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          探礦工程在線 > 正文

          烏克蘭幾種針對地質鉆探卡鉆的新型震擊器

          發布時間:2013年05月20日
          來源:《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,2011年第4期

           

          烏克蘭幾種針對地質鉆探卡鉆的新型震擊器

           

          李謙,鄢泰寧,盧春華

          (中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074

          摘要:國家經濟的高速增長推動了對礦產能源的需求,使鉆探工作量逐年增加。面對深孔復雜地層,鉆探過程中卡鉆事故時常發生。震擊器是解決卡鉆事故的有效措施,但油氣鉆井中常用的震擊器在小口徑的地質鉆探中使用效果并不理想,因此設計適用于地質巖心鉆探的新型震擊器十分必要。介紹了烏克蘭針對比較嚴重的卡鉆事故而設計的帶彈簧加壓式閥門的液動震擊器,在保證其工作可靠性的同時,利用其高頻的沖擊功可以大大提高解卡工作的效率;針對比較容易發生卡鉆地區而設計的隨鉆式機械震擊器,可以在卡鉆發生后第一時間進行解卡工作,避免了卡鉆事故的進一步惡化,有效的節省了處理卡鉆事故的時間。這種解決地質鉆探中卡鉆事故的有效技術工具,引進、推廣應用前景廣泛。

          關鍵詞:鉆探;卡鉆;震擊器;液動式;機械式;隨鉆式


          1  前言

              國家經濟的高速增長,極大地帶動了對能源礦產的需求量。近年來鉆探的范圍逐年增加,而在鉆探中遇到的復雜地層也越來越多。因此鉆探過程中事故的發生頻率明顯增加。在所有的事故中,卡鉆是比較常見的事故之一。有資料顯示,在所有的鉆探事故中,卡鉆約占事故總數的50%[1]。而每次處理卡鉆事故都將投入更多的人力物力,對鉆探工程造成時間和經濟上的損失。根據卡鉆的類型不同有多種處理方案[2],在所有處理方案中,用震擊器解卡是比較常見的一種。

          在油氣鉆井領域中,震擊器能針對卡鉆事故取得良好效果,是由于震擊器對被卡鉆具施力大于巖石的卡緊力,從而使用絞車或千斤頂能夠起拔鉆具。但是在小口徑地質鉆探中卻應用不多。大量的工程實踐表明,大多數情況下震擊器下至事故孔段后并不能正常工作,震擊器的能力只發揮了30%~ 40%。其中80%的案例是由于泥漿中懸浮的細小巖屑無法順利流過震擊器,導致震擊器的液動機構被巖屑堵塞而失效。除此之外,由于震擊器的活塞有多個螺紋連接的零件,配合尺寸的缺陷也是造成震擊器的失效的原因之一,這一類故障占其總量的10%~12%。因此,引進或設計生產能夠應用于地質鉆探的震擊器很有必要。本文介紹了源自于烏克蘭鉆探工作者針對比較嚴重的卡鉆事故和比較容易發生卡鉆事故的地區兩種情況相對應的新型震擊器設計。

           

          2  非隨鉆式液動震擊器設計

          2.1  設計目的

              非隨鉆式液動震擊器的設計目的在于處理比較嚴重的卡鉆事故。

          傳統液動震擊器工作時以單次震擊為主,進行一次震擊后需要將震擊器復位才能進行下一次震擊。在某些比較嚴重的卡鉆情況下需要的是持續的高頻震擊,傳統震擊器間隔時間較長的震擊效果并不明顯。

          在現有的鉆探工具中,液動沖擊器能提供持續的高頻震擊。研究表明,現有的液動沖擊器在結構原理上并沒有明顯的缺陷。由于其在液動沖擊器排水口安裝了止逆閥,使沖擊器工作時泥漿與巖屑的混合物可以從中穿過而與缸體工作腔隔離。這樣的設計提高了液動沖擊器的可靠性,已經使其成功的應用于無巖心鉆探領域。

