測井液壓震擊器的研制與應(yīng)用

龔光勇,孫志忠,薛建民,石慶平,萬海洋,吳西平

(1.中國石油集團測井有限公司培訓中心,陜西西安710076;2.中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安710201;3.西安石竹能源科技有限公司,陜西西安710077)

0 引 言

由于井況復雜,電纜測井施工過程中經(jīng)常會遇到施工風險,其主要表現(xiàn)就是測井儀器串遇卡以及打撈等,嚴重影響測井作業(yè)[1]。井下儀器串遇卡的原因包括電纜吸附以及儀器串吸附或掛卡[2],造成儀器串吸附在井壁上或遇卡于縮徑及掉塊位置,儀器串向上拉動困難,不能繼續(xù)施工。一旦發(fā)生遇卡只能采用打撈的方式進行處理,成本昂貴,費時費力,且產(chǎn)生較大的施工風險。如果能夠在吸附初期還未粘死時,利用測井液壓震擊器(以下簡稱震擊器)給儀器串一個較大的沖擊力,很大程度上可以緩解吸附,甚至立即解卡,有效避免復雜情況的發(fā)生。對于復雜條件下的電纜測井施工作業(yè),震擊器的研制與應(yīng)用十分必要。

1 工作原理和基本結(jié)構(gòu)

1.1 震擊器工作原理

震擊器是針對儀器串解卡的作業(yè)工具。儀器串遇卡后,通過上拉電纜蓄存彈性勢能到達激發(fā)點解鎖,彈性勢能釋放使震擊錘高速向上完成碰撞震擊,從而解卡。其特點是純機械、無動力、液壓平衡,根據(jù)實際使用情況調(diào)節(jié)解鎖力大小,利用上部電纜及自身彈簧的彈性勢能在解鎖后形成強大的上擊力,可以重復多次震擊直至解卡。震擊器一般安裝于馬籠頭下方,針對遇卡儀器串卡點處,施加震動沖擊力,最大的優(yōu)點就是震擊實效性強,即時震擊[3]。

當儀器在上提過程中遇卡后,電纜張力不斷變大。觀察井下三參數(shù)張力值,直至三參數(shù)張力值大于解鎖力,此時震擊器震擊,儀器解卡;若儀器未能解卡,則將電纜釋放使震擊器復位,等待60 s后,拉動電纜再次進行,產(chǎn)生震擊,可以反復多次震擊直至儀器張力突然變小,繼續(xù)上提儀器解卡成功。震擊器施工工藝簡圖見圖1。

圖1 震擊器施工工藝簡圖

1.2 震擊力學分析

震擊器接于馬龍頭之下,當震擊器以下儀器遇卡時,測井絞車上拉電纜就會將電纜張力作用于震擊器,震擊器在電纜張力作用下壓縮碟簧儲存彈性勢能,當達到震擊器所設(shè)定的解鎖力時,彈性勢能被瞬間釋放到震擊錘上轉(zhuǎn)化成向上運動的動能,隨后與震擊筒發(fā)生碰撞產(chǎn)生一個向上的沖量,該沖量會直接傳遞至儀器串的遇卡位置,從而達到解卡的目的。根據(jù)動量定理

FΔt=mΔv

式中,F為沖擊所產(chǎn)生的力,N;Δt為沖擊發(fā)生的時間,s,沖擊的時間越短,沖擊所產(chǎn)生的力越大;m為部件質(zhì)量,kg;Δv為碟簧推力致使沖擊部件到達終點時所產(chǎn)生的最高速度,m/s,沖擊后速度為零,沖擊動量全部轉(zhuǎn)化為沖擊力。

震擊器彈簧的行程及結(jié)構(gòu)示意見圖2。其工作過程分為3個階段,即儲能、釋放和碰撞。

圖2 震擊器彈簧行程及結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1儲能階段

井下遇卡時,地面絞車上提電纜,震擊器外筒向上移動,拉動加速芯軸向上運動。此時,蓄壓碟簧儲存彈性勢能,待下部震擊錘釋放時將其轉(zhuǎn)化為動能[4]。儲存的彈性勢能

(1)

式中,U為彈性勢能,J;k1為電纜剛度,N/mm;x1為電纜伸長量,m;k2為蓄壓碟簧剛度,N/mm;x2為蓄壓碟簧壓縮量,m。

1.2.2釋放階段

當機械鎖突然解鎖釋放時,震擊器以下儀器約束被解除,彈性勢能釋放使震擊錘以極快的速度與震擊筒發(fā)生碰撞。有效勢能

(2)

