084液压机械式随钻震击器的研制及应用.doc

液压机械式随钻震击器的研制及应用*张宏英 张国田 李兴杰（中国石油 北京石油机械厂）摘 要 ： 液压机械式随钻震击器是集液压式震击器及机械式震击器功能于一体而研制的新型井下工具，采用液压原理与机械原理取长补短，达到优势互补，提高了工具的一次下井随钻时间和整机寿命。该复合震击器适用于包括定向井、大位移水平井、超深井以及欠平衡空气钻井作业等。文章主要论述了液压机械式随钻震击器的结构、工作原理、性能特点、关键技术及现场应用。目前该产品已经实现了系列化和产业化，可批量生产以满足钻井工程的需要。关键词 ： 液压机械式 震击器 结构 原理 应用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.* 本文为国家十五重大装备“特殊工艺井井下装备研制”（项目编号：ZZ01-08-01-04）的研究成果之一。自20世纪90年代以来，随着石油勘探开发技术的发展，石油设备已引起各国石油界的高度重视。各石油公司依赖科技进步，积极采用先进技术发展新设备，提高了石油设备在适应性、可靠性、品种多样性和系列化、集成化、自动化、智能化等方面的总体水平1。近年来，我国的油气勘探开发技术取得了飞速的发展，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。背景1. 国外情况西方发达国家特别重视石油钻采装备的研发，在技术、制造水平等各方面均居国际领先的地位。国外井下工具主要生产厂家有National Oilwell Varco, Weatherford, Halliburton, Baker Hughes，Schlumberger，Cougar等。2. 国内情况为了提升国产石油钻井装备的国际竞争力，为石油勘探开发提供质量可靠、性能稳定的井下工具装备，北京石油机械厂承担了国家十五重大装备“特殊工艺井井下装备研制”项目，进行了液压机械复合式随钻震击器的研制2。液压机械式随钻震击器1. 结构与原理3 4图 1 液压机械式随钻震击器结构示意图液压机械式随钻震击器（见图 1）包括：由阀体心轴26、下筒体27、阀体总成28、活塞30和下接头31组成的液压延时机构；由卡瓦心轴10、上击调节螺母14、调整套15、卡瓦17、卡瓦套18、隔套19、弹性机构总成20、衬套22及下击调节螺母23组成的机械锁紧机构；由上筒体7、背母8和卡瓦心轴10的台阶面组成的上/下打击机构；由刮泥圈2、上密封组件4和下密封组件29组成的上/下密封机构；由花键心轴1、扶正体3、花键体6、上筒体7、中筒体21、连接体24、下筒体27和下接头31组成的扭矩传递机构；由花键心轴1和下接头31的两端连接螺纹组成的上/下连接机构。机械锁紧机构由卡瓦心轴、锁紧卡瓦、卡瓦套及弹性套组成。其释放过程如图 2所示。-锁紧状态 -产生位移 -心轴释放 图 2 释放示意图该锁紧机构各部件间摩擦力较小，同其他结构相比使用寿命大大提高。上下震击一体，上下震击释放力在井口分别可调且调节操作简易，调值准确稳定。产品性能受高温、腐蚀性介质等工作环境影响小，适用于各种工况下的随钻作业。液压延时机构由阀体心轴与阀体总成组成，二者通过合适的配合可以有效地保证心轴在机械部分释放后，系统进入液压延时阶段。结合钻井工艺和现场操作的需要，适当的延时时长使得震击器以下钻柱被弹性拉伸，大大的提高了震击和解卡效果。其中阀体总成（见图 3）由阀体、阀销、阀芯、丝堵等组成。图 3 阀体总成示意图工作原理如下：当需要上击时，上提钻柱使震击器的心轴随之向上运动，弹性机构总成受拉/压产生弹性变形，随着大钩上提力的不断增加，弹性机构总成的变形也随之增大，在弹性机构总成拉伸/压缩达到临界位置时卡瓦突然完全张开和卡瓦套啮合，当拉力达到锁紧机构释放力的大小时，锁紧装置松开，就进入了液压延时阶段。这时，绞车将被刹死，震击器在预拉力及液压阻力的作用下缓慢拉开。之后，震击器就进入了自由打击状态，卡瓦心轴失去卡瓦的约束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。此时，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。当需要下击时，适当下放钻柱，直到施加到震击器上的压力超过锁紧机构的释放力。这时，锁紧装置将打开，在弹性机构总成拉伸/压缩达到临界位置时卡瓦突然完全张开和卡瓦套啮合，卡瓦心轴失去卡瓦的约束在固定行程内快速滑动到极限位置，打击机构发生打击，产生强大的下击力，心轴释放后快速运行到闭合位置，产生一个向下的冲击力。然后，适当上提钻柱使震击器复位，这时，可以进行下次震击或者继续钻进。2. 