打捞震击器力学分析

高巧娟，刘希茂，张 健，孙一迪，张若熙（．北京石油机械厂，北京00083；．中国石化集团　国际石油勘探开发有限公司，北京00083）

打捞震击器力学分析

高巧娟1，刘希茂1，张 健2，孙一迪1，张若熙1
（1．北京石油机械厂，北京100083；2．中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京100083）①

针对深井、斜井、水平井打捞作业中遇到的复杂解卡问题，对打捞工况进行了震击力学研究。基于弹性理论与动力学理论相结合的方法对打捞震击器震击力进行分析，推导出震击力计算公式。通过实例计算，建立函数关系分析了大钩拉力载荷、钻柱弹性伸长量、震击器上部悬重和震击器行程对震击力的影响，为打捞震击器的结构设计和现场应用提供参考。

打捞震击器；弹性理论；动力学理论；震击力

钻井是一项地下工程，存在着大量的模糊性、随机性和不确定性，底部钻具的受力状况和工作环境异常恶劣，是一个极其复杂的动力学系统［1］。有时会因各种因素产生井下许多复杂情况，甚至造成严重井下事故，不仅影响钻井效率，还会造成经济损失。据近年来的钻井资料分析，钻井过程中，处理复杂情况和钻井事故的时间约占施工总时间的6%～8%［2］。在深井、斜井、水平井打捞作业中，如果抓住落鱼后，经过大载荷提拉仍不能解卡，此时会出现意想不到的反常现象，例如可退式打捞筒抓住落鱼后不可退，安全接头卸不开等。针对此问题，为充分发挥震击器效用，有必要对震击器震击力进行分析计算。近年来，有很多关于震击力研究，例如贺志刚［3］研究震击力时考虑了弹性波在钻铤中的传播；Skeem［4］研究震击力时考虑了弹性波只在钻铤中反射。笔者应用弹性波传播理论，将弹性理论与动力学理论相结合，推导出了震击器震击力计算公式，利用函数图分析了震击力变化规律，得出影响震击器震击力的各种因素。

1 打捞震击器结构及原理

1．1 结构

打捞震击器主要由上接头、活塞、中筒体、下接头、心轴等组成，如图1所示。

图1 打捞震击器结构示意

打捞震击器以心轴为固定件，心轴中段为外六方，与下接头内六方相配合，用于传递转矩。活塞装在心轴顶端，以螺纹连接，活塞外周有密封和支承环，当进行高泵压循环时，将水眼和低压腔分离，中筒体下部同一圆周均匀分布有4个排液孔，使低压腔和环空相通。

1．2 解卡原理

打捞震击器主要借助于钻柱自身的质量和钻柱弹性伸长所积蓄的弹性能量而形成强大的震击力。上提钻柱时，外部缸筒随钻柱上行，而心轴则固定不动，待下接头的上端面与活塞下端面接触时，行程被全部拉开。如果继续上提钻柱，钻柱便开始弹性伸长，积蓄弹性能。当猛放钻柱时，钻柱由于自身的质量和弹性能的释放而迅速下行，因为该工具有足够的行程，下行钻柱有一定的加速时间，使外筒体以极高的速度撞击心轴接头台肩上，给被卡钻具以强烈的震击力。工作原理如图2所示。

图2 打捞震击器工作原理

2 解卡模型分析计算

打捞震击器安装在可退式打捞筒和安全接头上方，使捞筒解卡退出。当解卡退出时，司钻通过钻柱顶部施加拉力，上提钻柱，将震击器拉开至全行程h，继续上提，使上部钻杆发生弹性拉伸，当司钻猛放钻柱，关闭震击器时，在可退捞筒附近瞬间产生向下的震击力，使捞筒解卡，为打捞工具退出创造条件。