          因此,對于處理卡鉆事故的液動震擊器,也可以模仿液動沖擊器通過在活塞-沖錘中增加彈簧加壓式閥門、采用無螺紋單活塞等手段來提高震擊器在孔內工作的可靠性[3]。

          2.2  參數設計

          烏克蘭頓涅茨克大學曾經為液動震擊器選擇合適的頻率-能量參數進行過相關研究[4],為了能使液動震擊器在鉆孔內極端的條件下正常工作,其最大的沖擊頻率至少應該達到1900~2500/min,相應的沖擊能量必須使被卡鉆具克服位移阻力。

              除了原始力學參數外,為了使液動震擊器達到最大的沖擊功,還需要考慮能夠明顯影響其性能的技術參數。首先是頻率和沖擊功。在泥漿泵性能一定的情況下,可達到的最大沖擊功將取決于工作面積與活塞-沖錘總行程的組合,以及在額定泵量和額定沖錘質量前提下使沖錘以最大速度撞擊鐵砧的閥門位移。同時,為了防止液壓系統的壓力過高,一般選擇活塞上每cm2上的壓力為2.753.5kg[4]。綜合考慮上述參數,烏方設計者在設計適用于地質鉆探的小口徑液動震擊器時,采用的數據可使液動沖擊器向被卡鉆具有效地傳遞沖擊功。

          2.3  結構功能設計

              如圖1所示,初始狀態下,活塞-沖錘12在自重作用下處于最下端。吸水閥7關閉,而排水閥8打開。來自泥漿泵的鉆井液沿鉆桿進入上接頭1,經過分流器2的通道進入缸體10的下腔,使下腔產生穩定的工作壓力。在此工作壓力的作用下,會對活塞產生提升力。

          在提升力的作用下,由活塞-沖錘12、銷釘11和活塞桿16組成的系統以很高的速度向上移動。沖錘對上鐵砧14施加一次向上的沖擊功。

          活塞上方的液體經過閥體6側面的通道和止逆閥3進入鉆孔排出震擊器。同時,由于在吸水閥7上仍有液體壓力,閥組將停留在初始位置,上升的活塞沖錘系統壓縮彈簧13?;钊?span>-沖錘移動距離后沖擊排水閥8。在沖擊功和彈簧彈力的作用下,排水閥8帶動吸水閥7向上位移。在位移過程中排水閥8移動距離后接觸閥體6停止位移,關閉閥體側面的通道。吸水閥7在慣性作用下繼續向上位移打開液體通路使其進入缸體10的上腔,積蓄壓力。

          由于缸體上腔的活塞面積大于缸體下腔活塞面積,在下壓力的作用下活塞-沖錘12急速下行,沖錘對下鐵砧17施加一次向下的沖擊功。此時排水閥8上也有水壓而逐漸下移。當銷釘11抓住排水閥8的尾桿時,閥體回到初始狀態,完成一次向上和向下的沖擊過程并積蓄壓力準備下一次的沖擊。

          1  液動震擊器設計圖

           

          3  隨鉆式機械震擊器的設計

          3.1  設計目的

          隨鉆式機械震擊器設計使用于容易發生卡鉆事故的地區。

          在某些地區中由于地層破碎井壁坍塌、地應力異常造成的裸眼地層塑性流動擠壓、泥漿在地層礦物質的影響下發生性質改變,諸如此類的原因使得該地區極易發生卡鉆事故,終止鉆探施工的正常進行。如果處理不及時,可能導致嚴重的鉆探事故[5]。

          在卡鉆事故出現后能否及時采取措施進行解卡工作以及解卡工作持續的時間都在很大程度上決定了能否成功的排除卡鉆事故。使用前文所述的液動式震擊器時,為了能把解卡器放到事故孔段,往往在提升和下放非事故鉆具時要消耗不少時間,這樣不可避免的增加了排除事故的難度。因此可以設計一種隨鉆機械式震擊器。其優點在于可以和普通鉆具一起下入孔底進行鉆探工作。一旦出現卡鉆事故,立即開始解卡工作,大大提高了其解卡成功的概率。另外,相對于液動式,機械式震擊器不需要復雜的密封結構和材料,對泥漿的要求也不高。因此震擊器的壽命、適應性和可靠性均得到了極大的提高。

