡措施無效，則實(shí)施分段切割打撈作業(yè)。

4 專用打撈工具性能室內(nèi)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證各機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，在打撈卡瓦和剪切卡瓦數(shù)值模擬計算的基礎(chǔ)上，開展了專用打撈工具功能性室內(nèi)試驗(yàn)，以確保工具性能達(dá)到現(xiàn)場作業(yè)要求，同時對上述分析結(jié)果和工具整體性能進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.1 魚頂引入試驗(yàn)

引入魚頂是保證打撈成功的前提，在地面利用臥式試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行魚頂引入試驗(yàn)，利用試驗(yàn)機(jī)提供軸向位移，將打撈工具推向模擬魚頂，繼續(xù)加壓迫使彈簧壓縮，同時帶動引鞋旋轉(zhuǎn)，將貼邊的魚頂引入撈筒內(nèi)（見圖11）。由引入魚頂過程中的參數(shù)變化（見圖12）可以看出，魚頂可以在軸向受壓5.91 kN的情況下被順利引入撈筒，驗(yàn)證了引鞋旋轉(zhuǎn)引入魚頂?shù)姆€(wěn)定性。

圖11 魚頂引入試驗(yàn)示意Fig. 11 Schematic of the fish top guiding test

魚頂引入試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了“雙線螺旋導(dǎo)軌+銷釘”機(jī)構(gòu)的可靠性，表明通過引鞋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可以在φ88.9 mm油管內(nèi)對偏心貼邊的φ38.1 mm落魚魚頂實(shí)施扶正、引入，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，為后期現(xiàn)場實(shí)施打撈作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

圖12 魚頂引入試驗(yàn)載荷曲線Fig. 12 Load curves of fish top guide test

4.2 魚頂引入檢測試驗(yàn)

在魚頂引入試驗(yàn)裝置上、打撈工具頂部連接循環(huán)泵，在軸向加壓過程中開泵，全程記錄泵壓的變化情況，泵壓曲線如圖13所示。從圖13可以看出，連續(xù)油管上行推動鋼球關(guān)閉流體通道，循環(huán)泵憋停，造成泵壓曲線明顯跳動， 說明該單流閥檢測機(jī)構(gòu)性能達(dá)到預(yù)期要求。現(xiàn)場作業(yè)過程中，可以通過設(shè)置地面泵車限壓值，在成功引入魚頂后憋停泵，以便現(xiàn)場作業(yè)人員判斷上提管柱時機(jī)，避免打撈作業(yè)的盲目性。

圖13 魚頂檢測試驗(yàn)泵壓曲線Fig. 13 Pumping pressure curves of fish top detection test

4.3 卡瓦抓持及剪切試驗(yàn)

卡瓦對落魚管柱的可靠抓持性能是打撈成功的關(guān)鍵，剪切機(jī)構(gòu)為施工安全提供保證。利用立式試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了打撈卡瓦抓持和剪切卡瓦剪切性能試驗(yàn)，試驗(yàn)原理為：在軸向拉伸過程中，卡瓦抓持連續(xù)油管，連續(xù)油管帶動卡瓦下行并進(jìn)一步拉伸，剪斷卡瓦座剪切銷釘，推動剪切卡瓦下行，剪切卡瓦遇斜面收縮剪斷連續(xù)油管（見圖14），試驗(yàn)過程中載荷變化曲線如圖15所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，4顆φ6.0 mm材質(zhì)42CrMo剪切銷釘?shù)募魯噍d荷為64.8 kN，剪切φ38.1 mm連續(xù)油管所需軸向載荷為76.5 kN，該載荷與ANSYS模擬剪斷連續(xù)油管載荷（72.0 kN）相差不大，驗(yàn)證了前期有限元分析的可靠性。

圖14 卡瓦抓持及剪切試驗(yàn)示意Fig. 14 Schematic of slip engaging and shearing test

圖15 抓獲及剪切試驗(yàn)曲線Fig. 15 Curves of capturing and shearing test

試驗(yàn)結(jié)果表明：打撈卡瓦對連續(xù)油管的抓持可靠，剪切卡瓦在76.5 kN軸向載荷作用下可以剪斷連續(xù)油管，且剪切斷口較平整，抓獲機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)均達(dá)到了設(shè)計要求。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

