液壓機械一體式震擊解卡技術在水平井中的應用

田啟忠中石化勝利油田分公司石油工程技術研究院

液壓機械一體式震擊解卡技術在水平井中的應用

田啟忠
中石化勝利油田分公司石油工程技術研究院

震擊解卡是解除井下管柱卡阻的常用手段，但應用于水平井時，因其井筒摩阻大，震擊器上部鉆桿柱儲存的彈性形變能釋放時被摩阻消耗，震擊效果差，為此，進行了水平井液壓機械一體式震擊解卡技術研究。技術方案為：通過設計雙級彈簧缸結構來增加彈簧加速器的彈力，多組彈簧加速器串聯來增加工作行程，配合液壓增力器形成了水平井液壓機械一體式震擊解卡管柱，能夠克服彎曲井眼摩阻的影響，提高震擊效果。室內試驗表明水平井液壓機械一體式震擊解卡管柱的震擊性能參數符合設計要求，并根據試驗數據制定了現場施工技術參數。現場應用表明：液壓機械一體式震擊解卡技術解卡效果顯著，并且大鉤載荷能減少80%，降低了對修井設備的要求，提高了該技術的適用性。

修井；水平井；彈簧加速器；震擊增力器；震擊解卡

國家專利：專利名稱“一種水平井震擊解卡裝置及其施工方法”（編號：201510386264X）。

目前有以下幾種常用水平井遇卡管柱解卡技術：一是利用地面提升設備配合井下震擊器的震擊解卡技術［1］，該技術是通過地面提升設備快速上提鉆柱使其積蓄彈性能［2］，鉆柱底部連接震擊器的延時機構使彈性能延時釋放，彈性能在某一時刻的瞬間釋放形成震擊作用，但鉆柱的彈性能在釋放時被水平井井筒的摩阻消耗［3］，震擊效果差；二是利用水力錨把下部連接的增力解卡管柱錨定在套管內壁上，利用液壓增力器在水力錨和落魚之間產生大噸位拉力，實現增力解卡，該拉力通過水力錨施加到套管內壁上，避免對上部油管柱造成破壞，該技術目前在各大油田應用廣泛，但是施工時，液壓增力器拉力很大，極易使落魚管柱斷裂或魚頂開裂變形［4］，使打撈情況復雜化；三是利用震擊器配合倒扣工具進行解卡，首先利用震擊器將落魚管柱的絲扣震松，再通過上部的反扣管柱反轉倒扣進行解卡，但是旋轉管柱倒扣時，受井筒摩阻大的影響［5］，地面施加的扭矩極難傳遞到井下倒扣工具，應用效果較差。為解決以上問題，研制了震擊增力器和彈簧加速器，將地面設備對鉆柱的拉力蓄能轉換為彈簧加速器的彈簧壓縮蓄能，以克服水平井井筒摩阻的影響，同時還具備液壓增力解卡功能，可提高水平井落魚解卡成功率。

1 液壓機械一體式震擊解卡管柱Integral hydraulic-mechanical jarring string

1.1管柱結構

Structure of the string

水平井液壓機械一體式震擊解卡管柱見圖1。

圖1　液壓機械一體式震擊解卡管柱結構Fig.1 Structure of the integral hydraulic-mechanical jarring string

1.1.1彈簧加速器 當被卡管柱處于水平井段時，為克服井眼彎曲帶來的管柱摩阻，利用震擊增力器將液壓做功轉換為彈簧加速器的彈性勢能，再將彈性勢能轉換為震擊器活塞的動能，實現對被卡管柱的震擊解卡。結構見圖2。

圖2　彈簧加速器結構示意圖Fig.2 Structure of the spring accelerator

工作原理：彈簧加速器采用兩級彈簧缸結構，使兩組儲能彈簧并聯工作，實現彈性儲能增倍效果。可將短小型的單個彈簧加速器串聯使用，增加彈簧加速器的工作行程，滿足震擊器震擊行程的需要。使用時將彈簧加速器下部連接震擊器，上部連接震擊增力器，當震擊器下部連接的打撈工具撈住落魚后，通過地面泵車大排量打液壓，震擊增力器上部的水力錨撐開錨定在套管壁上，此時液壓推動震擊增力器液缸上行，震擊增力器外筒通過下接頭帶動彈簧加速器心軸上行，心軸通過中心管帶動底座和內接頭壓縮儲能彈簧進行彈性儲能，此時震擊器進入延時階段，當震擊器的延時阻尼機構釋放時，彈簧加速器儲存的彈性能瞬間釋放，轉換為震擊器心軸的動能，對卡點實現一次震擊。

