φ170 mm四级分支井重入工具丢手装置研制

刘 晗

(中石化胜利石油工程有限公司 钻井工艺研究院，山东 东营，257017)

分支井技术是在1个主井眼内钻出2个以上的井眼，与目前比较成熟的水平井、侧钻水平井技术相比具有更多优越性[1-2]。分支井工具的重入井眼为分支井技术的难点[3]。目前国内外主要利用斜向器导入，或预先设置导向装置，使分支井工具重新进入各分支井眼,再通过丢手、回收作业实现送入工具与留井管柱的分离、回收[4-5]。前者必须先定向，再下入专用斜向器，然后下入完井管柱，完成重入作业后又必须回收斜向器。这种分支井重入工艺易损坏主井眼套管，增加作业风险。后者在主井筒固井后，再下入定位工具，完成开窗后只打捞斜向器，而定位工具留在主井眼内形成永久锚定，为后续施工提供定位基础。

丢手装置方面，机械丢手存在悬挂销钉过早剪断而提前丢手的风险[6-9]；液压丢手存在管柱漏压，压差变低而使丢手失败的风险[10-13]。另外，重入工具的送入与回收作业通常需要设计2套不同的丢手装置，增加成本，且结构繁琐。本文针对预先设置导向装置重新进入各分支井眼的方法，研制了一种重入工具丢手装置。该装置采用低压耗液压丢手，无剪切销机械丢手方式作为紧急解锁方式，可将四级分支井的重入工具送入井眼连接器中，并解锁完成丢手动作，亦可实现重入工具回收作业。装置结构简洁、可靠性高、功能完备，可提高分支井重入作业的施工效率。

1 结构组成

ø170 mm四级分支井重入工具丢手装置由接头、支撑体、保护套、弹簧、弹性爪、卡套、密封球组成,如图1所示。

1—接头；2—支撑体；3—保护套；4—弹簧；5—弹性爪；6—卡套；7—密封球；8—重入工具。

结构特点：

1) 具有弹性爪限位结构，可防止重入工具的喇叭口在连接或打捞时受到冲击损坏。

2) 依靠装置结构锁定与解锁，无需剪切销钉，操作简单,并避免了悬挂销钉过早剪断而提前丢手的风险。

3) 低压耗，易丢手，管柱漏压对丢手成功率影响小。

4) 装置在悬空时无法实现丢手动作，保证工具的安全可靠。

5) 装置可实现送入和回收2种作业。

6) 支撑体与活塞腔联通的小孔位于活塞肩台部位，即位于活塞腔狭窄环形空间，相比于较大腔体部分，该结构可过滤部分钻井液杂质，防止丢手装置卡死，行程受限导致丢手失败。

2 工作原理

1) 送入作业。

丢手装置将重入工具送入主、分支井眼，如图2a所示。下入到位后，下放钻具，投入密封球，待密封球到达支撑体下端时，继续增大管内压力。弹性爪与支撑体形成活塞腔结构，在液压力的作用下弹性爪上移，弹性爪爪头落入支撑体小径部分，失去阻挡，可变形脱出。上提钻具，弹性爪从重入工具连接凹槽内脱离，继续上提管柱实现丢手。

2) 回收作业。

下入该丢手装置，弹性爪进入重入工具的卡槽，打捞成功后上提钻具，回收重入工具。下压丢手装置，使之解除悬空状态，投入密封球，实现液压丢手。

3) 紧急机械解锁。

无法液压丢手时，使弹性爪上端的环形凹槽与保护套上的螺孔对正，安装螺钉固定弹性爪和保护套，使二者无法相对移动。下压丢手装置接头，上提钻具，完成机械解锁，实现丢手，如图2b所示。

图2 丢手装置工作原理

3 技术参数

丢手装置最大外径 170 mm

丢手装置最小内径 45 mm

工作温度 -20～120 ℃

支撑体额定拉力 1 000 kN

丢手方式 液压丢手(压力15 MPa)

应急丢手方式 机械丢手

适应井型 四级分支井

4 关键零部件强度分析

本文分别从装置使用时的3个关键状态入手，即，弹性爪进入、弹性爪送入及弹性爪解锁进行数值模拟分析，验证结构设计的合理性。弹性爪悬挂机构简化结构如图3所示，其有限元模型如图4所示。

1—弹性爪；2—重入工具；3—卡套；4—支撑体。

图4 悬挂机构有限元分析模型

1) 弹性爪进入重入工具限位槽时，弹性爪受压变形，通过该限位槽。

2) 弹性爪送入状态时，重入工具连接凹槽上端面与弹性爪斜面贴合，弹性爪下端面与内表面与支撑体的台阶表面贴合。支撑体将弹性爪锁在其台阶与重入工具连接凹槽之间。

3) 弹性爪解锁状态时，支撑体让出，不再接触弹性爪。弹性爪在上拉力的作用下产生弹性形变，完成丢手。

4.1 弹性爪进入重入工具强度分析

弹性爪、卡套和支撑体材料均为40CrMnMo，重入工具采用N80套管钢，材料属性参数如表1所示。当弹性爪移动至重入工具的卡套限位槽时将遇阻，数值模拟此时变形及受力情况。在重入工具右端设置固定约束，弹性爪施加轴向位移，弹性爪与重入工具选择面-面接触方式，弹性爪与卡套选择固定接触方式。分析得到弹性爪进入工作筒的等效应力分布云图，如图5所示。弹性爪最大等效应力发生在弹性爪开槽根部，应力值为137 MPa，远小于材料屈服强度758 MPa。满足强度要求。提取弹性爪进入重入工具的支反力，其值为1 284 N。表明弹性爪进入重入工具的合力为1 284 N。

