大尺寸井眼一体化打捞工具的研制与应用.pdf
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1、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:13668146417,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,
2、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
3、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
4、.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,
5、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-boreho
6、le 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 t
7、he 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 t
8、he 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
9、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
10、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
11、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
12、 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
13、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)
14、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DRILLI
15、NG&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
16、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
17、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(
18、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
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