打撈震擊器力學分析

高巧娟，劉希茂，張 健，孫一迪，張若熙（．北京石油機械廠，北京00083；．中國石化集團　國際石油勘探開發有限公司，北京00083）

打撈震擊器力學分析

高巧娟1，劉希茂1，張 健2，孫一迪1，張若熙1
（1．北京石油機械廠，北京100083；2．中國石化集團國際石油勘探開發有限公司，北京100083）①

針對深井、斜井、水平井打撈作業中遇到的復雜解卡問題，對打撈工況進行了震擊力學研究。基于彈性理論與動力學理論相結合的方法對打撈震擊器震擊力進行分析，推導出震擊力計算公式。通過實例計算，建立函數關系分析了大鉤拉力載荷、鉆柱彈性伸長量、震擊器上部懸重和震擊器行程對震擊力的影響，為打撈震擊器的結構設計和現場應用提供參考。

打撈震擊器；彈性理論；動力學理論；震擊力

鉆井是一項地下工程，存在著大量的模糊性、隨機性和不確定性，底部鉆具的受力狀況和工作環境異常惡劣，是一個極其復雜的動力學系統［1］。有時會因各種因素產生井下許多復雜情況，甚至造成嚴重井下事故，不僅影響鉆井效率，還會造成經濟損失。據近年來的鉆井資料分析，鉆井過程中，處理復雜情況和鉆井事故的時間約占施工總時間的6%～8%［2］。在深井、斜井、水平井打撈作業中，如果抓住落魚后，經過大載荷提拉仍不能解卡，此時會出現意想不到的反常現象，例如可退式打撈筒抓住落魚后不可退，安全接頭卸不開等。針對此問題，為充分發揮震擊器效用，有必要對震擊器震擊力進行分析計算。近年來，有很多關于震擊力研究，例如賀志剛［3］研究震擊力時考慮了彈性波在鉆鋌中的傳播；Skeem［4］研究震擊力時考慮了彈性波只在鉆鋌中反射。筆者應用彈性波傳播理論，將彈性理論與動力學理論相結合，推導出了震擊器震擊力計算公式，利用函數圖分析了震擊力變化規律，得出影響震擊器震擊力的各種因素。

1 打撈震擊器結構及原理

1．1 結構

打撈震擊器主要由上接頭、活塞、中筒體、下接頭、心軸等組成，如圖1所示。

圖1 打撈震擊器結構示意

打撈震擊器以心軸為固定件，心軸中段為外六方，與下接頭內六方相配合，用于傳遞轉矩。活塞裝在心軸頂端，以螺紋連接，活塞外周有密封和支承環，當進行高泵壓循環時，將水眼和低壓腔分離，中筒體下部同一圓周均勻分布有4個排液孔，使低壓腔和環空相通。

1．2 解卡原理

打撈震擊器主要借助于鉆柱自身的質量和鉆柱彈性伸長所積蓄的彈性能量而形成強大的震擊力。上提鉆柱時，外部缸筒隨鉆柱上行，而心軸則固定不動，待下接頭的上端面與活塞下端面接觸時，行程被全部拉開。如果繼續上提鉆柱，鉆柱便開始彈性伸長，積蓄彈性能。當猛放鉆柱時，鉆柱由于自身的質量和彈性能的釋放而迅速下行，因為該工具有足夠的行程，下行鉆柱有一定的加速時間，使外筒體以極高的速度撞擊心軸接頭臺肩上，給被卡鉆具以強烈的震擊力。工作原理如圖2所示。

圖2 打撈震擊器工作原理

2 解卡模型分析計算

打撈震擊器安裝在可退式打撈筒和安全接頭上方，使撈筒解卡退出。當解卡退出時，司鉆通過鉆柱頂部施加拉力，上提鉆柱，將震擊器拉開至全行程h，繼續上提，使上部鉆桿發生彈性拉伸，當司鉆猛放鉆柱，關閉震擊器時，在可退撈筒附近瞬間產生向下的震擊力，使撈筒解卡，為打撈工具退出創造條件。

解卡過程可分為以下3個階段，其解卡模型結構如圖3所示。

圖3 解卡模型結構

2．1 加載階段

2．2 加速階段

式中：Δli為每根鉆柱彈性伸長量

式中：m2為震擊器上部所有鉆柱總質量，k N；h為震擊器工作行程，m；v為向下撞擊速度，m／s。

2．3 傳遞沖力階段

當震擊器行程閉合時，震擊器上部鉆柱停止運動，將沖力傳遞到卡點，隨即產生向下震擊作用，推動被卡工具。考慮到彈性波在鉆柱中的傳播，根據動量守恒，震擊力為［5］：

式中：ρ為鉆桿的材質密度，kg／m3；C0為彈性波在鉆柱中縱向傳播速度，m／s；Aj為震擊時自由端和承撞砧接觸橫截面積，m2；vc為釋放時自由端速度，m／s。

將式（1）～（3）合并得：

3 震擊力計算與影響因素分析

3．1 實例計算

以某次修井解卡作業為例，井眼直徑為?219mm。卡點在井下2700m處，鉆具組合為?165mm打撈筒＋?165mm安全接頭＋?165m m打撈震擊器＋?159mm鉆鋌200 m＋?127mm鉆桿2 500 m。?127mm鉆桿橫截面積為34 cm2，單位長度質量32．7 kg／m，?159 mm鉆鋌橫截面積為172．77cm2，單位長度質量134．7 kg／m，震擊行程為1 000 m m，取鉆柱材料的彈性模量E＝206×106kPa，彈性波速度C0＝5 800 m／s，鉆桿密度為7．8×103kg／m3，拉力載荷Fa＝1000k N。計算得沖擊速度v＝4．5 m／s，震擊力F＝2 724kN。

