震击器概述与校核

□ 任 杰 □ 王清岩 □ 王战涛 □ 范黎明

1.吉林大学建设工程学院 长春 130000

2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 四川广汉 618300

1 研究背景

随着地质勘探技术的飞速发展，人们对钻井机械的需求日益提高。当前钻机主要存在的问题如下：①钻机钻进时存在停钻现象；②钻机钻进的工况存在泥包、井壁坍塌、泥浆上反等问题，且井下地质结构复杂等，都会使钻具卡钻，严重影响工程进度。可见，在尽量避免卡钻事故发生的同时，探讨如何解决卡钻问题显得尤为必要。

目前，钻机井下解卡的方式包括活动解卡、倒扣解卡、套铣解卡、浸泡解卡、磨蚀解卡、爆炸解卡、震击解卡等［1］，其中震击解卡广泛应用于钻井工程中，优点在于震击器制造工艺流程和使用条件简单。在多变的井下环境中，与震击解卡相比，其它解卡方式都存在操作复杂、时间消耗多、对井壁危害大等问题，并且容易引发井下二次事故。

笔者设计的是机械液压式震击器［2］。震击器所产生的震击力大小由阻尼、回路长短、钻进深度、钻杆钻铤质量等决定。震击器结构主要包括活塞杆、上缸套、下缸套、震击体、上密封环、下密封环、导向杆等，如图1所示。

▲图1 震击器结构示意图

2 震击器工作过程

震击器工作过程分为初始阶段、限流阶段、拉伸阶段、冲击阶段、解卡阶段和恢复阶段［3］。

（1）初始阶段。钻机在钻进过程中，震击器随钻杆和钻铤一同工作，共同进行回转钻进，弹簧处于压缩状态，震击体在下端面，此时震击器不起作用。

（2）限流阶段。一旦钻机遇到卡钻或井下事故，上方提供一个上提力，液压油顺着间隙小孔向下缓慢流动。此时震击器开始发挥作用，使憋压区一部分拉力产生液压势能。

（3）拉伸阶段。处于压缩状态的弹簧一旦有空间向上伸长，弹簧将给予震击体向上的力，使震击体快速向上运动。

（4）冲击阶段。当震击体过憋压区后，下端的液压油会迅速向下流动，震击体受向上力的作用，快速撞击上端面。震击体相对于套筒获得较大的相对速度，从而产生大冲击力。

（5）解卡阶段。大冲击力使钻具产生剧烈振动，对卡点处的黏滞力产生反向作用，进而解卡提钻。解卡后，黏滞力消除，只需要再加外力提钻即可。

（6）恢复阶段。修复好钻具，清理井下落鱼后，钻具继续下放，使震击器恢复初始状态。震击体压到下端面，弹簧处于压缩状态，钻具继续进行钻进工作，工程继续进行［4］。

图2所示为震击器工作过程中的初始、限流与冲击阶段。

▲图2 震击器工作过程示意图

3 震击器结构原理

在传统震击器上加了弹簧作为储能装置。弹簧在钻机正常工作时受压力的作用，当钻杆受到向上的拉力时，震击体会受到压缩弹簧的向上作用力。随着弹簧的伸长，液压油顺着活塞的孔壁缓慢向下流动，一旦经过憋压区，震击体迅速向上滑动，相对于上下缸套产生较大的相对速度，运动撞击下端面，产生一个较大的动载荷［5］。

4 参数计算

4.1 液压缸应力校核

以YSJ40震击器为例，液压缸外径DYY为117 mm，液压缸内径dYY为92 mm，活塞杆直径dHS为50 mm，震击体外径DZJ为92 mm，震击体内径dZJ为45 mm，最大工作扭矩T为 5 kN·m，最大工作载荷F为176 kN，许用应力［σ］取 120 MPa，许用剪力［τ］取 80 MPa［6］。

液压缸受向上的轴向载荷，根据力学拉压正应力公式［7］，对液压缸轴向应力 σ1进行校核［8］：

代入相关数值，得 σ1=42.9 MPa＜［σ］，符合应力要求。

4.2 液压缸扭矩校核

液压缸受到的最大扭矩不能超过许用工作扭矩，且在横截面的周边各点处，切应力达到最大值。按扭转强度校核公式，对液压缸所受的切应力进行校核［9］：

式中：τ为液压缸扭转切应力，MPa；T为液压缸所受扭矩，N·mm。

代入相关数值，得 τ=25.7 MPa＜［τ］，符合扭矩要求。

4.3 活塞杆应力校核

钻机在最大钻进速度工作时［10］，活塞杆所承受的应力最大。当最大工作应力超过许用应力时，会导致活塞杆被破坏，因此需要对活塞杆所受轴向应力σ2进行校核：

代入相关数值，得 σ2=89.7 MPa＜［σ］，符合应力强度要求。

4.4 震击体应力校核

震击体在上提后击打到上端面的瞬间时应力值达到最大，此时的工况是最危险的，因此需要按照最大正应力校核公式计算最大正应力，确保震击体强度不被破坏［11-12］。

式中：σ3为震击体轴向应力，MPa；K为载荷因子。

因为震击器在冲击阶段会产生较大的动载荷，所以取 K=3，代入相关数值，得 σ3=104.4 MPa＜［σ］，符合应力强度要求。

4.5 憋压区压强校核

震击体一面受液压作用，一面受阀体台阶端面作用，处于平衡状态［13］。根据液压正应力强度来计算震击体压强P：

代入相关数值，得 P=34.8 MPa＜［σ］，符合应力强度要求。

4.6 行程计算

震击器行程的大小直接影响震击力，憋压区行程时间要在一个合理的范围内，一般60 s为一个合理的行程时间。根据流体流量、行程时间和截面的关系进行相关计算。

式中：L为憋压区行程，mm；t为憋压区行程时间，s；q为流量，mm3/s，取 q=24 000 mm3/s。

代入相关数值，得L=351 mm。

5 解卡失败原因

震击器解卡失败的原因有多种［14-15］，分别进行分析。

（1）震击器的安放位置不正确。所设计的震击器属于上击型震击器，需要将震击器安放在钻杆的下端，距离卡点越近，震击效果则越好。

（2）震击器的憋压区行程不足，震击力达不到震击要求。这需要在震击器安放前精准调节行程，合适的憋压区行程才能产生足够的震击力。

（3）震击器在下井之后没有处于初始状态，弹簧没有被压缩，震击体没有到达底端面，这样震击器无法有效工作。这需要足够质量的钻杆和钻铤，工作时可以多次拉压，将震击器调试为初始状态。

（4）井下环境复杂，震击器产生震击力也无法有效解卡。这需要在下井前计算好所需的震击力，选择型号合适的震击器。

6 结束语

笔者设计的震击器优点在于结构简单，制造工艺优良。震击器安放后不用人为操纵下井，操作简单。震击力大小可调，适用于不同的井下环境。震击器只需在钻机下井前按规程安放即可。震击器是全密封装置，可以防止泥沙等杂物造成磨损，使用寿命长。在原有的震击器上加了弹簧作为储能装置，具有较高的工程应用价值。

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