钢丝作业
什么是钢丝作业(Defined)？
钢丝作业是就是通过缠绕在绞车上的钢丝和电缆利用钢丝作业是就是通过缠绕在绞车上的钢丝和电缆利用机械的上提和下放达到对井下工具进行操作的作业。机械的上提和下放达到对井下工具进行操作的作业。
钢丝作业的特点(Character)
· 设备简单
· 设备重量轻
· 价格便宜
· 操作简单
· 适用范围广
· 易于下井
· 及时传送井下情况
· 带压操作
钢丝作业的原理(principle)
柴油机带动液压油泵将动力液经高压软管输送到绞车上，而绞车则通过控制液压油量的大小来控制绞车转速，液压油循环方向不同而绞车转动方向不同。
钢丝作业地面设备和工具
1、钢丝绞车部分：钢丝绞车(wirelingunit)
2、动力系统部分：柴油机(powerpack)
3、地面工具和设备部分：
· 防喷管(lubricator)
· 防喷器(BOP)
· 液压防喷盒(stuffingbox)
· 三通地滑轮(haypully)
· 地面手动工具
第一节 钢丝
钢丝是一种用来悬吊井下仪器、将地面作用力传递到井下工具的设备。常用钢丝参数如下：表1-1-1
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钢丝尺寸 |
材质/型号 |
最小拉断力 |
防腐性能 |
lbs/1000ft |
|
0.108″ |
API－9A 碳钢 |
2110 LBS |
差 |
31.12 |
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0.125″ |
API－9A 碳钢 |
2837 LBS |
差 |
41.87 |
|
0.108″ |
UHT 碳钢 |
2730 LBS |
很差 |
31.12 |
|
0.125″ |
UHT 碳钢 |
3665 LBS |
很差 |
41.87 |
|
0.108″ |
SS316 不锈钢 |
1920 LBS |
好 |
31.5 |
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0.125″ |
SS316 不锈钢 |
2500 LBS |
好 |
41.2 |
|
0.108″ |
SUPA 75不锈钢 |
2030 LBS |
很好 |
31.03 |
|
0.125″ |
SUPA 75不锈钢 |
2560 LBS |
很好 |
41.92 |
钢丝的保养和维护
1. 钢丝保养
为了保证钢丝处于良好的状态和延长寿命，必须注意下列事项：
· 要避免钢丝被钳子等硬物咬夹。
· 避免无控制的松驰造成钢丝扭结。
· 从井里起出钢丝时，必须擦掉钢丝上所粘的井液，泥沙等物，并且还要涂上防护油，如机油等。
· 拉钢丝时，不要超出其塑性限度。
· 定期切掉一部分钢丝。
2. 钢丝的更换
如出现下列情况之一，必须更换钢丝：
· 做钢丝扭转试验不合格。
· 钢丝展开到地面时，不能象在滚筒上那样形成圈或环时，说明钢丝已超过其塑性极限，应立刻更换。
· 3). 当钢丝的扭曲不能拉直时，说明其受力过度，应换新的。
· 4). 根据经验，钢丝使用时间过长要更换。
第二节 绞车
海上钢丝作业所用的绞车为橇装式，主要为吊装运输方便，占地，撬装钢丝绞车一般分为两部分：动力部分和绞车部分。动力部分是由柴油机（电动机）和液压油泵组成，柴油机（电动机）带动液压油泵将动力液经高压软管输送到绞车上。绞车主要由液压马达、传动机构、控制机构、深度计数系统和钢丝滚筒组成。对于双滚筒绞车则同时装有两个滚筒。柴油机带动液压泵，输出液压油，液压油通过高压软管传输动力。循环的方向不同，则控制绞车转动的方向；控制循环油量大小以控制绞车转速。这种方向和油量大小的控制是通过调压阀来完成的。
