海洋鉆井用雙向減震器的失效機(jī)理與應(yīng)對措施研究

田家林，付傳紅，董明鍵，劉正連，龍小康，方 劍，吳純明

(1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500;2. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031;3. 中石化勝利石油工程有限公司西南分公司，四川 德陽 618000;4. 川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院,四川 廣漢 618300;5. 中國石油西南油氣田公司,四川 成都 610051)

海洋鉆井用雙向減震器的失效機(jī)理與應(yīng)對措施研究

田家林1,2，付傳紅1，董明鍵3，劉正連4，龍小康5，方 劍5，吳純明1

(1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500;2. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031;3. 中石化勝利石油工程有限公司西南分公司，四川 德陽 618000;4. 川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院,四川 廣漢 618300;5. 中國石油西南油氣田公司,四川 成都 610051)

針對海洋油氣井鉆井現(xiàn)場對雙向減震器研究的缺陷與不足，以及在使用過程中出現(xiàn)非正常失效等問題，根據(jù)雙向減震器的結(jié)構(gòu)原理以及現(xiàn)場使用情況對其進(jìn)行失效機(jī)理的研究。在此基礎(chǔ)上，制定出一系列操作性強(qiáng)的解決措施。結(jié)果表明：密封失效、螺紋損壞、心軸與外筒脫落、九頭螺紋設(shè)計(jì)缺陷等問題是雙向減震器失效的主要原因，控制人為損壞、預(yù)防密封失效、加強(qiáng)各崗位檢查、改進(jìn)九頭螺紋結(jié)構(gòu)等方法是解決雙向減震器失效問題的重要措施。該研究結(jié)論可以有效降低減震器的失效風(fēng)險(xiǎn)，減少故障發(fā)生幾率，有利于生產(chǎn)提速和鉆井安全。

海洋油氣井；鉆井工具；雙向減震器；失效分析

0 引 言

在海洋油氣鉆井過程中，雙向減震器憑借其特有的技術(shù)優(yōu)勢在鉆井提速方面得到廣泛應(yīng)用。雙向減震器不僅能夠有效地吸收鉆柱縱向振動和扭轉(zhuǎn)沖擊，避免鉆柱構(gòu)件過早失效，改善井底鉆井條件，延長鉆頭使用壽命，加快鉆井速度，減少鉆機(jī)設(shè)備的危害，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的井身結(jié)構(gòu)中還能夠解決鉆井施工中的憋跳現(xiàn)象，保持正常的鉆壓和扭矩。

為了降低鉆井成本、延長雙向減震器使用壽命，相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。通過對減震器關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)以及對減震器的優(yōu)化來提高減震器的性能和使用壽命、降低鉆井成本[1-3]；分析減震器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)計(jì)算，并對雙向減震器進(jìn)行改進(jìn)，提高減震器的使用壽命和質(zhì)量[4-5]；在鉆井現(xiàn)場使用雙向減震器解決跳鉆、鉆具斷裂以及機(jī)械鉆速低等問題[6-8]。但上述研究沒有對雙向減震器的失效形式展開研究，更沒有提出和制定針對減震器失效的預(yù)防措施。

基于以上情況，本文對雙向減震器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行介紹，對其失效機(jī)理展開分析，同時(shí)提出一些應(yīng)對減震器失效的可行措施。研究結(jié)果可為保證減震器的質(zhì)量、減少鉆井事故提供指導(dǎo)。

1 雙向減震器結(jié)構(gòu)原理

在海洋油氣鉆井過程中，2011—2013年使用的雙向減震器數(shù)量和規(guī)格如表1所示。從表1可以看出，雙向減震器使用最多的為φ228.6 mm，其次為φ177.8 mm，每口井平均2根，有的井甚至需要3～4根。然而，在實(shí)際使用的過程中，雙向減震器往往沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最少時(shí)間便出現(xiàn)問題。而在使用過程中如果減震器出現(xiàn)失效甚至斷裂，將會使得鉆井條件下的故障處理可操作性變差，嚴(yán)重的甚至需要填井重鉆，造成極大損失。因此，為了降低鉆井成本，延長雙向減震器使用壽命，分析其常見失效形式并制定針對性的預(yù)防措施，對保證減震器使用質(zhì)量、減少鉆井故障具有重要意義。