根據彈簧加速器結構及性能要求，計算儲能彈簧技術參數（表1）。

表1　彈簧加速器儲能彈簧技術參數Table 1 Specification of heavy-duty spring in the spring accelerator

已知條件：彈簧加速器單級彈簧工作行程為110 mm，震擊器完成一次撞擊所需的總行程為360 mm，為滿足這一行程，采用4組彈簧加速器串聯，單個彈簧的自由長度為631 mm。

由此可知，4組彈簧加速器共8個彈簧總長為631 mm×8=5048 mm；彈簧加速器的彈性系數K2=2K1，四級加速器串聯的彈性系數K3=K2/4=K1/2；裝配工具時壓縮?x1=（631-620）×4=44 mm，工作總行程?x2=110×4=440 mm，撞擊完成彈簧釋放行程為360 mm，此時彈簧總形變?x3=?x1+?x2-360=124 mm。

因此，初始彈性勢能為

將K3、?x1、?x2代入式（1），得Ej' = 8960.292 J。

末彈性勢能為

將K3、?x3代入式（2），得Ej" = 588.132 J。

轉化的彈性勢能為Ej=Ej'-Ej" （3）

代入數值，得Ej=8 372.16 J。

因為液壓機械一體式震擊解卡管柱處于水平井段，故不考慮重力勢能的變化，由能量守恒定律：彈性勢能轉化為震擊器心軸和彈簧加速器外套及鉆桿的動能，形成震擊。

設震擊加速系統總質量為m

式中，m1為震擊器心軸質量，kg；m2為震擊器引導頭質量，kg；m3為加速器外套總質量，kg；m4為單根鉆桿的質量，kg。

將以上數值（m1=62 kg，m2=14.3 kg，m3=230.8 kg，m4=138 kg）代入式（4），得m=583.1 kg。

設震擊器的撞擊套震擊瞬間速度為v，由能量守恒得

代入數值，得v=5.36 m/s。

由動量定理得Ft=mv2-mv1（6）

假設撞擊套完成撞擊后速度v2為0，震擊階段持續的時間較短，一般為10～15 ms，由式（6）得

負號表示與速度方向相反，即震擊器對落魚的瞬時撞擊力約為313 kN。

1.1.2震擊增力器 震擊增力器是水平井液壓機械一體式震擊解卡管柱中的關鍵工具之一，它的作用就是改變震擊管柱的受力方式，通過油管打液壓在卡點和增力器之間快速產生大噸位的拉力［6-7］，首先具備增力提拉解卡功能，另外還能拉伸彈簧加速器儲存彈性勢能，由震擊器控制延遲時間，使彈性能在某一瞬間釋放，對卡點實施震擊解卡。結構見圖3。

圖3　震擊增力器結構示意圖Fig.3 Structure of the shock booster

工作原理：震擊增力器主要由上接頭、中心管、活塞、液缸套、閥座和下接頭等部件組成。當油管打壓時，活塞和液缸套之間的環空進液，因活塞通過中心管、上接頭與水力錨相連接，和套管位置相對固定，連接頭將在液壓力作用下產生向上的拉力［8］，該拉力通過液缸套、下接頭直接作用于彈簧加速器。增力液缸采用多級串聯式結構，根據所需拉力與拉伸速度的不同最多可達六級［9］。

震擊增力器規格與技術參數見表2。

表2　震擊增力器技術參數Table 2 Specification of the shock booster

技術特點：改變震擊管柱的受力方式，將地面設備對管柱的拉力轉換為油管的液壓力，通過震擊增力器將液壓轉換為拉力直接作用于彈簧加速器和震擊器［10］，工作過程中油管不與套管壁產生摩擦，沒有側向分力，不會造成套管損壞［11］，特別適合于水平井、大斜度井的落魚管柱震擊解卡或增力解卡。