绞车的操作台装有拉力表
图1-2-1 ASEP公司K-WINCH双滚筒绞车
第三节 防喷设备
防喷设备通常与采油树连接在一起，用来容纳下井工具及井口压力。防喷设备主要由井口短节，防喷阀（BOP），防喷管，盘根盒及滑轮组成。
1．井口短节
井口短节用于连接防喷阀和采油树，如图1-3-1井口短节。
图1-3-1 井口短节
2．防喷阀（Blow out Preventer，BOP）
防喷阀俗称胶皮阀，又叫钢丝阀（wireline valve），它跟井口短节或采油树的顶部相连接。当钢丝在井下时，关闭防喷阀就可进行该阀以上设备的操作和维修。该阀能密封钢丝周围，但不损坏钢丝。参见图1-3-2手动防喷阀，BOP两边的活塞总成前端部分各有一个软胶皮作用是密封，不损伤钢丝以及各有一个钢丝导向板，活塞总成在外部的机械力作用下，逐渐向中心靠拢。钢丝在导向板的作用下，回到中心位置，并在不被损伤的情况下被夹在两个活塞总成中心，把井内压力封住，防止外喷。钢丝作业和电缆作业的密封芯子略有不同。钢丝的密封芯子外边是平的，而电缆或钢丝绳的密封芯子的外边有半圆槽。防喷阀内有一个平衡阀。当防喷阀关闭并且防喷管内没有压力时，要直接打开防喷阀非常困难且易于损坏防喷阀，因此，需要先打开平衡阀，等防喷阀上下压力平衡后，再打开防喷阀，最后重新关闭平衡阀。为了操作方便和安全，除手动防喷阀还有液压控制的防喷阀，如图1-3-3液压双级电缆防喷阀，可用手压泵在甲板上操作。
图1-3-2 手动防喷阀/防喷器
图1-3-3 液压双级电缆防喷阀
3．防喷管（Lubricator）
防喷管带有快速连接头，能承受高压的管子，用于在压力下允许井下工具进出井筒。防喷管下部连接防喷阀，上联盘根盒。防喷管的长度一般为2.4m（8ft），每次作业需要使用多节防喷管。防喷管一般可分两种类型：下节和上节。上节防喷管容纳绳帽、加重杆和震击器，可用内径小的管子制成。下节防喷管需要容纳井下装置，如堵塞器等，内径大。下节防喷管装有泄压阀，用于防喷管泄压，有的还装有两个泄压阀。如图1-3- 4所示。
图1-3- 4 BDK公司防喷管（左：5000psi，右10000psi）
选择防喷管要考虑下列情况：
· 尺寸，包括直径和壁厚。
· 压力等级。
· 井内含腐蚀介质情况。
· 长度。
· 材料。
· 泄压阀。
· 快速接头及其类型。
· 护丝（螺纹保护帽）；
· 标识。
图1-3-5快速接头仅用手上紧不用管钳，密封靠“O”形圈。有压力时，松开非常困难。
图1-3-5快速接头
快速接头主要有三种类型，OTIS型，BOWEN型和OMSCO型。
4．盘根盒
盘根盒的用途是进行钢丝作业时密封钢丝井让钢丝通过但流体不能通过。
（1）普通盘根盒
如图1-3-6盘根盒，其本体上部装了一个能360°旋转的带护板的滑轮，滑轮能保证钢丝进入顶部密封压盖的中心。当钢丝从地面折断落井时，滑轮护板有可能将钢丝头抓住。同时能使滑轮能自动对准绞车的方向。滑轮直径主要有254mm和392mm（10in和16in）两种，前者有于2.4mm（0.092in）及其以下直径的钢丝，后者用于2.6mm（0.018in）及其以上直径的钢丝。
图1-3-6 盘根盒
通过上部的盘根压帽和油杯可以上紧压帽，密封和润滑钢丝。
（2）液压控制盘根压帽
液压盘根压帽如图1-3-7，这种压帽可接在普通盘根盒上部，从地面通过手压泵和液压软管很便捷地调节密封盘根的松紧。
图1-3-7 液压控制盘根压帽
它与标准的盘根盒连接非常容易，只需将盘根盒上的止动螺帽和盘根压帽卸下，装上液控盘根压帽即可。
5．滑轮
如图1-3-8滑轮用于将钢丝从防喷管顶部拉到钢丝滚筒上。这样将钢丝拉力点从顶点移到水平位置上。
