084液壓機(jī)械式隨鉆震擊器的研制及應(yīng)用.doc

液壓機(jī)械式隨鉆震擊器的研制及應(yīng)用*張宏英 張國(guó)田 李興杰（中國(guó)石油 北京石油機(jī)械廠）摘 要 ： 液壓機(jī)械式隨鉆震擊器是集液壓式震擊器及機(jī)械式震擊器功能于一體而研制的新型井下工具，采用液壓原理與機(jī)械原理取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了工具的一次下井隨鉆時(shí)間和整機(jī)壽命。該復(fù)合震擊器適用于包括定向井、大位移水平井、超深井以及欠平衡空氣鉆井作業(yè)等。文章主要論述了液壓機(jī)械式隨鉆震擊器的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。目前該產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化和產(chǎn)業(yè)化，可批量生產(chǎn)以滿足鉆井工程的需要。關(guān)鍵詞 ： 液壓機(jī)械式 震擊器 結(jié)構(gòu) 原理 應(yīng)用Design and Application of Hydraulic/Mechanical Drilling JarZhang Hongying; Zhang Guotian, and Li XingjieBeijing petroleum Machinery Factory, CNPCAbstract: The paper mainly describes the design, characteristics, development and oilfield application of a hydraulic/mechanical drilling jar. 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 is developed to overcome the usual shortcomings associated with purely hydraulic or mechanical jars, yet retains the advantages of both concepts. So far, the serial hydraulic/mechanical drilling jars have been put into the industry application; rugged, field-proven design meets the requirement of modern drilling operations.Key words: hydraulic/mechanical; drilling jar; structure; principle; application.* 本文為國(guó)家十五重大裝備“特殊工藝井井下裝備研制”（項(xiàng)目編號(hào)：ZZ01-08-01-04）的研究成果之一。自20世紀(jì)90年代以來，隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，石油設(shè)備已引起各國(guó)石油界的高度重視。各石油公司依賴科技進(jìn)步，積極采用先進(jìn)技術(shù)發(fā)展新設(shè)備，提高了石油設(shè)備在適應(yīng)性、可靠性、品種多樣性和系列化、集成化、自動(dòng)化、智能化等方面的總體水平1。近年來，我國(guó)的油氣勘探開發(fā)技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，鉆采工藝水平正在向世界先進(jìn)水平迅速靠攏。隨著鉆井工程向定向井、超深井和復(fù)雜井的不斷邁進(jìn)，研制與之配套的能滿足鉆井工藝需要的新型井下工具就顯得尤為必要。背景1. 國(guó)外情況西方發(fā)達(dá)國(guó)家特別重視石油鉆采裝備的研發(fā)，在技術(shù)、制造水平等各方面均居國(guó)際領(lǐng)先的地位。國(guó)外井下工具主要生產(chǎn)廠家有National Oilwell Varco, Weatherford, Halliburton, Baker Hughes，Schlumberger，Cougar等。2. 國(guó)內(nèi)情況為了提升國(guó)產(chǎn)石油鉆井裝備的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，為石油勘探開發(fā)提供質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定的井下工具裝備，北京石油機(jī)械廠承擔(dān)了國(guó)家十五重大裝備“特殊工藝井井下裝備研制”項(xiàng)目，進(jìn)行了液壓機(jī)械復(fù)合式隨鉆震擊器的研制2。