超深井液压震击器的研制及应用

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摘 要：针对液压超级震击器超深井施工中常见的井下卡钻事故， 研制了新型全液压式随钻震击器。整套震击器设计合理， 机械锁紧力线性稳定， 液压延迟时间稳定， 能充分满足现场使用要求。本文从超深井液压震击器结构、工作原理、性能特点等方面进行分析与研究。

关键词：超深井 液压 随钻 震击器

近年来， 我国的油气勘探开发技术取得了飞速发展， 钻采工艺水平正在向世界先进水平迅速靠拢。随着钻井工程向定向井、超深井和复杂井的不断迈进， 研制与之配套的能满足钻井工艺需要的新型井下工具就显得尤为必要。

一、技术分析

1. 结构

全液压式随钻震击器结构如图所示， 主要由连接机构、机械锁紧机构、液压阻尼机构、扭矩传递机构、打击机构和密封机构等组成。连接机构由壳体连接螺纹组成， 壳体采用高级优质结构钢， 力学性能及硬度均满足井下工具在复杂恶劣的井下环境中的使用要求， 连接螺纹均符合API规范要求。

该震击器的机械锁紧机构采用行程控制式卡瓦部件， 上下击为一体。机械锁紧力在井口可调， 调节操作简单、调值准确稳定。该类型卡瓦各部件间摩擦力较小， 延长了使用寿命， 复位力明显减小对高温、高腐蚀性环境耐受力强。

液压阻尼机构由阀式液压延时机构、阀体心轴组成。二者的精确配合有效地保证了在震击器机械锁紧部分释放后立即进入液压延时状态。结合事故处理的工艺要求和现场操作的需要， 可以由司钻通过改变钻柱的上提或者下放力的大小实现震击器上下击震击力的动态调节。

对于密封系统的选取， 项目组甄选了各种密封组合形式， 在充分保证震击器工作可靠性的前提下， 对密封元件采用高安全系数设计与校核， 整套震击器的密封系统均选用了先进优质的密封部件，延长了震击器整机工作寿命。

2.工作原理

实际操作过程中， 若在起钻过程遇卡， 则启动下击解卡； 若在下钻过程遇卡或钻头在井底遇卡，则启动上击解卡。

当需要上击时， 上提钻柱， 使震击器的心轴随之向上运动。随着大钩上提力的不断增加， 当拉力达到锁紧机构释放力的大小时， 锁紧装置松开， 即进入了液压延时阶段， 这时， 震击器在预拉力及液压阻力的作用下缓慢拉开。之后， 心轴失去卡瓦的约束， 震击器就进入了自由打击状态， 在固定行程内快速滑动到极限位置， 打击机构发生打击， 产生强大的上击力。此后， 只需下放钻柱， 就可以使震击器复位， 以备下次震击或继续钻进。

下击工作原理与上击类似， 下放钻柱打击机构发生打击， 产生强大的下击力实现下击。然后， 适当上提钻柱使震击器复位， 这样可以进行下次震击或者继续钻进。

3.性能特点

3.1 采用机械原理同液压原理结合为一体式的结构， 能最大限度地提高震击器井下作业可靠性。

3.2液压延时允许操作者利用液压延时时间改变大钩上提力或者下放力的大小， 从而控制随钻震击器震击力的大小。相对于常见的机械震击器，实现了释放力动态可调， 操作者可以根据现场实际情况适时调整震击力大小。

3.3.用机械锁紧装置可防止震击器在井下失控以及液压部分过早磨损， 同时也可有效避免误震。

3.4该随钻震击器在钻具组合中的位置比较自由， 可以置于受拉、中性点、受压各种位置， 是定向井和大位移水平井的理想工具。此外， 全液压式随钻震击器还具有上下击释放力井口可调、全密封油浴环境以及操作简单等优点。

二、全液压式随钻震击器的设计

1.螺纹计算

随钻震击器的外筒在钻井及震击过程中要承受轴向静载荷和动载荷， 在连接螺纹方面选择了能满足产品使用要求且强度高的特殊锥螺纹。该螺纹为随钻震击器壳体连接螺纹， 根据API规范计算其强度， 同时校核该螺纹的抗弯截面模量（ BSR ），均满足API要求， 为安全螺纹连接。

震击器的心轴间连接螺纹， 位于花键心轴、上下阀体心轴和延长心轴的下端， 分别与阀体心轴大端及活塞连接， 为非标准直螺纹。在工具未震击作业时所受的轴向力仅为螺纹预紧力， 在震击作业中该螺纹才承受最大上提力， 且震击载荷由最大逐渐递减至0， 所承受的是轴向变载荷。因此， 选用受轴向变载荷预紧连接的计算公式校核螺纹根部断面的强度， 并校核螺纹牙的强度， 确定螺纹的最少工作齿数。通过计算， 所有连接螺纹都是安全的， 均能满足API及行标规定的力学性能指标。

2.壳体类零件承压能力的强度校核

震击器机械锁紧释放后活塞上移或下移（即压缩液体）， 使内腔的压力升高， 由于阀体总成的卸载， 活塞一直运动， 假定达到瞬间平衡进行计算。

根据对高压设备的安全系数通常取1.25 ～1.70 的原则， 取n = 1.5。经计算可知， Ot

震击器在工作状态下缸筒类零件要反复承受瞬间的高压作用， 其压力值170MPa （在最大上提力时）。因此， 有必要对其爆破压力进行计算， 以确保安全其爆破压力为：

通过计算的最大内腔压力Pmax得知：Pm ax远小于Pb。因此， 缸筒类零件工作是安全可靠的。

三、应用情况

通过对多套随钻震击器在厂内进行了台架试验，试验结果显示， 机械锁紧力线性准确稳定， 各项技术参数均满足石油天然气行业标准对液压随钻震击器的要求。在多次标定释放力及最大释放力作用下， 液压延迟时间稳定， 满足现场应用要求。

参考文献

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[2] 陈朝达，翁加平.深井随钻震击器的设计计算[J]. 石油矿场机械. 1999（05）.

[3] 张玉英.QJ159A整体机械式随钻震击器的研制及应用[J]. 石油机械. 2008（09）.

作者简介：于志平（1980年—）女 ，汉族，工学学士，于2005年毕业于大庆石油学院机械设计制造及其自动化专业，现在天合石油集团汇丰石油装备股份有限公司工作，助理工程师。