大尺寸井眼一体化打捞工具的研制与应用.pdf

第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 基金项目:中国石油川庆钻探工程有限公司科研项目“特殊尺寸井眼钻具事故处理工具研制”(编号:CQ2022B-12-2-3)。作者简介:刘朕(1983-),硕士研究生,工程师,2012 年毕业于西南石油大学油气井工程专业,现在川庆钻探工程有限公司川西钻探公司技术应用与研发中心从事钻井工程工艺研究工作。地址:(610057)四川省成都市成华区三友路 213 号,电话:[phone],E-mail:liuzhen_sc 生产线上大尺寸井眼一体化打捞工具的研制与应用刘 朕1,张 勇1,孙小虎2,闵光平1,金 伟 3,杨 中11 中国石油川庆钻探工程有限公司川西钻探公司 2 中国石油西南油气田分公司川中油气矿3 中国石油西南油气田分公司川西北气矿抢维修中心摘 要:相较于传统打捞作业,大尺寸井眼打捞成功率一直较低,主要原因在于井眼尺寸与落鱼尺寸相比过大,且落鱼钻具倾斜靠边,打捞工具无法有效笼获鱼头并引导鱼头进入打捞工具内部。文章根据打捞工具、鱼头和井眼尺寸三者的关系,通过建立几何与受力状态模型,分析得到了影响打捞成功率的相关参数和要点,为科学设计打捞工具提供了理论支撑。同时,在制造打捞工具规范化方面,以一体化打捞工具组件集成的方式,实现了规范且快速投入使用的目的,从而提高工具可靠性并节约准备时间。通过现场试验,优化改进后的大井眼一体化打捞工具能显著的提高打捞成功率,对今后同类事故的处理具有推广和指导意义。关键词:大尺寸井眼;一体化;打捞工具;打捞临界角DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.03.27引用格式:刘朕,张勇,孙小虎,等.大尺寸井眼一体化打捞工具的研制与应用J.钻采工艺,2023,46(3):159-164LIU Zhen,ZHANG Yong,SUN Xiaohu,et al.Development and Application of Large-Borehole Integrated Fishing ToolJ.Drilling and Production Technology,2023,46(3):159-164Development and Application of Large-Borehole Integrated Fishing ToolLIU Zhen1,ZHANG Yong1,SUN Xiaohu2,MIN Guangping1,JIN Wei3,YANG Zhong11.Chuanxi Drilling Engineering Co.,Ltd.,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610057,China;2.Chuanzhong Gas Mine,PeroChina Southwest Oil and Gas Filed Company,Suining,Sichuan 629000,China;3.North-west Sichuan Gas Field Emergency Maintenance Center of PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Jiangyou,Sichuan 621700,ChinaAbstract:Compared with fishing operations,the large-borehole fishing success rate has been low.The main rea-son is that the hole size is too large compared with the fish size,and the fish drilling tool is tilted to the side,and the fishing tool can not effectively trap the fish head and guide the fish head into the fishing tool.In