式中,h為從釋放到碰撞的有效行程,m;Az為克服阻力所做的功,J;m1為上段儀器質(zhì)量,kg;v1為震擊錘碰撞的瞬時速度,m/s。

Az=(Q1+Q2+W1/2)h

(3)

式中,W1為上部運動儀器部分重力,N;Q1為上部運動儀器部分所受井液阻力,N;Q2為上部運動儀器部分與井壁摩擦力,N。

整理可得,碰撞前的瞬時速度

(4)

1.2.3碰撞階段

根據(jù)假設(shè),發(fā)生在井下的震擊碰撞被視為完全非彈性碰撞。震擊筒以上儀器部分與震擊筒以下至卡點位置儀器部分碰撞后,結(jié)合為一體同時向上運動。根據(jù)動量守恒定律[5]得

m1v1+m2v0=(m1+m2)v2

(5)

式中,m1、m2分別為上、下段儀器質(zhì)量,kg;v1、v0分別為上、下段儀器碰撞前的瞬時速度,m/s;v2為碰撞后的速度,m/s。Qg為作用于卡點的動載荷,kN/m2;A2為下段儀器的截面積,m2。設(shè)下段儀器的剛度為C2=EA2/L2,則δ=Qg/C2,其中L2為下段儀器長度,m;E為儀器本體材料的彈性模量;δ為在動載荷作用下,下段儀器被拉伸的形變量。已知下段儀器卡死時v0=0,則下段儀器所產(chǎn)生的彈性勢能

(6)

由式(6)整理可得

(7)

由式(7)可以看出,動載荷隨上提力F的增大而增大,其中m1=0.1m2,C2=900 N/mm,解鎖力設(shè)定在4 200 lbf[注]非法定計量單位,1 lbf=4.448 222 N,下同,若不考慮能量損失,動載荷Qg是上提解鎖力F的5倍左右。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試制造

震擊器的設(shè)計是將儲能加速段與震擊解鎖機構(gòu)結(jié)合,極大程度縮短了儀器長度及重量,獨特的液壓鎖與復位機構(gòu)設(shè)計保證了儀器的可靠性,其主要技術(shù)指標見表1。儀器的震擊力可以達到設(shè)定解鎖力的4倍以上,解鎖力可調(diào)可控,其調(diào)節(jié)范圍1.3～2.2 t。儀器配套有相應(yīng)的專用地面測試設(shè)備,以便實時檢測儀器可靠性。

表1 主要技術(shù)指標

2.1 總體設(shè)計

震擊器由上接頭組件、平衡活塞組件、儲能加速組件、解鎖震擊組件及下接頭組件等組成?？傮w結(jié)構(gòu)示意見圖3。平衡活塞組件用于平衡井下外界鉆井液壓力,保證震擊力輸出不受井下鉆井液壓力影響;儲能加速組件提供震擊部分沖擊所需速度,包含能量儲備及加速部件;解鎖震擊組件[6]用來調(diào)節(jié)解鎖力的大小,匹配弱點,保證解鎖力不至于超過弱點值的70%,同時內(nèi)部有液壓鎖,在達到解鎖力以后自動解鎖,儲能加速組件及內(nèi)部震擊錘對下部遇卡儀器串部位發(fā)生碰撞震擊。

圖3 總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 分項設(shè)計

2.2.1上接頭組件

用于連接地面測試設(shè)備與下井儀器,一般為馬龍頭。該部分選用高壓電氣接插件,需要承壓140 MPa、耐溫175 ℃,將液壓油與上部儀器隔離開,同時需要將電纜貫通至下部儀器。

2.2.2平衡活塞組件

用于平衡井下壓力,保證儀器內(nèi)部壓力與外界壓力相同,活塞選用高耐磨、防腐蝕的Qbe2材料,密封采用耐高溫175 ℃的氟橡膠進口O形圈作為密封元件(見圖4)。

2.2.3儲能加速組件

儀器在承受張力作用時,壓縮碟簧儲存彈性勢能,達到解鎖力時釋放彈性勢能,為震擊錘震擊提供動力,外殼體材料選用耐腐蝕、重量輕的鈦合金TC11作為主材,碟簧選用高性能的彈性合金材料,加速軸的動密封采用耐高溫氟橡膠O形圈結(jié)合改性四氟,保證密封可靠同時提升耐用性(見圖5)。

