郝宙正 程仲 张英 刘禹铭 陈立伟 柴希伟

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司)

0 引 言

在油气田井下作业过程中，经常通过丢手作业[1-2]实现送入工具与留井管柱的分离作业，例如尾管送入作业、储层保护阀回接作业、水平井压裂管柱送入作业及堵塞器投放作业等。目前，丢手作业一般采用两种方法：一种是采用单一机械或液压脱手形式，如采用剪切销钉悬挂和螺纹连接等，但该方法存在销钉中途剪切提前丢手的风险，且在脱手失败后，无法提供备用方案；另外一种是采用机械和液压结合的形式，该方法尤其适用于机械脱手困难的大位移井和大斜度井，可为丢手作业提供双重解决方案，但是在管柱漏压的情况下，液压脱手也存在失败的风险。上述井下管柱丢手作业的送入工具种类繁多，适应性不强。针对上述问题，研制了一种送入工具总成，通过工作筒实现送入工具与留井管柱桥接，工作筒采用可控电化学腐蚀材料(简称CEM，Controlled Electrochemical Corrosion Materials),可在设定时间自动溶解[3-6]，避免了后期磨铣修井作业，同时也为送入工具的分离提供了一种全新的解决方案。该送入工具总成在管柱遇阻时可提供扭矩，具备液压、机械及自溶等3种脱手方式,安全可靠,作业风险低，通过工作筒可与多种井下管柱连接完成脱手作业，具备标准化作业推广价值。

本文建立了弹性爪结构和接触应力计算模型，利用有限元分析建立了弹性爪轴对称有限元模型，评估了弹性爪插入、上提及解锁时3种应力状态，同时对CEM镁铝合金溶解速率进行分析，准确控制工作筒分解时间。研究结果有利于指导送入工具的设计与研究，推动了送入工具标准化应用。

1 技术分析

1.1 结构

送入工具总成结构如图1所示，该工具由活塞组件、支撑装置、承扭机构及锁紧机构组成，它将工作筒与留井管柱送入到位后与其分离。工作筒丢手后，当其采用碳钢材料时，可作为回接与打捞工作筒使用；当其为CEM合金时，可在设定时间自行溶解。

1—心轴；2—振动外筒；3—碟簧组；4—下外筒；5—活塞；6—定子橡胶；7—转子；8—动阀；9—下接头。

1—上接头；2、8—承扭机构；3、11—活塞组件；4—外套；5—弹簧；6—固定销钉；7—衬套；9、10—锁紧机构；12、13—支撑装置。

1.2 工作原理

通过送入工具将工作筒与留井管柱送入到位后，以20.0 kN的作用力下压管柱，投入密封球或者飞镖并开泵正循环，使密封球或者飞镖到达预定承接位置后，继续增大管内压入力，安装在中心管和活塞腔上的剪切销钉被剪断，在液压力的作用下活塞腔移动至心轴上端限位处，并带动弹性爪从工作筒连接凹槽内脱离，上提管柱即可实现液压脱手。

如果液压脱手失败，反转管柱当扭矩为2.0 kN·m时，剪切上接头和外套的防转剪切销钉，随后以20.0 kN的作用力下压管柱，上接头防转机构进入外套防转凹槽时，中心管带动下接头下移，弹性爪失去下接头支撑端面而收回，上提管柱即可实现机械脱手。

如果液压与机械脱手均没有成功，一般采取切割打捞的方式进行事故处理作业，通常作业周期长，施工成本高。而该送入工具工作筒采用了镁铝合金自溶材料，在设定时间能自行溶解，从而为送入工具脱手提供了一种全新的解决方案。