液壓機(jī)械式隨鉆震擊器1. 結(jié)構(gòu)與原理3 4圖 1 液壓機(jī)械式隨鉆震擊器結(jié)構(gòu)示意圖液壓機(jī)械式隨鉆震擊器（見圖 1）包括：由閥體心軸26、下筒體27、閥體總成28、活塞30和下接頭31組成的液壓延時(shí)機(jī)構(gòu)；由卡瓦心軸10、上擊調(diào)節(jié)螺母14、調(diào)整套15、卡瓦17、卡瓦套18、隔套19、彈性機(jī)構(gòu)總成20、襯套22及下?lián)粽{(diào)節(jié)螺母23組成的機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)；由上筒體7、背母8和卡瓦心軸10的臺(tái)階面組成的上/下打擊機(jī)構(gòu)；由刮泥圈2、上密封組件4和下密封組件29組成的上/下密封機(jī)構(gòu)；由花鍵心軸1、扶正體3、花鍵體6、上筒體7、中筒體21、連接體24、下筒體27和下接頭31組成的扭矩傳遞機(jī)構(gòu)；由花鍵心軸1和下接頭31的兩端連接螺紋組成的上/下連接機(jī)構(gòu)。機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)由卡瓦心軸、鎖緊卡瓦、卡瓦套及彈性套組成。其釋放過程如圖 2所示。-鎖緊狀態(tài) -產(chǎn)生位移 -心軸釋放 圖 2 釋放示意圖該鎖緊機(jī)構(gòu)各部件間摩擦力較小，同其他結(jié)構(gòu)相比使用壽命大大提高。上下震擊一體，上下震擊釋放力在井口分別可調(diào)且調(diào)節(jié)操作簡(jiǎn)易，調(diào)值準(zhǔn)確穩(wěn)定。產(chǎn)品性能受高溫、腐蝕性介質(zhì)等工作環(huán)境影響小，適用于各種工況下的隨鉆作業(yè)。液壓延時(shí)機(jī)構(gòu)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(jī)械部分釋放后，系統(tǒng)進(jìn)入液壓延時(shí)階段。結(jié)合鉆井工藝和現(xiàn)場(chǎng)操作的需要，適當(dāng)?shù)难訒r(shí)時(shí)長(zhǎng)使得震擊器以下鉆柱被彈性拉伸，大大的提高了震擊和解卡效果。其中閥體總成（見圖 3）由閥體、閥銷、閥芯、絲堵等組成。圖 3 閥體總成示意圖工作原理如下：當(dāng)需要上擊時(shí)，上提鉆柱使震擊器的心軸隨之向上運(yùn)動(dòng)，彈性機(jī)構(gòu)總成受拉/壓產(chǎn)生彈性變形，隨著大鉤上提力的不斷增加，彈性機(jī)構(gòu)總成的變形也隨之增大，在彈性機(jī)構(gòu)總成拉伸/壓縮達(dá)到臨界位置時(shí)卡瓦突然完全張開和卡瓦套嚙合，當(dāng)拉力達(dá)到鎖緊機(jī)構(gòu)釋放力的大小時(shí)，鎖緊裝置松開，就進(jìn)入了液壓延時(shí)階段。這時(shí)，絞車將被剎死，震擊器在預(yù)拉力及液壓阻力的作用下緩慢拉開。之后，震擊器就進(jìn)入了自由打擊狀態(tài)，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內(nèi)快速滑動(dòng)到極限位置，打擊機(jī)構(gòu)發(fā)生打擊，產(chǎn)生強(qiáng)大的上擊力。此時(shí)，只需下放鉆柱，就可以使震擊器復(fù)位，以備下次震擊或繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)需要下?lián)魰r(shí)，適當(dāng)下放鉆柱，直到施加到震擊器上的壓力超過鎖緊機(jī)構(gòu)的釋放力。這時(shí)，鎖緊裝置將打開，在彈性機(jī)構(gòu)總成拉伸/壓縮達(dá)到臨界位置時(shí)卡瓦突然完全張開和卡瓦套嚙合，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內(nèi)快速滑動(dòng)到極限位置，打擊機(jī)構(gòu)發(fā)生打擊，產(chǎn)生強(qiáng)大的下?lián)袅Γ妮S釋放后快速運(yùn)行到閉合位置，產(chǎn)生一個(gè)向下的沖擊力。然后，適當(dāng)上提鉆柱使震擊器復(fù)位，這時(shí)，可以進(jìn)行下次震擊或者繼續(xù)鉆進(jìn)。2. 