this paper,according to the relationship between fishing tools,fish head and borehole size,the relevant parameters and key points affecting the success rate of fishing are obtained by establishing the geometric and force state model,which provides theoretical support for the scientific design of fishing tools.Meanwhile,in the standardization of manu-facturing fishing tools,the purpose of standardization and rapid use is realized by integrating fishing tool compo-nents,so as to improve tool reliability and save preparation time.Through field tests,the optimized and im-proved large-borehole integrated fishing tool have significantly improved the success rate of fishing,and has pro-motion and guiding significance for the treatment of similar accidents in the future.Key words:large-borehole;integration;fishing tool;fishing critical angle0 引言近年来,随着川渝地区深部油气藏被陆续探明,钻井向着更深层位迈进,其井身结构中大尺寸井段长度和比例显著增加。由于在大尺寸井眼中,来自井壁对钻具的有效支撑力减弱,加上井下剧烈振动等因素极易导致钻具疲劳破坏,钻具故障时有发生1-7。另951 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023外,大尺寸井段多为胶结疏松的砂泥岩水敏性地层,井壁易发生失稳垮塌8-10,其不规则度和扩大率问题进一步加剧了打捞的难度11。根据近年川渝地区大尺寸井眼打捞作业的统计来看,平均单次处理耗时周期 710 d,一次打捞成功率仅有 21%,不仅严重影响了钻井作业周期,还容易造成后续井下次生复杂事故,制约了川渝地区钻井提速和油气资源的高效开发。因此,亟须研制一种更为有效的打捞工具解决该难题。1 大尺寸井眼打捞落鱼难点分析大尺寸井眼一般是指直径尺寸在 311.2 mm 以上的规格,如常用的 406 mm、444.5 mm 和 660 mm井眼等。由于井眼与钻具的环空间隙过大,同时落鱼斜靠井壁一侧,位置不居中使得鱼头难以被抓住,而如果鱼头刚好处于“大肚子”井段,这更加剧了打捞难度12-14。另外,罩住鱼头后,也常因工具设计不合理等原因无法有效让鱼头进入打捞工具内部。最后,针对不同井眼和落鱼钻具尺寸,打捞工具往往在现场临时加工,耗时且没有统一的规格标准,不能保证工具的使用效果和可靠性。故要提高打捞成功率,关键点还是在打捞工具的设计结构上,由于缺乏相应的理论支撑,其设计缺乏科学性,有待进一步改进和完善。1.1 抓获鱼头困难由于环空间隙大且落鱼不居中,致使打捞工具虽然能探得鱼头位置,但无法有效将鱼头引入打捞工具内,如图 1(a)所示。甚至,当井眼尺寸远大于落鱼尺寸(如落鱼为钻杆时),打捞工具会随下放而迈过鱼头,如图 1(b)所示。由于不易从参数上观察发现,稍有不慎下放过多,则可能造成卡钻等次生事故,增大后续处理难度。1.2 鱼头难以进入打捞工具内部采用加装套筒的方式罩住落鱼,但由于缺乏引导手段,打捞工具与套筒之间还存在较大间歇,落鱼还是不能顺利进入打捞工具内部,依然导致打捞失败,如图 1(c)所示。这种情况多出现在落鱼为小尺寸钻具上。