機械鎖緊液壓式隨鉆震擊器應用分析

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

機械鎖緊液壓式隨鉆震擊器應用分析

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

帶機械鎖緊機構的液壓式隨鉆震擊器集液壓式與機械式震擊器功能于一體，采用液壓原理與機械原理，取長補短達到優勢互補，提高了工具的一次下井隨鉆時間和整機壽命。該復合震擊器具有防誤震、在鉆柱中連接位置自由等特點，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等。介紹了機械液壓式隨鉆震擊器的結構、工作原理及性能特點。現場應用表明：在使用過程中避免了誤震問題，可滿足鉆井工程的需要。

機械液壓式；隨鉆震擊器；技術性能

自20世紀90年代以來，隨著石油勘探開發技術的發展，石油設備已引起各國石油界的高度重視。各石油公司依賴科技進步，積極采用先進技術發展新設備，提高了石油設備在適應性、可靠性、品種多樣性和系列化、集成化、自動化、智能化等方面的總體水平。

在鉆井作業中，卡鉆對鉆井工作影響很大，危害也很深，如果處理不當，不僅消耗時間長，損失鉆井進尺，而且可能使事故惡化，甚至造成油氣井報廢。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越受到關注的今天，正確地選擇和使用震擊器將為鉆井作業帶來可觀的經濟效益。

1 發展現狀

1.1 國外情況

國外生產震擊器的廠家很多，產品規格品種比較齊全，技術水平也很高，這與他們對鉆井安全的高度重視密切相關。西方發達國家特別重視石油鉆采裝備的研發，在技術、制造水平等各方面均居國際領先的地位。國外井下工具主要生產廠家有NOV、Weatherford、Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger、Cougar等。

1.2 國內情況

我國每年因為鉆井作業事故導致直接經濟損失數億元，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越受到關注的今天，正確地認識震擊器對鉆井作業的重要意義，設計和制造高水平的產品，正確地選擇和使用震擊器，發揮它們應有的效能，將為鉆井工業帶來巨大的經濟效益。

2 技術分析

2.1 結構組成

機械液壓式隨鉆震擊器包括液壓延時機構、機械鎖緊機構、上下打擊機構、上下密封機構、轉矩傳遞機構、上下連接機構6部分，如圖1所示。

圖1 機械液壓式隨鉆震擊器結構

液壓延時機構由閥體心軸、下筒體、閥體總成、活塞和下接頭組成；機械鎖緊機構由彈性機構總成、卡瓦心軸、卡瓦、卡瓦套、上擊調節螺母、下擊調節螺母、調整套、隔套及襯套組成；上下打擊機構由上筒體、背母和卡瓦心軸的臺階面組成；上下密封機構由上密封組件、下密封組件和刮泥圈組成；轉矩傳遞機構由花鍵心軸、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；上下連接機構由花鍵心軸和下接頭的兩端連接螺紋組成［3-5］。

機械鎖緊機構釋放過程如圖2所示。該鎖緊機構各部件間摩擦力較小，同其他結構相比，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且調節操作簡易，調值準確穩定。產品性能受高溫、腐蝕性介質等工作環境影響小，適用于各種工況下的隨鉆作業。

液壓延時機構由閥體心軸與閥體總成組成，二者通過合適的配合可以有效地保證心軸在機械部分釋放后，系統進入液壓延時階段。結合鉆井工藝和現場操作的需要，適當地延時時長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、閥芯、絲堵等組成，如圖3所示。

圖2 機械鎖緊機構釋放過程示意

圖3 閥體總成

2.2 工作原理

當需要上擊時，上提鉆柱使震擊器的心軸隨之向上運動，彈性機構總成受拉／壓產生彈性變形，隨著大鉤上提力的不斷增加，彈性機構總成的變形也隨之增大。在彈性機構總成拉伸／壓縮達到臨界位置時，卡瓦突然完全張開與卡瓦套嚙合，當拉力達到鎖緊機構釋放力的大小時，鎖緊裝置松開，就進入了液壓延時階段。這時，絞車將被剎死，震擊器在預拉力及液壓阻力的作用下緩慢拉開。之后，震擊器就進入了自由打擊狀態，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內快速滑動到極限位置，打擊機構發生打擊，產生強大的上擊力。此時，只需下放鉆柱，就可以使震擊器復位，以備下次震擊或繼續鉆進。當需要下擊時，適當下放鉆柱，直到施加到震擊器上的壓力超過鎖緊機構的釋放力。這時，鎖緊裝置將打開，在彈性機構總成拉伸／壓縮達到臨界位置時，卡瓦突然完全張開與卡瓦套嚙合，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內快速滑動到極限位置，打擊機構發生打擊，產生強大的下擊力，心軸釋放后快速運行到閉合位置，產生一個向下的沖擊力。然后，適當上提鉆柱使震擊器復位，這時，可以進行下次震擊或者繼續鉆進［5］。

