大口径井专用电磁打捞器及其关键技术

郭 亮

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

大口径工程井广泛应用于国内各大煤矿，可实现瓦斯强排、水电输送、通风排水、应急救援等特殊用途。与常规油气钻井工程相比，施工工艺与机具装备存在较大差异[1-3]，且钻进速度慢、施工周期长、采用的钻头无API 标准认证，由于钻头掉件、井口意外坠入等原因产生金属落物的可能性也更大。如未及时发现落物并开展打捞作业，还会引发钻头损坏、部件脱落形成二次落物等不良后果，甚至造成卡钻，严重威胁工程进度与施工安全。然而，大口径钻井工程领域并没有专用、专业的金属落物打捞设备或成熟产品，在此情况下：井队的第1 选择，是被迫使用石油钻井行业内的专用打捞设备、产品[4]，然而该类打捞工具的设计初衷是为小直径井型服务，对于大口径井的直径来说太过细小，尺寸规格不足且性能无法满足工况，打捞成功率低；第2 选择，是借鉴上述石油钻井打捞钻具的机构特性、原理，遇到事故后紧急委托加工厂按照一定比例放大加工，或现场直接加工的土制工具[5-8]，包括但不限于卡瓦打捞器、钢丝绳打捞筒等，为保证打捞效率令人满意，不得不将装置的截面积放大到满眼才能保证有效的抓取覆盖面积，起下钻必然会造成井下压力激动，环空太小容易导致井壁掉块、失稳坍塌、卡阻，现场应用效果并不理想。最终，面对落物束手无策时，甚至会有施工方不甘心废井，为挽救财产损失而忽视人道主义，雇佣“蛙人”潜入打捞，致使工程项目面临重大的生命安全隐患。为解决大口径工程井领域没有专业金属落物打捞装备的行业难题，中煤科工集团西安研究院有限公司基于电磁技术自主开发了大口径井金属落物打捞吸盘并形成了配套的打捞工艺[9]，以此成果为基础，进一步对电磁打捞技术优化，研制了新型的大口径井专用电磁打捞器[10]。

1 大口径井金属落物专用电磁打捞器

1.1 原电磁打捞工具优势与缺陷分析

前期试制的电磁打捞吸盘样机[9]可吸附金属物体的最大质量高达369.9 kg，性能远超常规油气井永磁打捞工具，对落物捕获成功率高，磁吸距离远，配套的打捞机具及操作工艺可极大的缩短事故处理时间，优势显著。但仍存在以下缺陷：面对井下复杂工况的综合适应能力不强；井内穿行过程中流体阻力、井壁摩擦力较大，使提吊钢丝绳产生了无意义的冗余负载，还可能因为外力作用导致绳端电磁打捞吸盘偏转、失稳、震荡，导致落物回坠；样机外形为盘状，直径大于高度，实践中如提吊失稳，盘体有可能倾覆并吸附在井壁套管上，虽然可通过断电解除吸附，重新调整姿态，但会增大操作失误几率；由于电磁吸附原理的特殊性，打捞成功后必须通电上提，在操作工艺上欠缺灵活性；经测试可耐压3.5 MPa静液柱压力，无法适配更深井型的打捞作业。

1.2 大口径井电磁打捞器整体结构和主要参数

为改进上述缺陷，提高利用电磁技术打捞的成功率与可靠性，研制了大口径井金属落物专用电磁打捞器[10]。大口径井电磁打捞器外观如图1。大口径井电磁打捞器（未安装打捞篮）剖面图如图2。

图1 大口径井电磁打捞器外观Fig.1 Appearance of large diameter well electromagnetic fishing device

图2 大口径井电磁打捞器（未安装打捞篮）剖面图Fig.2 Profile of large diameter well electromagnetic fishing device without fishing basket installed

大口径井电磁打捞器主要包括：降阻导流模块、输电电缆、走线孔及内部填充物、电磁铁模块、可拆卸式打捞篮模块、水眼、可拆卸式导向滑轮模块、吊耳、排气孔、流线形导流槽。

其中，电磁铁模块呈厚盘状结构，主要功能为产生磁吸引力，为装置的核心构成；其上部为降阻导流模块为类椎形弹头结构；走线孔及内部填充物贯穿降阻导流模块，输电电缆通过其连通电磁铁模块内部；吊耳共3 只，以120°角间距均匀分布在电磁铁模块顶部外侧；可拆卸式导向滑轮模块共8 只，呈45°角间距均匀固定在电磁铁模块盘体外围；底部为可选装式打捞篮。

