【编者按】2月20日，在深地塔科1井完钻的新闻发布会上，中石油对外公布了“万米深钻系列技术利器”，十项利器中川庆钻探独占两席，除了万米取心外，超重载高压尾管悬挂器系列工具产品榜上有名。它由井下作业公司自主研发，开万米固井之先河，经时间、重量、温度、压力的层层淬炼，最终留名史册。为客观还原该重大新闻事件，本刊编辑部联合井下作业公司围绕“超重载高压尾管悬挂器是什么”“它为挺进万米做了什么”以及“川庆井下工具为什么行”等诸多问题展开采访，成稿兼具故事性、科普性和新闻价值，彰显了井下工具人的报国情怀和勇攀科研高峰的探索精神。更多精彩，欢迎关注总第13期杂志，期待您的阅读和收藏。
何为器？
超重载尾管悬挂器之问
文/刘玉 图/邓宇 贾彪
“今天，我们深地工程获得重大突破，首口超万米科探井——深地塔科1井完成钻井任务。”2月20日，央视新闻联播报道的“我国实现全球首次地下万米油气资源探测”的短视频在井下作业公司员工的朋友圈里被一次次转发、点赞。他们无比骄傲于，在深地塔科1井钻井任务实施中，其自主研发的超重载高压尾管悬挂器在超重、超深、高温、高压的极端环境中，牢牢悬挂住了10910进尺中最后的1316.42米套管，以一器之力构建起深地工程的油气安全通道，当之无愧跻身“万米深钻系列技术利器”之一。
400吨有多重？
重量，是一个能感受，却不能体验的计量单位。
当拿着一个苹果、抱着一个西瓜时，我们能够感知重量的大小。但是当重量以吨进行计量时，我们对重量的感知就会模糊。写字楼拔地而起，第30层楼高约100米，其墙体每平方米承重能力的上限不足1吨；目前世界上起重量最大、轴数最少的4000吨级轮式起重机，当吊臂伸长到10米，实际吊装能力才刚好到400吨。而这正是井下作业公司超重载高压尾管悬挂器需要在深地塔科1井四开尾管悬挂固井作业中安全承载下部套管重量的设计载重能力。
在超重载高压尾管悬挂器设计概念里，将在其下部接上千余米套管，并借助深地塔科1井地面钻机高达900吨的提升能力被送入地下；然后像火箭主体脱离助推器那样，离开钻机助力，独自在直径不足20厘米空间的“预计轨道”上，展开卡瓦片，牢牢抓住长达千米的套管并将其悬挂在上层套管内壁上。它下部所连接的套管管串，也将承担封固深地塔科1井四开、五开目的层段、建立油气通道的任务。
这个人工通道一旦建立，水泥浆才能从地面奔流而下，再从底部涌入套管与井壁环空，以此封固地层，真正实现在超万米地层之下构建油气通道的钻探任务，这个过程被称为“固井作业”。
在常规固井作业中，封固段由井口开始，对应套管也从井口开始连接，其重量由井口相关装置承担。深地塔科1井四开、五开所采用的尾管悬挂管固井作业却是从已深入数千米地层的上一层套管末端开始，仅封固新钻进的井段。因此，其对应套管连接在尾管悬挂器末端，重量则全部由尾管悬挂器承担。
换个说法，如果所有井都从井口开始封固，那么越深的井所需的作业成本就越高、对泵注设备及水泥浆的考验也越大。可见，尾管悬挂固井技术的出现，既解决了超深井固井的技术风险和成本问题，还能得到常规固井同样的效果，而它的实施，取决于尾管悬挂器这一关键装备，所以，称之为超深井固井之“器”毫不夸张。