表1 2011—2013年不同型號的雙向減震器使用數(shù)量Table 1 Numbers of different models of two-way shock absorber used in 2011—2013

雙向減震器由內(nèi)軸和外筒兩部分組成，如圖1所示。內(nèi)軸包括上接頭、心軸和沖管，外筒包括刮子、扶正外筒、花鍵體、油缸和下接頭，內(nèi)軸和外筒中間有一個(gè)大螺旋轉(zhuǎn)換裝置，而減震器減震機(jī)構(gòu)主要由一種可壓縮的液體彈簧和活塞換向機(jī)構(gòu)(液壓腔、活塞、沖管)等組成。

圖1 雙向減震器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-way shock absorber structure

減震器工作時(shí)，工作介質(zhì)作為液體彈簧壓縮或伸張，并在此過程中相對于減震器外筒作軸向運(yùn)動，通過在壓力作用下產(chǎn)生彈性變形，吸收、釋放鉆頭和鉆柱振動能量。同時(shí)，阻尼腔中的液體高速流過阻尼環(huán)隙時(shí)，會產(chǎn)生大量摩擦熱耗散部分能量。因此，雙向減震機(jī)構(gòu)能起到調(diào)節(jié)鉆具軸向振動的作用。

活塞換向機(jī)構(gòu)通過外筒矩形花鍵與活塞聯(lián)接，活塞內(nèi)孔則通過梯形螺旋副與心軸聯(lián)接，從而可使扭轉(zhuǎn)振動沖擊載荷轉(zhuǎn)換為工作腔的縱向分力，從而保持較為恒定的扭矩。

2 失效機(jī)理研究

2.1 密封失效

密封件失效和各類密封面磨損都可能導(dǎo)致雙向減震器的密封失效，進(jìn)而引起刮子脫落、液壓腔漏油、外筒脹裂等。刮子體的位置及其內(nèi)部密封圈如圖2所示。

密封件失效有兩種形式，一是密封間隙過大，二是密封件損壞。雙向減震器內(nèi)部密封件較多，密封件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)也各不相同，以橡膠密封圈(如O型圈、V型圈等)居多。橡膠耐水、耐油性能較好，但強(qiáng)度較低，承受高溫高壓的能力相對較弱。隨著雙向減震器的使用，不同結(jié)構(gòu)之間的摩擦和碰撞易導(dǎo)致密封件與密封體之間的間隙增大，使密封件失去密封效果。泥漿鉆井作業(yè)中，特別是在高溫等惡劣環(huán)境條件下，橡膠很容易老化變質(zhì)，其彈性和力學(xué)性能急劇下降。在含有巖屑的高速氣液固三相流作用下，橡膠很快會被刺穿從而失去密封效果。

雙向減震器不同結(jié)構(gòu)都有密封面，包括油缸密封面、活塞密封面和油缸內(nèi)密封面。密封面表面存在直角變徑臺肩，高速流體攜帶巖屑在此處容易形成渦流，高速旋轉(zhuǎn)的固體巖屑則交變沖擊作用于減震器的密封表面，產(chǎn)生點(diǎn)狀坑蝕以及密封面的拉傷、磨損等，導(dǎo)致其無法實(shí)現(xiàn)全密封，并逐漸破壞密封件，使密封徹底失效。

2.2 螺紋損壞

螺紋處一般為應(yīng)力集中區(qū)，易發(fā)生故障。SJ型雙向減震器的連接螺紋較多，如雙向減震器與其他鉆井工具、下接頭與油缸、油缸與活塞、心軸與沖管、扶正套筒與花鍵體等都通過螺紋連接(見圖3)。一旦螺紋損壞，容易發(fā)生黏扣、外筒脫落等故障。

圖3 扶正套筒與花鍵體連接處的螺紋Fig.3 Connecting position of the screw thread of centering sleeve and the spline body

根據(jù)維修情況，黏扣偶有發(fā)生，而雙向減震器螺紋黏扣的原因很多：絲扣或臺肩不干凈或損壞，裝配前絲扣和臺肩沒有徹底涂抹鉆具螺紋脂，裝配和拆卸過程中未對準(zhǔn)絲扣，裝配和拆卸過程中扭轉(zhuǎn)絲扣時(shí)施加了彎曲載荷，滲漏使絲扣變干或充滿研磨性物質(zhì)等。

