打撈震擊器力學(xué)分析

高巧娟，劉希茂，張 健，孫一迪，張若熙（．北京石油機(jī)械廠，北京00083；．中國(guó)石化集團(tuán)　國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司，北京00083）

打撈震擊器力學(xué)分析

高巧娟1，劉希茂1，張 健2，孫一迪1，張若熙1
（1．北京石油機(jī)械廠，北京100083；2．中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司，北京100083）①

針對(duì)深井、斜井、水平井打撈作業(yè)中遇到的復(fù)雜解卡問(wèn)題，對(duì)打撈工況進(jìn)行了震擊力學(xué)研究。基于彈性理論與動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合的方法對(duì)打撈震擊器震擊力進(jìn)行分析，推導(dǎo)出震擊力計(jì)算公式。通過(guò)實(shí)例計(jì)算，建立函數(shù)關(guān)系分析了大鉤拉力載荷、鉆柱彈性伸長(zhǎng)量、震擊器上部懸重和震擊器行程對(duì)震擊力的影響，為打撈震擊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

打撈震擊器；彈性理論；動(dòng)力學(xué)理論；震擊力

鉆井是一項(xiàng)地下工程，存在著大量的模糊性、隨機(jī)性和不確定性，底部鉆具的受力狀況和工作環(huán)境異常惡劣，是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)［1］。有時(shí)會(huì)因各種因素產(chǎn)生井下許多復(fù)雜情況，甚至造成嚴(yán)重井下事故，不僅影響鉆井效率，還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)近年來(lái)的鉆井資料分析，鉆井過(guò)程中，處理復(fù)雜情況和鉆井事故的時(shí)間約占施工總時(shí)間的6%～8%［2］。在深井、斜井、水平井打撈作業(yè)中，如果抓住落魚(yú)后，經(jīng)過(guò)大載荷提拉仍不能解卡，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的反常現(xiàn)象，例如可退式打撈筒抓住落魚(yú)后不可退，安全接頭卸不開(kāi)等。針對(duì)此問(wèn)題，為充分發(fā)揮震擊器效用，有必要對(duì)震擊器震擊力進(jìn)行分析計(jì)算。近年來(lái)，有很多關(guān)于震擊力研究，例如賀志剛［3］研究震擊力時(shí)考慮了彈性波在鉆鋌中的傳播；Skeem［4］研究震擊力時(shí)考慮了彈性波只在鉆鋌中反射。筆者應(yīng)用彈性波傳播理論，將彈性理論與動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合，推導(dǎo)出了震擊器震擊力計(jì)算公式，利用函數(shù)圖分析了震擊力變化規(guī)律，得出影響震擊器震擊力的各種因素。

1 打撈震擊器結(jié)構(gòu)及原理

1．1 結(jié)構(gòu)

打撈震擊器主要由上接頭、活塞、中筒體、下接頭、心軸等組成，如圖1所示。

圖1 打撈震擊器結(jié)構(gòu)示意

打撈震擊器以心軸為固定件，心軸中段為外六方，與下接頭內(nèi)六方相配合，用于傳遞轉(zhuǎn)矩。活塞裝在心軸頂端，以螺紋連接，活塞外周有密封和支承環(huán)，當(dāng)進(jìn)行高泵壓循環(huán)時(shí)，將水眼和低壓腔分離，中筒體下部同一圓周均勻分布有4個(gè)排液孔，使低壓腔和環(huán)空相通。

1．2 解卡原理

打撈震擊器主要借助于鉆柱自身的質(zhì)量和鉆柱彈性伸長(zhǎng)所積蓄的彈性能量而形成強(qiáng)大的震擊力。上提鉆柱時(shí)，外部缸筒隨鉆柱上行，而心軸則固定不動(dòng)，待下接頭的上端面與活塞下端面接觸時(shí)，行程被全部拉開(kāi)。如果繼續(xù)上提鉆柱，鉆柱便開(kāi)始彈性伸長(zhǎng)，積蓄彈性能。當(dāng)猛放鉆柱時(shí)，鉆柱由于自身的質(zhì)量和彈性能的釋放而迅速下行，因?yàn)樵摴ぞ哂凶銐虻男谐蹋滦秀@柱有一定的加速時(shí)間，使外筒體以極高的速度撞擊心軸接頭臺(tái)肩上，給被卡鉆具以強(qiáng)烈的震擊力。工作原理如圖2所示。

