φ170 mm四級(jí)分支井重入工具丟手裝置研制

劉 晗

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng)，257017)

分支井技術(shù)是在1個(gè)主井眼內(nèi)鉆出2個(gè)以上的井眼，與目前比較成熟的水平井、側(cè)鉆水平井技術(shù)相比具有更多優(yōu)越性[1-2]。分支井工具的重入井眼為分支井技術(shù)的難點(diǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)外主要利用斜向器導(dǎo)入，或預(yù)先設(shè)置導(dǎo)向裝置，使分支井工具重新進(jìn)入各分支井眼,再通過(guò)丟手、回收作業(yè)實(shí)現(xiàn)送入工具與留井管柱的分離、回收[4-5]。前者必須先定向，再下入專用斜向器，然后下入完井管柱，完成重入作業(yè)后又必須回收斜向器。這種分支井重入工藝易損壞主井眼套管，增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。后者在主井筒固井后，再下入定位工具，完成開窗后只打撈斜向器，而定位工具留在主井眼內(nèi)形成永久錨定，為后續(xù)施工提供定位基礎(chǔ)。

丟手裝置方面，機(jī)械丟手存在懸掛銷釘過(guò)早剪斷而提前丟手的風(fēng)險(xiǎn)[6-9]；液壓丟手存在管柱漏壓，壓差變低而使丟手失敗的風(fēng)險(xiǎn)[10-13]。另外，重入工具的送入與回收作業(yè)通常需要設(shè)計(jì)2套不同的丟手裝置，增加成本，且結(jié)構(gòu)繁瑣。本文針對(duì)預(yù)先設(shè)置導(dǎo)向裝置重新進(jìn)入各分支井眼的方法，研制了一種重入工具丟手裝置。該裝置采用低壓耗液壓丟手，無(wú)剪切銷機(jī)械丟手方式作為緊急解鎖方式，可將四級(jí)分支井的重入工具送入井眼連接器中，并解鎖完成丟手動(dòng)作，亦可實(shí)現(xiàn)重入工具回收作業(yè)。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可靠性高、功能完備，可提高分支井重入作業(yè)的施工效率。

1 結(jié)構(gòu)組成

?170 mm四級(jí)分支井重入工具丟手裝置由接頭、支撐體、保護(hù)套、彈簧、彈性爪、卡套、密封球組成,如圖1所示。

1—接頭；2—支撐體；3—保護(hù)套；4—彈簧；5—彈性爪；6—卡套；7—密封球；8—重入工具。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1) 具有彈性爪限位結(jié)構(gòu)，可防止重入工具的喇叭口在連接或打撈時(shí)受到?jīng)_擊損壞。

2) 依靠裝置結(jié)構(gòu)鎖定與解鎖，無(wú)需剪切銷釘，操作簡(jiǎn)單,并避免了懸掛銷釘過(guò)早剪斷而提前丟手的風(fēng)險(xiǎn)。

3) 低壓耗，易丟手，管柱漏壓對(duì)丟手成功率影響小。

4) 裝置在懸空時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)丟手動(dòng)作，保證工具的安全可靠。

5) 裝置可實(shí)現(xiàn)送入和回收2種作業(yè)。

6) 支撐體與活塞腔聯(lián)通的小孔位于活塞肩臺(tái)部位，即位于活塞腔狹窄環(huán)形空間，相比于較大腔體部分，該結(jié)構(gòu)可過(guò)濾部分鉆井液雜質(zhì)，防止丟手裝置卡死，行程受限導(dǎo)致丟手失敗。

2 工作原理

1) 送入作業(yè)。

丟手裝置將重入工具送入主、分支井眼，如圖2a所示。下入到位后，下放鉆具，投入密封球，待密封球到達(dá)支撐體下端時(shí)，繼續(xù)增大管內(nèi)壓力。彈性爪與支撐體形成活塞腔結(jié)構(gòu)，在液壓力的作用下彈性爪上移，彈性爪爪頭落入支撐體小徑部分，失去阻擋，可變形脫出。上提鉆具，彈性爪從重入工具連接凹槽內(nèi)脫離，繼續(xù)上提管柱實(shí)現(xiàn)丟手。

2) 回收作業(yè)。

下入該丟手裝置，彈性爪進(jìn)入重入工具的卡槽，打撈成功后上提鉆具，回收重入工具。下壓丟手裝置，使之解除懸空狀態(tài)，投入密封球，實(shí)現(xiàn)液壓丟手。

3) 緊急機(jī)械解鎖。

無(wú)法液壓丟手時(shí)，使彈性爪上端的環(huán)形凹槽與保護(hù)套上的螺孔對(duì)正，安裝螺釘固定彈性爪和保護(hù)套，使二者無(wú)法相對(duì)移動(dòng)。下壓丟手裝置接頭，上提鉆具，完成機(jī)械解鎖，實(shí)現(xiàn)丟手，如圖2b所示。