图1-3-8滑轮
滑轮直径要合理，直径过小容易使钢丝疲劳。
表3-1
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滑轮直径（in） |
适用钢丝直径（in） |
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10 |
0.092 |
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16 |
0.092、0.108、0.125 |
第四节 基本井下工具
一. 基本工具串
钢丝作业基本工具串包括钢丝绳帽、加重杆、震击器和万向节。钢丝作业投捞工具可接在基本工具串下面，可在带压情况下，完成各种不同作业。基本工具串上的工具，顶部都加工有外打捞颈，一旦在井下脱扣，便于打捞。
1. 绳帽
绳帽起着连接钢丝与井下测试仪器或井下工具的连接作用。由于钢丝在井下会旋转，因此，要求当钢丝在井下旋转时，绳帽及其下部连接的工具、仪器不旋转或少旋转，避免井下工具、仪器由于旋转而脱扣，造成落井事故。
图1-4-1 钢丝绳帽（左为梨型块绳帽，右为圆盘型绳帽）
2. 加重杆
加重杆主要用于克服盘根盒盘根的摩擦力和井内压力产生的上顶力使钢丝作业工具能到达井下一定的深度。另外，加重杆靠其自身重量可以施加向上或向下的力而完成井下控制工具的投捞。加重杆的尺寸和重量由要求的冲击力和所投捞的井下控制工具尺寸来确定。加重杆顶部设计有打捞颈，如图1-4-2，大部分加重杆由钢铁制成有些井需要增加加重杆的密度，选用钨合金钢制造加重杆。有的采用在钢管内灌水银或铅来增加重量。要注意的是不要将这种灌水银或铅的加重杆用于需要井下震击的钢丝作业。
图1-4-2 加重杆
下井加重杆重量的选择要考虑钢丝及钢丝绳直径，密封系统的摩擦力，工具串浮力和生产时流体向上的携带力。除平衡钢丝受井口压力作用的力可按下列公式精确计算外，其它因素比较复杂。为了平衡其它因素的力，一般钢丝作业可增加15kg。
W＝0.078×D2×P
式中 W--------平衡重量，kg；
D---------钢丝、电缆直径，mm
P----------井口压力，MPa
如果井为斜井，需要将算出的平衡重量乘以测量点处斜度的余弦（cosα，α为井的斜度）才是实际重量。
出海所准备的加重杆数量应是下井加重杆的三倍。
3. 震击器
很多钢丝、钢丝绳作业的下井工具串都要用震击器，在井下装置的投捞过程中经常需要切断销钉，或者在打捞井下装置时需要很强的力量，仅仅靠钢丝拉力是远远不够的，只有靠震击器的震击力才能完成。震击器在撞击时是一个做功的过程，为了获得强大震击力，除取决于被震装置或工具内销钉的刚性，内外剪切筒间隙，震击器下部工具串的弹性阻尼作用外，撞击能量与加重杆重量及撞击时的速度平方成正比。震击器向下运动的速度靠加重杆的下滑获得，因此，向下震击的能量比较有限。如果在高斜度井或高粘度井作业，震击器下落的速度就更有限。震击器向上运动的速度可靠提高绞车滚筒速度获得。因此，用于向下切断的销钉强度小，而向上切断的销钉强度大。
1). 链式机械震击器。
该震击器结构简单，可上下震击，是最常用的震击器，如图1-4-3所示。冲程长的震击器有助于增加震击时的速度，但易于损坏。
图1-4-3 链式机械震击器
2). 充液式震击器。