1.2工作原理

Working principles

首先用打撈工具撈住落魚管柱，油管內打液壓，撐開水力錨錨爪，同時震擊增力器的液缸快速上行［6］，帶動彈簧加速器的中心管上行，而彈簧加速器的外工作筒與震擊器的延時機構相連，因此彈簧加速器的外工作筒上行相對遲緩得多，彈簧加速器的中心管就壓縮工作筒內的儲能彈簧，進行彈性蓄能，當震擊器的延時機構到達釋放腔時，彈簧加速器儲存的彈性勢能瞬間釋放，轉化為震擊器心軸的動能，對撞擊套進行一次撞擊，帶動下部連接的打撈工具對落魚實行一次震擊解卡。按此步驟反復進行操作，直至被卡管柱順利解卡。

2 室內試驗Laboratory tests

水平井液壓機械一體式震擊解卡管柱及配套工具研制完成后，首先對單個工具進行了地面性能試驗，工具各項性能參數經試驗均達到設計指標，然后對整個工藝管柱進行了井下模擬試驗。試驗項目及實驗參數見圖4、表3。

圖4　水平井震擊解卡井下模擬試驗Fig.4 Downhole simulation test for jarring operations in horizontal wells

通過井下模擬試驗，證明水平井液壓機械一體式震擊解卡技術方案完全可行，各項性能參數符合設計指標，已具備現場試驗條件，由模擬試驗參數結合現場施工條件，確定了水平井液壓機械一體式震擊解卡工藝施工技術參數，見表4。

表3　水平井震擊解卡試驗數據Table 3 Test data for jarring operations in horizontal wells

表4　水平井震擊解卡工藝施工技術參數Table 4 Technical parameters for jarring operations in horizontal wells

3 現場試驗Field tests

3.1施工步驟

Operational procedures

（1）下入解卡管柱，管柱組合為（自下而上）：可退撈矛+剛性扶正器+鉆桿×1根+震擊器+鉆桿×1根+彈簧加速器4級+震擊增力器+水力錨2 級+油管串。

（2）緩慢下放管柱，核對魚頂深度，加壓40 kN，將撈矛插入魚腔，緩慢上提管柱［12］，等震擊器完全打開后，使上提負荷增加60 kN，仍未解卡，接好水泥車管線，試壓25 MPa，準備增力解卡。

（3）進行增力解卡打撈。水泥車正打壓，按5 、10、15、20 MPa順序打壓，每個壓力點穩壓5 min。如果打壓過程出現壓力突降，環空返水，大鉤負荷降為原懸重，說明井下管柱已解卡［13］，停泵泄壓，等待5 min，使水力錨解除錨定，上提管柱，若負荷無明顯增加，說明管柱已解卡［14］，正常起管柱，撈出落魚；若泵車壓力不降，大鉤負荷無變化，說明管柱未解卡，將管柱壓回原懸重，使震擊器復位，準備進行液壓震擊解卡。

（4）進行液壓震擊解卡。上提管柱使原懸重增加60 kN，水泥車正打壓，開最大排量，快速打壓10 MPa，使水力錨撐開錨定［15］，同時震擊增力器的液缸套在液壓作用下帶動彈簧加速器的中心管快速上行，由于震擊器的液壓阻尼延時作用，其心軸以及與之相連的彈簧加速器的工作筒上行速度相對遲緩得多，因此震擊加速器的中心管就壓縮工作筒內的儲能彈簧，進行彈性蓄能。當震擊器的液壓延時機構釋放時，加速器儲存的彈性勢能瞬間釋放，轉化為震擊器心軸的動能，對撞擊套進行一次撞擊，帶動下部連接的打撈工具對落魚實行一次震擊解卡。

（5）按此步驟反復震擊數次，將卡點震松，重新按步驟（3）進行增力解卡，如果還未解卡，再次按步驟（4）進行震擊解卡，如此反復，直至將落魚管柱解卡撈出井筒。

3.2應用實例

Field applications

中14平215井是勝利油田孤島采油廠中一區的一口水平井，為提高防砂效果，采用篩管外礫石充填工藝完井，后期進行了管外礫石充填施工，施工結束后，管內充填工具出現了砂卡，修井機上提300 kN未能解除砂卡，只能把安全接頭以上的管柱提出井筒，留井管柱井深數據見表5，準備采用水平井液壓機械一體式震擊解卡工藝打撈落魚管柱。

