液壓機械式隨鉆震擊器的研制及應用*張宏英 張國田 李興杰（中國石油 北京石油機械廠）摘 要 ： 液壓機械式隨鉆震擊器是集液壓式震擊器及機械式震擊器功能于一體而研制的新型井下工具，采用液壓原理與機械原理取長補短，達到優勢互補，提高了工具的一次下井隨鉆時間和整機壽命。該復合震擊器適用于包括定向井、大位移水平井、超深井以及欠平衡空氣鉆井作業等。文章主要論述了液壓機械式隨鉆震擊器的結構、工作原理、性能特點、關鍵技術及現場應用。目前該產品已經實現了系列化和產業化，可批量生產以滿足鉆井工程的需要。關鍵詞 ： 液壓機械式 震擊器 結構 原理 應用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.* 本文為國家十五重大裝備“特殊工藝井井下裝備研制”（項目編號：ZZ01-08-01-04）的研究成果之一。自20世紀90年代以來，隨著石油勘探開發技術的發展，石油設備已引起各國石油界的高度重視。各石油公司依賴科技進步，積極采用先進技術發展新設備，提高了石油設備在適應性、可靠性、品種多樣性和系列化、集成化、自動化、智能化等方面的總體水平1。近年來，我國的油氣勘探開發技術取得了飛速的發展，鉆采工藝水平正在向世界先進水平迅速靠攏。隨著鉆井工程向定向井、超深井和復雜井的不斷邁進，研制與之配套的能滿足鉆井工藝需要的新型井下工具就顯得尤為必要。背景1. 國外情況西方發達國家特別重視石油鉆采裝備的研發，在技術、制造水平等各方面均居國際領先的地位。國外井下工具主要生產廠家有National Oilwell Varco, Weatherford, Halliburton, Baker Hughes，Schlumberger，Cougar等。2. 國內情況為了提升國產石油鉆井裝備的國際競爭力，為石油勘探開發提供質量可靠、性能穩定的井下工具裝備，北京石油機械廠承擔了國家十五重大裝備“特殊工藝井井下裝備研制”項目，進行了液壓機械復合式隨鉆震擊器的研制2。液壓機械式隨鉆震擊器1. 結構與原理3 4圖 1 液壓機械式隨鉆震擊器結構示意圖液壓機械式隨鉆震擊器（見圖 1）包括：由閥體心軸26、下筒體27、閥體總成28、活塞30和下接頭31組成的液壓延時機構；由卡瓦心軸10、上擊調節螺母14、調整套15、卡瓦17、卡瓦套18、隔套19、彈性機構總成20、襯套22及下擊調節螺母23組成的機械鎖緊機構；由上筒體7、背母8和卡瓦心軸10的臺階面組成的上/下打擊機構；由刮泥圈2、上密封組件4和下密封組件29組成的上/下密封機構；由花鍵心軸1、扶正體3、花鍵體6、上筒體7、中筒體21、連接體24、下筒體27和下接頭31組成的扭矩傳遞機構；由花鍵心軸1和下接頭31的兩端連接螺紋組成的上/下連接機構。機械鎖緊機構由卡瓦心軸、鎖緊卡瓦、卡瓦套及彈性套組成。其釋放過程如圖 2所示。-鎖緊狀態 -產生位移 -心軸釋放 圖 2 釋放示意圖該鎖緊機構各部件間摩擦力較小，同其他結構相比使用壽命大大提高。上下震擊一體，上下震擊釋放力在井口分別可調且調節操作簡易，調值準確穩定。產品性能受高溫、腐蝕性介質等工作環境影響小，適用于各種工況下的隨鉆作業。液壓延時機構由閥體心軸與閥體總成組成，二者通過合適的配合可以有效地保證心軸在機械部分釋放后，系統進入液壓延時階段。結合鉆井工藝和現場操作的需要，適當的延時時長使得震擊器以下鉆柱被彈性拉伸，大大的提高了震擊和解卡效果。其中閥體總成（見圖 3）由閥體、閥銷、閥芯、絲堵等組成。圖 3 閥體總成示意圖工作原理如下：當需要上擊時，上提鉆柱使震擊器的心軸隨之向上運動，彈性機構總成受拉/壓產生彈性變形，隨著大鉤上提力的不斷增加，彈性機構總成的變形也隨之增大，在彈性機構總成拉伸/壓縮達到臨界位置時卡瓦突然完全張開和卡瓦套嚙合，當拉力達到鎖緊機構釋放力的大小時，鎖緊裝置松開，就進入了液壓延時階段。這時，絞車將被剎死，震擊器在預拉力及液壓阻力的作用下緩慢拉開。之后，震擊器就進入了自由打擊狀態，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內快速滑動到極限位置，打擊機構發生打擊，產生強大的上擊力。此時，只需下放鉆柱，就可以使震擊器復位，以備下次震擊或繼續鉆進。當需要下擊時，適當下放鉆柱，直到施加到震擊器上的壓力超過鎖緊機構的釋放力。這時，鎖緊裝置將打開，在彈性機構總成拉伸/壓縮達到臨界位置時卡瓦突然完全張開和卡瓦套嚙合，卡瓦心軸失去卡瓦的約束在固定行程內快速滑動到極限位置，打擊機構發生打擊，產生強大的下擊力，心軸釋放后快速運行到閉合位置，產生一個向下的沖擊力。然后，適當上提鉆柱使震擊器復位，這時，可以進行下次震擊或者繼續鉆進。2. 