機(jī)械鎖緊液壓式隨鉆震擊器應(yīng)用分析

李積泰

（西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆鄯善838200）①

機(jī)械鎖緊液壓式隨鉆震擊器應(yīng)用分析

李積泰

（西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆鄯善838200）①

帶機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)的液壓式隨鉆震擊器集液壓式與機(jī)械式震擊器功能于一體，采用液壓原理與機(jī)械原理，取長(zhǎng)補(bǔ)短達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了工具的一次下井隨鉆時(shí)間和整機(jī)壽命。該復(fù)合震擊器具有防誤震、在鉆柱中連接位置自由等特點(diǎn)，適用于定向井、大位移水平井、超深井以及欠平衡空氣鉆井作業(yè)等。介紹了機(jī)械液壓式隨鉆震擊器的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：在使用過(guò)程中避免了誤震問(wèn)題，可滿(mǎn)足鉆井工程的需要。

機(jī)械液壓式；隨鉆震擊器；技術(shù)性能

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展，石油設(shè)備已引起各國(guó)石油界的高度重視。各石油公司依賴(lài)科技進(jìn)步，積極采用先進(jìn)技術(shù)發(fā)展新設(shè)備，提高了石油設(shè)備在適應(yīng)性、可靠性、品種多樣性和系列化、集成化、自動(dòng)化、智能化等方面的總體水平。

在鉆井作業(yè)中，卡鉆對(duì)鉆井工作影響很大，危害也很深，如果處理不當(dāng)，不僅消耗時(shí)間長(zhǎng)，損失鉆井進(jìn)尺，而且可能使事故惡化，甚至造成油氣井報(bào)廢。震擊器是解除卡鉆的有效工具［1-2］。因此，在鉆井速度和鉆井效益越來(lái)越受到關(guān)注的今天，正確地選擇和使用震擊器將為鉆井作業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外情況

國(guó)外生產(chǎn)震擊器的廠家很多，產(chǎn)品規(guī)格品種比較齊全，技術(shù)水平也很高，這與他們對(duì)鉆井安全的高度重視密切相關(guān)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家特別重視石油鉆采裝備的研發(fā)，在技術(shù)、制造水平等各方面均居國(guó)際領(lǐng)先的地位。國(guó)外井下工具主要生產(chǎn)廠家有NOV、Weatherford、Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger、Cougar等。

1.2 國(guó)內(nèi)情況

我國(guó)每年因?yàn)殂@井作業(yè)事故導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元，其中很大一部分可以減輕甚至避免。在鉆井速度和鉆井效益越來(lái)越受到關(guān)注的今天，正確地認(rèn)識(shí)震擊器對(duì)鉆井作業(yè)的重要意義，設(shè)計(jì)和制造高水平的產(chǎn)品，正確地選擇和使用震擊器，發(fā)揮它們應(yīng)有的效能，將為鉆井工業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 技術(shù)分析

2.1 結(jié)構(gòu)組成

機(jī)械液壓式隨鉆震擊器包括液壓延時(shí)機(jī)構(gòu)、機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)、上下打擊機(jī)構(gòu)、上下密封機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩傳遞機(jī)構(gòu)、上下連接機(jī)構(gòu)6部分，如圖1所示。

圖1 機(jī)械液壓式隨鉆震擊器結(jié)構(gòu)

液壓延時(shí)機(jī)構(gòu)由閥體心軸、下筒體、閥體總成、活塞和下接頭組成；機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)由彈性機(jī)構(gòu)總成、卡瓦心軸、卡瓦、卡瓦套、上擊調(diào)節(jié)螺母、下?lián)粽{(diào)節(jié)螺母、調(diào)整套、隔套及襯套組成；上下打擊機(jī)構(gòu)由上筒體、背母和卡瓦心軸的臺(tái)階面組成；上下密封機(jī)構(gòu)由上密封組件、下密封組件和刮泥圈組成；轉(zhuǎn)矩傳遞機(jī)構(gòu)由花鍵心軸、扶正體、花鍵體、連接體、上筒體、下筒體、中筒體和下接頭組成的；上下連接機(jī)構(gòu)由花鍵心軸和下接頭的兩端連接螺紋組成［3-5］。