技术参数以YJ121A液压机械式随钻震击器为例，其技术参数如表 1所示，符合石油行业标准5的规定：项目单位技术指标标称外径mm121水眼mm44.5单向总行程上击mm300下击mm150标定释放力上击kN40020下击kN22020标定锁紧力上击kN30020最大释放力上击kN480下击kN250最大锁紧力上击kN400最大抗拉载荷kN1000最大工作扭矩kNm12水眼密封压力MPa30长期使用耐温150接头螺纹3 1/2 IF表 1 YJ121A技术参数3. 技术特点液压机械式随钻震击器的主要特点如下： 在起下钻、接单根、触井底或钻进时不会发生误震现象。 在钻台上无需任何安全夹具或特殊操作工艺规程。 在钻具组合（BHA）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。 线性机械锁紧机构不受扭矩影响；是高摩阻，定向井和大位移水平井的理想工具。 操作简单，仅为上下往复运动。 锁紧结构上下击释放力井口可调。 机械锁紧装置在钻井作业中可以起到防止工具磨损的作用，可以大大提高工具使用寿命。 液压延时震击允许操作者通过改变大钩上提力的大小来控制井下震击力的大小。 全密封、油浴润滑环境有利于减少磨损，提高工具使用寿命。 根据客户需求，可以提供分别适用于120或150的井底温度的工具。4. 关键技术(1) 机械式工作原理的选择目前国内外机械式震击器按其锁紧机构的不同可分为三类：摩擦卡瓦式；弹簧预紧卡瓦式；行程控制卡瓦式。根据项目组调研，结合多年的生产加工及现场使用经验，最终选定了行程控制式卡瓦锁紧机构。该机构具有如下特点：摩擦副的强力摩擦较其他机构小，且易损件较少，使用寿命较长。整机机构合理，安全可靠，上下击一体，上/下击释放力在井口分别可调，且操作简便易行调值准确稳定，产品性能受高温、腐蚀性介质等工作环境影响小，适合复杂及高可靠度钻井的需要。(2) 液压式工作原理的选择目前，国内外液压式震击器按其结构不同可分为两种：阻尼活塞式；阻尼阀式。根据前期研制SS系列随钻上击器和CS系列超级上机器的经验，阻尼活塞式液压延时锁紧机构可以较好的满足常规作业，但其对密封及表面处理技术要求极为苛刻，受多因素制约，此类机构难以突破长寿命的瓶颈。项目组利用CAD/CAM技术，发挥数控制造中心优势，经多次试验成功开发了阻尼阀式液压延时锁紧机构。该机构具有高可靠度，长寿命的特点。(3) 机械、液压的有机集成通过技术论证，项目组最终确定液压机械式随钻震击器的机械部分采用行程控制的卡瓦式锁紧机构，液压部分采用阀式阻尼延时机构。通过相关尺寸链设计，确保了震击的序列性和液压延时时长的合理性，将二者有机地集成，实现了预期功能。在设计过程中，项目组紧跟前沿技术，严格按照行业标准及API规范，征求油田用户（司钻、管具中心维修人员）意见，对产品技术参数进行了优化。同时慎重确定材料及热处理工艺，强化了螺纹连接、密封及支承、表面处理工艺等关键性技术，增加了释放力限位机构和防掉装置，利用3D及FEA技术对设计方案进行了二次校核，提高了产品的可靠度和安全性。5. 应用及发展2005年底，两套液压机械式随钻震击器发往四川石油管理局所辖油田进行现场作业。编号为C0412009-2液压机械式随钻震击器在中国石油川钻62队作业的磨030-H1井的钻进中发挥了重要作用。编号为C0412009-1液压机械式随钻震击器在中国石油川钻43井队作业的磨004-H2井的钻井过程中得到成功应用。通过现场应用，该液压机械式随钻震击器比常规随钻震击器显示出以下优越性： 一次下井随钻时间达1800多小时（甚至更长）远远高于行标规定的500小时，减少了不必要的起下钻，降低了劳动强度和钻井成本。 机械锁紧避免了误震操作，液压延时大大增强了震击效果，震击解卡作业更为安全有效。 与国外同类产品相比，设计更为人性化。作为液压机械式复合随钻震击器，实现了机械部分锁紧力的井口可调。目前，4 3/49(121229) 系列液压机械式随钻震击器均已实现产业化，可批量生产以满足钻井作业的需要。结 论(1) 该液压机械式随钻震击器的研制填补了特殊工艺井井下工具的空白，满足了复杂井作业的需要。(2) 该液压机械式随钻震击器已申请国家发明专利（申请号: 200510080243.1），已获国家实用新型专利（专利号：ZL200520112147.6）。致谢在本文写作过程中，受到了我厂副总工程师黄衍福高工、龚皓主任的指导和支持，在此笔者对他们的热心帮助表示衷心的感谢。参与本项目研制的还有张春华、张殿祥、朱仲为、王瑞霄、杨玉敏等。参考文献1 张嗣伟. 关于我国石油钻采机械技术发展的若干对策.中国机械工程学会网2 黄衍福,张国田,刘广华等. 空气螺杆钻具、欠平衡钻井空气震击器及减震器的研制. 2004年石油装备、钻井技术年会暨庆祝江汉机械研究所建所40周年学术研讨会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