減震器在工作過程中要承受交變的沖擊、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷。正常工作條件下，減震器心軸帶動花鍵，花鍵帶動外筒，從而實(shí)現(xiàn)心軸的伸縮與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其中外筒在使用過程中承受沖擊、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷，從應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生疲勞斷裂[9]。由于螺紋為應(yīng)力集中區(qū)，且減震器外筒壁較薄，螺紋處抗扭彎曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較弱，一旦減震器使用時(shí)間過長或經(jīng)過多次修復(fù)，該處承受各種載荷的能力就會減弱。當(dāng)鉆頭在鉆進(jìn)的過程中遇到地質(zhì)條件復(fù)雜的地層時(shí)，減震器心軸會發(fā)生向上運(yùn)動的現(xiàn)象，心軸九頭螺紋上端的防掉裝置將起到懸掛外筒的作用，它的上端面將直接接觸到扶正套筒螺紋(外螺紋)的小端端面。在井下工況比較復(fù)雜、減震器跳動比較嚴(yán)重或遇阻起鉆時(shí)，扶正外筒受到較大的向上沖擊和拉力，當(dāng)達(dá)到螺紋連接疲勞極限時(shí)會發(fā)生斷裂，如圖4所示。

圖4 扶正套與花鍵體連接處螺紋斷裂Fig.4 Fracture of connecting thread between the centering sleeve and the spline body

雙向減震器工作中受力較大，相連部位之間的撞擊力也較大。對雙向減震器進(jìn)行拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)，90%的雙向減震器在螺紋連接處都有磨損，防掉帽與扶正套公扣端面的磨損更為嚴(yán)重，最嚴(yán)重的情況公扣端磨損5～10 mm。

2.3 心軸與外筒脫落

減震器上心軸九頭螺紋上端裝有提吊防落裝置，是減震器上接頭提升外筒的承壓部件，也是內(nèi)部心軸提升外筒的主要裝置。提吊防落裝置是由4塊環(huán)形卡塊組成的圓筒，上面有圓形鎖環(huán)防止卡塊從圓筒中脫出，如果鎖環(huán)被上端面超標(biāo)磨損時(shí)，卡塊會從圓筒中脫出，造成提吊裝置失效，上接頭心軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外筒脫開，使外筒及以下鉆柱構(gòu)件、鉆頭等落井。如圖5所示的SJ型雙向減震器只在扶正套處有防掉裝置，且扶正套公扣壁較薄，與其他連接扣的連接方式相反，易發(fā)生脫落事故。

圖5 防掉裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural diagram of anti-dropping device

2.4 九頭螺紋設(shè)計(jì)缺陷

受到縱向力時(shí)，雙向減震器的心軸和外筒通過九頭螺紋發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在減震器使用時(shí)存在卡死不起作用的情況下，拆卸檢查發(fā)現(xiàn)固件完好，但九頭螺紋拉傷，其原因是九頭螺紋牙頂沒有倒圓弧，使之與牙底相切，當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)，導(dǎo)致螺紋拉傷或出現(xiàn)翻邊、毛刺等。

2.5 其他失效

其他失效包括心軸鍍鉻面脫落和零部件磨損、銹蝕等。

減震器裝配時(shí)，如果夾持在心軸上，心軸鍍鉻面會受到損壞，導(dǎo)致雙向減震器報(bào)廢。當(dāng)減震器工作時(shí)，如果長時(shí)間作用在芯軸的同一個(gè)位置，將使得芯軸的某一塊鍍鉻面極易損壞。首次維修時(shí)這種情況相對少些，但隨著維修次數(shù)的增加，鍍鉻面損壞情況幾乎都會出現(xiàn)。

雙向減震器內(nèi)部還有很多零部件，如油堵、卡簧等小配件，容易出現(xiàn)磨損、銹蝕的情況，像卡簧鎖緊絲堵上的卡簧如果安裝不到位或在井底失效，絲堵很快會被液壓油頂松，造成液壓油泄漏。