表5　中14-平215井留井管柱數據Table 5 Data of pipe-string in Well Zhong-14-Well Ping-215

管柱組合為（自下而上）：?76 mm可退撈矛+?150 mm扶正器+?73 mm鉆桿×1根+震擊器+?73 mm鉆桿×1根+彈簧加速器4級+震擊增力器+水力錨2級+?88.9 mm油管串至井口。

管柱到位后，首先進行了增力打撈，增力至500 kN，砂卡未解除，再進行震擊解卡，反復震擊20次后，增力至500 kN，仍未解卡，再次震擊40次后，觀察井口管柱略有上移，初步判斷砂卡已經震松，再次增力至300 kN，懸重降低明顯，反復增力解卡數次，最終成功提出了全部被卡管柱。

4 結論Conclusions

（1）研制了彈簧加速器和震擊增力器，形成了水平井液壓機械一體式震擊解卡技術，該技術能夠克服彎曲井眼摩阻的影響，提高水平井震擊解卡效果。

（2）水平井液壓機械一體式震擊解卡技術既能實現震擊解卡，也能實現液壓增力解卡，兩種解卡技術相互輔助，能顯著提高解卡效果。

（3）現場施工時打一次液壓形成一次震擊，操作繁雜，且對泵車排量要求較高，需短時間內用液壓推開震擊增力器對彈簧加速器進行蓄能，否則形不成震擊解卡，今后應重點進行水力連續震擊器的研制，能夠通過地面泵車連續打壓在井下形成連續震擊，提高震擊效率。

References：

［1］徐治明，張國順，王增林，蔡慶俊.YBZ液壓補償式震擊器的研制與應用［J］.石油鉆采工藝，1993，15（1）：83-85.

XU Zhiming， ZHANG Guoshun， WANG Zenglin， CAI Qingjun.The development and application of hydraulic compensating fishing jar［J］.Oil Drilling & Production Technology， 1993， 15（1）： 83-85.

［2］孫仁甫，金道水.CSJ型超級震擊器［J］.石油機械，1996，24（7）：38-41.

SUN Renpu， JIN Daoshui.New super fishing jar［J］. China Petroleum Machinery， 1996， 24（7）： 38-41.

［3］李長葆.YSZ型液壓隨鉆震擊器及其使用［J］.石油礦場機械，1986，15（4）：53-55.

LI Changbao.The application of hydraulic drilling fishing jar［J］.Oil Field Equipment， 1986， 15（4）： 53-55.

［4］田明，鄔衛紅.高壓超深井液壓震擊器的改進及應用［J］.石油機械，2008，36（8）：81-83.

TIAN Ming， WU Weihong. Improvement and application of hydraulic jar for high-pressure ultra-deep well［J］. China Petroleum Machinery， 2008， 36（8）： 81-83.

［5］周家齊，張國田，李東陽，李興杰.全液壓式隨鉆震擊器的研制與應用［J］.石油機械，2009，37（9）：89-91.

ZHOU Jiaqi， ZHANG Guotian， LI Dongyang， LI Xingjie. Development and application of the fully hydraulic whiledrilling bumper sub［J］.China Petroleum Machinery，2009， 37（9）： 89-91.

［6］韓學良，趙成，曹德忠，劉廣天，田玉剛.水平井井下液壓增力打撈工藝研究與應用［J］.石油機械，2008，36（8）：84-86.

HAN Xueliang， ZHAO Cheng， CAO Dezhong， LIU Guangtian， TIAN Yugang.Research and application of downhole hydraulic power salvage technology［J］. China Petroleum Machinery， 2008， 36（8）： 84-86.

［7］章桂庭，龍江橋，譚章龍.井下液壓增力打撈工具的應用及改進［J］.石油礦場機械，2009，38（2）：75-79.

ZHANG Guiting， LONG Jiangqiao， TAN Zhanglong. Application and improvement of a hydraulic downhole pulling tool［J］.Oil Field Equipment， 2009， 38（2）： 75-79.

［8］郭建國，張慧琴.特殊結構井用HFT型液壓增力打撈解卡工具［J］.石油機械，2004，32（8）：37-39.

GUO Jianguo， ZHANG Huiqin.A new hydraulic downhole fishing tool with augmenter for special wells［J］.China Petroleum Machinery， 2004， 32（8）： 37-39.