2.3 技術參數

2.4 技術特點

1） 在起下鉆、接單根、觸井底或鉆進時不會發生誤震現象。

2） 在鉆臺上無需任何安全夾具或特殊操作工藝規程。

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

4） 線性機械鎖緊機構不受轉矩影響；是高摩阻、定向井和大位移水平井的理想工具。

5） 操作簡單，僅為上下往復運動。

6） 鎖緊結構上下擊釋放力井口可調。

7） 機械鎖緊裝置在鉆井作業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） 液壓延時震擊允許操作者通過改變大鉤上提力的大小來控制井下震擊力的大小。

9） 全密封、油浴潤滑環境有利于減少磨損，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 關鍵技術

3.1 機械式工作原理的選擇

目前，國內外機械式震擊器按其鎖緊機構的不同可分為摩擦卡瓦式、彈簧預緊卡瓦式、行程控制卡瓦式3類。帶機械鎖緊機構的液壓式隨鉆震擊器選用行程控制式卡瓦鎖緊機構。該機構具有如下特點：摩擦副的強力摩擦較其他機構小，且易損件較少，使用壽命較長；整機機構合理，安全可靠，上下擊一體，上／下擊釋放力在井口分別可調，且操作簡便易行，調值準確穩定；產品性能受高溫、腐蝕性介質等工作環境影響小，適合復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，國內外液壓式震擊器按其結構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鎖緊機構可以較好地滿足常規作業，但其對密封及表面處理技術要求極為苛刻，受多因素制約，此類機構難以突破壽命短的瓶頸。帶機械鎖緊機構的液壓式隨鉆震擊器應用了阻尼閥式液壓延時鎖緊機構，該機構具有高可靠度、長壽命的特點。

3.3 機械和液壓的集成

機械液壓式隨鉆震擊器的機械部分采用行程控制的卡瓦式鎖緊機構，液壓部分采用閥式阻尼延時機構。通過相關尺寸鏈設計，確保了震擊的序列性和液壓延時時長的合理性，將二者有機地集成，實現了預期功能。

4 現場應用

下鉆時應先開泵循環，再緩慢下放。若在下鉆過程中發生遇卡，可啟動震擊器實施上擊解卡。在正常鉆進過程中，震擊器應處于鎖緊位置，在受拉狀態下工作［6］。

1） 發生卡鉆事故需上擊時，按以下步驟進行：①下放鉆具直到指重讀數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（如已為鎖緊狀態下井的震擊器不進行此步驟）。進行本步驟操作時，可在井口鉆桿上劃一刻線，下放1個上擊行程可確認震擊器回到“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，開始應用較低提拉力，以后逐漸增加，在同一上提力時應多次震擊以加強作用效果。最大上提力決不允許超過震擊器以上鉆柱重力與震擊器最大上擊釋放力之和。再重復上述過程，將產生連續上擊。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） 當發生卡鉆事故需下擊時，按以下步驟進行：①以壓力G′下壓鉆具產生震擊，G′＝地面調定的下擊力＋泥漿阻力＋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，重復上述步驟即可繼續向下震擊。震擊器下擊回位時，上提鉆柱時間不能過長，避免產生不必要的上擊。

在油田現場作業中，機械液壓式隨鉆震擊器在鉆井過程中得到成功應用。現場應用表明：該機械液壓式隨鉆震擊器與常規隨鉆震擊器相比，1次下井隨鉆時間達1 800 h，減少了不必要的起下鉆，降低了勞動強度和鉆井成本。

5 結論

1） 機械鎖緊液壓式隨鉆震擊器滿足了復雜井作業的需要，降低了勞動強度和鉆井成本。

2） 作為機械液壓式復合隨鉆震擊器，實現了機械部分鎖緊力的井口可調。

3） 機械鎖緊避免了誤震操作，液壓延時大幅增強了震擊效果，震擊解卡作業更為安全有效。

［1］ SY／T 5496—2000，震擊器及加速器［S］.

［2］ 王正寬.YJ-A型隨鉆震擊器應用分析及試驗［J］.石油礦場機械，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，張國田.帶機械鎖緊機構的液壓式隨鉆震擊器：中國，ZL 2005201 12147.6［P］.2006-08-16.

［6］ 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，高級工程師，主要從事石油鉆井工程工作。