          3.2  設計原理

          2  機械式震擊器的工作原理

          機械式震擊器的工作原理是一個動態循環的過程(圖2),包括儲能、釋放能量、撞擊解卡和復位4個階段。

          1)儲能階段:操作手通過上提鉆桿,使被卡固定的鉆桿柱發生形變而儲存變性能;

          2)釋放能量階段:當震擊器被觸發開始工作后由于鉆桿柱變性能的釋放而猛烈地向上沖擊;

          3)撞擊解卡階段:當沖錘以很高的速度碰到鐵砧產生極大地沖擊功,與外殼固定的鐵砧將沖擊功通過外殼傳遞到鉆具被卡處,使其受到一次向上的沖擊而解卡;

          4)復位階段:如果解卡成功,則將沖錘復位繼續正常的鉆進,如果沒有解卡成功,則沖錘復位時會對鉆具產生一個向下的沖擊功,循環繼續開始震擊器解卡整個階段。

          為了使震擊器能夠有效工作,最基本的要求是在被卡鉆桿上積累最大的變性能。經烏方設計者理論計算,通過選擇沖錘合理的行程和一定軸向載荷下鉆桿柱可能的變形即可使鉆桿積累最大的變性能,一般情況下。當然,對鉆桿柱施加的軸向載荷也不能超過其極限值,鉆桿住的變形量與鉆桿柱的長度關系如圖3所示。

          3  鉆桿柱變形量與軸向載荷間的關系

          3.3  鋼球式機械震擊器

          鋼球式機械震擊器適用于制造外徑73mm的樣機。在使用時該機構固定在容易被卡鉆具的上方或接在取心鉆具上方作為粗徑鉆柱的一部分。如圖4所示,鉆具外殼由短外管4和短外管8兩部分組成,通過接頭10與被卡鉆具相連,而連桿(包括相互連接的桿2和沖錘5)經過接頭1與鉆桿柱相連。桿2和鐵砧3通過開槽來相互連接用以傳遞扭矩。正常工作時彈簧9將活塞7頂在高位,活塞7將若干鋼球6卡在連桿下端沖錘5的凹槽中。通過這種連接方式將連桿固定用以承受加在鉆柱上的拉力,當鉆柱被拉長時,管材的彈性變形將為解卡器工作需要的沖擊脈沖提供能量。

              當卡鉆事故發生需要解卡器工作時,向鉆桿中投入鋼球11堵住活塞7上的通孔。在高壓泥漿作用下,活塞7壓縮彈簧9向下位移,各鋼球6從沖錘5的環形槽中脫出,解除了沖錘5與短外管8的嚙合狀態。由于積累了變形能,被拉長的鉆桿帶動連桿和沖錘以很大的速度向上移動沖擊鐵砧3。這種向上的沖擊功與鉆柱的變形能、沖錘的質量及其位移和速度成比例。向上沖擊后如果仍未排除事故,可再次向孔中快速下入鉆桿柱,使沖錘5的下表面和短外管8的臺肩產生向下的沖擊功。這樣雙向的沖擊功能以足夠的頻率和力量經過外殼傳到被卡鉆具上。

          4  鋼球式機械震擊器示意圖

          如果需要重復產生沖擊作用,可以關閉水泵,將鉆桿柱和連桿一起下入孔內,這時沖錘5的環形槽將與鋼球6嚙合,從而借助彈簧9的彈力推動活塞7卡住鋼球6使沖錘與短外管

          8恢復初始的剛性連接狀態,繼續向被卡鉆具施加向上和向下的沖擊功。

          在整套鋼球式解卡鉆具體系中可靠性最差的元件是鋼球鎖緊裝置。經烏克蘭設計者測試,在孔內使用外徑89mm的樣機時,使用15~18次之后鋼球就會變形失效,如果需要繼續使用該鉆具則需進行維修或更換沖錘5。