1.3 主要技术参数

送入工具最大外径/最小内径：188.5 mm/64.0 mm；

工作温度：-20.0～120.0 ℃；

中心管抗拉力：1 200.0 kN；

最大正转扭矩：12.0 kN·m；

额度工作压力：35.0 MPa；

承扭方式：采用120°均匀布局台阶抗扭；

脱手方式：下压状态正加压24.0 MPa脱手；

应急脱手方式：下压正转90°机械脱手和工作筒自溶脱手。

1.4 技术特点

(1)具有液压脱手和机械脱手2种脱手方式，提高了脱手的安全性和实用性；

(2)管柱可实现正转下入，解决了管柱遇阻后不能正转的问题；

(3)工作筒采用普通碳钢或CEM合金材料，可作为后期回接工作筒使用，也可在特殊情况下自动溶解；

(4)可承受1 150.0 kN的拉伸载荷和500.0 kN的压缩载荷；

(5)适用于多种井下管柱的脱手作业，通用性强。

2 关键零部件弹性爪设计及分析

2.1 结构设计

管柱送入过程中，弹性爪是送入工具的关键部件，承受留井管柱的拉压载荷并具有脱手功能，因此有必要对其进行理论分析和数值模拟计算[7]，证实该结构设计的合理性。本文分别从弹性爪进入、弹性爪送入及弹性爪解锁工作筒3个关键状态进行了优化设计。弹性爪悬挂机构简化结构如图2所示。根据弹性爪的尺寸形态建立悬挂机构模型，并划分网络。

1—工作筒；2—外套；3—弹性爪；4—下接头。

弹性爪送入状态结构设计如图3所示。送入状态上提夹角位置如图3a所示。工作筒连接凹槽60°斜面与弹性爪60°斜面贴合，下接头端面45°斜面与弹性爪45°斜面贴面，弹性爪两斜面形成向内收缩的15 °的夹角，即ABCD区域沿AC/BD方向呈扇形发散趋势，设计AB段长度为12.3 mm,CD段长度为13.5 mm,该位置CD段长度比AB段长1.2 mm。在送入状态上提夹角位置，送入工具承受管柱下入过程中的拉伸载荷。

送入状态下压位置如图3b所示。EF段长度为12 mm，工作筒连接凹槽AE段呈60 °斜面，斜面末端AB段长度为14.7 mm，CD段长度为12.9 mm，AB段长度比CD段长1.8 mm，即AB段长度大于CD段，送入工具才能正常脱手。

图3 弹性爪送入状态结构图

2.2 弹性爪进入工作筒强度分析

将工作筒、外套、弹性爪及下接头建立简化力学模型，导入有限元分析软件进行强度分析。为保证计算精度，将弹性爪局部网格加密，采用六面体单元，其他部分使用网格自动划分。图4为悬挂机构有限元分析模型。工作筒、外套和下接头均为4145H合金钢，调质处理，密度为7 830 kg/m3,弹性模量为206 GPa,泊松比为0.28，屈服强度为930 MPa，抗拉强度为1 080 MPa。弹性爪采用合金弹簧钢60Si2Mn，屈服强度为1 274 MPa，弹性模量为206 GPa,泊松比为0.26。

1—工作筒；2—外套；3—弹性爪；4—下接头。

在工作筒右侧端面施加固定约束，在外套、弹性爪及下接头外圆施加圆形对称约束，在下接头A端面施加轴向位移30.0 mm，即弹性爪进入工作筒锥面的位移。根据装配关系，弹性爪与外套、弹性爪与工作筒以及弹性爪与下接头均选择面-面接触方式。弹性爪与外套组中外套内表面为主面，弹性爪外表面为从面；弹性爪与工作筒组中弹性爪外表面为主面，工作筒内表面为从面；弹性爪与下接头组中弹性爪外表面为主面，下接头内表面为从面。通过施加轴向位移载荷模拟计算弹性爪变形对应的等效应力分布，结果如图5所示。从图5可见，弹性爪最大等效应力发生在弹性爪开槽根部，应力为146 MPa，远小于材料屈服强度1 274 MPa，安全系数n=8.75，即n>1，满足强度要求。提取单片弹性爪进入工作筒的支反力为41.0 N，整组弹性爪由16片组成，故求得弹性爪进入工作筒的合力为656.0 N。

图5 弹性爪进入工作筒的等效应力分布

2.3 弹性爪送入状态强度分析

建立工作筒、外套、弹性爪及下接头简化力学模型，并在A端面施加1 mm位移载荷，导入有限元分析软件进行强度分析[8-11]，通过施加轴向位移载荷模拟计算弹性爪变形对应的等效应力分布，结果如图6所示。从图6可以看出，弹性爪最大等效应力发生在弹性爪60°和45°接触面，最大应力为1 131.5 MPa，小于材料屈服强度1 274 MPa，安全系数n=1.12,即n>1，满足强度要求。提取单片弹性爪支反力为68.2 kN，整组弹性爪由16片组成，故求得弹性爪的合力为1 091.2 kN，因此证明该位置AB段大于CD段1.2 mm的设计合理，同时表明弹性爪在送入状态下可承受1 091.2 kN的拉伸载荷。

