马胜吉

(中国石油集团川庆钻探工程公司井下作业公司)

在天然气开采过程中，为了实现经济、可持续的开采，经常需要对其流量进行控制。流量控制的节流方式一般分为地面节流和井下节流，井下节流工艺是把按采气要求设计好的井下节流器及其配套工具通过绳索作业的方式坐放在油管中设计位置，气井生产时，天然气经过井下节流器节流后，压力、温度降低，而降温降压后的天然气又会在井筒中充分吸收地热，使其温度重新升高，破坏水合物生成条件。当到达井口时，天然气温度较高，压力较低，地面无需再节流，也无需水套炉加热生产即可实现水合物的有效防治。相比地面节流，井下节流工艺由于取消了水套炉，地面流程也得到了简化，具备基建投资少、井口压力低、带液能力强、耗费人力少等诸多优势[1-4]。但由于目前所生产的节流器还不能在井内进行流量调整，在开采一段时间以后，由于井底压力下降，为了增大采气量，实现经济开采，就需要取消节流器或更换节流嘴。而这都需要专用的打捞工具和工艺将节流器从井内取出。

近年来，随着工艺技术水平的发展，我国的打捞工具研制水平也得到了较大提高[5]。比如徐健等设计了一套液压助力式的连续油管落鱼打捞矛和打捞筒[6]，较好地解决了水平井和深井连续油管落鱼打捞的问题；张荣军等研制了一种套铣-打捞组合式打捞工具[7]，通过套铣、打捞同时作业，成功解决了常规套铣打捞法对于出砂严重井不适用的问题；肖述琴等研制了一种井下节流器用的气举打捞工具[8]，腾学清等设计了一种螺杆钻具打捞工具[9]，通过地面试验证明具有较好的造扣功能；利用气井压力使节流器上行；梁红梅等设计了一种可钻式桥塞磨铣打捞工具[10]，可钻除桥塞，提高摩铣打捞效率。但是以上结构的设计也仅仅是解决了部分工艺问题，很难解决节流器的打捞过程中存在的问题，为此本文研制了一种新型节流体打捞筒，并对其进行了试验研究。

一、现用节流器打捞工具存在的问题

以西南油气田某单位所采用的井下节流器为例，其参数如表1所示。

表1 井下节流器参数

目前采用的某院为打捞井下节流器专门设计的打捞工具，如图1所示，其上部为活动式打捞筒，下部为固定式打捞筒，其主要是通过钢丝绳下入到井内进行打捞。经过现场多次作业，效果极不理想。如2010年5～7月在广安4口井施工作业中，只有1口井打捞成功。通过研究分析，发现井下节流器在井内长期工作，顶部杂质沉积较多，活动部件因腐蚀被卡，造成打捞工具要么根本抓不住井下节流器打捞颈，要么抓住了又没有足够的力将其解卡，即使在正常下工具的过程中，也可能因为井壁附着的杂质造成工具遇卡。由于该结构的限制，当其采用铝销钉时，最大上提力不得超过8～9 kN，采用铜销钉时，最大上提力不得超过20～22 kN。因而，经常出现捞获工具后，因为上提力在到了销钉剪切极限时还不能提动节流器。且该打捞工具结构相对复杂，故障率高，现场修复困难，经常需要送外维修，浪费了大量时间和人力、物力。

图1 现用井下节流器打捞工具

如果用连续油管设备进行打捞作业，可以先下通井规通井，下冲洗工具洗井清理打捞工具顶部。这样就能够避免工具下不到位的现象，但是由于洗井过程中液体的“滑套效应”(液体在井筒内自下而上流动时，有部分井壁上液体会顺着井壁向下流)和节流器以下井筒内携带杂质液体的不断上窜，还是会有很多杂质会沉积在节流器顶部，造成捞获困难。同时，从销钉设置的抗拉强度上来看，500 kg力于钢丝绳来说很好控制，对于连续油管操作来说控制就非常困难，虽然后面换装过铜销钉，工具方甚至还表示可以提供钢销钉。但是在使用过程中打捞筒还是经常出问题，使用发现，不太适合连续油管使用。

二、新型打捞筒结构设计

1. 打捞工具结构设计方案

采用可退式打捞筒的设计方案，即捞获井下节流器后，如果连续油管施加于节流器上提吨位达到一定吨位时，仍然提不动节流器，打捞工具将自动脱手，工具脱手时，要求不得再掉东西在井内，同时不得影响下次打捞。打捞工具要配合下震击器使用，必须先抓住节流器再用震击器向下震击。打捞工具采用铜剪钉，向下走时剪钉不受力，向上提时剪钉受力，其受力范围为50～70 kN。在打捞作业过程中，连续油管与生产油管建立洗井循环通道保持畅通，保证能随时清除工具附近的井内杂质。