圖2 丟手裝置工作原理

3 技術(shù)參數(shù)

丟手裝置最大外徑 170 mm

丟手裝置最小內(nèi)徑 45 mm

工作溫度 -20～120 ℃

支撐體額定拉力 1 000 kN

丟手方式 液壓丟手(壓力15 MPa)

應(yīng)急丟手方式 機(jī)械丟手

適應(yīng)井型 四級(jí)分支井

4 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度分析

本文分別從裝置使用時(shí)的3個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)入手，即，彈性爪進(jìn)入、彈性爪送入及彈性爪解鎖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。彈性爪懸掛機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖3所示，其有限元模型如圖4所示。

1—彈性爪；2—重入工具；3—卡套；4—支撐體。

圖4 懸掛機(jī)構(gòu)有限元分析模型

1) 彈性爪進(jìn)入重入工具限位槽時(shí)，彈性爪受壓變形，通過(guò)該限位槽。

2) 彈性爪送入狀態(tài)時(shí)，重入工具連接凹槽上端面與彈性爪斜面貼合，彈性爪下端面與內(nèi)表面與支撐體的臺(tái)階表面貼合。支撐體將彈性爪鎖在其臺(tái)階與重入工具連接凹槽之間。

3) 彈性爪解鎖狀態(tài)時(shí)，支撐體讓出，不再接觸彈性爪。彈性爪在上拉力的作用下產(chǎn)生彈性形變，完成丟手。

4.1 彈性爪進(jìn)入重入工具強(qiáng)度分析

彈性爪、卡套和支撐體材料均為40CrMnMo，重入工具采用N80套管鋼，材料屬性參數(shù)如表1所示。當(dāng)彈性爪移動(dòng)至重入工具的卡套限位槽時(shí)將遇阻，數(shù)值模擬此時(shí)變形及受力情況。在重入工具右端設(shè)置固定約束，彈性爪施加軸向位移，彈性爪與重入工具選擇面-面接觸方式，彈性爪與卡套選擇固定接觸方式。分析得到彈性爪進(jìn)入工作筒的等效應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。彈性爪最大等效應(yīng)力發(fā)生在彈性爪開槽根部，應(yīng)力值為137 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度758 MPa。滿足強(qiáng)度要求。提取彈性爪進(jìn)入重入工具的支反力，其值為1 284 N。表明彈性爪進(jìn)入重入工具的合力為1 284 N。

表1 丟手裝置材料屬性參數(shù)

圖5 彈性爪進(jìn)入重入工具的等效應(yīng)力分布云圖

4.2 彈性爪送入狀態(tài)強(qiáng)度分析

在彈性爪與重入工具接觸的端面施加1 mm位移載荷[14-18]，對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力分布云圖如圖6所示。彈性爪最大等效應(yīng)力發(fā)生在彈性爪接觸面上。最大應(yīng)力為684 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度785 MPa，滿足強(qiáng)度要求。提取彈性爪支反力，其值為816 kN。表明彈性爪在送入狀態(tài)下可承受816 kN拉伸載荷。

圖6 彈性爪送入狀態(tài)等效應(yīng)力分布云圖

4.3 彈性爪解鎖狀態(tài)強(qiáng)度分析

彈性爪主要依靠工具結(jié)構(gòu)解鎖。首先下壓鉆具，當(dāng)彈性爪上端的環(huán)形凹槽與保護(hù)套上的螺孔對(duì)正時(shí)，安裝螺釘固定彈性爪和保護(hù)套，使二者無(wú)法相對(duì)移動(dòng)。此時(shí)，支撐體與彈性爪爪頭已分離，彈性爪爪頭與支撐體小徑部分相對(duì)，支撐體不再支撐彈性爪，解除防止彈性爪脫出的作用。上提鉆具，彈性爪即可從重入工具連接凹槽內(nèi)脫離，實(shí)現(xiàn)丟手。

彈性爪解鎖狀態(tài)等效應(yīng)力分布云圖如圖7所示，彈性爪最大等效應(yīng)力發(fā)生在彈性爪開槽根部，且該部位發(fā)生了彎曲變形，局部應(yīng)力為141 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度785 MPa，滿足強(qiáng)度要求。提取彈性爪支反力，其值為1 488 N。表明解鎖后彈性爪脫離重入工具的合力為1 488 N。

圖7 彈性爪解鎖狀態(tài)等效應(yīng)力分布云圖

5 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

5.1 地面試驗(yàn)

1) 打撈試驗(yàn)。

將丟手裝置及試驗(yàn)工裝裝入扭矩機(jī)，丟手裝置位于固定鉗，試驗(yàn)工裝位于移動(dòng)鉗，水平移動(dòng)移動(dòng)鉗，模擬打撈過(guò)程。如圖8a所示。