1.3 打捞工具制作不规范通常,现场使用闲置套管进行改装制作成拨鱼套子与引导工具,并焊接到打捞工具主体上。这种做法存在设计结构简单、制作不标准、焊接强度不够以及扣型匹配等问题,会出现打捞风险较大和现场制作周期长等弊端。特别是在拨动落鱼时因蹩卡会有损坏工具甚至落井的风险,如图 1(d)所示。图 1 大尺寸井眼打捞主要难点示意图及照片2 打捞工具改进思路及研制2.1 打捞机理分析为使贴靠一侧的鱼头离开井壁,需要在打捞工具前端加装螺旋刀口,在对井下鱼头进行拨动的同时,将鱼头引入前端套筒内,图中红色小点代表螺旋刀口,如图 2(a)图 2(c)。此后随着下放,鱼头顺着套筒的内斜坡面逐渐被引至扶正筒区域,此时落鱼整体被扶正,其中心与后端的打捞工具开口对齐,如图 2(d)图 2(e)。最后,鱼头进入打捞工具内部并使用相应的打捞技术捞获落鱼,如图 2(f)。此处图示选用的是在 660 mm 井眼内用卡瓦打捞筒打捞 228 mm钻铤的例子。2.2 刀口套筒模型分析2.2.1 几何尺寸关系从打捞机理可看出,打捞成功与否最关键的一步在于刀口能否拨动鱼顶,使其顺利进入前端套筒内,这就涉及到打捞工具的尺寸选择问题。因此,选取井筒、刀口部分与鱼顶钻具,建立相应的几何截面模型分析,如图 3 所示。为方便阐述,本文提出打捞工具打捞角的概念。根据几何关系和余弦公式,可以得到打捞角 的表达式,如式(1)。061第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY =-arccosa2+c2-r22ac(1)式中:a落鱼钻具半径,mm;r刀口套筒半径,mm。在井眼和落鱼尺寸一定的情况下,打捞角 仅受刀口套筒半径 r 大小的影响。由于反余弦函数为单调递减函数,故 随 r 变大而变小。图 2 打捞机理示意图图 3 打捞角示意图注:b刀口半径(b=r),m;d井眼半径(c=d-a),m。由图 3(a)可以看出,当 在 0到 90区间且越小时,刀口与鱼头接触的位置越靠近点 E,刀口对鱼头向内拨动的趋势越明显,越容易让鱼头脱离井壁进入套筒内。反之当 越大,刀口与鱼头接触的位置越靠近点 D,刀口对鱼头向内拨动的趋势越小。一旦当 90时,刀口对鱼头的拨动趋势由内变为向外,此时无论怎么拨动,都无法让鱼头进入套筒,如图 3(b)。而当打捞角=90时,刀口套筒半径为 r0,如式(2)。r0=a2+c2=a2+(d-a)2(2)式中:r0刀口套筒半径,mm。按上述分析,在直径 660 mm 井眼中打捞 228 mm 钻铤时,计算刀口套筒半径 r0=244 mm,则外径为488 mm。因此,为确保打捞顺利同时考虑筒壁厚度,可采用外径为 508 mm 的刀口套筒,此时对应的打捞角为 82。如果井下落鱼尺寸更小,如采用 508 mm 刀口套筒打捞 127 mm 钻杆落鱼,通过式(1)计算打捞角=108,此时刀口位于钻具截面右半侧,无法拨动落鱼向内,反而会把刀口套筒反向推至井壁另一侧,导致打捞失败,如图 4 所示。2.2.2 力学作用关系除对刀口套筒和落鱼进行几何关系分析以外,还需进行受力分析。如图 5 所示,刀口拨动落鱼的接触力为 F,其在法向上的分力为 Fsin,此力使落鱼有两个方向上的运动趋势,一是脱离井壁的力 F2,另一个是驱使鱼头沿井壁顺时针转动的力 F1。F 在切向上的分力为 f,当 f 大于接触静摩擦力时才能够使刀口和鱼头产生相对滑动。图 4 打捞 127 mm 钻杆示意图通过推导可知有如下关系,如式(3)式(5)。F2=Fcossin=Fc2rsin2(3)F1=Fsinsin=Fcrsin2(4)f=FcosFsin(5)式中:F刀口与落鱼接触点的接触力,N;fF 切向的分力,N;F 和 f 的夹角,();F2脱离井壁的力,161 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023N;F1驱使鱼头沿井壁顺时针转动的力,N;刀口与落鱼之间的静摩擦系数。对式(3)式(5)分析可知:对 F1有:在0,4区间上单调递增,在4,2上单调递减,当=4时,F1最大为 Fc2r;对 F2有:=2时,F2最大为 Fcr;当=4时,F2减小为 Fc2r;对 f 有:要产生相对滑动需 1/tan,越大 越难以满足条件。