圖2 打撈震擊器工作原理

2 解卡模型分析計(jì)算

打撈震擊器安裝在可退式打撈筒和安全接頭上方，使撈筒解卡退出。當(dāng)解卡退出時(shí)，司鉆通過(guò)鉆柱頂部施加拉力，上提鉆柱，將震擊器拉開(kāi)至全行程h，繼續(xù)上提，使上部鉆桿發(fā)生彈性拉伸，當(dāng)司鉆猛放鉆柱，關(guān)閉震擊器時(shí)，在可退撈筒附近瞬間產(chǎn)生向下的震擊力，使撈筒解卡，為打撈工具退出創(chuàng)造條件。

解卡過(guò)程可分為以下3個(gè)階段，其解卡模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 解卡模型結(jié)構(gòu)

2．1 加載階段

2．2 加速階段

式中：Δli為每根鉆柱彈性伸長(zhǎng)量

式中：m2為震擊器上部所有鉆柱總質(zhì)量，k N；h為震擊器工作行程，m；v為向下撞擊速度，m／s。

2．3 傳遞沖力階段

當(dāng)震擊器行程閉合時(shí)，震擊器上部鉆柱停止運(yùn)動(dòng)，將沖力傳遞到卡點(diǎn)，隨即產(chǎn)生向下震擊作用，推動(dòng)被卡工具。考慮到彈性波在鉆柱中的傳播，根據(jù)動(dòng)量守恒，震擊力為［5］：

式中：ρ為鉆桿的材質(zhì)密度，kg／m3；C0為彈性波在鉆柱中縱向傳播速度，m／s；Aj為震擊時(shí)自由端和承撞砧接觸橫截面積，m2；vc為釋放時(shí)自由端速度，m／s。

將式（1）～（3）合并得：

3 震擊力計(jì)算與影響因素分析

3．1 實(shí)例計(jì)算

以某次修井解卡作業(yè)為例，井眼直徑為?219mm。卡點(diǎn)在井下2700m處，鉆具組合為?165mm打撈筒＋?165mm安全接頭＋?165m m打撈震擊器＋?159mm鉆鋌200 m＋?127mm鉆桿2 500 m。?127mm鉆桿橫截面積為34 cm2，單位長(zhǎng)度質(zhì)量32．7 kg／m，?159 mm鉆鋌橫截面積為172．77cm2，單位長(zhǎng)度質(zhì)量134．7 kg／m，震擊行程為1 000 m m，取鉆柱材料的彈性模量E＝206×106kPa，彈性波速度C0＝5 800 m／s，鉆桿密度為7．8×103kg／m3，拉力載荷Fa＝1000k N。計(jì)算得沖擊速度v＝4．5 m／s，震擊力F＝2 724kN。

3．2 震擊力影響因素分析

3．2．1 拉力載荷的影響

假設(shè)其他參數(shù)不變，將大鉤拉力載荷由350 k N增加到1 200 k N，鉆柱最大伸長(zhǎng)量可達(dá)420 cm，震擊力由1 000 k N增加到1 800 k N，如圖4。

圖4 拉力載荷變化時(shí)震擊力和彈性變形量關(guān)系曲線

震擊器震擊能量部分來(lái)源于上提鉆柱伸長(zhǎng)時(shí)所儲(chǔ)存的彈性變形能，由圖4可知，拉力載荷分別與震擊力和彈性變形量成一次線性關(guān)系，在鉆桿材料彈性變形范圍內(nèi)，鉆桿強(qiáng)度越高，拉力載荷越大，鉆桿伸長(zhǎng)量越長(zhǎng)，震擊力也越大。考慮到地面設(shè)備的承載能力與井下鉆具的許用拉力，實(shí)際拉力載荷的增加是有限度的，否則會(huì)引起螺紋連接脫扣現(xiàn)象。

3．2．2 震擊器上部懸重影響

當(dāng)上提拉力載荷為350 k N時(shí)，將打撈震擊器上部懸重m2由30 t增加到108 t時(shí)，震擊力由995 k N增加到1 125 k N，如圖5所示。

圖5 打撈震擊器上部懸重與震擊力關(guān)系曲線

震擊力與上部懸重成冪函數(shù)關(guān)系。震擊器上部懸重m2越大，所產(chǎn)生的震擊力也越大。增加上部懸重有2種主要手段：第1種是直接增加鉆鋌長(zhǎng)度來(lái)增加上部懸重，研究表明，修井作業(yè)一般增加1 700～2 300 kg鉆鋌；第2種是減少震擊器與卡點(diǎn)距離，增加上部鉆柱長(zhǎng)度，從而增加上部懸重m2。當(dāng)魚(yú)頂距卡點(diǎn)較遠(yuǎn)，落魚(yú)管柱較長(zhǎng)，此時(shí)類似于在震擊器與卡點(diǎn)之間增加了一個(gè)緩沖器，嚴(yán)重影響震擊力向卡點(diǎn)傳遞。因此，要盡可能取出卡點(diǎn)以上鉆柱，使震擊器靠近卡點(diǎn)更近，增大震擊力。