          3.4  無鋼球式機械震擊器

          另外一種機械震擊器結構如圖5所示,它沒有鋼球鎖緊裝置,因此工作時具有更高的可靠性。該機構由外殼和活塞桿組成。外殼包括接頭1、上短外管3、中短外管7、下短外管10、沖錘4和螺紋接頭9?;钊麠U做成兩截空心的形式,其下桿8與上桿5相連?;钊?span>-鐵砧2安裝在上桿上部,而上桿5的下端加工出臺階,與中短外管7臺階6之間通過緊密配合傳遞扭矩。機構下部與下桿8相連的開槽主軸12、下短外管10和開槽短節11之間為相互叉接。

          正常工作時鉆井液通過鉆桿內部向孔底流動時,在活塞-鐵砧2的上部由于過流通道直徑變小而形成水壓,給鉆頭增加附加載荷。

          當下部鉆具被卡時,操作者上提鉆桿拉緊整個鉆桿柱。此時,上桿5、下桿8和開槽主軸12被卡住的鉆具固定,而未卡住的外殼部分隨上部鉆桿拉長可能出現拉伸變形。當外殼的變形量使臺階6從與上桿5的凸臺配合中脫離時,由于鉆桿柱的彈性作用,將使臺階6帶動沖錘4給活塞-鐵砧2施加一次沖擊作用。由于活塞-鐵砧2通過活塞桿和主軸12與被卡鉆具剛性的連接在一起,因此沖擊功即可傳遞給被卡鉆具。當機構完成沖擊動作后,可下放外殼并重復上述過程,達到重復沖擊的目的。

           

          4  結論

              通過對比分析烏克蘭地質工作者針對兩種不同情況分別進行的新型震擊器的設計之后可以得出以下結論。

          1)針對比較嚴重的卡鉆事故而設計的新型液動震擊器,能通過高頻的震擊力提高解卡工作的效率;加裝的彈簧加壓式閥門也能增加震擊器工作的可靠性。

          2)針對易卡鉆地區設計的隨鉆式震擊器,能夠在卡鉆發生的第一時間內進行解卡工作,能夠有效避免卡鉆事故的進一步惡化,節省處理事故的時間。

          3)機械式震擊器利用鉆桿柱的彈性勢能產生單次沖擊進行解卡,相對于液動震擊器結構簡單,加工精度低,強度大,更加適合于被設計為隨鉆式震擊器。

           

          參考文獻:

          [1]  雷萬能,朱忠喜.粘吸卡鉆的成因及處理[J].內蒙古石油化工,2007,11: 84-86.

          [2]  張林強.井下卡鉆分析及處理[J].海洋石油,2007,9: 112-115.

          [3]  Калиниченко О.И. Зыбинский П.В., Каракозов А.А. Погружные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе(大陸架鉆探用的潛水鉆具及設備)[J]. Донецк: Изд. ?Вебер?, Донецкое отделение. 2007,(?).

          [4]  Калиниченко О.И. Особенности конструкций и элементы проектирования характеристик гидроударных буровых снарядов для однорейсового бурения подводных скважин (用于單回次水下鉆進的液動沖擊器結構特征及其元件設計[J]. Збiрник наукових праць ДонДТУ. Серiя гiрничо-геологiчна. 2000,(11

          [5]  賀志剛,陳平.隨鉆震擊器安放位置優化設計[J].石油機械,2001,30: 25-28.

           

          作者簡介:李謙(1987-),男(漢族),四川德陽人,中國地質大學(武漢)碩士研究生在讀,地質工程專業,研究方向為檢測技術在鉆探過程中的應用,湖北省武漢市魯磨路388號中國地質大學(武漢)碩研1200911班,ql_eye@163.com.


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