解卡过程可分为以下3个阶段，其解卡模型结构如图3所示。

图3 解卡模型结构

2．1 加载阶段

2．2 加速阶段

式中：Δli为每根钻柱弹性伸长量

式中：m2为震击器上部所有钻柱总质量，k N；h为震击器工作行程，m；v为向下撞击速度，m／s。

2．3 传递冲力阶段

当震击器行程闭合时，震击器上部钻柱停止运动，将冲力传递到卡点，随即产生向下震击作用，推动被卡工具。考虑到弹性波在钻柱中的传播，根据动量守恒，震击力为［5］：

式中：ρ为钻杆的材质密度，kg／m3；C0为弹性波在钻柱中纵向传播速度，m／s；Aj为震击时自由端和承撞砧接触横截面积，m2；vc为释放时自由端速度，m／s。

将式（1）～（3）合并得：

3 震击力计算与影响因素分析

3．1 实例计算

以某次修井解卡作业为例，井眼直径为Ø219mm。卡点在井下2700m处，钻具组合为Ø165mm打捞筒＋Ø165mm安全接头＋Ø165m m打捞震击器＋Ø159mm钻铤200 m＋Ø127mm钻杆2 500 m。Ø127mm钻杆横截面积为34 cm2，单位长度质量32．7 kg／m，Ø159 mm钻铤横截面积为172．77cm2，单位长度质量134．7 kg／m，震击行程为1 000 m m，取钻柱材料的弹性模量E＝206×106kPa，弹性波速度C0＝5 800 m／s，钻杆密度为7．8×103kg／m3，拉力载荷Fa＝1000k N。计算得冲击速度v＝4．5 m／s，震击力F＝2 724kN。

3．2 震击力影响因素分析

3．2．1 拉力载荷的影响

假设其他参数不变，将大钩拉力载荷由350 k N增加到1 200 k N，钻柱最大伸长量可达420 cm，震击力由1 000 k N增加到1 800 k N，如图4。

图4 拉力载荷变化时震击力和弹性变形量关系曲线

震击器震击能量部分来源于上提钻柱伸长时所储存的弹性变形能，由图4可知，拉力载荷分别与震击力和弹性变形量成一次线性关系，在钻杆材料弹性变形范围内，钻杆强度越高，拉力载荷越大，钻杆伸长量越长，震击力也越大。考虑到地面设备的承载能力与井下钻具的许用拉力，实际拉力载荷的增加是有限度的，否则会引起螺纹连接脱扣现象。

3．2．2 震击器上部悬重影响

当上提拉力载荷为350 k N时，将打捞震击器上部悬重m2由30 t增加到108 t时，震击力由995 k N增加到1 125 k N，如图5所示。

图5 打捞震击器上部悬重与震击力关系曲线

震击力与上部悬重成幂函数关系。震击器上部悬重m2越大，所产生的震击力也越大。增加上部悬重有2种主要手段：第1种是直接增加钻铤长度来增加上部悬重，研究表明，修井作业一般增加1 700～2 300 kg钻铤；第2种是减少震击器与卡点距离，增加上部钻柱长度，从而增加上部悬重m2。当鱼顶距卡点较远，落鱼管柱较长，此时类似于在震击器与卡点之间增加了一个缓冲器，严重影响震击力向卡点传递。因此，要尽可能取出卡点以上钻柱，使震击器靠近卡点更近，增大震击力。

3．2．3 震击器行程影响

假设其他参数均为定值，分别将打捞震击器拉开不同的行程进行震击，行程h由0．6 m逐渐增加到1．8 m，如图6所示。

图6 打捞震击器行程长度与震击力关系曲线

从图6中可以看出，震击力与行程长度成幂函数关系，适当增加上提行程，震击力明显增加。震击器行程大于1．5 m时，震击力增加缓慢。在实际修井作业中，当行程过长时，震击器行程导向减弱，同时钻柱摩擦力所消耗能量增加，实际产生震击力变化不大。

4 结论

1） 通过弹性理论与动力学理论相结合，得出完整的打捞震击力计算公式，为现场最佳应用提供参考。实例计算表明，Ø165 m m打捞震击器在井下2 700 m处解卡冲击力可达2 724 kN，撞击速度达4．5 m／s。

2） 通过实例分析出震击力不仅与大钩拉力载荷有关，还取决于以下因素：震击器在钻柱内的安放位置、震击器行程、井下钻柱结构设计及井眼状况。恰当位置安装震击器，合理调整钻铤数量，能最大限度利用震击力解卡。

3） 在钻具的弹性范围内，井况相同条件下，拉力载荷越大，钻柱被拉伸所储存的变形能越大，产生震击力也越大。

4） 钻具组合中，适当增加钻铤所占比例，使震击器距离卡点越近，产生震击力越大。但在实际修井作业中，当套管变形或井眼较小时，如果钻铤加重，钻柱受到井壁阻力变大，此时震击力不会有明显提高。若使震击器靠近卡点，上部钻柱长度增加，则上部悬重相应增大，震击力加强。

［1］ 高明帅，王瑜．基于磁流变液的井下钻具主动减振技术［J］．石油机械，2013，41（9）：7 11．

［2］ 李兴杰，张国田．随钻震击器筒体连接螺纹失效分析及改进［J］．石油矿场机械，2010，39（5）：52 55．

［3］ 刘长艳．液压上击器台架试验动力学探讨［J］．石油矿场机械，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］ 贺志刚．震击器震击作用动力学分析［D］．西南石油学院，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

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“煤层气水平井、多分支水平井钻井技术”（2011Z X05036 002）

高巧娟（1983 ），女，工程师，硕士，主要从事井下工具的研发工作。