对 进行讨论,当 越小且趋近 0 时,也有同样的趋势,刀口和鱼头越容易发生相对滑动,但此时引筒外径太大难以下入。实际上,在保证打捞效果的前提下 应该尽量大一些,引筒尺寸越小越有利于打捞的实施。当 =/2 时,刀口易拨动鱼头贴靠井壁作公转运动,也无法笼获鱼头。当 由/2 变化至/4 区间时,脱离井壁力 F1不断增大,F2不断降低,当 F2降低到不至于拨动鱼头作贴靠井壁公转运动,且又能让 f 达到使刀口与鱼头外壁产生相对滑动的阈值条件时,为打捞临界角0。考虑到在圆弧面上克服静摩擦的难度要更小一些,同时随着转动,刀口所受 F1的反作用力会使刀口部分向井壁方向整体偏移,如图 2(b)图 2(c)所示,更有利于打捞,故 0的取值比/2 小一些即可满足条件。图 5 刀口与落鱼力学平衡关系示意图2.3 引导筒模型分析把鱼头拨入刀口套筒后,还需通过引导筒进一步让鱼头进入打捞工具内,这个过程也是影响打捞成功率的另一环节。引导筒分为斜坡面和扶正筒两个部分,其优化后的模型和尺寸关系分析如下。如图 6(a)所示,当斜坡面的倾斜角 越小,鱼头所受向内的引导力越大,斜坡面越容易把鱼头引导至扶正筒内。反之,鱼头受向下的压力越大便会阻碍了鱼头的运动,如图 6(b)。特别是当刀口套筒外径与落鱼外径差值越大,此时落鱼斜靠在刀口套筒内与斜坡面夹角更是小于,从而加大了引导难度。考虑以上情况,故向内和向下平衡力的斜坡角并不是 45。鱼头进入扶正筒后,须满足一定尺寸关系条件才能顺利进入打捞工具内部,由于打捞工具入口内径 d3和鱼头外径 d1有确定的对应关系,故需要确定扶正筒内径 d2和长度 L,要使鱼头充分被扶正,则应使 d2略大于 d1和 d3,同时 L 适当长一些,如图 7(a)。假如引导筒内径相比较落鱼尺寸过大,则会使得鱼头无法有效对准打捞工具入口,鱼头难以进入,如图 7(b)。图 6 斜坡面模型分析示意图图 7 引导套筒模型分析示意图2.4 一体化集成打捞工具结构一体化集成打捞工具主要有螺旋刀口、斜坡引导面、扶正筒、打捞工具、配套接头五个部分组成,且集成在筒体内部,实物如图8 所示。在现场实际运用中,可根据尺寸关系需要进行匹配,如螺旋刀口外径调整、打捞工具选择、配套接头扣型等。对于常用井眼尺寸和钻具组合可提前加工制作,一旦需要则整体运送上井并可马上入井使用。从集成连接来看,整个工具分为三个部分,连接座、筒体和引筒,三者均通过丝扣连接,如图 9 所示。连接座与上部管柱连接,下端与筒体连接,底端可选261第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 择连接不同的打捞工具,如母锥和卡瓦打捞筒等。筒体联接连接座和引筒,打捞工具置于筒体内部。在打捞时,筒体为打捞作业提供足够且安全的容纳空间。引筒连接在最下端,由刀口、斜坡面和扶正筒构成。与现场自制加工套子打捞工具相比,该工具筒体的优点在于能节约现场制作时间、通用性强、可替换部件并反复使用、安全性高。图 8 一体化集成打捞工具实物图1.可更换引鞋;2.引导 45坡口;3.连接公扣丝扣;4.连接母扣;5.筒体;6.下接头;7.筒体与连接座连接;8.连接座;9.上接头水眼;10.上接头;11.螺旋刀口。图 9 一体化集成打捞工具设计图3 现场应用3.1 事故 A 井3.1.1 事故经过使用 660.4 mm PDC 钻头钻进至井深 117.37 m,立压由 5.8 MPa 下降至 5.0 MPa,扭矩 917 kNm下降至 2 kNm,起钻检查发现 228.6 mm 减震器距母扣端面 0.8 m 处断裂。3.1.2 落鱼结构660.4 mm PDC 钻头 0.56 m+双母接头 0.92 m+回压阀0.73 m+228.6 mm 减震器2.41 m=4.62 m,理论鱼顶井深 112.75 m。3.1.3 打捞过程第一次打捞组合为:引筒外径 508 mm+LT-T286卡瓦打捞筒(螺旋卡瓦内径 226 mm)+203.2 mm 钻铤 1 根+631410 变扣接头+127 mm 钻杆。本趟捞获 228.6 mm 减震器壳体。此时井下鱼顶为外径159 mm 减震器芯轴。第二次打捞组合为:引筒外径 508 mm+LT-T206卡瓦打捞筒(螺旋卡瓦内径 157 mm)+203.2 mm 钻铤 1 根+631410 变扣接头+127 mm 钻杆。