打撈后，再次反方向移動(dòng)移動(dòng)鉗，確認(rèn)打撈成功，如圖8b所示。試驗(yàn)證明，彈性爪進(jìn)入重入工具需壓力1 311 N。彈性爪與試驗(yàn)工裝之間的摩擦力造成推力增大。

圖8 丟手裝置的打撈試驗(yàn)

2) 丟手試驗(yàn)。

正向水平移動(dòng)移動(dòng)鉗，至螺孔與內(nèi)部槽口重合，用細(xì)鐵棍插入槽口，如圖9a所示，反向移動(dòng)移動(dòng)鉗，解鎖丟手裝置，如圖9b所示。試驗(yàn)證明，完成丟手需上拉力1 520 N。

圖9 丟手裝置地面手動(dòng)丟手試驗(yàn)

為測(cè)試丟手裝置的承載能力，確保作業(yè)安全，以100 kN為增幅，自50 kN開始，逐級(jí)提高拉伸載荷,觀察丟手裝置結(jié)構(gòu)變形情況。

試驗(yàn)結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)彈性爪有明顯的變形。丟手裝置可順利連接重入工具，并機(jī)械丟手。

5.2 井筒模擬試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證丟手裝置的可靠性，保證其滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，進(jìn)行井筒模擬試驗(yàn)。

1) 準(zhǔn)備好試驗(yàn)用井筒、丟手裝置、模擬工裝、井口連接部件等，將試驗(yàn)用井筒放入井口內(nèi)，完成丟手裝置對(duì)模擬工裝的打撈作業(yè)。

2) 開泵，以排量20 L/s循環(huán)，下壓鉆具，保持鉆具受壓狀態(tài)，然后上提鉆具，裝置正常丟手。

3) 測(cè)試丟手裝置懸空狀態(tài)下能否丟手。裝置下放至距離井底1 m左右，開泵，排量30 L/s循環(huán)，排量壓力數(shù)據(jù)曲線如圖10所示，排量穩(wěn)定在30 L/s時(shí)，壓力平穩(wěn)未降低，表明裝置未丟手。上提鉆具至試驗(yàn)井口，觀察到裝置沒(méi)有丟手，證明裝置只有在受壓狀態(tài)下才能丟手。

圖10 排量30 L/s 時(shí)壓力曲線

4) 丟手試驗(yàn)。下放工具距井底0.3 m，開泵，排量15 L/s循環(huán)，排量壓力數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。排量穩(wěn)定在15 L/s時(shí)，壓力平穩(wěn)未降低，表明裝置未丟手。下放鉆具至鉆壓5 kN，上提鉆具至試驗(yàn)井口，丟手，停泵，觀察到裝置已經(jīng)正常丟手。

圖11 排量15 L/s 時(shí)壓力曲線

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可以得出：設(shè)計(jì)研發(fā)的重入工具丟手裝置，性能可靠，操作簡(jiǎn)單，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。排量15 L/s可以滿足丟手作業(yè)需要，懸空無(wú)法丟手，保證丟手裝置安全可靠。

多次試驗(yàn)，彈性爪與模擬工裝均可順利打撈、分離，彈性爪無(wú)明顯變形或斷裂現(xiàn)象，丟手裝置符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

6 結(jié)論

1) 研制的四級(jí)分支井重入工具丟手裝置具有機(jī)械、液壓2種丟手方式?？山鉀Q分支井重入工具的送入及回收問(wèn)題。

2) 對(duì)彈性爪的3個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，證明其結(jié)構(gòu)符合工況要求。通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，證明該丟手裝置可滿足四級(jí)分支井重入工具的送入和回收要求，其安全可靠。

3) 裝置采用低壓耗液壓丟手；無(wú)剪切銷機(jī)械丟手方式作為緊急解鎖方式。該結(jié)構(gòu)創(chuàng)新使得管柱漏壓對(duì)丟手成功率影響小，易丟手；無(wú)銷釘中途剪切而提前丟手的風(fēng)險(xiǎn)。

4) 裝置可提高分支井重入作業(yè)的施工效率，具備推廣價(jià)值；除分支井重入工具外，也可用于其它井下管柱丟手作業(yè)，具有應(yīng)用前景。

5) 存在的問(wèn)題。彈性爪與支撐體組成的活塞腔內(nèi)過(guò)濾結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，彈性爪有被鉆井液中雜質(zhì)卡死而無(wú)法動(dòng)作的幾率。

6) 今后研究方向。進(jìn)一步降低丟手壓耗，使裝置不用投球，只改變鉆井液排量即可完成丟手，此時(shí)，投球工序可變?yōu)榫o急處置方式的一種，即壓差無(wú)法激活丟手裝置時(shí)，以投球的方式增大壓差，使丟手裝置實(shí)現(xiàn)液壓丟手。設(shè)計(jì)更為先進(jìn)的過(guò)濾結(jié)構(gòu)，消除彈性爪卡死風(fēng)險(xiǎn)。