大口径井专用电磁打捞器主要参数如下：①工作额定电压：110 VDC；②额定电流：11.20 A；③额定功率：1.32 kW；④安装滑轮与打捞篮模块下最大自重：285.60 kg；⑤滑轮松弛状态下直径640 mm，滑轮压缩状态下直径600 mm，拆除滑轮模块后直径500 mm；⑥无打捞篮高度876 mm，安装打捞篮高度1 076 mm；⑦可吸附金属物体最大质量360 kg。

2 大口径井专用电磁打捞器关键技术

2.1 电磁铁模块

将电缆按螺线形反复缠绕成匝，通电后，会在螺线管内部沿轴向形成磁场。此时，如果在该通电螺线管内部插入铁芯，磁场会进一步将铁芯磁化，二者叠加形成更强大的磁场，可对金属物体产生吸引力。同理，如果将U 型铁的一端插入通电螺线管，并在U 型铁2 个端口间设置衔铁，同样可以形成强磁场。电磁铁模块工作原理如图3。

图3 电磁铁模块工作原理Fig.3 Working principle of electromagnet module

模块内部中心为圆柱状铁芯，与其上部顶板、侧围外壳共同构成了一种盘状有芯结构，该结构类似于U 型铁以其固定的一端为轴心并旋转1 周后的拖影轨迹。在此结构形成的环空空间内围绕铁心密集缠绕电磁线圈，并以材质为钢的环形底板为衔铁，通电后即可在装置下部形成强磁场，电流越强，电磁线圈数越多，形成的磁场越强。

在电磁铁模块中，铁芯材质为软铁，具有导磁率高且断电即消磁的特性，可避免打捞器在非工作状态下带磁而引起的操作不便。侧围外壳与顶板为高导磁率镍钢合金，可最大限度的收敛通电螺线管外围的发散磁场，使电磁铁模块仅在底部通过衔铁产生磁场，而顶部与不产生磁场，从而规避了打捞过程中可能接触到的金属套管产生的磁吸干扰。

2.2 降阻防卡技术

2.2.1 可拆卸式滑轮模块

可拆卸式滑轮模块如图4。滑轮模块主要由滑轮模块基座、滑轮、水眼、滑轮滚轴、缓冲弹簧、滑轮模块安装孔构成。滑轮基座通过2 个安装孔位与电磁铁模块连接，每个模块上安装2 个滑轮，每个滑轮通过滑轮轴固定在基座上，在基座滑轮空腔内部、滑轮轴的两端分别安装1 个缓冲弹簧。

图4 可拆卸式滑轮模块Fig.4 Removable pulley module

该装置可降低电磁打捞器在井筒内穿行时与井壁接触产生的摩擦力、冲击力，在有区别的工况场景下，可实现不同功能：

1）如井径与电磁打捞器加工直径接近，电磁打捞器可依靠滑轮的伸缩性，通过所有滑轮以较大接触面积倚靠、甚至完全抓附在井壁上，极大的提高电磁打捞器在井筒内的穿行速度上限与稳定性。

结合实验成套双人组合动作内容，拉丁舞组合动作中基本动作、纽约步、手对手、定点转、分列式古巴碎步等动作属于移动位置较小、重心转换较为快、方向多变的动作。标准舞组合动作中前进并换步、右转步、左转步、侧行追步等动作多为沿舞程线进行较大移动的舞蹈动作。由此可见，对灵敏素质影响有所差异的最主要原因来自于不同舞种的主要的动作特征。

2）如井径大于电磁打捞器加工直径，除了减小摩擦力，还可在碰撞过程中起到缓冲避震、保护装置的作用。

3）如井径略小于电磁打捞器直径，井深浅、井段多为套管或井下情况稳定，可选择拆除滑轮模块，缩小打捞器直径，用于紧急事故的处理。

4）模块为可拆卸式设计，增强了可维护性。

2.2.2 降阻导流模块

开展打捞作业时，电磁打捞器需下潜至井底数百米深处。完成打捞作业后的上提过程中，装置需克服极大的流体阻力与启动瞬间激动压力，装置自重及上提阻力叠加，会增加钢丝绳的破断风险。

为此，在电磁打捞器上部设计降阻导流模块，模块外形为类锥形弹头结构，可有效降低上提过程中的流体阻力，减少行程中的运动速度衰减，降低钢丝绳及地面提升装置的负荷[11-12]。其材质为工程塑料，降低加工成本的同时，还可一定程度上减少装置配重，使重心下移，增加上行浮力与云顶稳定性。为避免在吊耳侵入椎体的位置形成局部阻力面，在降阻导流模块与吊耳重合的位置，对椎体自上而下进行了流线型修型。