本趟捞获井下全部落鱼。3.2 事故 B 井3.2.1 事故经过钻进至井深 539.27 m,立压由 10.0 下降至 7.0 MPa,上提钻具悬重由 640 kN 下降至 600 kN,地面检查泥浆泵未发现异常,起钻检查发现减震器本体距母扣端 0.81 m 处发生断裂,减震器以下钻具掉落井内。3.2.2 落鱼结构455 mm PDC 钻头0.43 m+286 mm 螺杆9.09 m+279.4 mm 回压凡尔0.60 m+279.4 mm减震器3.50 m=13.62 m。3.2.3 打捞过程第一次打捞组合为:340 mm 母锥(打捞范围D265286 mm)+203 mm 安全接头+631410 转换接头+411DS410 转换接头+127 mm 钻杆。下钻至井深 502.28 m,接顶驱开泵下探鱼顶。在下探过程中,相对鱼顶位置 525.64 m,多下入 3.93 m,判断鱼顶处井壁有“大肚子”,后电测显示此处实际井眼尺寸为571 mm,井眼扩大率为 25.5%,此时打捞钻具已向下迈过鱼头。起钻检查母锥造扣部位未见造扣痕迹,外部有偏磨痕迹。第二次打捞组合为引筒外径 410 mm+LT-T340卡瓦打捞筒(篮状卡瓦内径 275 mm)+731630 变扣接头+631410 变扣接头+411 DS410 变扣接头+127 mm 钻杆。转动钻具下探至井深 525.64 m 探得鱼顶,拨动落鱼并引入卡瓦打捞筒。停泵及顶驱,继续下压使落鱼进入打捞筒 0.97 m,悬重由 430 kN 降低至 325 kN,上提悬重 325 kN 上涨至 460 kN,上提2 m 无挂卡现象,猛刹 2 次悬重无变化,起钻完,成功捞获全部落鱼。4 结论及建议(1)对于大尺寸井眼打捞作业,环空间隙过大,落鱼斜靠井壁不居中,无法有效俘获鱼头是导致打捞成功率低的主要原因。(2)建立了打捞工具与鱼头相互作用的几何与受力模型,通过理论分析,得到了刀口套筒临界打捞角的相关表达式以及引导筒和落鱼之间的几何尺寸关361 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023系,为打捞工具的科学设计提供了理论支撑。(3)通过针对性优化以及一体化集成手段,极大的提高了打捞效率,缩短了事故处理周期并节约处理成本,建议进一步推广应用。参 考 文 献1毕雪亮,王长江,阎铁,等.深井钻具失效分析与预防J.钻采工艺,2005,28(6):27-30.BI Xueliang,WANG Changjiang,YAN Tie,et al.Analysis and precaution of drilling tools failure in deep well J.Drilling&Production Technology,2005,28(6):27-30.2王文龙,赵勤,李子丰,等.普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施J.石油钻采工艺,2008,30(5):38-43.WANG Wenlong,ZHAO Qin,LI Zifeng,et al.Cause anal-ysis and precautions of drilling tools failure during gas drill-ing in Puguang gas field J.Oil Drilling&Production Technology,2008,30(5):38-43.3李鹤林,李平全,冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防M.北京:石油工业出版社,1999.LI Helin,LI Pingquan,FENG Yaorong.Oil drill string fail-ure analysis and preventionM.Beijing:Petroleum Indus-try Press,1999.4姜伟.海上钻具失效的力学特性分析及应用J.中国海上油气,2012,24(3):45-47.JIANG 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