应用于深地塔科1井固井作业的超重载高压尾管悬挂器是一个系列化、组合化的产品概念，它包含了尾管悬挂器和套管扶正器、浮箍、浮鞋、钻杆胶塞等多个工具，施工中，通过一颗“坐挂憋压球”来实现地面技术人员与地下万米的联系，衡量它性能的关键，是是否能满足“下得去、挂得住、倒得开、起得出”的要求。
“下得去”，意味着所有工具能按照施工设计要求到达目的井段。对于深地塔科1井来说，井深10910米，将固井管串下入到目的井段的过程需要多次开泵循环，这对尾管悬挂器坐挂剪钉的设计和质量控制要求极高，需保证在频繁开泵循环过程中，其不会因压力波动反复受力疲劳而发生提前坐挂的情况。
“挂得住、倒得开”，对应着尾管悬挂器功能发挥关键步骤：“投球坐挂”。尾管悬挂器到达目的层段后，地面作业人员将投入坐挂憋压球，该球在工作液的泵送下，到达设计位置，堵住循环通道，继续加大泵注压力可对应提升管柱及工具内压力，俗称“憋压”。随后，压力开始攀升，首先到达第一个功能值，憋压剪断第一组剪钉，卡瓦片展开进行坐挂，抓住下部套管并牢牢悬挂在上层套管壁上，完成“挂得住”；坐挂好后，继续加大泵注压力到达新的功能值，憋压剪断第二组剪钉，实现憋压球座丢手，重新打开工具循环通道；然后进行倒扣作业使钻杆与尾管悬挂器分离，确保后续固井注替程序后能够顺利提升钻杆，实现“倒得开”。
“起得出”，则是尾管悬挂器在所需实现的最后一项功能，它得确保固井作业完成后，尾管悬挂器各部件能安全起出，确保井筒畅通。
这四个指标缺一不可，一次性坐挂、一次性起出，容不得半分失误。这其中起关键作用的，是两组剪钉剪断的压力驱动梯度设计。在下入过程中，剪钉绝不能剪断；在坐挂过程中，憋压坐挂只能精准剪断负责坐挂功能的剪钉；在丢手过程中，则需快速、高效的剪断第二组丢手剪钉。这些“绝不剪断”与“当断则断”都需要设计者对于剪钉材料选型与结构设计的严密考量。
“太难了！”最直白的感叹来自井下作业公司工具公司工具检测试验队副队长杨凯凌。加工剪钉的原材料是一根长度十余米的条状钢材，而尾管悬挂器的剪钉身长仅为厘米级。供应商制造的合格材料强度一般有20%的偏差。为避免材料强度的非均匀分布影响剪切梯度设计，对于剪切精度要求高的剪钉制造，常通过人工干预将剪钉剪切值偏差控制在15%以内。为更精准地实现深地塔科1井超重载高压尾管悬挂器剪切精度，杨凯凌和同事尝试把偏差控制在10%以内，决心为尾管悬挂器剪钉找到“几乎没偏差”的加工原料。
他们把十余米的原始材料截成约半米的小料，取两端进行屈服强度试验，以此作为该段小料的强度数据；再在这一堆重新被标定测量的材料中找到与原始材料理论强度最相近的小料进行剪钉加工；随后将成品剪钉装配进尾管悬挂器样机里，进行实际剪切动作的验证试验。“世界上本没有两根完全一样的剪钉材料”，但井下作业公司工具从业人员却为深地塔科1井的超重载高压尾管悬挂器找到了。杨凯凌这一代年轻人总是对未来充满希望，他相信随着我国材料技术的发展，产品从设计到生产将得到更多的支撑，让设计概念能够更顺利成形化器。
“太难熬了！”更紧绷的感叹则来自井下作业公司工具公司质量技术办主任贾彪。他全程驻守在深地塔科1井四开、五开尾管悬挂固井作业现场，负责超重载高压尾管悬挂器技术服务，以确保该工具产品在井下万米之深精准完成所设计的功能动作。