技術參數以YJ121A液壓機械式隨鉆震擊器為例，其技術參數如表 1所示，符合石油行業標準5的規定：項目單位技術指標標稱外徑mm121水眼mm44.5單向總行程上擊mm300下擊mm150標定釋放力上擊kN40020下擊kN22020標定鎖緊力上擊kN30020最大釋放力上擊kN480下擊kN250最大鎖緊力上擊kN400最大抗拉載荷kN1000最大工作扭矩kNm12水眼密封壓力MPa30長期使用耐溫150接頭螺紋3 1/2 IF表 1 YJ121A技術參數3. 技術特點液壓機械式隨鉆震擊器的主要特點如下： 在起下鉆、接單根、觸井底或鉆進時不會發生誤震現象。 在鉆臺上無需任何安全夾具或特殊操作工藝規程。 在鉆具組合（BHA）中的位置比較自由，可以置于受拉、中性點、受壓各種位置。是定向井和大位移水平井的理想工具。 線性機械鎖緊機構不受扭矩影響；是高摩阻，定向井和大位移水平井的理想工具。 操作簡單，僅為上下往復運動。 鎖緊結構上下擊釋放力井口可調。 機械鎖緊裝置在鉆井作業中可以起到防止工具磨損的作用，可以大大提高工具使用壽命。 液壓延時震擊允許操作者通過改變大鉤上提力的大小來控制井下震擊力的大小。 全密封、油浴潤滑環境有利于減少磨損，提高工具使用壽命。 根據客戶需求，可以提供分別適用于120或150的井底溫度的工具。4. 關鍵技術(1) 機械式工作原理的選擇目前國內外機械式震擊器按其鎖緊機構的不同可分為三類：摩擦卡瓦式；彈簧預緊卡瓦式；行程控制卡瓦式。根據項目組調研，結合多年的生產加工及現場使用經驗，最終選定了行程控制式卡瓦鎖緊機構。該機構具有如下特點：摩擦副的強力摩擦較其他機構小，且易損件較少，使用壽命較長。整機機構合理，安全可靠，上下擊一體，上/下擊釋放力在井口分別可調，且操作簡便易行調值準確穩定，產品性能受高溫、腐蝕性介質等工作環境影響小，適合復雜及高可靠度鉆井的需要。(2) 液壓式工作原理的選擇目前，國內外液壓式震擊器按其結構不同可分為兩種：阻尼活塞式；阻尼閥式。根據前期研制SS系列隨鉆上擊器和CS系列超級上機器的經驗，阻尼活塞式液壓延時鎖緊機構可以較好的滿足常規作業，但其對密封及表面處理技術要求極為苛刻，受多因素制約，此類機構難以突破長壽命的瓶頸。項目組利用CAD/CAM技術，發揮數控制造中心優勢，經多次試驗成功開發了阻尼閥式液壓延時鎖緊機構。該機構具有高可靠度，長壽命的特點。(3) 機械、液壓的有機集成通過技術論證，項目組最終確定液壓機械式隨鉆震擊器的機械部分采用行程控制的卡瓦式鎖緊機構，液壓部分采用閥式阻尼延時機構。通過相關尺寸鏈設計，確保了震擊的序列性和液壓延時時長的合理性，將二者有機地集成，實現了預期功能。在設計過程中，項目組緊跟前沿技術，嚴格按照行業標準及API規范，征求油田用戶（司鉆、管具中心維修人員）意見，對產品技術參數進行了優化。同時慎重確定材料及熱處理工藝，強化了螺紋連接、密封及支承、表面處理工藝等關鍵性技術，增加了釋放力限位機構和防掉裝置，利用3D及FEA技術對設計方案進行了二次校核，提高了產品的可靠度和安全性。5. 應用及發展2005年底，兩套液壓機械式隨鉆震擊器發往四川石油管理局所轄油田進行現場作業。編號為C0412009-2液壓機械式隨鉆震擊器在中國石油川鉆62隊作業的磨030-H1井的鉆進中發揮了重要作用。編號為C0412009-1液壓機械式隨鉆震擊器在中國石油川鉆43井隊作業的磨004-H2井的鉆井過程中得到成功應用。通過現場應用，該液壓機械式隨鉆震擊器比常規隨鉆震擊器顯示出以下優越性： 一次下井隨鉆時間達1800多小時（甚至更長）遠遠高于行標規定的500小時，減少了不必要的起下鉆，降低了勞動強度和鉆井成本。 機械鎖緊避免了誤震操作，液壓延時大大增強了震擊效果，震擊解卡作業更為安全有效。 與國外同類產品相比，設計更為人性化。作為液壓機械式復合隨鉆震擊器，實現了機械部分鎖緊力的井口可調。目前，4 3/49(121229) 系列液壓機械式隨鉆震擊器均已實現產業化，可批量生產以滿足鉆井作業的需要。結 論(1) 該液壓機械式隨鉆震擊器的研制填補了特殊工藝井井下工具的空白，滿足了復雜井作業的需要。(2) 該液壓機械式隨鉆震擊器已申請國家發明專利（申請號: 200510080243.1），已獲國家實用新型專利（專利號：ZL200520112147.6）。致謝在本文寫作過程中，受到了我廠副總工程師黃衍福高工、龔皓主任的指導和支持，在此筆者對他們的熱心幫助表示衷心的感謝。參與本項目研制的還有張春華、張殿祥、朱仲為、王瑞霄、楊玉敏等。參考文獻1 張嗣偉. 關于我國石油鉆采機械技術發展的若干對策.中國機械工程學會網2 黃衍福,張國田,劉廣華等. 空氣螺桿鉆具、欠平衡鉆井空氣震擊器及減震器的研制. 2004年石油裝備、鉆井技術年會暨慶祝江漢機械研究所建所40周年學術研討會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