当井下钢丝作业操作位置较深时，链式震击器常常无法获得足够的向上震击力。充液式震击器就是为解决这些问题而设计的。如图1-4-4充液式震击器有拉开阻尼作用。当钢丝达到一定力时，震击器内部的液压油才能慢慢通过间隙很小的活塞使震击器慢慢打开；活塞到达扩径部位后，活塞就能自由向上运动；在这段时间里，地面绞车操作有足够的时间拉到想达到的拉力，在这种大拉力下，活塞能快速向上运动而可产生很大的震击力；震击后，由于活塞内有单流阀，震击器很容易闭合。充液式震击器的常用尺寸有：11/4，11/3和13/4in。震击器内的液体为液压油，要选择合适的液压油以适应井下温度，要保证有30s的延迟时间。决不要将充液式震击器接在链式震击器之下，这会由于充液式震击器有减震作用而减弱链式震击器的向下震击的能力。
图1-4-4 充液式震击器
3). 震击加速器
在浅井作业时，由于钢丝伸长量小，如果使用充液式震击器就需要使用震击加速器。如图1-4-5所示。
图1-4-5 震击加速器
4). 强力向上震击器
如图1-4-6所示，该工具用于向上震击作用。在下井前，根据预计的井下情况调节所需向上拉力，在井下需要向上震击时用绞车拉到拉力设定值加上钢丝及其井下工具重量后，震击杆上行一点距离后就可与下部锁定机构脱开，在钢丝的大拉力下产生很大的震击力。震击完成后，下放震击杆，由于控制锁定机构的弹簧力小，震击杆很容易插入锁定机构。
图1-4-6 强力向上震击器及调整工具
5). 管式震击器
可用于较大冲程的震击。由于移动过程须从小孔排液，所以震击较缓和。如图1-4-7所示。
图1-4-7 管式震击器
6). 关节式震击器
用于向上、向下震击，可以自由转动，但冲程较小，震击力也小。如图1-4-8所示。
图1-4-9关节式震击器
4. 万向节
万向节可以实现震击器与投捞工具之间的角度偏转，以利于调节工具串与油管倾斜方向一致，特别是在弯曲油管中及定向井中进行钢丝作业时，万向节是必不可少的。万向节可以用于钢丝作业工具各段的连接，使工具串在井内随油管偏转，从而减少遇卡。
图1-4-10 万向节
5. 快速连接器
如图1-4-11快速连接器接在基本工具串和井下工具之间，目的是在多次钢丝作业之间能够快速更换井下工具，便于井口操作。
图1-4-11快速连接器
第五节 基本投捞工具
基本投捞工具可以打捞或投放井下装置，如果井下装置被卡死或不容易捞出，还可剪切断工具内的销钉，让工具与装置脱手，有利于处理事故。有的井下装置的正常投放也需要投捞工具切断销钉脱手，使井下装置正常留在井下，而投捞工具起出井口。有的投捞工具可当打捞工具，又可当投放工具
1. 基本投捞工具的分类
1). 按投捞颈分。
井下装置的顶端都有一个可供投捞工具抓住的地方。投捞工具联入这个地方之后，就能收回或脱开锁心等井下装置，这个地方就叫投捞颈。投捞颈分外投捞颈，图1-4-12为外投捞颈，如图1-4-13为内投捞颈。与此对应的工具可分为外投捞颈工具和内投捞颈工具。外投捞颈工具有OTIS钢丝的R系列和S系列投捞工具，CAMCO公司的J系列投捞工具。投捞内投捞颈工具OTIS公司的G系列投捞工具和CAMCO公司的PRS系列投捞工具。
图1-4-12 外投捞颈 图1-4-13 内投捞颈
2). 按销钉剪切方向分。
某些工具受向上震击作用而切断销钉，某些则受向下震切断销钉。按切断销钉方向的不同可分：向上震击切断销钉工具OTIS有两个基本系列的投捞工具，可以向上震击剪断销钉以便脱手，这两系列就是R系列和GR型打捞工具。CAMCO公司的JU系列投捞工具也属于此类。其中U是英文UPPER的意思。向下震击切断销钉工具OTIS公司的S系列投捞工具和GS型投捞工具可向下震击剪断销钉。CAMCO公司的JD系列投捞工具也属于此类。其中D是英文DOWN的意思。
2．基本投捞工具系列
1). OTIS R系列投捞工具
如图1-4-14，R系列投捞工具可连接外投捞颈井下工具或装置，向上震击切断销钉，R系列有RB、RS和RJ三个不同类型，它们之间的不同仅仅是安装在工具中的芯子长度不同，RB芯子最长，RS型次之，RJ型最短。
图1-4-14 OTIS R系列投捞工具