機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)釋放過(guò)程如圖2所示。該鎖緊機(jī)構(gòu)各部件間摩擦力較小，同其他結(jié)構(gòu)相比，使用壽命大幅提高。上下震擊一體，上下震擊釋放力在井口分別可調(diào)且調(diào)節(jié)操作簡(jiǎn)易，調(diào)值準(zhǔn)確穩(wěn)定。產(chǎn)品性能受高溫、腐蝕性介質(zhì)等工作環(huán)境影響小，適用于各種工況下的隨鉆作業(yè)。

液壓延時(shí)機(jī)構(gòu)由閥體心軸與閥體總成組成，二者通過(guò)合適的配合可以有效地保證心軸在機(jī)械部分釋放后，系統(tǒng)進(jìn)入液壓延時(shí)階段。結(jié)合鉆井工藝和現(xiàn)場(chǎng)操作的需要，適當(dāng)?shù)匮訒r(shí)時(shí)長(zhǎng)使得震擊器以下鉆柱被彈性拉伸，大幅提高了震擊和解卡效果。其中，閥體總成由閥體、閥銷(xiāo)、閥芯、絲堵等組成，如圖3所示。

圖2 機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)釋放過(guò)程示意

圖3 閥體總成

2.2 工作原理

當(dāng)需要上擊時(shí)，上提鉆柱使震擊器的心軸隨之向上運(yùn)動(dòng)，彈性機(jī)構(gòu)總成受拉／壓產(chǎn)生彈性變形，隨著大鉤上提力的不斷增加，彈性機(jī)構(gòu)總成的變形也隨之增大。在彈性機(jī)構(gòu)總成拉伸／壓縮達(dá)到臨界位置時(shí)，卡瓦突然完全張開(kāi)與卡瓦套嚙合，當(dāng)拉力達(dá)到鎖緊機(jī)構(gòu)釋放力的大小時(shí)，鎖緊裝置松開(kāi)，就進(jìn)入了液壓延時(shí)階段。這時(shí)，絞車(chē)將被剎死，震擊器在預(yù)拉力及液壓阻力的作用下緩慢拉開(kāi)。之后，震擊器就進(jìn)入了自由打擊狀態(tài)，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內(nèi)快速滑動(dòng)到極限位置，打擊機(jī)構(gòu)發(fā)生打擊，產(chǎn)生強(qiáng)大的上擊力。此時(shí)，只需下放鉆柱，就可以使震擊器復(fù)位，以備下次震擊或繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)需要下?lián)魰r(shí)，適當(dāng)下放鉆柱，直到施加到震擊器上的壓力超過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)的釋放力。這時(shí)，鎖緊裝置將打開(kāi)，在彈性機(jī)構(gòu)總成拉伸／壓縮達(dá)到臨界位置時(shí)，卡瓦突然完全張開(kāi)與卡瓦套嚙合，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內(nèi)快速滑動(dòng)到極限位置，打擊機(jī)構(gòu)發(fā)生打擊，產(chǎn)生強(qiáng)大的下?lián)袅?，心軸釋放后快速運(yùn)行到閉合位置，產(chǎn)生一個(gè)向下的沖擊力。然后，適當(dāng)上提鉆柱使震擊器復(fù)位，這時(shí)，可以進(jìn)行下次震擊或者繼續(xù)鉆進(jìn)［5］。

2.3 技術(shù)參數(shù)