每一次进入到尾管悬挂器投球坐封阶段后，他都守在司钻房里，密切关注压力、悬重参数的变化，为尾管悬挂器地下工作状况担任地面翻译。一旦坐挂球到位后，憋压到第一组剪钉剪切值时，他需要分析判断尾管悬挂器的卡瓦片是否成功坐挂，并向司钻准确下达钻机的电机转数和大钩钩数等作业参数指令，让钻机开始“放手”，让封固段套管重量逐渐由钻杆向尾管悬挂器转移；与此同时，他还要时刻观察悬重表上指针的摆动，解读尾管悬挂器的坐挂执行情况，直至悬重表停止在预计吨位的那一瞬间，贾彪才能“先松口气”，这表示坐挂成功了。
在深地塔科1井，超重载高压尾管悬挂器坐挂过程仅仅只有三分钟。无论贾彪曾多少次经历尾管悬挂器的成功坐挂，他都一身紧绷。站在司钻房里时，他既是一个人，也是一群人。虽然他自信团队的专业性，也坚信工具产品的可靠性，却依旧不得不一秒一秒地经历这种近乎窒息般的紧张：“只有挂住了，悬着的心才能先放下一会儿。”
在“挂得牢”之后，立刻就会迎来“丢得掉”“倒得开”的考验。坐挂球继续憋压，贾彪继续通过压力表和悬重表来观察、判断第二组剪钉完成憋压球座剪切丢手的动作，以此作为向司钻下达上提钻杆指令的依据。指令下达后，若判断正确的话，钻机与尾管悬挂器会实现分离，这个过程就像火箭发射时火箭工程师们要一次次等待助推器完成脱离，层层推进火箭主体进入预计运行轨道一般；尾管悬挂器也要在投球坐挂之后成功实现丢手，并按照设计团队构想独立、安全、稳定地悬挂在上层套管末端并承载住下部套管重量。
“只有提起来了，我们才能真正的放心。”这里的我们有现场下达指令的贾彪，也有负责剪钉选材加工的杨凯凌，还有井下作业公司超重载高压尾管悬挂器的设计团队——井下作业公司万米级固井工具创新团队。对于该产品在深地塔科1井的最高设计悬挂能力400吨来说，他们既要匹配卡瓦片硬度与上层套管硬度，实现“挂”；还要在此基础上精心设计卡瓦齿型、卡瓦分布，完成“挂住”；更为关键的是在人不能至、目不能及的万米之深，圆满完成“挂得牢、丢得掉、倒得开”的功能动作，实现悬挂概念的成形化器。
超重载高压尾管器“快递打包”中
220摄氏度有多高？
温度，也是一个能想象，却不能体验的计量单位。
在深地塔科1井，“万米之后，每一米钻进都是一个台阶。”在尾管悬挂管器工具使用温度上，“200摄氏度之后，每一度都是一个台阶。”在该井五开固井作业时，尾管悬挂器将经受井底207.8摄氏度高温，这意味着组成该工具产品的钢材、铝合金材料及橡胶材料都需要在高温条件下具有常温状态的性能。
可就像人体温度超过40摄氏度，每0.5摄氏度的攀升都会极大影响身体脏器功能，材料一旦超过温度阈值，其性能也会明显衰减。超过200摄氏度，首当其冲的考验就是组成尾管悬挂器必不可少的橡胶材料还能用吗？
超重载高压尾管悬挂器的密封性能，几乎全部由橡胶部件实现。“少个胶垫水就要漏”“火一烤胶垫就软”这些生活化的场景，能够帮助我们简单理解橡胶的密封原理和温度对它的影响。深地塔科1井五开尾管悬挂固井作业要求工具产品的橡胶部件在220摄氏度的高温下，依旧具备105兆帕的密封能力。橡胶的密封能力主要依靠其在压力作用下的变形，从而紧密填充密封结构的间隙。这就要求橡胶密封圈略大于密封间隙才能在变形后“挤紧”，这个“略大”的部分常被称为过盈量，有严格设计标准。与此同时，橡胶在高温条件下还会加速老化并失去弹性，“在压力作用下，一变形就破碎成块或失去弹性”。为此，井下作业公司万米级固井工具创新团队不仅要为深地塔科1井找到一款能充分满足对应温度条件下密封能力的橡胶材料，使之通过选型测试；还要为橡胶部件“穿上外衣”，缓解老化，确保高温下的密封效能。