技術(shù)參數(shù)以YJ121A液壓機(jī)械式隨鉆震擊器為例，其技術(shù)參數(shù)如表 1所示，符合石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5的規(guī)定：項(xiàng)目單位技術(shù)指標(biāo)標(biāo)稱外徑mm121水眼mm44.5單向總行程上擊mm300下?lián)鬽m150標(biāo)定釋放力上擊kN40020下?lián)鬹N22020標(biāo)定鎖緊力上擊kN30020最大釋放力上擊kN480下?lián)鬹N250最大鎖緊力上擊kN400最大抗拉載荷kN1000最大工作扭矩kNm12水眼密封壓力MPa30長(zhǎng)期使用耐溫150接頭螺紋3 1/2 IF表 1 YJ121A技術(shù)參數(shù)3. 技術(shù)特點(diǎn)液壓機(jī)械式隨鉆震擊器的主要特點(diǎn)如下： 在起下鉆、接單根、觸井底或鉆進(jìn)時(shí)不會(huì)發(fā)生誤震現(xiàn)象。 在鉆臺(tái)上無需任何安全夾具或特殊操作工藝規(guī)程。 在鉆具組合（BHA）中的位置比較自由，可以置于受拉、中性點(diǎn)、受壓各種位置。是定向井和大位移水平井的理想工具。 線性機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)不受扭矩影響；是高摩阻，定向井和大位移水平井的理想工具。 操作簡(jiǎn)單，僅為上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 鎖緊結(jié)構(gòu)上下?lián)翎尫帕诳烧{(diào)。 機(jī)械鎖緊裝置在鉆井作業(yè)中可以起到防止工具磨損的作用，可以大大提高工具使用壽命。 液壓延時(shí)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。 全密封、油浴潤(rùn)滑環(huán)境有利于減少磨損，提高工具使用壽命。 根據(jù)客戶需求，可以提供分別適用于120或150的井底溫度的工具。4. 關(guān)鍵技術(shù)(1) 機(jī)械式工作原理的選擇目前國(guó)內(nèi)外機(jī)械式震擊器按其鎖緊機(jī)構(gòu)的不同可分為三類：摩擦卡瓦式；彈簧預(yù)緊卡瓦式；行程控制卡瓦式。根據(jù)項(xiàng)目組調(diào)研，結(jié)合多年的生產(chǎn)加工及現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，最終選定了行程控制式卡瓦鎖緊機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：摩擦副的強(qiáng)力摩擦較其他機(jī)構(gòu)小，且易損件較少，使用壽命較長(zhǎng)。整機(jī)機(jī)構(gòu)合理，安全可靠，上下?lián)粢惑w，上/下?lián)翎尫帕υ诰诜謩e可調(diào)，且操作簡(jiǎn)便易行調(diào)值準(zhǔn)確穩(wěn)定，產(chǎn)品性能受高溫、腐蝕性介質(zhì)等工作環(huán)境影響小，適合復(fù)雜及高可靠度鉆井的需要。(2) 液壓式工作原理的選擇目前，國(guó)內(nèi)外液壓式震擊器按其結(jié)構(gòu)不同可分為兩種：阻尼活塞式；阻尼閥式。根據(jù)前期研制SS系列隨鉆上擊器和CS系列超級(jí)上機(jī)器的經(jīng)驗(yàn)，阻尼活塞式液壓延時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)可以較好的滿足常規(guī)作業(yè)，但其對(duì)密封及表面處理技術(shù)要求極為苛刻，受多因素制約，此類機(jī)構(gòu)難以突破長(zhǎng)壽命的瓶頸。項(xiàng)目組利用CAD/CAM技術(shù)，發(fā)揮數(shù)控制造中心優(yōu)勢(shì)，經(jīng)多次試驗(yàn)成功開發(fā)了阻尼閥式液壓延時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有高可靠度，長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。(3) 機(jī)械、液壓的有機(jī)集成通過技術(shù)論證，項(xiàng)目組最終確定液壓機(jī)械式隨鉆震擊器的機(jī)械部分采用行程控制的卡瓦式鎖緊機(jī)構(gòu)，液壓部分采用閥式阻尼延時(shí)機(jī)構(gòu)。通過相關(guān)尺寸鏈設(shè)計(jì)，確保了震擊的序列性和液壓延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的合理性，將二者有機(jī)地集成，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。