3．2 震擊力影響因素分析

3．2．1 拉力載荷的影響

假設其他參數不變，將大鉤拉力載荷由350 k N增加到1 200 k N，鉆柱最大伸長量可達420 cm，震擊力由1 000 k N增加到1 800 k N，如圖4。

圖4 拉力載荷變化時震擊力和彈性變形量關系曲線

震擊器震擊能量部分來源于上提鉆柱伸長時所儲存的彈性變形能，由圖4可知，拉力載荷分別與震擊力和彈性變形量成一次線性關系，在鉆桿材料彈性變形范圍內，鉆桿強度越高，拉力載荷越大，鉆桿伸長量越長，震擊力也越大。考慮到地面設備的承載能力與井下鉆具的許用拉力，實際拉力載荷的增加是有限度的，否則會引起螺紋連接脫扣現象。

3．2．2 震擊器上部懸重影響

當上提拉力載荷為350 k N時，將打撈震擊器上部懸重m2由30 t增加到108 t時，震擊力由995 k N增加到1 125 k N，如圖5所示。

圖5 打撈震擊器上部懸重與震擊力關系曲線

震擊力與上部懸重成冪函數關系。震擊器上部懸重m2越大，所產生的震擊力也越大。增加上部懸重有2種主要手段：第1種是直接增加鉆鋌長度來增加上部懸重，研究表明，修井作業一般增加1 700～2 300 kg鉆鋌；第2種是減少震擊器與卡點距離，增加上部鉆柱長度，從而增加上部懸重m2。當魚頂距卡點較遠，落魚管柱較長，此時類似于在震擊器與卡點之間增加了一個緩沖器，嚴重影響震擊力向卡點傳遞。因此，要盡可能取出卡點以上鉆柱，使震擊器靠近卡點更近，增大震擊力。

3．2．3 震擊器行程影響

假設其他參數均為定值，分別將打撈震擊器拉開不同的行程進行震擊，行程h由0．6 m逐漸增加到1．8 m，如圖6所示。

圖6 打撈震擊器行程長度與震擊力關系曲線

從圖6中可以看出，震擊力與行程長度成冪函數關系，適當增加上提行程，震擊力明顯增加。震擊器行程大于1．5 m時，震擊力增加緩慢。在實際修井作業中，當行程過長時，震擊器行程導向減弱，同時鉆柱摩擦力所消耗能量增加，實際產生震擊力變化不大。

4 結論

1） 通過彈性理論與動力學理論相結合，得出完整的打撈震擊力計算公式，為現場最佳應用提供參考。實例計算表明，?165 m m打撈震擊器在井下2 700 m處解卡沖擊力可達2 724 kN，撞擊速度達4．5 m／s。

2） 通過實例分析出震擊力不僅與大鉤拉力載荷有關，還取決于以下因素：震擊器在鉆柱內的安放位置、震擊器行程、井下鉆柱結構設計及井眼狀況。恰當位置安裝震擊器，合理調整鉆鋌數量，能最大限度利用震擊力解卡。

3） 在鉆具的彈性范圍內，井況相同條件下，拉力載荷越大，鉆柱被拉伸所儲存的變形能越大，產生震擊力也越大。

4） 鉆具組合中，適當增加鉆鋌所占比例，使震擊器距離卡點越近，產生震擊力越大。但在實際修井作業中，當套管變形或井眼較小時，如果鉆鋌加重，鉆柱受到井壁阻力變大，此時震擊力不會有明顯提高。若使震擊器靠近卡點，上部鉆柱長度增加，則上部懸重相應增大，震擊力加強。

［1］ 高明帥，王瑜．基于磁流變液的井下鉆具主動減振技術［J］．石油機械，2013，41（9）：7 11．

［2］ 李興杰，張國田．隨鉆震擊器筒體連接螺紋失效分析及改進［J］．石油礦場機械，2010，39（5）：52 55．

［3］ 劉長艷．液壓上擊器臺架試驗動力學探討［J］．石油礦場機械，2008，37（7）：56 59．

［4］ Marcus R S，Morton BF，Bruce H W．Drillstring Dy namics Dynamics During jaroperation［J］．JP T，1979 （11）：1381 1386．

［5］ 賀志剛．震擊器震擊作用動力學分析［D］．西南石油學院，1998．

Shock Mechanics Anaiysis of Fishing Jar

GAO Qiaojuan1，LIU Ximao1，ZHANG Jan2，SUN Yidi1，ZHANG Ruoxi1
（1．Beijing Petroleu m M achineru Factoru，Beijing100083，China；2．International Petroleum Exploration and Production Corporation，SI N O P E C，Beijing100083，China）

For the co m plex stuck freeing problem in deep wells，deviated wells，horizontal wells，shock forceis researched．Based on the elastic theory and dyna mics theory，the im pact delivered by fishing jar is verified by using m odel analysis．T he calculation form ula of the im pact force is de duced．Through exam ple calculation and diagra m analysis，the im pact force of the fishing jar is effected by the overpull of the hook，the elastic elongation of the drill string，the available slack off weight above the fishing jar and the stroke of the fishing Jar，w hich provides an im portant reference value for design and placement．

fishing jar；elastic theory；dyna mics theory；im pact force

T E921．9

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．008

1001 3482（2015）06 0034 04

①2014 12 06

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”子課題“煤層氣水平井、多分支水平井鉆井技術”（2011Z X05036 002）

高巧娟（1983 ），女，工程師，碩士，主要從事井下工具的研發工作。