［9］王玲玲，姜增所，張建忠，郝夏蓉.水平井解卡打撈工藝技術研究［J］.石油礦場機械，2012，41（9）：64-68.

WANG Lingling， JIANG Zengsuo， ZHANG Jianzhong，HAO Xiarong.Study on unfreezing and fishing technology for horizontal wells［J］.Oil Field Equipment， 2012， 41（9）：64-68.

［10］孔令維.水平井管柱增力解卡打撈技術［J］.大慶石油地質與開發，2013，32（3）：93-96.

KONG Lingwei.Reinforced stick-freeing and fishing techniques of the string pipe of the horizontal well［J］. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing，2013， 32（3）： 93-96.

［11］王彪，孔翠龍.水平井解卡打撈技術［J］.大慶石油地質與開發，2013，32（4）：94-97.

WANG Biao， KONG Cuilong.Unfreezing and fishing techniques for horizontal wells［J］.Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing， 2013， 32（4）： 94-97.

［12］眭滿倉，孟坤六.水平井管柱下入摩阻分析及應用［J］.石油機械，1999，27（2）：5-8.

GUI Mancang， MENG Kunliu.Analysis of friction on drill string in horizontal drilling［J］.China Petroleum Machinery， 1999， 27（2）： 5-8.

［13］李加院，李明忠，杜丙國，劉興文，劉陳偉.液壓增力解卡的管柱受力分析與強度校核方法［J］.石油鉆采工藝，2011，33（6）：49-52.

LI Jiayuan， LI Mingzhong， DU Bingguo， LIU Xingwen，LIU Chenwei.Stress analysis and strength check for hydraulic force increasing stuck-releasing strings［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2011， 33（6）： 49-52.

［14］何牛仔，崔德秀，王維東，劉冬青，邢文.水動力修井技術在斜井和水平井施工中的應用［J］.石油機械，2007，35（8）：48-50.

HE Niuzai， CUI Dexiu， WANG Weidong， LIU Dongqing，XING Wen.Hydrodynamic workover technology in deviated and horizontal wells construction［J］.China Petroleum Machinery， 2007， 35（8）： 48-50.

［15］付建華，駱進，李朝陽.國內水平井修井工藝技術現狀［J］.鉆采工藝，2008，31（6）：91-93.

FU Jianhua， LUO Jin， LI Chaoyang.Workover operation technology for horizontal wells in China［J］.Drilling & Production Technology， 2008， 31（6）： 91-93.

（修改稿收到日期 2015-12-20）

〔編輯 景 暖〕

Application of integral hydraulic-mechanical jarring technique in horizontal wells

TIAN Qizhong
Petroleum Engineering and Technology Research Institute， SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandong 257000， China

Jarring operations are often deployed to release stuck downhole pipe string. In horizontal wells with significant friction resistances， energy released through elastic deformation of pipe string above the jar may be easily consumed by such friction resistances. Consequently， performances of jarring operations are usually unsatisfactory in horizontal wells. In such circumstances， the integral hydraulic-mechanical jarring technique was developed for horizontal wells. The new system contains dual-stage spring cylinder to enhance resilience of the spring accelerator and deploys multiple spring accelerators in series connection to prolong the working travel. With hydraulic boosters， the integral hydraulic-mechanical jarring string for horizontal wells can be deployed to compensate effects of friction resistance in curved borehole to enhance performances. Laboratory tests show that the integral hydraulic-mechanical jarring string for horizontal wells can satisfy design requirements. In addition， suitable technical parameters for application were clarified in accordance with test data. Field applications show that the newly developed integral hydraulic-mechanical jarring technique has outstanding performances， with hook load reduced by 80%. With high applicability， the technique can effectively reduce requirements for workover devices.

workover； horizontal wells； spring accelerator； shock booster； jarring operation

TIAN Qizhong. Application of integral hydraulic-mechanical jarring technique in horizontal wells［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 201-205.

TE358.4

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0201-05

10.13639/j.odpt.2016.02.014

田啟忠（1984-），2007年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，現從事鉆完井、采油和修井工作，高級工程師。通訊地址：（257000）山東省東營市西三路306號石油工程技術研究院。電話：13561027100。E-mail：tianqizhongcs@163.com

引用格式：田啟忠.液壓機械一體式震擊解卡技術在水平井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：201-205.