经长时间的调研，一款A型橡胶迅速进入视野。该橡胶材料不仅成功通过多轮评价试验，还能满足设计及成本控制要求。但新的问题出现了，A型在常温下非常硬，满足设计标准的过盈量，但并不能装配在超重载高压尾管悬挂器的密封结构间隙里。井下作业公司万米级固井工具创新团队必须在既有条件下，对当前工具结构下的A型橡胶部件过盈量进行设计优化和试验评价，使之能装配，又能满足密封要求。
多次方案调整后，该工具设计团队不仅完成了A型橡胶的过盈量优化，还创新设计了A型橡胶搭配特种航空工程复合材料挡圈的“两档一圈”的组合密封方式，实现了具有装配可行性的抗高温密封部件设计。同时，为保障密封可靠性，该团队还上上了“2+1”的“保险栓”：即两只密封阀芯采用金属硫化A型橡胶的方式，另外一只密封阀芯采用纯金属密封，并进行表面微弧氧化处理，以此提高其耐磨及耐冲蚀性。
A型橡胶的优越性能成为尾管悬挂器实现高温密封的关键，而找到它经历了漫长的过程。
早在2020年，井下作业公司就开始进行220摄氏度抗高温尾管悬挂器技术研发。当时，在国内并没有这样具备高温条件下高密封性能的橡胶材料，他们只能曲线救国，并于2022年成功研发出一种“金属+塑料”密封件结构，并申请专利。这次基本实现了200摄氏度条件下的高温密封。
“材料技术的发展总会带来技术跃迁。当飞跃不了时，我们先慢点，也要往前走一走。”一级专家刘运楼从事固井工具设计已有35年，他见证了井下作业公司高压尾管悬挂器从无到有，密封能力从70兆帕提升105兆帕，使用温度从150摄氏度到220摄氏度的全过程。这其中既有该公司工具研发能力的提升，更离不开国内材料技术、表面处理技术的飞速发展。这才让身处当下的他们有机会、有能力通过基于A型橡胶的“三重两档”组合密封方式让超高温密封概念成形化器，终于将万米深地科探工程的理想照进了现实。
当超重载高压尾管悬挂器橡胶部件满足220摄氏度条件下的密封性能要求后，常用于加工尾管悬挂器密封补芯的铝合金材质的性能衰减在220摄氏度高温条件下暴露出来。
密封补芯是尾管悬挂器尾部的一个功能部件，需要在尾管悬挂固井作业完成后进行钻磨清除，以实现井筒畅通。因此，该部件常选择具有易钻性的铝合金材质。进入深地塔科1井五开工具设计阶段，尾管悬挂器各类功能验证均被第一次提升至220摄氏度下进行，井下作业公司万米级固井工具创新团队不得不面临最大的意想不到：在220摄氏度条件下，铝合金材料性不能满足工具设计需求，需要调整为满足高温下强度要求却难以钻磨的铸铁材质。但是，深地塔科1井四开固井作业中该部件钻磨时间长达十余小时，业主方早已明确提出压减钻磨时间实现提效。
井下作业公司万米级固井工具创新团队必须完成一次大刀阔斧的创新——攻克不易钻材料的钻磨提效难题。高强度的破题攻关过程中，一项全新的“锁紧易钻结构”诞生了。该结构能够直接避免密封补芯在钻磨过程中的空钻，提升钻磨效率，“越钻、越紧、越好钻”。经深地塔科1井五开固井作业检验，新结构的密封补芯仅仅用时40余分钟就被全部钻磨清除了，提效数倍。