在設(shè)計(jì)過程中，項(xiàng)目組緊跟前沿技術(shù)，嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及API規(guī)范，征求油田用戶（司鉆、管具中心維修人員）意見，對(duì)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)慎重確定材料及熱處理工藝，強(qiáng)化了螺紋連接、密封及支承、表面處理工藝等關(guān)鍵性技術(shù)，增加了釋放力限位機(jī)構(gòu)和防掉裝置，利用3D及FEA技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了二次校核，提高了產(chǎn)品的可靠度和安全性。5. 應(yīng)用及發(fā)展2005年底，兩套液壓機(jī)械式隨鉆震擊器發(fā)往四川石油管理局所轄油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。編號(hào)為C0412009-2液壓機(jī)械式隨鉆震擊器在中國(guó)石油川鉆62隊(duì)作業(yè)的磨030-H1井的鉆進(jìn)中發(fā)揮了重要作用。編號(hào)為C0412009-1液壓機(jī)械式隨鉆震擊器在中國(guó)石油川鉆43井隊(duì)作業(yè)的磨004-H2井的鉆井過程中得到成功應(yīng)用。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該液壓機(jī)械式隨鉆震擊器比常規(guī)隨鉆震擊器顯示出以下優(yōu)越性： 一次下井隨鉆時(shí)間達(dá)1800多小時(shí)（甚至更長(zhǎng)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行標(biāo)規(guī)定的500小時(shí)，減少了不必要的起下鉆，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和鉆井成本。 機(jī)械鎖緊避免了誤震操作，液壓延時(shí)大大增強(qiáng)了震擊效果，震擊解卡作業(yè)更為安全有效。 與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)更為人性化。作為液壓機(jī)械式復(fù)合隨鉆震擊器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械部分鎖緊力的井口可調(diào)。目前，4 3/49(121229) 系列液壓機(jī)械式隨鉆震擊器均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可批量生產(chǎn)以滿足鉆井作業(yè)的需要。結(jié) 論(1) 該液壓機(jī)械式隨鉆震擊器的研制填補(bǔ)了特殊工藝井井下工具的空白，滿足了復(fù)雜井作業(yè)的需要。(2) 該液壓機(jī)械式隨鉆震擊器已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)? 200510080243.1），已獲國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL200520112147.6）。致謝在本文寫作過程中，受到了我廠副總工程師黃衍福高工、龔皓主任的指導(dǎo)和支持，在此筆者對(duì)他們的熱心幫助表示衷心的感謝。參與本項(xiàng)目研制的還有張春華、張殿祥、朱仲為、王瑞霄、楊玉敏等。參考文獻(xiàn)1 張嗣偉. 關(guān)于我國(guó)石油鉆采機(jī)械技術(shù)發(fā)展的若干對(duì)策.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)網(wǎng)2 黃衍福,張國(guó)田,劉廣華等. 空氣螺桿鉆具、欠平衡鉆井空氣震擊器及減震器的研制. 2004年石油裝備、鉆井技術(shù)年會(huì)暨慶祝江漢機(jī)械研究所建所40周年學(xué)術(shù)研討會(huì)3 Kyllingstad, A., Halsey, G.W., Rogaland Research Inst.: “Performance Testing of Jars” SPE/IADC Drilling Conference, 1990, SPE20001-MS4 Thor V. Aarrestad, Statoil; Kyllingstad, A., Rogaland Research Inst.: “Loads on Drillpipe during Jarring Ope