图6 弹性爪送入状态等效应力分布

2.4 弹性爪解锁状态强度分析

建立工作筒、外套、弹性爪及下接头简化力学模型，并在下接头左端面施加12.0 mm位移载荷，导入有限元分析软件进行强度分析，计算结果如图7所示。从图7可见，弹性爪最大等效应力发生在弹性爪开槽根部A区域，且该部位发生了弯曲变形，局部应力为865.6 MPa，小于材料65Mn屈服强度1 274 MPa，安全系数n=1.47,即n>1，满足强度要求。同时发现外套与弹性爪接触C区域的最大等效应力为525.4 MPa，且外套向圆周外侧产生了0.1 mm的径向位移，由于外套与工作筒之间单边间隙为1 mm,大于因局部应力产生的0.1 mm径向位移，所以不存在脱手遇卡的风险，但在结构设计中应重点考虑外套壁厚和强度。

图7 弹性爪解锁状态等效应力

弹性爪机构在解锁状态前后，其根部沿水平方向顺时针偏转3.05°(见图8)，造成了B区域产生最大弯曲应力(725.4 MPa)，虽然小于弹簧钢65Mn屈服强度(1 274 MPa)，但考虑到局部应力过大会造成材料断裂，热处理过程中应控制材料硬度在45～50 HRC之间。

图8 弹性爪解锁状态弯曲变形

3 可溶性金属材料应用研究

目前国内可溶金属材料的研究尚处于开发阶段，国外虽已出现较成熟的产品，但其核心技术尚处于保密阶段。根据国内外相关文献资料[12]，在理论分析和试验研究的基础上，工作筒选用了一种具有可溶特性的Mg-Al合金材料(见图9a)。作为基体主要成分的Mg，电极电位低，形成腐蚀电池的阳极；作为晶界主要成分的Al、Zn、Co，其电极电位高于Mg，形成腐蚀电池的阴极。该材料密度为1.78 g/cm3，硬度70～74 HRB，屈服强度396 MPa，工作筒连接凹槽处最大横截面积为3 409.5 mm2,求得最大抗拉载荷为1 063.7 kN,大于修井机最大提升载荷900.0 kN，满足现场设备作业能力要求。

图9 Mg-Al合金工作筒

Mg-Al合金在KCl溶液中的溶解速率如图10所示。从图10可以看出，在温度80 ℃、质量分数3%的KCl溶液中溶解速率为50～65 mg/(cm2·h)，平均溶解速率为57 mg/(cm2·h)，且随时间推移溶解速率变化稳定。按照该镁铝合金溶解速率，通过计算求得该工作筒薄弱点“连接凹槽”(见图9b)处每小时溶解厚度为0.52 mm,薄弱点厚度9.80 mm，6.7 h后 “连接凹槽”剩余厚度6.30 mm，最大横截面积为2 109.6 mm2，求得最大抗拉载荷为658.2 kN。18.8 h后，工作筒薄弱点完全溶解，实现应急脱手。根据实际工况，通过改变工作筒“连接凹槽”厚度可以控制Mg-Al合金材料溶解时间，以达到不同的作业目的。

图10 Mg-Al合金在KCl溶液中的溶解速率

4 试验验证

4.1 送入工具的抗拉和抗压试验

为测试送入工具的极限承载能力，确保作业安全，利用拉压试验机进行了相关功能测试，测试照片如图11所示。将送入工具插入工作筒，上下两端各连接一个试验接头，按照50、100、150、200、500、600、700、800、900及1 100 kN，逐级提高测试力，观察送入工具结构变形情况，记录试验数据，试验结果如表1所示。