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

1） 在起下鉆、接單根、觸井底或鉆進(jìn)時(shí)不會(huì)發(fā)生誤震現(xiàn)象。

2） 在鉆臺(tái)上無(wú)需任何安全夾具或特殊操作工藝規(guī)程。

3） 在鉆具組合（BHA）中的位置比較自由，可以置于受拉、中性點(diǎn)、受壓各種位置，是定向井和大位移水平井的理想工具。

4） 線性機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)不受轉(zhuǎn)矩影響；是高摩阻、定向井和大位移水平井的理想工具。

5） 操作簡(jiǎn)單，僅為上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

6） 鎖緊結(jié)構(gòu)上下?lián)翎尫帕诳烧{(diào)。

7） 機(jī)械鎖緊裝置在鉆井作業(yè)中可以起到防止工具磨損的作用，可以大幅提高工具使用壽命。

8） 液壓延時(shí)震擊允許操作者通過(guò)改變大鉤上提力的大小來(lái)控制井下震擊力的大小。

9） 全密封、油浴潤(rùn)滑環(huán)境有利于減少磨損，提高工具使用壽命。

10） 可以提供分別適用于120℃或150℃井底溫度的工具。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)械式工作原理的選擇

目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)械式震擊器按其鎖緊機(jī)構(gòu)的不同可分為摩擦卡瓦式、彈簧預(yù)緊卡瓦式、行程控制卡瓦式3類(lèi)。帶機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)的液壓式隨鉆震擊器選用行程控制式卡瓦鎖緊機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：摩擦副的強(qiáng)力摩擦較其他機(jī)構(gòu)小，且易損件較少，使用壽命較長(zhǎng)；整機(jī)機(jī)構(gòu)合理，安全可靠，上下?lián)粢惑w，上／下?lián)翎尫帕υ诰诜謩e可調(diào)，且操作簡(jiǎn)便易行，調(diào)值準(zhǔn)確穩(wěn)定；產(chǎn)品性能受高溫、腐蝕性介質(zhì)等工作環(huán)境影響小，適合復(fù)雜及高可靠度鉆井的需要。

3.2 液壓式工作原理的選擇

目前，國(guó)內(nèi)外液壓式震擊器按其結(jié)構(gòu)不同可分為阻尼活塞式、阻尼閥式2種。阻尼活塞式液壓延時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)可以較好地滿(mǎn)足常規(guī)作業(yè)，但其對(duì)密封及表面處理技術(shù)要求極為苛刻，受多因素制約，此類(lèi)機(jī)構(gòu)難以突破壽命短的瓶頸。帶機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)的液壓式隨鉆震擊器應(yīng)用了阻尼閥式液壓延時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有高可靠度、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

3.3 機(jī)械和液壓的集成

機(jī)械液壓式隨鉆震擊器的機(jī)械部分采用行程控制的卡瓦式鎖緊機(jī)構(gòu)，液壓部分采用閥式阻尼延時(shí)機(jī)構(gòu)。通過(guò)相關(guān)尺寸鏈設(shè)計(jì)，確保了震擊的序列性和液壓延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的合理性，將二者有機(jī)地集成，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

下鉆時(shí)應(yīng)先開(kāi)泵循環(huán)，再緩慢下放。若在下鉆過(guò)程中發(fā)生遇卡，可啟動(dòng)震擊器實(shí)施上擊解卡。在正常鉆進(jìn)過(guò)程中，震擊器應(yīng)處于鎖緊位置，在受拉狀態(tài)下工作［6］。

1） 發(fā)生卡鉆事故需上擊時(shí)，按以下步驟進(jìn)行：①下放鉆具直到指重讀數(shù)小于震擊器以上鉆具懸重30～50 k N（即壓到震擊器心軸上的力），震擊器回到“鎖緊”位置（如已為鎖緊狀態(tài)下井的震擊器不進(jìn)行此步驟）。進(jìn)行本步驟操作時(shí)，可在井口鉆桿上劃一刻線，下放1個(gè)上擊行程可確認(rèn)震擊器回到“鎖緊”位置；②以拉力G上提鉆柱，剎住剎把等待震擊器釋放。上擊力由上提力控制，開(kāi)始應(yīng)用較低提拉力，以后逐漸增加，在同一上提力時(shí)應(yīng)多次震擊以加強(qiáng)作用效果。最大上提力決不允許超過(guò)震擊器以上鉆柱重力與震擊器最大上擊釋放力之和。再重復(fù)上述過(guò)程，將產(chǎn)生連續(xù)上擊。在不同鉆頭水力壓降的情況下，震擊器最大上擊釋放力是不同的，震擊器最大上擊釋放力應(yīng)按不同鉆頭水力壓降分別確定。G＝震擊器上部鉆柱重力＋震擊器上擊釋放噸位。