3 減震器失效應(yīng)對措施

基于上述分析，提出解決雙向減震失效問題的應(yīng)對措施。

3.1 控制人為損壞

加強(qiáng)使用人員的培訓(xùn)，讓其充分掌握雙向減震器在不同情況下的安放位置、與鉆鋌和鉆頭的匹配情況、鉆壓和扭矩的優(yōu)選、鉆井參數(shù)的記錄、鉆進(jìn)過程的操作/清洗/測量等知識。使用中嚴(yán)禁用大鉗和卡瓦夾鍍鉻面，否則會直接造成減震器報(bào)廢。

3.2 預(yù)防密封失效

密封失效是雙向減震器失效的主要形式，使用中的腐蝕、過載、磨損、疲勞和撞擊都有可能導(dǎo)致密封失效。密封件不可長時(shí)間使用，可以通過履歷卡的形式對減震器使用時(shí)間進(jìn)行匯總，使用時(shí)間過長的減震器強(qiáng)制進(jìn)行密封件的更換。同時(shí)，可以適當(dāng)把某些密封圈換成夾布密封圈，以減小扶正套密封圈槽與密封圈之間的間隙。

首先，針對密封件的失效原因，通過改進(jìn)密封材料和結(jié)構(gòu)來對密封件進(jìn)行優(yōu)化。

(1) 采用特殊的密封結(jié)構(gòu)或其他材料代替原密封件。利用特殊材料的滑環(huán)包圍密封圈，由于滑環(huán)材料摩擦因數(shù)小，彈性、散熱性較好、耐高溫能力較強(qiáng)，可使密封圈與密封表面無相對運(yùn)動，并且避免帶有固體巖屑顆粒的高速流體對密封圈的沖擊，從而滿足惡劣工況下的密封要求。

(2) 密封結(jié)構(gòu)采用二級密封設(shè)計(jì)，一級為隔離環(huán)境介質(zhì)，二級為工作介質(zhì)密封[10]。兩個(gè)密封組之間的距離大于震擊器的下?lián)粜谐蹋瑒t可使震擊器的密封配合表面始終處于筒體內(nèi)。在此條件下，即便循環(huán)介質(zhì)在變徑處形成渦流，也損壞不了配合表面的密封件，從而保證了密封的有效性，延長其使用壽命。

其次，考慮密封面的優(yōu)化。

(1) 將外徑尺寸變化較大的部位設(shè)計(jì)成流線形，避免高速流體在這些部位形成渦流，從而減少流體攜帶高速巖屑顆粒撞擊破壞減震器密封表面的可能性。

(2) 優(yōu)化表面處理工藝，提高涂層質(zhì)量，避免涂層中微孔隙，降低涂層內(nèi)應(yīng)力，減少涂層微裂紋，以隔斷高密度腐蝕性介質(zhì)通道，從而實(shí)現(xiàn)抗腐蝕、耐磨的效果。

3.3 加強(qiáng)各崗位檢查

為了保證雙向減震器的質(zhì)量，需在運(yùn)輸、使用、起鉆等各個(gè)時(shí)間段對其進(jìn)行檢查。

(1) 運(yùn)輸前查看兩端螺紋是否涂抹防蝕脂及配帶護(hù)絲、心軸鍍鉻面外圓上卡箍，以防止運(yùn)輸過程中的損傷。

(2) 使用前對雙向減震器的外徑、心軸鍍鉻面、螺紋、油堵等進(jìn)行檢查，保證雙向減震器不存在磨損嚴(yán)重、偏磨、螺紋損壞、漏油等問題，同時(shí)測量其工作行程是否符合要求。

(3) 減震器每次起出井口后要認(rèn)真清洗，檢查油堵是否松動或脫落，各部絲扣有無刺扣/黏扣/斷裂等現(xiàn)象，判別減震器的壓縮回彈量，回彈量越小，減震器油腔的工作性能就越差，當(dāng)正常情況下心軸可見部分的長度小于供井時(shí)長度的80%時(shí)停止使用。

(4) 在組裝前和維修時(shí)對減震器進(jìn)行嚴(yán)格的探傷檢驗(yàn)(探傷手段包括超聲波探傷和熒光磁粉探傷)，對承壓部分的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波探傷，保證主體無損傷，若主體磨損超過原尺寸的98%時(shí)停止使用；對輔助結(jié)構(gòu)、連接螺紋、公扣和臺肩或絲扣端面、內(nèi)外部部件、油堵孔等臨界應(yīng)力區(qū)進(jìn)行磁粉探傷，確保表面無裂紋等隱患。

