海洋鉆井用雙向減震器的失效機理與應對措施研究

田家林，付傳紅，董明鍵，劉正連，龍小康，方 劍，吳純明

(1. 西南石油大學機電工程學院,四川 成都 610500;2. 西南交通大學機械工程學院,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理與應對措施研究

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. 西南石油大學機電工程學院,四川 成都 610500;2. 西南交通大學機械工程學院,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非正常失效等問題，根據雙向減震器的結構原理以及現場使用情況對其進行失效機理的研究。在此基礎上，制定出一系列操作性強的解決措施。結果表明：密封失效、螺紋損壞、心軸與外筒脫落、九頭螺紋設計缺陷等問題是雙向減震器失效的主要原因，控制人為損壞、預防密封失效、加強各崗位檢查、改進九頭螺紋結構等方法是解決雙向減震器失效問題的重要措施。該研究結論可以有效降低減震器的失效風險，減少故障發生幾率，有利于生產提速和鉆井安全。

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優勢在鉆井提速方面得到廣泛應用。雙向減震器不僅能夠有效地吸收鉆柱縱向振動和扭轉沖擊，避免鉆柱構件過早失效，改善井底鉆井條件，延長鉆頭使用壽命，加快鉆井速度，減少鉆機設備的危害，在地質構造復雜的井身結構中還能夠解決鉆井施工中的憋跳現象，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，相關領域的專家和學者對其進行了大量的研究。通過對減震器關鍵零部件的設計以及對減震器的優化來提高減震器的性能和使用壽命、降低鉆井成本[1-3]；分析減震器的結構組成和工作原理，進行相關的力學計算，并對雙向減震器進行改進，提高減震器的使用壽命和質量[4-5]；在鉆井現場使用雙向減震器解決跳鉆、鉆具斷裂以及機械鉆速低等問題[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防措施。

基于以上情況，本文對雙向減震器的結構原理進行介紹，對其失效機理展開分析，同時提出一些應對減震器失效的可行措施。研究結果可為保證減震器的質量、減少鉆井事故提供指導。

1 雙向減震器結構原理

在海洋油氣鉆井過程中，2011—2013年使用的雙向減震器數量和規格如表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，在實際使用的過程中，雙向減震器往往沒有達到標準中規定的最少時間便出現問題。而在使用過程中如果減震器出現失效甚至斷裂，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防措施，對保證減震器使用質量、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量Table 1 Numbers of different models of two-way shock absorber used in 2011—2013

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

圖1 雙向減震器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-way shock absorber structure

減震器工作時，工作介質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動，通過在壓力作用下產生彈性變形，吸收、釋放鉆頭和鉆柱振動能量。同時，阻尼腔中的液體高速流過阻尼環隙時，會產生大量摩擦熱耗散部分能量。因此，雙向減震機構能起到調節鉆具軸向振動的作用。

活塞換向機構通過外筒矩形花鍵與活塞聯接，活塞內孔則通過梯形螺旋副與心軸聯接，從而可使扭轉振動沖擊載荷轉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致雙向減震器的密封失效，進而引起刮子脫落、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。雙向減震器內部密封件較多，密封件的結構和材質也各不相同，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，不同結構之間的摩擦和碰撞易導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。泥漿鉆井作業中，特別是在高溫等惡劣環境條件下，橡膠很容易老化變質，其彈性和力學性能急劇下降。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。

雙向減震器不同結構都有密封面，包括油缸密封面、活塞密封面和油缸內密封面。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，高速旋轉的固體巖屑則交變沖擊作用于減震器的密封表面，產生點狀坑蝕以及密封面的拉傷、磨損等，導致其無法實現全密封，并逐漸破壞密封件，使密封徹底失效。

2.2 螺紋損壞

螺紋處一般為應力集中區，易發生故障。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

根據維修情況，黏扣偶有發生，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絲扣，裝配和拆卸過程中扭轉絲扣時施加了彎曲載荷，滲漏使絲扣變干或充滿研磨性物質等。

減震器在工作過程中要承受交變的沖擊、彎曲、扭轉等載荷。正常工作條件下，減震器心軸帶動花鍵，花鍵帶動外筒，從而實現心軸的伸縮與旋轉運動。其中外筒在使用過程中承受沖擊、彎曲、扭轉等載荷，從應力集中的薄弱環節發生疲勞斷裂[9]。由于螺紋為應力集中區，且減震器外筒壁較薄，螺紋處抗扭彎曲強度、抗拉強度較弱，一旦減震器使用時間過長或經過多次修復，該處承受各種載荷的能力就會減弱。當鉆頭在鉆進的過程中遇到地質條件復雜的地層時，減震器心軸會發生向上運動的現象，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。在井下工況比較復雜、減震器跳動比較嚴重或遇阻起鉆時，扶正外筒受到較大的向上沖擊和拉力，當達到螺紋連接疲勞極限時會發生斷裂，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。對雙向減震器進行拆卸時發現，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重，最嚴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，也是內部心軸提升外筒的主要裝置。提吊防落裝置是由4塊環形卡塊組成的圓筒，上面有圓形鎖環防止卡塊從圓筒中脫出，如果鎖環被上端面超標磨損時，卡塊會從圓筒中脫出，造成提吊裝置失效，上接頭心軸內部結構與外筒脫開，使外筒及以下鉆柱構件、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，易發生脫落事故。

