震擊器概述與校核

□ 任 杰 □ 王清巖 □ 王戰(zhàn)濤 □ 范黎明

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院 長春 130000

2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 四川廣漢 618300

1 研究背景

隨著地質(zhì)勘探技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對鉆井機(jī)械的需求日益提高。當(dāng)前鉆機(jī)主要存在的問題如下：①鉆機(jī)鉆進(jìn)時存在停鉆現(xiàn)象；②鉆機(jī)鉆進(jìn)的工況存在泥包、井壁坍塌、泥漿上反等問題，且井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，都會使鉆具卡鉆，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度?？梢?，在盡量避免卡鉆事故發(fā)生的同時，探討如何解決卡鉆問題顯得尤為必要。

目前，鉆機(jī)井下解卡的方式包括活動解卡、倒扣解卡、套銑解卡、浸泡解卡、磨蝕解卡、爆炸解卡、震擊解卡等［1］，其中震擊解卡廣泛應(yīng)用于鉆井工程中，優(yōu)點(diǎn)在于震擊器制造工藝流程和使用條件簡單。在多變的井下環(huán)境中，與震擊解卡相比，其它解卡方式都存在操作復(fù)雜、時間消耗多、對井壁危害大等問題，并且容易引發(fā)井下二次事故。

筆者設(shè)計的是機(jī)械液壓式震擊器［2］。震擊器所產(chǎn)生的震擊力大小由阻尼、回路長短、鉆進(jìn)深度、鉆桿鉆鋌質(zhì)量等決定。震擊器結(jié)構(gòu)主要包括活塞桿、上缸套、下缸套、震擊體、上密封環(huán)、下密封環(huán)、導(dǎo)向桿等，如圖1所示。

▲圖1 震擊器結(jié)構(gòu)示意圖

2 震擊器工作過程

震擊器工作過程分為初始階段、限流階段、拉伸階段、沖擊階段、解卡階段和恢復(fù)階段［3］。

（1）初始階段。鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，震擊器隨鉆桿和鉆鋌一同工作，共同進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，震擊體在下端面，此時震擊器不起作用。

（2）限流階段。一旦鉆機(jī)遇到卡鉆或井下事故，上方提供一個上提力，液壓油順著間隙小孔向下緩慢流動。此時震擊器開始發(fā)揮作用，使憋壓區(qū)一部分拉力產(chǎn)生液壓勢能。

（3）拉伸階段。處于壓縮狀態(tài)的彈簧一旦有空間向上伸長，彈簧將給予震擊體向上的力，使震擊體快速向上運(yùn)動。

（4）沖擊階段。當(dāng)震擊體過憋壓區(qū)后，下端的液壓油會迅速向下流動，震擊體受向上力的作用，快速撞擊上端面。震擊體相對于套筒獲得較大的相對速度，從而產(chǎn)生大沖擊力。

（5）解卡階段。大沖擊力使鉆具產(chǎn)生劇烈振動，對卡點(diǎn)處的黏滯力產(chǎn)生反向作用，進(jìn)而解卡提鉆。解卡后，黏滯力消除，只需要再加外力提鉆即可。

（6）恢復(fù)階段。修復(fù)好鉆具，清理井下落魚后，鉆具繼續(xù)下放，使震擊器恢復(fù)初始狀態(tài)。震擊體壓到下端面，彈簧處于壓縮狀態(tài)，鉆具繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)工作，工程繼續(xù)進(jìn)行［4］。

圖2所示為震擊器工作過程中的初始、限流與沖擊階段。

▲圖2 震擊器工作過程示意圖

3 震擊器結(jié)構(gòu)原理

在傳統(tǒng)震擊器上加了彈簧作為儲能裝置。彈簧在鉆機(jī)正常工作時受壓力的作用，當(dāng)鉆桿受到向上的拉力時，震擊體會受到壓縮彈簧的向上作用力。隨著彈簧的伸長，液壓油順著活塞的孔壁緩慢向下流動，一旦經(jīng)過憋壓區(qū)，震擊體迅速向上滑動，相對于上下缸套產(chǎn)生較大的相對速度，運(yùn)動撞擊下端面，產(chǎn)生一個較大的動載荷［5］。

4 參數(shù)計算

4.1 液壓缸應(yīng)力校核

以YSJ40震擊器為例，液壓缸外徑DYY為117 mm，液壓缸內(nèi)徑dYY為92 mm，活塞桿直徑dHS為50 mm，震擊體外徑DZJ為92 mm，震擊體內(nèi)徑dZJ為45 mm，最大工作扭矩T為 5 kN·m，最大工作載荷F為176 kN，許用應(yīng)力［σ］取 120 MPa，許用剪力［τ］取 80 MPa［6］。

液壓缸受向上的軸向載荷，根據(jù)力學(xué)拉壓正應(yīng)力公式［7］，對液壓缸軸向應(yīng)力 σ1進(jìn)行校核［8］：

代入相關(guān)數(shù)值，得 σ1=42.9 MPa＜［σ］，符合應(yīng)力要求。

4.2 液壓缸扭矩校核

液壓缸受到的最大扭矩不能超過許用工作扭矩，且在橫截面的周邊各點(diǎn)處，切應(yīng)力達(dá)到最大值。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核公式，對液壓缸所受的切應(yīng)力進(jìn)行校核［9］：

式中：τ為液壓缸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為液壓缸所受扭矩，N·mm。

代入相關(guān)數(shù)值，得 τ=25.7 MPa＜［τ］，符合扭矩要求。

4.3 活塞桿應(yīng)力校核

鉆機(jī)在最大鉆進(jìn)速度工作時［10］，活塞桿所承受的應(yīng)力最大。當(dāng)最大工作應(yīng)力超過許用應(yīng)力時，會導(dǎo)致活塞桿被破壞，因此需要對活塞桿所受軸向應(yīng)力σ2進(jìn)行校核：

