无台阶试井仪器打捞器研制及应用

时间：2024-09-03

王玉根，汪敏，郑辉，汪琛又，郑永，许绍俊

(川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院)

在试井测试过程中，随着油气田开发、油气水井生产时间的延长，油气水井井下状况越来越复杂，仪器串与油管内壁碰撞、钢丝的弹性震动、起下速度的变化引起的振动使螺纹松动，以及在腐蚀性地层介质的长期作用下，会造成仪器串的断脱掉入井内，发生仪器串落井事故后，需要进行打捞，相应对打捞工艺和打捞工具技术要求越来越高，由于圆柱形仪器外表光滑，硬度大，对打捞工具的综合功能的要求尤为显著[1]。

近年来，随着修井技术的不断进步，针对井下落物打捞的研究不断深入和细化，打捞工具不断革新改进，研发出了一系列打捞落物的工具以及较成熟打捞方法，同时新的打捞工具和工艺不断涌现，比如开放式开窗捞筒打捞器[2]，针对细小光杆落物的打捞工具[3]。但通过调研发现，目前，国内外油气田现场针对钢丝试井中常用的加重杆等光滑的无台阶落物尚无专用打捞工具，参考相关的研究成果[4-7]，研制了针对光滑的无台阶落物的专用工具。

一、现有打捞工具存在的问题

目前常用的卡瓦打捞器由上接头、主体、卡瓦、弹簧、引鞋组成(如图1所示)，打捞作业时，依靠工具串(绳帽+加重杆+震击器+打捞工具)的惯性力，卡瓦抓取井下落物的绳帽台阶而将落物捞出。对于打捞光杆圆柱形落物，这种打捞器引鞋锥度孔上端无圆柱形内腔扶正，断脱仪器串圆柱形端部很难进入打捞器内；分体式的卡瓦靠纵向拼接在一个筒体内来卡住被捞落物，咬紧力小，即使勉强卡住，抓取力量不稳定，在较长的提升过程中存在中途掉落，致使打捞失败，一旦打捞失败，必然造成井底与产层无法正常沟通，直接影响油气田经济效益的提高。

图1 卡瓦打捞器三维结构图

二、无台阶试井仪器打捞工具研制

1.工具结构

新型打捞工具主要在现有卡瓦打捞工具的基础上加以改进，其设计思路是利用牙块在楔形空间中单向自由、反向咬紧的结构原理将打捞器与井下断脱仪器串锁紧，可把落物顺利打捞出井，解决了施工过程中落物不易进入打捞器、牙块不复位、难打捞等问题，其结构如图2。

主体上下端设有内螺纹，外壁为圆柱面，内带有锥度通孔，靠近引鞋端孔径小，略大于断脱仪器串外径，沿锥壁轴向均布开有三个圆形导轨槽，牙块沿圆形导轨槽移动，上移其径向增大使落物进入，下移其径向减小抓住落物。

牙块由硬质合金材料制成，牙块凹面上部有圆弧面，与被打捞仪器串外表面相吻合，弧面设网状均分布细齿，凹面底部为锥面，锥度与引鞋下孔锥度相吻合，便于断脱仪器串上端引入圆弧面。

牙块凸面纵向设有与圆形导轨槽相吻合的圆形导轨，圆形导轨中心线与牙块的凹面上端弧面中心线呈一定角度布置，其夹角等于锥孔中心线与锥面的夹角，三个牙块组成一个圆后其前端呈喇叭形，上部直圆直径等于断脱仪器串外径；牙块在主体内移动，凹面上部圆弧面的圆心始终保持在本体中心线上。

牙块的上端装有弹簧，始终给牙块一个向下的推力牢牢抓住仪器串。

挡圈中心设通孔，孔径小于主体上锥孔，大于主体下锥孔，外径略小于主体上端内扣直径，外沿上120°均布有3个圆弧形凸形形状，凸形形状与主体上端的导轨槽的弧度相吻合，厚度略小于或等于主体上端螺母的深度与上接头下端外螺纹长度之差。