2） 當(dāng)發(fā)生卡鉆事故需下?lián)魰r(shí)，按以下步驟進(jìn)行：①以壓力G′下壓鉆具產(chǎn)生震擊，G′＝地面調(diào)定的下?lián)袅Γ酀{阻力＋摩擦阻力＋指重表誤差；②上提鉆具，上提拉力大于震擊器上部鉆具重力30～50 k N，使震擊器回到鎖緊位置，重復(fù)上述步驟即可繼續(xù)向下震擊。震擊器下?lián)艋匚粫r(shí)，上提鉆柱時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，避免產(chǎn)生不必要的上擊。

在油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，機(jī)械液壓式隨鉆震擊器在鉆井過(guò)程中得到成功應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：該機(jī)械液壓式隨鉆震擊器與常規(guī)隨鉆震擊器相比，1次下井隨鉆時(shí)間達(dá)1 800 h，減少了不必要的起下鉆，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和鉆井成本。

5 結(jié)論

1） 機(jī)械鎖緊液壓式隨鉆震擊器滿(mǎn)足了復(fù)雜井作業(yè)的需要，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和鉆井成本。

2） 作為機(jī)械液壓式復(fù)合隨鉆震擊器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械部分鎖緊力的井口可調(diào)。

3） 機(jī)械鎖緊避免了誤震操作，液壓延時(shí)大幅增強(qiáng)了震擊效果，震擊解卡作業(yè)更為安全有效。

［1］ SY／T 5496—2000，震擊器及加速器［S］.

［2］ 王正寬.YJ-A型隨鉆震擊器應(yīng)用分析及試驗(yàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（9）：61-64.

［3］ Kyllingstad A，Halsey G W.Performance Testing of Jars［C］／／SPE／IADC Drilling Conference，1990.

［4］ Thor V Aarrestad，Statoil，Kyllingstad A.Loads on Drillpipe during Jarring Operations［J］.Drilling＆Completion，1994，9（4）：271-275.

［5］ 黃衍福，鄒連陽(yáng)，張國(guó)田.帶機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)的液壓式隨鉆震擊器：中國(guó)，ZL 2005201 12147.6［P］.2006-08-16.

［6］ 周家齊，李興杰，李東陽(yáng)，等.隨鉆震擊器震擊載荷計(jì)算及安放位置選擇［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（3）：44-47.

Application and Analysis of Hydraulic／Mechanical Drilling Jar

LI Ji-tai
（Tuha Drilling Company，XDEC，Shanshan 838200，China）

The design，characteristics，development and oilfield application of a hydraulic／mechanical drilling jar are mainly describes.Hydraulic／mechanical drilling jar is a kind of new downhole tools，designed for directional wells，and extended reach horizontal wells，ultra-deep wells or complex wells.The jar is also appropriate for under-balanced air drilling.The jar was developed to overcome the usual shortcomings associated with purely hydraulic or mechanical jars，yet it retains the advantages of both concepts.So far，the serial hydraulic／mechanical drilling jars have been put into the industry application and field-proven design meets the requirement of modern drilling operations.

hydraulic／mechanical；drilling jar；technical performance

TE921.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.017

1001-3482（2014）07-0067-04

2014-01-18

李積泰（1966-），男，甘肅蘭州人，高級(jí)工程師，主要從事石油鉆井工程工作。