“新结构要在我们所有的固井悬挂器工具产品中进行推广应用！”刘运楼要求井下作业公司工具团队充分利用超重载高压尾管悬挂器在塔科1井五开应用中这一项攻关成果，完成一次该公司所有尾管悬挂器产品的广泛性升级。
“这才是国家级万米科探工程的意义！”井下作业公司万米级固井工具创新团队在攻关万米深地科探工程的固井装备研发难题过程中，不仅成功实现了深地塔科1井全球最深尾管固井作业，还通过超深井固井关键装备研发成果完成了一次对既有产品性能的升级反哺，从而推动了我国超深井固井尾管悬挂器的全面提速提效。
超重载高压尾管悬挂器装配需要拧扣机的机械助力
10910米有多深？
相比于重量、温度，距离是一个能够直接感受的计量单位。
10910米，相当于围绕着400米的操场跑上27圈半。对于超重载高压尾管悬挂器及配套工具来说，则是从井口向下，在套管狭窄的空间里，在管内油污、钻井液混杂的条件下，历经高温、高压跑过10910米，不仅要经受超长时间的泵注冲蚀考验，其配套的钻杆胶塞还要完成超复杂钻具结构的通过性考验。工具入井时间越长，井筒环境影响不确定性也会越大，其可靠性也越难以保障。
破解不确定性的基础是开展大量的试验验证，既测定该工具产品设计性能参数，又模拟验证井筒内充满钻井液条件下工具的可靠性。杨凯凌清晰地记得，用于深地塔科1井五开固井的超重载高压尾管悬挂器一共开展性能测试17大项、28小项、42套次。其中，尾管悬挂器试验10大项、19小项、29套次；工具附件试验7大项、9小项、13套次。在进行最后的工具产品定型生产前，他几乎天天跑试验机构、检测机构，不仅要为“每一项试验都现写一套匹配的试验方案，甚至特别加工对应的试验设备”。
冲蚀试验就是其中一项因为万米之深才有的特殊验证试验。浮箍、浮鞋是深地塔科1井尾管悬挂固井作业中连接在套管最末端的工具附件，是该井五开尾管悬挂固井作业入井时间最长的工具附件之一。为确保它们在钻井液长时间冲蚀下的可靠性，杨凯凌需要设计一套全新的冲蚀试验方案和试验设备。“以前从来没有这个类型的试验。这都是因为万米之深，这些工具在井下时间较过往大幅提升，我们必须消除一切不确定性。”全程参与了这些试验设计与执行的杨凯凌越发认定试验评价对于工具研发生产的积极意义，“万无一失，首先要‘万’般考虑。我们越是能充分考虑极限条件对材料、设计的影响，越能确保工具产品在极限条件下准确动作，让自己安心、让甲方放心。”
万米之深放大的极限挑战，还有复合钻杆胶塞的“万米之行”。它需要在深地塔科1井井内复杂的工作液环境中，一次性通过9573米的钻具内部，穿越不同直径的四种钻具组合，反复折叠变径多达1100次以上才到达它的专属功能位置。“国内外目前为止从来没有钻杆胶塞有效通过如此复杂组合、如此深度的钻具先例！”为此，井下作业公司二级工程师邹祥富精细分析了深地塔科1井的组合钻具结构，专项设计了一套极具适配性的复合钻杆胶塞。
1月23日，在深地塔科1井现场，正是在水泥浆的推动下，这枚全新设计的复合钻杆胶塞严格隔离开前期泵注的钻井液，顺利穿过超重载尾管悬挂器内密封管，抵达空心套管胶塞，正式启动深地塔科1井五开尾管的注替固井作业程序，让超深井固井关键装备历经超重、超深、高温、高压挑战以超重载高压尾管悬挂器之名成形化器，创造出10910米全球尾管固井最深纪录。
这一天、这一程，既是超重载高压尾管悬挂器在深地塔科1井的万米之行，也是井下作业公司尾管悬挂管研发走过46年的硅步之积。