圖5 防掉裝置結構圖Fig.5 Structural diagram of anti-dropping device

2.4 九頭螺紋設計缺陷

受到縱向力時，雙向減震器的心軸和外筒通過九頭螺紋發生旋轉。在減震器使用時存在卡死不起作用的情況下，拆卸檢查發現固件完好，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，當出現應力集中時，導致螺紋拉傷或出現翻邊、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，如果夾持在心軸上，心軸鍍鉻面會受到損壞，導致雙向減震器報廢。當減震器工作時，如果長時間作用在芯軸的同一個位置，將使得芯軸的某一塊鍍鉻面極易損壞。首次維修時這種情況相對少些，但隨著維修次數的增加，鍍鉻面損壞情況幾乎都會出現。

雙向減震器內部還有很多零部件，如油堵、卡簧等小配件，容易出現磨損、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 減震器失效應對措施

基于上述分析，提出解決雙向減震失效問題的應對措施。

3.1 控制人為損壞

加強使用人員的培訓，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、鉆壓和扭矩的優選、鉆井參數的記錄、鉆進過程的操作/清洗/測量等知識。使用中嚴禁用大鉗和卡瓦夾鍍鉻面，否則會直接造成減震器報廢。

3.2 預防密封失效

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致密封失效。密封件不可長時間使用，可以通過履歷卡的形式對減震器使用時間進行匯總，使用時間過長的減震器強制進行密封件的更換。同時，可以適當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，通過改進密封材料和結構來對密封件進行優化。

(1) 采用特殊的密封結構或其他材料代替原密封件。利用特殊材料的滑環包圍密封圈，由于滑環材料摩擦因數小，彈性、散熱性較好、耐高溫能力較強，可使密封圈與密封表面無相對運動，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) 密封結構采用二級密封設計，一級為隔離環境介質，二級為工作介質密封[10]。兩個密封組之間的距離大于震擊器的下擊行程，則可使震擊器的密封配合表面始終處于筒體內。在此條件下，即便循環介質在變徑處形成渦流，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，考慮密封面的優化。

(1) 將外徑尺寸變化較大的部位設計成流線形，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) 優化表面處理工藝，提高涂層質量，避免涂層中微孔隙，降低涂層內應力，減少涂層微裂紋，以隔斷高密度腐蝕性介質通道，從而實現抗腐蝕、耐磨的效果。

3.3 加強各崗位檢查

為了保證雙向減震器的質量，需在運輸、使用、起鉆等各個時間段對其進行檢查。

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

(2) 使用前對雙向減震器的外徑、心軸鍍鉻面、螺紋、油堵等進行檢查，保證雙向減震器不存在磨損嚴重、偏磨、螺紋損壞、漏油等問題，同時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，當正常情況下心軸可見部分的長度小于供井時長度的80%時停止使用。

(4) 在組裝前和維修時對減震器進行嚴格的探傷檢驗(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構進行超聲波探傷，保證主體無損傷，若主體磨損超過原尺寸的98%時停止使用；對輔助結構、連接螺紋、公扣和臺肩或絲扣端面、內外部部件、油堵孔等臨界應力區進行磁粉探傷，確保表面無裂紋等隱患。

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

3.4 改進九頭螺紋結構

受九頭螺紋的構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。因為牙頂與牙底正常情況下是不接觸的，只是為了消除應力集中，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 九頭螺紋結構改造方案比較Table 2 Scheme comparison for improving the nine-thread structure

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

改造后九頭螺紋結構壓不動現象消失，可壓縮量增加，彈性效果增強，扭矩減震效果大幅度提高。

4 結 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沖擊、降低鉆井成本、提高機械鉆速方面發揮了巨大的優勢。通過對雙向減震器的結構原理和失效機理的研究，發現密封件失效、密封面損壞、黏扣、外筒螺紋斷裂、螺紋磨損、心軸與外筒脫落、九頭螺紋設計缺陷、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。針對雙向減震器發生失效的情況，制定出了一系列操作性強的解決措施，如控制人為損壞、對密封面和密封件進行優化、加強對各崗位的檢查等，并從減震器的管理、使用、檢修、優化等各個環節進行控制。通過這些措施可以有效降低減震器的失效風險，減少故障發生幾率，對于生產提速和鉆井安全具有重要意義。

[1] Lan Z. Failure mechanism of two-way hydraulic shock absorbers and improvement measures[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2012(2): 21.

[2] 張旭.雙向減震器的結構及特性研究[D].大慶：大慶石油學院,2007.

[3] Ebrahimi B, Khamesee M B, Golnaraghi M F. Design and modeling of a magnetic shock absorber based on eddy current damping effect[J]. Journal of Sound and Vibration, 2008, 315(4): 875.

[4] 李相勇,張士明,孔凡華.復合碟簧減震器的分析[J].西部探礦工程,2010,22(8):53.

[6] Hutchinson M, Burgess D, Thompson F, et al. Self-adapting bottom-hole-assembly vibration suppression[C]. SPE, 2013: 166071.

[7] 范存章,趙巖,胡志興.震擊器與減震器在現場中的應用及效果[J].河北煤炭,2013,2(4):50.

[8] Elhachimi M, Torbaty S, Joyot P. Mechanical modelling of high speed drilling. 1: Predicting torque and thrust[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1999, 39(4): 553.

[9] 呂拴錄，高林，遲軍，等.石油鉆柱減震器花鍵體外筒斷裂原因分析[J].機械工程材料,2008，32(2)：71.

[10] 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].石油機械，2009，37(12)：75.

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實驗室開放課題(OGE201403-05)、國家自然科學基金(51074202,11102173)、四川省教育廳成果轉化重大培育項目(12ZZ003,No.667)

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