表1 丢手装置材料属性参数

图5 弹性爪进入重入工具的等效应力分布云图

4.2 弹性爪送入状态强度分析

在弹性爪与重入工具接触的端面施加1 mm位移载荷[14-18]，对应的等效应力分布云图如图6所示。弹性爪最大等效应力发生在弹性爪接触面上。最大应力为684 MPa，小于材料屈服强度785 MPa，满足强度要求。提取弹性爪支反力，其值为816 kN。表明弹性爪在送入状态下可承受816 kN拉伸载荷。

图6 弹性爪送入状态等效应力分布云图

4.3 弹性爪解锁状态强度分析

弹性爪主要依靠工具结构解锁。首先下压钻具，当弹性爪上端的环形凹槽与保护套上的螺孔对正时，安装螺钉固定弹性爪和保护套，使二者无法相对移动。此时，支撑体与弹性爪爪头已分离，弹性爪爪头与支撑体小径部分相对，支撑体不再支撑弹性爪，解除防止弹性爪脱出的作用。上提钻具，弹性爪即可从重入工具连接凹槽内脱离，实现丢手。

弹性爪解锁状态等效应力分布云图如图7所示，弹性爪最大等效应力发生在弹性爪开槽根部，且该部位发生了弯曲变形，局部应力为141 MPa，小于材料屈服强度785 MPa，满足强度要求。提取弹性爪支反力，其值为1 488 N。表明解锁后弹性爪脱离重入工具的合力为1 488 N。

图7 弹性爪解锁状态等效应力分布云图

5 室内模拟试验

5.1 地面试验

1) 打捞试验。

将丢手装置及试验工装装入扭矩机，丢手装置位于固定钳，试验工装位于移动钳，水平移动移动钳，模拟打捞过程。如图8a所示。

打捞后，再次反方向移动移动钳，确认打捞成功，如图8b所示。试验证明，弹性爪进入重入工具需压力1 311 N。弹性爪与试验工装之间的摩擦力造成推力增大。

图8 丢手装置的打捞试验

2) 丢手试验。

正向水平移动移动钳，至螺孔与内部槽口重合，用细铁棍插入槽口，如图9a所示，反向移动移动钳，解锁丢手装置，如图9b所示。试验证明，完成丢手需上拉力1 520 N。

图9 丢手装置地面手动丢手试验

为测试丢手装置的承载能力，确保作业安全，以100 kN为增幅，自50 kN开始，逐级提高拉伸载荷,观察丢手装置结构变形情况。

试验结束后未发现弹性爪有明显的变形。丢手装置可顺利连接重入工具，并机械丢手。

5.2 井筒模拟试验

为进一步验证丢手装置的可靠性，保证其满足现场施工要求，进行井筒模拟试验。

1) 准备好试验用井筒、丢手装置、模拟工装、井口连接部件等，将试验用井筒放入井口内，完成丢手装置对模拟工装的打捞作业。

2) 开泵，以排量20 L/s循环，下压钻具，保持钻具受压状态，然后上提钻具，装置正常丢手。

3) 测试丢手装置悬空状态下能否丢手。装置下放至距离井底1 m左右，开泵，排量30 L/s循环，排量压力数据曲线如图10所示，排量稳定在30 L/s时，压力平稳未降低，表明装置未丢手。上提钻具至试验井口，观察到装置没有丢手，证明装置只有在受压状态下才能丢手。

图10 排量30 L/s 时压力曲线

4) 丢手试验。下放工具距井底0.3 m，开泵，排量15 L/s循环，排量压力数据曲线如图11所示。排量稳定在15 L/s时，压力平稳未降低，表明装置未丢手。下放钻具至钻压5 kN，上提钻具至试验井口，丢手，停泵，观察到装置已经正常丢手。

图11 排量15 L/s 时压力曲线

通过室内试验可以得出：设计研发的重入工具丢手装置，性能可靠，操作简单，可以满足现场作业需求。排量15 L/s可以满足丢手作业需要，悬空无法丢手，保证丢手装置安全可靠。

多次试验，弹性爪与模拟工装均可顺利打捞、分离，弹性爪无明显变形或断裂现象，丢手装置符合现场使用要求。

6 结论

1) 研制的四级分支井重入工具丢手装置具有机械、液压2种丢手方式。可解决分支井重入工具的送入及回收问题。

2) 对弹性爪的3个关键状态进行数值模拟分析，证明其结构符合工况要求。通过室内模拟试验，证明该丢手装置可满足四级分支井重入工具的送入和回收要求，其安全可靠。

3) 装置采用低压耗液压丢手；无剪切销机械丢手方式作为紧急解锁方式。该结构创新使得管柱漏压对丢手成功率影响小，易丢手；无销钉中途剪切而提前丢手的风险。

4) 装置可提高分支井重入作业的施工效率，具备推广价值；除分支井重入工具外，也可用于其它井下管柱丢手作业，具有应用前景。

5) 存在的问题。弹性爪与支撑体组成的活塞腔内过滤结构较为简单，弹性爪有被钻井液中杂质卡死而无法动作的几率。

6) 今后研究方向。进一步降低丢手压耗，使装置不用投球，只改变钻井液排量即可完成丢手，此时，投球工序可变为紧急处置方式的一种，即压差无法激活丢手装置时，以投球的方式增大压差，使丢手装置实现液压丢手。设计更为先进的过滤结构，消除弹性爪卡死风险。