留在塔科的记忆
46年有多长？
时间作为计量单位，是最能被感知、想象，却最是容易被忽视的。特别是站在新起点，总是容易忘记过程中的艰难跋涉。
46年时间，足够一个人从呱呱坠地成长到天命之年，也让井下作业公司超重载高压尾管悬挂器系列工具产品完成从无到有的孵化，再到最高实现650吨超重载高压尾管悬挂管器的全面进化。
早在1979年，井下作业公司就完全独立自主研发了首代具有自主知识产权的“川”字系列尾管悬挂器，并获得了当时四川省科技进步三等奖和石油部科技进步二等奖。进入90年代，改革开放时代机遇让四川石油管理局在川中大会战中进口了首套外国尾管悬挂器，也让那时井下作业公司工具从业人员有机会审视自身产品与外国产品的差距，并于1992年再次突破瓶颈研制出了“C型悬挂器”的换代产品。提及尾管悬挂器最初的发展，刘运楼对此总是很骄傲，“我们的尾管悬挂器是由前辈们独立自主摸索出来的，完全没有借鉴模仿，设计结构也是全球独一份的！这也为我们后来所有的升级、改进提供了绝对的自由度！”
进入新世纪后，四川地区龙岗大会战催生了一大批量深井尾管悬挂固井作业井，并因此引进了大批量的密封能力高达70兆帕的进口高压尾管悬挂器产品。这让井下作业公司尾管悬挂管器仅有25兆帕密封能力相形见绌。为了打破国外技术封锁，2006年，邹祥富带领团队自主研发出了具备70兆帕密封能力的尾管悬挂器，让井下作业公司也具备了高压尾管悬挂器产品生产能力，不仅成功填补国内同类型高压工具产品的空白，还一举打破了同类产品长期依赖国外进口的局面。
2015年，井下作业公司高压尾管悬挂器凭借在四川盆地出的现场应用成效，成功进入塔里木油田进行试用。一年后，顺利进入该市场，并完成了近30套的现场应用。2019年，该公司高压尾管悬挂器在塔里木油田市场现场应用一度高达80套。“不要小看这80套。尾管悬挂固井作业工艺在超深井才会使用。国内超深井又主要集中在四川盆地和塔里木盆地，这是缘分，也是实力！”现在国内高压尾管悬挂器年用量约两百套，该公司的市场占比率和认可度可见一斑。
在近年来的产品性能提升中，井下作业公司高压尾管悬挂器一步步完成了从70兆帕、90兆帕到105兆帕的密封能力提升，使用温度从150摄氏度、170摄氏度再到2020摄氏度的抗高温升级，并相继开发出封隔式高压尾管悬挂器、全通径尾管悬挂器等功能性产品，不仅在2023年亚洲最深直井蓬深6井进行应用，还于2024年为万米深地科探工程研发了高达650吨悬挂能力的重磅级产品。
正是井下作业公司尾管悬挂器产品长达46年的技术积淀和与塔里木油田近10年的合作信任，让该公司在深地塔科1井开钻时就收到了提供超重载高压尾管悬挂固井工具方案的邀请。后来又历经深地满深1井先导性现场验证，进一步加深了塔里木油田公司对此次合作的信心和认同。
从1979年到此时，从四川到新疆，从挂载能力400吨、密封能力115兆帕、抗温220摄氏度等性能参数到尾管悬挂固井全球最深纪录……46年间，历代井下工具从业者的默默耕耘与付出，终于在挑战万米深井的过程中，被重量、温度、深度所重塑，最终凝结成中国石油“万米深钻系列技术利器”中的佼佼者。
超重载高压尾管悬挂器系列工具产品会被载入史册，它浓缩了“器”的博大精深，更诠释了“成器”背后的众志成城！
细致保护工具的每一个部件