代入相關(guān)數(shù)值，得 σ2=89.7 MPa＜［σ］，符合應(yīng)力強(qiáng)度要求。

4.4 震擊體應(yīng)力校核

震擊體在上提后擊打到上端面的瞬間時應(yīng)力值達(dá)到最大，此時的工況是最危險的，因此需要按照最大正應(yīng)力校核公式計算最大正應(yīng)力，確保震擊體強(qiáng)度不被破壞［11-12］。

式中：σ3為震擊體軸向應(yīng)力，MPa；K為載荷因子。

因為震擊器在沖擊階段會產(chǎn)生較大的動載荷，所以取 K=3，代入相關(guān)數(shù)值，得 σ3=104.4 MPa＜［σ］，符合應(yīng)力強(qiáng)度要求。

4.5 憋壓區(qū)壓強(qiáng)校核

震擊體一面受液壓作用，一面受閥體臺階端面作用，處于平衡狀態(tài)［13］。根據(jù)液壓正應(yīng)力強(qiáng)度來計算震擊體壓強(qiáng)P：

代入相關(guān)數(shù)值，得 P=34.8 MPa＜［σ］，符合應(yīng)力強(qiáng)度要求。

4.6 行程計算

震擊器行程的大小直接影響震擊力，憋壓區(qū)行程時間要在一個合理的范圍內(nèi)，一般60 s為一個合理的行程時間。根據(jù)流體流量、行程時間和截面的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)計算。

式中：L為憋壓區(qū)行程，mm；t為憋壓區(qū)行程時間，s；q為流量，mm3/s，取 q=24 000 mm3/s。

代入相關(guān)數(shù)值，得L=351 mm。

5 解卡失敗原因

震擊器解卡失敗的原因有多種［14-15］，分別進(jìn)行分析。

（1）震擊器的安放位置不正確。所設(shè)計的震擊器屬于上擊型震擊器，需要將震擊器安放在鉆桿的下端，距離卡點(diǎn)越近，震擊效果則越好。

（2）震擊器的憋壓區(qū)行程不足，震擊力達(dá)不到震擊要求。這需要在震擊器安放前精準(zhǔn)調(diào)節(jié)行程，合適的憋壓區(qū)行程才能產(chǎn)生足夠的震擊力。

（3）震擊器在下井之后沒有處于初始狀態(tài)，彈簧沒有被壓縮，震擊體沒有到達(dá)底端面，這樣震擊器無法有效工作。這需要足夠質(zhì)量的鉆桿和鉆鋌，工作時可以多次拉壓，將震擊器調(diào)試為初始狀態(tài)。

（4）井下環(huán)境復(fù)雜，震擊器產(chǎn)生震擊力也無法有效解卡。這需要在下井前計算好所需的震擊力，選擇型號合適的震擊器。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計的震擊器優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝優(yōu)良。震擊器安放后不用人為操縱下井，操作簡單。震擊力大小可調(diào)，適用于不同的井下環(huán)境。震擊器只需在鉆機(jī)下井前按規(guī)程安放即可。震擊器是全密封裝置，可以防止泥沙等雜物造成磨損，使用壽命長。在原有的震擊器上加了彈簧作為儲能裝置，具有較高的工程應(yīng)用價值。

［1］石峰.CSJ114震擊器的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.復(fù)雜油氣藏，2014（4）：82-84.

［2］周家齊，張國田，李東陽，等.全液壓式隨鉆震擊器的研制與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2009（9）：89-91.

［3］賀志剛，陳平.隨鉆震擊器安放位置優(yōu)化設(shè)計［J］.石油礦場機(jī)械，2001（5）：22-25.

［4］呂瑞典，李懷仲，湯平漢，等.隨鉆震擊器震擊力及影響因素分析［J］.石油機(jī)械，2010（7）：23-25.

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

［6］黃冠.全液壓隨鉆震擊器設(shè)計及參數(shù)化軟件開發(fā)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2014.

［7］張兆德，李向軍，王德禹.震擊器解卡過程的動力學(xué)分析［J］.石油礦場機(jī)械，2004（1）：8-11.

［8］李積泰.機(jī)械鎖緊液壓式隨鉆震擊器應(yīng)用分析［J］.石油礦場機(jī)械，2014（7）：67-70.

［9］鄭錫坤.機(jī)液控制隨鉆震擊器理論研究及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［D］.西安：西安石油大學(xué)，2010.

［10］李興杰，張國田，范春英，等.隨鉆震擊器筒體連接螺紋失效分析及改進(jìn)［J］.石油礦場機(jī)械，2010（5）：52-55.

［11］黃青松，遲軍，湯平漢，等.隨鉆震擊器上擊力計算研究［J］.石油礦場機(jī)械， 2010（8）：15-19.

［12］郭建莊，劉廣華，張國田，等.隨鉆震擊器及減震器失效分析與解決方案［J］.石油機(jī)械， 2009（12）：75-78.

［13］孫仁甫，黃蓓蕾.石油鉆井震擊工具向上震擊動載荷計算［J］.石油機(jī)械， 1997（5）：4-7.

［14］KALSI M S，WANG J K，CHANDRA U.Transient Dynamic Analysis of the Drillstring under Jarring Operations by the FEM［J］.SPE Drilling Engineeing，1987，2（1）：47-55.

［15］王戰(zhàn)濤，王清巖，任杰，等.液壓上擊器震擊器震擊力的計算與分析［J］.機(jī)械制造，2017，55（9）：42-45.