图11 送入工具抗拉和抗压试验

试验结束后，观察弹性爪在拉压载荷下的变形情况，未发现有明显的变形，说明弹性爪性能稳定。由表1可见，实际抗拉强度比计算值大，在最大测试拉力为1 150.0 kN时,弹性爪未发生破坏，表明计算误差在5.4%，考虑到设备测试能力及现场应用情况，未进行弹性爪极限抗拉破坏试验。试验结果表明，送入工具可以承受1 150.0 kN的拉伸载荷和510.0 kN的压缩载荷。

表1 送入工具抗拉和抗压试验数据 kN

4.2 送入工具液压脱手试验

为验证送入工具的液压脱手功能，将送入工具缓慢推入工作筒，测得此时推入力为680.0～720.0 N,而理论计算值为656.0 N，实际推入值比理论计算值大，误差为3.6%～9.7%。这是因为弹性爪与工作筒之间会产生一定的摩擦力，造成送入工具推入力增大。将送入工具插入工作筒后，以10.0～20.0 kN的作用力下压，确保工具连接到位，上、下两端各连接一个试验接头，通过加压泵向送入工具缓慢加压至24.0 MPa(剪切销钉剪切压力)，稳压1 min之后泄压。

液压脱手试验结果表明：当脱手压力为24.0 MPa时，弹性爪与工作筒可顺利分离，弹性爪收回至外套内(见图12)，未出现变形卡死现象，送入工具可顺利退出工作筒，最大退出拉力为2.0 kN，没有发现异常情况。弹性爪在拉伸载荷下无明显变形或断裂现象，证明该脱手机构理论分析与热处理硬度选择合理，同时也表明该工具符合现场使用要求。

图12 送入工具脱手试验

4.3 现场试验

送入工具在实验室功能性试验取得成功后，2020年6月在海上作业区块成功完成了喇叭口扶正器丢手作业，丢手作业管柱如图13所示。目标井基本情况如下：井身结构为ø762.0 mm(30 in)套管×106.5 m +ø339.7 mm(13in)套管× 1 065.6 m+ø244.5 mm(9in)套管×2 322.9 m+ø177.8 mm(7 in)尾管，最大井斜58.3°，每30 m井段最大狗腿度3.85°。

由于落鱼顶部工况复杂，直接下入小油管冲洗管柱对接落鱼较为困难，决定采取下入喇叭口扶正器(导向)对接至落鱼顶部，回收下入工具，然后下入ø78.7 mm(3in)油管与70 m小油管至捞矛水眼下，进行冲洗解堵作业。丢手洗井结构如图14所示。

1—小油管；2—喇叭口；3—落鱼；4—ø244.5封隔器；5—ø177.8封隔器；6—XD滑套；7—ø177.8封隔器。

本次丢手作业喇叭口扶正器送入正常，悬重无异常变化，工具送入到位后，井口投脱手钢球缓慢加压至25.0 MPa,稳压15 min后泄压，上提管柱无过提显示，上提3 m,缓慢加压至30.5 MPa,剪切丢手球座，送入工具顺利脱手,出井后弹性爪与滑块结构安全可靠，工具无损伤。

本次作业是该送入工具总成在渤海区块的首次成功应用，送入井深2 850 m,采用液压脱手方式，脱手压力25.0 MPa，球座剪切压力30.5 MPa，成功完成喇叭口扶正器丢手作业。

5 结论及认识

(1)研制的新型送入工具结构合理，性能可靠，解决了管柱下入过程中不能旋转的问题，适用于尾管送入、储层保护阀回接、水平井压裂管柱送入及堵塞器投放等多种作业。

(2)工作筒采用CEM镁铝合金材料,可在设定时间自动溶解，避免了后期磨铣修井作业，提供了一种全新的送入工具脱手方案。

(3)对送入工具关键部件进行了设计分析，通过对弹性爪进入工作筒、弹性爪送入及弹性爪解锁3个关键状态进行理论分析和数值模拟，证明了该结构设计的合理性。

(4)实验室和现场试验结果表明，该送入工具总成在管柱遇阻时可提供扭矩，具备液压、机械及自溶3种脱手方式，安全可靠，适用于多种井下管柱脱手作业，具有标准化作业推广价值，可有效降低作业成本。后期应针对CEM镁铝合金材料在不同工况的溶解速率进行深入研究，准确控制分解时间，提高作业可靠性。