(5) 使用中如果發(fā)現(xiàn)如下情況必須停止使用并返廠檢修：刮子完全脫出，鉆井液進(jìn)入減震器；減震器外觀發(fā)現(xiàn)液壓油滲漏；各連接螺紋有松動或損壞。

3.4 改進(jìn)九頭螺紋結(jié)構(gòu)

受九頭螺紋的構(gòu)造和車床加工的限制，九頭螺紋倒45°或圓弧加工對比方案見表2。因?yàn)檠理斉c牙底正常情況下是不接觸的，只是為了消除應(yīng)力集中，就可以不考慮精度因素，故選擇方案二。改造前后的受力方式對比見圖6。

表2 九頭螺紋結(jié)構(gòu)改造方案比較Table 2 Scheme comparison for improving the nine-thread structure

圖6 九頭螺紋結(jié)構(gòu)改造前后受力方式比較Fig.6 Stress mode comparison of the nine-thread structure before and after improvement

改造后九頭螺紋結(jié)構(gòu)壓不動現(xiàn)象消失，可壓縮量增加，彈性效果增強(qiáng)，扭矩減震效果大幅度提高。

4 結(jié) 語

在海洋石油天然氣鉆井過程中，雙向減震器在吸收鉆柱縱向振動和扭轉(zhuǎn)沖擊、降低鉆井成本、提高機(jī)械鉆速方面發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢。通過對雙向減震器的結(jié)構(gòu)原理和失效機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)密封件失效、密封面損壞、黏扣、外筒螺紋斷裂、螺紋磨損、心軸與外筒脫落、九頭螺紋設(shè)計(jì)缺陷、心軸鍍鉻面脫落、零部件磨損(銹蝕)等是造成雙向減震器失效的主要原因。針對雙向減震器發(fā)生失效的情況，制定出了一系列操作性強(qiáng)的解決措施，如控制人為損壞、對密封面和密封件進(jìn)行優(yōu)化、加強(qiáng)對各崗位的檢查等，并從減震器的管理、使用、檢修、優(yōu)化等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。通過這些措施可以有效降低減震器的失效風(fēng)險(xiǎn)，減少故障發(fā)生幾率，對于生產(chǎn)提速和鉆井安全具有重要意義。

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StudyonFailureMechanismandCountermeasuresofTwo-WayShockAbsorberinOceanDrilling

TIAN Jia-lin1,2, FU Chuan-hong1, DONG Ming-jian3,LIU Zheng-lian4, LONG Xiao-kang5, FANG Jian5, WU Chun-ming1

(1.SchoolofMechatronicEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China; 3.SinopecShengliPetroleumEngineeringCo.,Ltd.SouthwestBranch,Deyang,Sichuan618000,China; 4.CCDCDrilling&ProductionEngineeringTechnologyResearchInstitute,Guanghan,Sichuan618300,China; 5.SouthwestOil&GasFieldCompany,CNPC,Chengdu,Sichuan610051,China)

In view of the deficiencies in the study of two-way shock absorber in marine oil and gas drilling and its abnormal failure, the failure mechanism is analyzed based on the structural principle of two-way shock absorber and field use. On the basis of the analysis, a series of feasible measures are established. The results show that the main causes leading to two-way shock absorber’s failure include seal failure, thread failure, loosening between spindle and outer cylinder, and the design defects of nine-thread. Accordingly, avoiding artificial damage, preventing seal failure, strengthening supervision of all positions and improving the nine-thread structure are reasonable choices to avoid shock absorber failure. The conclusions are helpful to effectively reduce the risk of shock absorber failure and the failure probability, which are of great significance to improving production speed and drilling safety.

marine oil and gas well; drilling tool; two-way shock absorber; failure analysis

TE93；TE95

A

2095-7297(2015)02-0099-06

2015-03-24

石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(OGE201403-05)、國家自然科學(xué)基金(51074202,11102173)、四川省教育廳成果轉(zhuǎn)化重大培育項(xiàng)目(12ZZ003,No.667)

田家林(1979—)男，博士，副教授，主要從事機(jī)械振動、井下工具、鉆井動力學(xué)等方面的研究。