2.3 可选装式打捞篮模块

图5 可选装式打捞篮模块Fig.5 Optional fishing basket module

第1 限位台肩与电磁铁模块嵌套贴合后通过安装孔连接固定，叶板通过扭簧、合页固定在第2 限位台肩上，多组叶板以此类推环绕安装，共同组成仅可由外向内、不可由内向外打开的捕获结构。

由于电磁打捞器打捞成功后需带电上提，上提过程中，如中途断电，捕获的金属物体会重新跌落井底。可选装式打捞篮可为电磁打捞器处理小型金属落物提供额外的打捞工艺：电磁打捞器下入井底并通电，小型金属落物在电磁铁模块的磁吸引力作用下挤压并向内打开叶板，进入打捞篮内腔后被吸附在盘体底部，叶板在复位扭簧的作用下恢复闭合状态。此时，落物已进入打捞篮内，无论主动关闭电源还是意外断电，金属落物脱落后都会被叶板组成的打捞篮底板承接，可有效防止任何原因导致的落物回坠，一旦捕获即意味着打捞成功。

可选装式打捞篮尤其适用的小型落物包括但不限于常见金属脱落件、金属残片、牙轮、牙掌、PDC齿片、地面井口跌入的金属工具、钢筋、钢丝、钢索等，以及规格、形态、大小、质量接近的金属物体。在拆除打捞篮的情况下，电磁打捞器底面为圆形平面，更容易对体积与质量较大金属落物进行打捞。可选装式打捞篮使电磁打捞器的作业方式更加灵活，面对不同类型落物可采取不同打捞方案，针对性更强。

2.4 水冷技术

电磁铁模块通电状态下会大量发热，长时间过热运行使电磁线圈电阻上升电流下降，造成磁吸引力衰减。使用电磁打捞工具开展打捞作业之前，会使用清水驱替井内泥浆并清洗井筒，电磁打捞工具的工作环境为清水，在可以完善电柱密封防水性能的情况下，为提高电磁模块散热能力，设计采用水冷技术对电磁铁模块内部的电磁线圈进行散热。

为实现这一目的，在电磁打捞模块侧围外壳、滑轮模块上设置了多组水眼，水流可以直接进入内部与电磁线圈发生接触；电磁线圈采用了聚酰胺酰亚胺漆包铜线，具有电阻低、耐压、防水、耐高温、耐腐蚀、绝缘等优势；在电磁打捞器顶端和底端设置排水孔，在电磁打捞工具下潜至井底的过程中，内腔中的空气可通过上部排水孔排出，使水流能够进入电磁铁模块内部；当电磁打捞器完成作业上行离开水面后，电磁铁模块内部残留的液体可通过下部排水孔排出，实现冷却。

2.5 走线孔及内部填充密封防水技术

考虑到水下带电作业的特殊性，为提高大口径电磁打捞器供电部位整体耐压防水能力，以绝缘树脂和防水胶对走线孔内部进行了多级热熔浇筑填充处理。外部防水栓固定在电磁铁模块顶板边缘以上，贯穿顶板，与电磁铁模块内部贯通，外部输电线缆与电磁线圈通过其内部防水栓的接线柱建立连接。加工完成后，经测试，防水栓外部密封防护等级可达到IP68，绝缘等级H 级，耐压可达5.8 MPa，满足在580 m 静液柱压力的井底工况下使用。

3 应用试验

2021 年7 月，在银川市梅花井矿大口径救援井施工现场，使用旋挖钻机施工了深度为15 m，井径为ϕ800 mm 的模拟打捞试验井筒，向井内注水至井口，抛入落物包括：质量15.20 kg 的ϕ311.5 mm 报废钻头牙轮1 只、质量40.75 kg 的ϕ215.9 mm 报废三牙轮钻头1 只，下入本次研制的大口径井专用电磁打捞器一次性打捞成功。试验过程中，研制的大口径井金属落物电磁打捞工具运行稳定，磁吸引力强，关键部位运转正常，打捞性能强，满足施工现场事故处理需求。

4 结 语

大口径井专用的金属落物电磁打捞器解决了大口径钻井工程领域没有专业金属落物打捞工具的难题。大口径井专用金属落物电磁打捞器的专用性、专业性更强。降阻导流模块、可拆卸式滑轮模块、可选装式打捞篮模块的设计，增强了其针对不同大口径井型、不同金属落物的通用性、灵活性，降阻性能强，打捞效率与安全性高，良好的耐压密封性能使其具备深井打捞能力。