三种类型的任何一种都可以改变芯子类型而变成其它两种类型。投捞工具接在基本工具串下面就可以下放入井，当投捞工具在井下跟井下装置接触，圆筒的下部就越过打捞颈，并迫使爪展开，然后，弹簧使爪子回收就可抓住井下装置，利用向上震击的力量把井下装置提起。剪切销钉后圆筒弹簧力在接头和圆筒之间起作用，并向上移动圆筒内的芯子，如图1-4-15所示。它使爪子对着爪弹簧力向上运动。在爪子向上运动过程中，它们那变细的上端就移入圆筒内，迫使这些爪子向里靠，因此迫使爪子下端向外靠，这就可以脱开工具。
图1-4-15 R系列工具打捞状态与脱手状态
2). OTIS S系列投捞工具
图1-4-16 S系列投捞工具，该系列工具用于联入外投捞颈，它靠向下的震击作用切断销钉造成脱开。最常用的类型是SB和SS型。它们两者除芯子长度不同之外都是相同的，SB型芯子长，抓距短，SS型芯子短，抓距长。SB和SS型的抓距分别跟RB和RS型一样。SB和SS型通过更换芯于可相互变换。
图1-4-16 OTIS S系列投捞工具
S系列投捞工具为了切断销钉，芯子必须支在落鱼或要脱手的装置上。该工具的手动脱开工具及换销钉工具与R系列相同。
图1-4-17 S系列工具打捞状态与脱手状态
3). OTIS G系列投捞工具。
G系列工具用于投捞内投捞颈井下装置，有GR型和GS型两种类型，GR型靠向上震击作用剪切销钉脱开装置，GS则是向下震击剪切销钉，GR型是由GS型加上一个GR型附件即GU型所组成，如图1-4-18 G系列投捞工具所示。
图1-4-18 G系列投捞工具
图1-4-19 G系列投捞工具打捞状态与脱手状态
4). CAMCO J系列投捞工具。
CAMCO公司J系列的投捞工具分为JU和JD两种类型，如图1-4-20它们在原理、尺寸等方面分别与OTIS公司的R系列和S系列投捞工具相类似。JU型为向上震击剪断销钉，JD为向下震击剪断销钉，JU型的心杆接在上接头上，上接头有一螺丝孔，外套用销钉固定在心杆上，所用的销钉比JD型的尺寸大。JD是外套接在上接头上，上接头上无螺丝孔，心杆用销钉固定在外套上，所用销钉比JU型的尺寸小JU型又分JUC、JUS、JUL，JUC心杆最长，抓距最短，JUS心杆适中，抓距适中，JUL心杆最短，抓距最长。JD型又分为JDC和JDS，JDC型心杆较长，抓距较短，JDS型心杆较短，抓距较长。两种类型的工具的主要部件可以互相替换。
图1-4-20 J系列投捞工具打捞状态与脱手状态
5). CAMCO公司PRS系列投捞工具
该系列工具与OTIS公司G系列投捞工具的作用相同，基本原理相似。
图1-4-20 CAMCO公司PRS系列投捞工具
6). CAMCO与OTIS基本投捞工具的汇总和比较。
CAMCO 工具在工作原理与OTIS相应的工具相同，其它很多方面也非常类似。两种工具最主要的差别在于CAMCO公司的工具锁爪是90°，OTIS工具有15°倒角，它们分别与井下工具相对应的投捞颈配合，因此，CAMCO的投捞工具不能用于OTIS或BOWEN的井下装置或井下工具，反之亦然。两种互用可能会损坏井下装置的投捞颈和投捞工具的爪。CAMCO工具的外径尺寸比OTIS相应的工具尺寸要大些。
3. 剪切销钉
1). 剪切销钉的主要作用。
①使基本投捞工具及辅助工具保持在正常的工作状态，必要时通过切断销钉脱离与井下装置的连接。②投放井下装置时，起连接井下装置和下入工具的作用，防止井下装置在下井过程中不正常脱手，到达预定位置后，通过切断销钉使井下装置留在预定深度。
2). 销钉材料。
通常使用的销钉材料有钢、铜和铝。有时也使用木材做销钉，需要根据工具特点、管柱情况、下入深度和经验选择合适材料的销钉。
第六节 钢丝作业辅助工具
1. 刮管器（Gauge Cutter）