X-1井位于塔里木盆地羊塔克斷裂構(gòu)造帶，完鉆井深5 435.00 m，生產(chǎn)后期因油壓過低關(guān)井，后轉(zhuǎn)為氮?dú)鈿馀e，氣舉過程中φ38.1 mm連續(xù)油管斷落在井內(nèi)。X-1井的井身結(jié)構(gòu)如圖16所示。

5.1 打撈前的準(zhǔn)備工作

截取X-1井前期提出的連續(xù)油管末端作為試樣。觀察試樣發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管表面腐蝕嚴(yán)重，并存在局部開裂。為了驗(yàn)證落魚管柱的抗拉及抗彎曲力學(xué)性能，利用微機(jī)電液伺服式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸和抗彎破壞性試驗(yàn)，選取管體狀況較好和出現(xiàn)微裂紋的2組試樣分別進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其抗彎性能基本一致，但拉斷載荷分別為132.9和121.8 kN，說明井內(nèi)連續(xù)油管的軸向抗拉性能明顯降低，增大了一次打撈出落魚的難度。

打撈作業(yè)前依次實(shí)施了射流解堵及打印作業(yè)：1）利用φ63.0 mm射流工具對生產(chǎn)管柱進(jìn)行射流沖洗，沖洗至魚頂位置；2）下φ60.0 mm鉛模進(jìn)行打印作業(yè)，驗(yàn)證魚頂狀態(tài)。

5.2 打撈施工

下φ63.0 mm打撈管柱進(jìn)行連續(xù)打撈作業(yè)，打撈管柱從下至上依次為：φ63.0 mm專用打撈工具+φ54.0 mm轉(zhuǎn)換接頭+φ54.0 mm馬達(dá)頭總成+φ50.8 mm連接器+φ50.8 mm連續(xù)油管。利用該打撈管柱打撈過程中發(fā)現(xiàn)落魚管柱硬卡嚴(yán)重，后續(xù)進(jìn)行連續(xù)打撈作業(yè)，魚頂均可經(jīng)過下壓順利引入，抓獲率100%，且魚頂引入瞬間地面可以根據(jù)泵壓準(zhǔn)確判斷，歷次撈獲率100%。

X-1井打撈管柱共計下入13次，撈獲13段連續(xù)油管，撈獲率100%，其中第6次和第9次剪切連續(xù)油管，完成剪切打撈，第4次剪切銷釘雖然剪斷，但是因管體拉斷載荷小于剪切卡瓦剪切力，剪切機(jī)構(gòu)未工作，其余10次均為連續(xù)油管拉斷；共計撈獲φ38.1 mm連續(xù)油管2 851.87 m，其中最小撈獲長度0.27 m，最長837.40 m，充分說明了專用打撈工具性能的可靠性（見圖17）。在打撈作業(yè)過程中，連續(xù)油管作業(yè)機(jī)憑借快速起下的特點(diǎn)，在24 h內(nèi)可以完成1.5趟管柱起下作業(yè)（包括安裝、工具連接、試壓和魚頂引入等流程），連續(xù)油管起下速度達(dá)20.0 m/min，打撈效率是常規(guī)管柱打撈作業(yè)的4倍，充分體現(xiàn)了連續(xù)油管打撈效率高的優(yōu)勢。

圖17 歷次打撈落魚斷口載荷及撈獲情況曲線Fig. 17 Curves of the breakage load and retrieval of previous fishing jobs

6 結(jié)論與建議

1）連續(xù)油管打撈連續(xù)油管專用工具采用模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了落魚的高效引入、抓獲、引入檢測及剪切等功能，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。

2）通過數(shù)值模擬計算、室內(nèi)試驗(yàn)等方法校核了專用打撈工具的安全性，并對其關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，確保了工具性能的穩(wěn)定性。

3）現(xiàn)場應(yīng)用表明，連續(xù)油管專用打撈工具可以滿足打撈連續(xù)油管作業(yè)的要求，且可以大幅提高打撈作業(yè)效率。

4）建議進(jìn)一步擴(kuò)展連續(xù)油管在打撈作業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，加強(qiáng)相關(guān)工具的研發(fā)力度，為井筒的快速恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。