3．2．3 震擊器行程影響

假設(shè)其他參數(shù)均為定值，分別將打撈震擊器拉開(kāi)不同的行程進(jìn)行震擊，行程h由0．6 m逐漸增加到1．8 m，如圖6所示。

圖6 打撈震擊器行程長(zhǎng)度與震擊力關(guān)系曲線

從圖6中可以看出，震擊力與行程長(zhǎng)度成冪函數(shù)關(guān)系，適當(dāng)增加上提行程，震擊力明顯增加。震擊器行程大于1．5 m時(shí)，震擊力增加緩慢。在實(shí)際修井作業(yè)中，當(dāng)行程過(guò)長(zhǎng)時(shí)，震擊器行程導(dǎo)向減弱，同時(shí)鉆柱摩擦力所消耗能量增加，實(shí)際產(chǎn)生震擊力變化不大。

4 結(jié)論

1） 通過(guò)彈性理論與動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合，得出完整的打撈震擊力計(jì)算公式，為現(xiàn)場(chǎng)最佳應(yīng)用提供參考。實(shí)例計(jì)算表明，?165 m m打撈震擊器在井下2 700 m處解卡沖擊力可達(dá)2 724 kN，撞擊速度達(dá)4．5 m／s。

2） 通過(guò)實(shí)例分析出震擊力不僅與大鉤拉力載荷有關(guān)，還取決于以下因素：震擊器在鉆柱內(nèi)的安放位置、震擊器行程、井下鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及井眼狀況。恰當(dāng)位置安裝震擊器，合理調(diào)整鉆鋌數(shù)量，能最大限度利用震擊力解卡。

3） 在鉆具的彈性范圍內(nèi)，井況相同條件下，拉力載荷越大，鉆柱被拉伸所儲(chǔ)存的變形能越大，產(chǎn)生震擊力也越大。

4） 鉆具組合中，適當(dāng)增加鉆鋌所占比例，使震擊器距離卡點(diǎn)越近，產(chǎn)生震擊力越大。但在實(shí)際修井作業(yè)中，當(dāng)套管變形或井眼較小時(shí)，如果鉆鋌加重，鉆柱受到井壁阻力變大，此時(shí)震擊力不會(huì)有明顯提高。若使震擊器靠近卡點(diǎn)，上部鉆柱長(zhǎng)度增加，則上部懸重相應(yīng)增大，震擊力加強(qiáng)。

［1］ 高明帥，王瑜．基于磁流變液的井下鉆具主動(dòng)減振技術(shù)［J］．石油機(jī)械，2013，41（9）：7 11．

［2］ 李興杰，張國(guó)田．隨鉆震擊器筒體連接螺紋失效分析及改進(jìn)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（5）：52 55．

［3］ 劉長(zhǎng)艷．液壓上擊器臺(tái)架試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)探討［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（7）：56 59．

［4］ Marcus R S，Morton BF，Bruce H W．Drillstring Dy namics Dynamics During jaroperation［J］．JP T，1979 （11）：1381 1386．

［5］ 賀志剛．震擊器震擊作用動(dòng)力學(xué)分析［D］．西南石油學(xué)院，1998．

Shock Mechanics Anaiysis of Fishing Jar

GAO Qiaojuan1，LIU Ximao1，ZHANG Jan2，SUN Yidi1，ZHANG Ruoxi1
（1．Beijing Petroleu m M achineru Factoru，Beijing100083，China；2．International Petroleum Exploration and Production Corporation，SI N O P E C，Beijing100083，China）

For the co m plex stuck freeing problem in deep wells，deviated wells，horizontal wells，shock forceis researched．Based on the elastic theory and dyna mics theory，the im pact delivered by fishing jar is verified by using m odel analysis．T he calculation form ula of the im pact force is de duced．Through exam ple calculation and diagra m analysis，the im pact force of the fishing jar is effected by the overpull of the hook，the elastic elongation of the drill string，the available slack off weight above the fishing jar and the stroke of the fishing Jar，w hich provides an im portant reference value for design and placement．

fishing jar；elastic theory；dyna mics theory；im pact force

T E921．9

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．008

1001 3482（2015）06 0034 04

①2014 12 06

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“煤層氣水平井、多分支水平井鉆井技術(shù)”（2011Z X05036 002）

高巧娟（1983 ），女，工程師，碩士，主要從事井下工具的研發(fā)工作。