如图1-4-21，由于刮管器的外径稍大于井下装置的外径，因此可以将油管中的蜡、锈垢及岩屑刮掉。
图1-4-21 刮管器
当井下工具较小时，刮管器的外径大于下入的工具外径1.4mm，小于油管管柱最小内径的1.4mm。
2. 胀管器（Swaging Tool）
如图1-4-22，当油管出现微变型时，可通过胀管器的起下和震击将油管修整好便于井下装置的起下。下入胀管器时最好接充液式震击器，以增加上震击力。选择胀管器应遵循从小到大和不能强行通过的原则。
图1-4-22 胀管器
3. 铅模（Impression Tool） ：
图1-4-23铅模是在一个管套内充填铅的工具，为防止脱落，用销钉将其固定。利用铅的特性，当碰到井下硬度较高的落物顶部时，可以产生变形，将落物顶部的尺寸形状记录下来。用这种工具可以确定井下落物顶部的尺寸，以便决定下步打捞作业应使用的工具及应采取的措施。铅模外径要小于管柱最小内径4mm，铅部分外径要小于其主外径，底面要平，使用时轻微向下震击一次即可。注意不要重复震击，也不要强力震击，避免铅模变形造成软卡。
图1-4-23 铅模
4. 油管刮刀
图1-4-24油管刮刀主要由三个部分组成：心轴、螺母和三组带旋槽刮片的短管。旋槽短管是锥形的，用于将射孔产生的油管毛刺清掉，也可将油管内铁锈清除，将微弯曲的油管整形。工具下面的旋槽短管外径尺寸较小，第二节尺寸较大，最上一节的外径与油管内径相当。选用油管刮刀应先用小尺寸的，再用中尺寸的，最后下大尺寸的，大尺寸的工具外径也要小于油管内径。使用时应带上充液式震击器，向下震击几次后应向上震击，避免卡死。
图1-4-24 油管刮刀
5. A型油管穿孔器（Tubing Perforator）
图1-4-25，A型油管穿孔器内的冲孔器座在锥形楔块槽内，工具下到油管预定深度并座住后，向下轻轻震击剪断剪切销钉，然后上提，随着锥型楔块上行，冲孔器被向外挤出井将油管打穿，锥型楔块行程过半后，开始将冲孔器收回，然后上提，起出工具。A型穿孔器是机械操作的，用钢丝操作可穿透标准油管。
1). 穿孔目的。
①提供环空循环或压井通道。
②新层投产。
③安装封隔式气举总成。
④当尾管被封堵并且用常规方法不能打开时，可以穿透尾管重新生产。
⑤在安装双流动油嘴前穿透油管。
2). 工具的优点。
①不用爆破，消除了射穿套管的可能性。
②安全释放机构可以在未穿孔时取出穿孔器，而无任何危险。
③较强的油管穿透能力。
④穿孔后可以自动地缩回冲孔器并自动释放。
3). 使用要点。
这种工具一般只用于普通油管穿孔，使用时加重杆重量一般为13～15kg。穿孔时，不需要强力向上震击。
图1-4-25 A型油管穿孔器
6. G型打捞筒
图1-4-26 G型打捞筒用于打捞带外打捞颈的井下落鱼。
图1-4-26 G型打捞筒
7. 井下夹子
图1-4-27井下夹子可夹住井下一些落物。该工具下井时靠1／8in铜销钉保持在张开的位置，当到达落物位置，向下的力可切断销钉使夹头闭合抓住落物。当落物不能捞出时，该工具可向上震击脱手。
图1-4-27 井下夹子
8. 油管末端探测器
有时需要较精确测量油管长度就需要使用图1-4-28油管末端探测器。该工具下过油管后，其爪在弹簧力作用下张开，这时，上提工具串就能卡在油管末端，从绞车计数器可读出油管长度。向上震击可切断销钉起出工具串。
图1-4-28 油管末端探测器
9. 防上顶工具
在开滑套或高压气井系统试井过程中，防止气量突然增大将工具串上顶造成钢丝打弯，使工具串被卡。此工具接在绳帽与加重杆之间，在下部重量作用下，其卡瓦收起，一旦下部重量消失（工具由下向上顶起）则卡瓦张开卡在油管壁上，将工具串锁定，避免事故发生。（图1-4-29）
图1-4-29 防上顶工具