为实现上述功能，工具的抓手可以设计成在销钉被剪断的情况下，能在一定范围内活动的结构。同时，当连续油管上提时，抓手在落鱼的反作用力下，能通过专门的机构实现脱手的功能，这个结构是该工具设计的关键。由于井内油管内径为62 mm，所以当打捞工具抓手脱手时，抓手张开的外径不能超过62 mm，通过模拟，确定工具外径设计为56 mm为宜。设计的新型打捞工具结构如图2所示。

图2 新型打捞工具结构图

2.销钉方案设计

由于销钉是整个打捞工具的核心部件，其关系着打捞结果的成功与否，因而需要对其结构进行设计和校核。根据使用惯例，采用黄铜作为销钉的材质，具体为黄铜光磨棒HPb63-3 Y，拉伸强度≥430 MPa。

依据一般工程规范规定，对于塑性较好的材料剪切许用应力[τm]可由其拉伸许用应力[σ]计算，[τm]=(0.6～0.8)[σ]。则外径为6 mm的HPb63-3 Y铜销钉剪切力应大于等于7.29～9.72 kN。以连续油管上提力60 kN时销钉被剪断，外径为6 mm的销钉数量应为6～7颗为宜。

为验证结果的可靠性，通过四川机械设计研究院对材料为黄铜光磨棒HPb63-3 Y的Ø6 mm销钉进行剪切试验，其剪切力为9.15～9.2 kN。实验结果与计算结果吻合较好，说明设计方案较为可靠。加工装配后的新型打捞工具实物图如图3所示。

图3 新型打捞工具实物图

三、打捞工具拉力试验

为验证打捞工具的工作能力，对整个工具进行拉力试验。设计了打捞工具专用工装结构，如图4所示。将设计的工装安装在力学试验机上进行拉伸试验，如图5所示，每组实验直至销钉被剪断视为结束。本次总共设计3组实验：第1次安装直径为6 mm铜销钉2颗，其最大拉伸载荷18.4 kN；第二次装直径为6 mm铜销钉2颗，其最大拉伸载荷18.3 kN；第3次装直径为6 mm铜销钉6颗，其最大拉伸载荷61.87 kN。通过3次力学试验，剪切销钉被拉断后，工具都能实现顺利脱手，而且模拟落鱼打捞颈没有发生破坏。同时，在3次试验中，每次试验单颗销钉的最大剪切负荷分别为9.2 kN、9.15 kN、10.3 kN，达到了设计预期。

图4 试验工装设计

图5 打捞筒整体拉伸试验

四、现场试验

该工具曾在西南油气田某定向斜井进行打捞作业，采用KQ65-70型井口，于2010年5月完井，自喷生产，节流器坐封在井下2 400 m处。作业设备为38.1 mm外径连续油管作业设备1套，700型压裂车1台。现场先用连续油管带通井规通井，然后下铅印，未探到节流器顶端形状，怀疑节流器上端有井内杂质存留，换连续油管打捞工具串：液压丢手+打捞工具，在遇阻后上提连续油管100 m，700型压裂车开泵，缓慢下连续油管，遇阻1.5 t，下压3 t，上提连续油管10 m后连续2次下压至3 t，起连续油管，节流器被成功抓获。

五、结论

针对现有井下节流器用打捞工具存在的问题，特别是现有工具存在的打捞成功率低等问题进行了详细分析，设计了一种井下节流器用新型打捞工具，采用可退式打捞筒的设计方案，可实现自动脱手功能。经多次现场使用，该打捞工具能够有效解决之前打捞工具存在的很多问题，特别是与连续油管作业设备及专用工具配合使用时，具备了一趟起下可以解决多个问题的优点，结构简单，工作可靠，捞获成功率高，上提下压吨位大且可调，实现了设计之初设定的所有目标。但如果节流器在井内因腐蚀严重造成与生产油管卡死，解卡吨位超过打捞工具设定极限，也会造成打捞不成功。从理论上讲，通过改变剪切销钉材质、增加数量或直径，可以使该工具脱手吨位更大，提高解卡成功率，但也会造成脱手时，工具抓手伤害节流器打捞颈，造成后期打捞捞获困难。