引鞋为圆环体，有较长的圆柱形颈部，外圆直径略小于油管内径5 mm，空腔上部为圆柱形，空腔下部为倒锥形，内锥面的锥度在20°～40°之间，外圆柱面上有螺纹，圆柱形空腔的直径等于锥形空腔小直径，圆柱形空腔的直径略大于断脱仪器串外径，便于断脱的仪器串进入，起二级扶正作用。

图2 无台阶试井仪器打捞器3D设计图

2.工作原理

基于物体在楔形空间中单向自由、反向咬紧的结构原理，打捞时，在重力作用下将无台阶试井仪器串打捞器放入井内，当达到预计井深时，减速下放钢丝，打捞器前端内侧的锥度孔先接触仪器串上端，由于引鞋前端是锥度孔，外侧有台阶，使锥度孔前端直径几乎接近油管的内径，同时引鞋下端口部外沿倒角3×30°，避免下放过程中与油管内壁台阶碰撞，即使断脱仪器串上端的位置很偏，也都会被罩在锥度孔内。引鞋前端的锥度孔会使断脱仪器串顺着锥度孔壁向上经过圆柱形空腔逐渐被扶正，使断脱仪器串的顶面对准三个牙块凹面下部内锥面，斜向推开三个牙块，压缩三个弹簧上移，改变三个牙块组成一个圆的上端内圆的直径，当牙块向上滑动到径向上大于仪器串直径时，仪器串上端外壁触及牙块齿形面，仪器串顶部穿过三个牙块进入本体内，三个牙块在重力和弹簧推力作用下沿圆形导轨槽下移紧贴仪器串外壁，上提时，靠牙块与断脱仪器串上部外壁摩擦力将其紧紧捞住，即可将断脱仪器串打捞出井口，从而实现了打捞一次完成。

3.加工工艺要求及性能参数

无台阶试井仪器打捞器上接头、主体、弹簧、引鞋、挡圈材料选用316 L不锈钢，螺纹加工保证其加工精度；弹簧有足够的弹性；牙块选用Cr12硬质合金材质进行淬火处理再进行精加工成形，表面还经防腐处理。牙块硬度大于目前常用试井仪器外壳硬度，提高了打捞成功的可能性。

无台阶试井仪器打捞工具最大外径 50 mm，可以实现对Ø73 mm 油管内落井光杆仪器有效打捞。

三、现场应用

2017年6月，在H-001-X2井进行产能试井测试期间，由于产量及压力均较高，发生仪器脱扣事故，井下落鱼结构为：Ø31.8 mm×0.6 m的压力计两支串联，鱼顶上端Ø19.05 mm-16UNF外螺纹长20 mm。打捞作业是难度和风险都很大的作业，因此，从打捞作业前的思想、技术准备、方案确定方面做了大量的工作，依据锥面增力原理采用的打捞工具结构由上至下为：Ø38 mm×0.15 m绳帽+Ø38 mm×2.44 m加重杆+Ø38 mm×0.86 m关节接头+Ø38 mm×0.61 m加重杆+Ø38 mm×0.76 m机械震击器+Ø38 mm×199 mm安全接头+Ø53 mm×0.185 m无台阶试井仪器打捞器，用钢丝沿井壁送入井下进行打捞，落井仪器引入打捞器内腔，主体内腔呈锥面设计，上提打捞器时，沿主体锥面轴向均布开设的三个有自锁角度的圆形导轨槽，制约牙块沿圆形导轨槽向下移动，筒体便给牙块以大而均匀的夹持力，增强了打捞落物的可靠性，牙块内缩夹紧落鱼鱼顶井深4 568 m，井斜44.6°，井口压力26.316 MPa，工具串总重量20.1 kg，工具串下到鱼顶前100 m上起工具串进行张力测试为1.90 kN，打捞器捞获后上起张力升至2.09 kN，为期不到1 d的时间打捞一次成功。

无台阶试井仪器打捞工具针对现场实际需求，在传统的卡瓦式打捞工具的基础上，有大的创新和发展，为生产一线解决了实际问题，在川渝油气田处理3次井下事故，达到打捞成功率100%，降低了劳动强度，杜绝井下事故套事故的情况发生，经济效益及社会效益显著，具有推广价值。