2.2.4解鎖震擊組件

在儀器上拉過程中,震擊組件會在達到設(shè)定的張力值(1.3～2.1 t)時,瞬間釋放,使得中心軸連同震擊錘處于自由狀態(tài),此時在加速筒中的能量釋放,使得震擊錘向上完成震擊(見圖6)。儀器外殼體選用耐腐蝕、耐沖擊的不銹鋼17-4作為主材,儀器內(nèi)部設(shè)計有可以通過外部調(diào)節(jié)解鎖力大小的機構(gòu),震擊錘及所有運動活塞均采用強度高、耐磨性好的Qbe2材料,液壓鎖密封采用高溫組合密封圈,同時設(shè)計有線纜的固定裝置,以防止線纜伸縮被擠壞。

圖4 平衡活塞組件示意圖

圖5 儲能加速組件示意圖

圖6 解鎖震擊組件示意圖

2.2.5下接頭組件

用于連接解鎖震擊組件和下部儀器,與上接頭一樣需要選用高壓電氣接插件,承壓140 MPa、耐溫175 ℃,將液壓油與下部儀器隔離開,同時需要將電纜貫通至下部儀器。

2.3 儀器制造與測試

2.3.1儀器制造

對于關(guān)鍵部位配合精度要求高的零件,采用數(shù)控機床結(jié)合研磨工藝以保證儀器達到精度要求。對于細長軸,采用熱處理時效,保證零件穩(wěn)定不變形。對于液壓閥件進行獨立高低溫加壓測試。

2.3.2儀器測試

根據(jù)地面檢測設(shè)備多次測試,如圖7、圖8所示,震擊力可達解鎖力的4.5倍左右,其能量轉(zhuǎn)化率相當高。測井時使用常規(guī)馬籠頭弱點拉斷螺釘?shù)牧? 000 lbf,我們會將解鎖力(激發(fā)點力值)設(shè)置在6 000×70%=4 200 lbf,其解鎖后的震擊力可達18 900 lbf,施加在遇卡位置。

圖7 單次測量結(jié)果圖

圖8 11次測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 應(yīng)用案例分析

震擊器于2018年6月開始應(yīng)用于各大油田,據(jù)部分統(tǒng)計,中國石油集團測井有限公司長慶分公司應(yīng)用158井次,儀器遇卡40井次,成功解卡26井次,成功率65%,效果顯著。

3.1 應(yīng)用案例1

2020年5月19日在耿側(cè)XXX井,井深2 146 m,靶位移276 m。儀器連接順序:4 m電極+4 m短節(jié)+震擊器+三參數(shù)+伽馬+連斜+井徑。在儀器測至1 834 m時,儀器串遇卡,采用常規(guī)手段快速上提下放電纜增加張力,多次嘗試解卡,未能成功。

后經(jīng)過計算震擊器的解鎖力,將電纜上提至絞車面板力值為34.2 kN,儀器串成功解卡。

3.2 應(yīng)用案例2

2021年10月28日在華XXX井進行核磁測井施工,井深2 415 m,最大井斜43.5°,目的層平均井斜31°。儀器下放至目的層段進行起測,上提30 m后遇卡,計算最大安全拉力32 kN,拉至26 kN解卡,繼續(xù)起測80 m后再次遇卡,緩慢上提拉至26 kN未解卡,放松張力再次上提至28 kN未解卡,繼續(xù)放松張力后上提拉至31 kN,在90 min內(nèi)震擊20余次后解卡,順利完成該井測井任務(wù)。

4 結(jié) 論

(1)測井液壓震擊器具有較高的技術(shù)指標和解卡能力,可以對輕度、中度遇卡進行有效的解卡操作以繼續(xù)完成測井作業(yè),從而降低了測井儀器遇卡事故發(fā)生的幾率,較好地保護井下貴重儀器和測井電纜。

(2)該震擊器的研制與成功應(yīng)用改變了復雜井眼環(huán)境下的測井方式,是現(xiàn)階段預防和解決電纜測井施工中儀器遇卡、降低打撈率、提高測井速度、降低作業(yè)成本的良好手段,具有較高的推廣應(yīng)用價值。