羅軍營，宋順平，叢 成

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

在鉆井生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)因?yàn)槌辽?、泥餅、地層坍塌、落物等各種原因所導(dǎo)致的鉆具卡鉆事故?，F(xiàn)場處理時(shí)，在泥漿處理無效后，需要輔助使用震擊解卡工具，進(jìn)行現(xiàn)場事故的處理，但震擊器只能軸向震擊作業(yè)，無法產(chǎn)生對鉆具的旋扭力。當(dāng)震擊解卡無效后，只能倒扣填埋井眼與鉆具，并重新開始鉆井工程，此種作業(yè)方式在工程中，不僅會造成嚴(yán)重的資產(chǎn)浪費(fèi)，同時(shí)也會浪費(fèi)大量的作業(yè)工時(shí)[1]。為了解決石油鉆探施工中的此方面問題，可將此工具配合震擊器使用，使其產(chǎn)生對鉆具的旋扭力，實(shí)現(xiàn)卡鉆事故處理的能力提高。為了進(jìn)一步落實(shí)此項(xiàng)工作，本文將結(jié)合石油鉆探施工需求，對震擊解卡工具參數(shù)優(yōu)化方法展開設(shè)計(jì)研究。此次發(fā)明研究涉及地質(zhì)鉆探、巖土勘察、煤礦開采等相關(guān)領(lǐng)域，在設(shè)計(jì)過程中，將該工具通過和井下震擊器的連接處理，起到扭震解卡器和井下震擊器在使用中的相互配合作用，從而實(shí)現(xiàn)在卡鉆時(shí)為鉆具提供一個(gè)扭轉(zhuǎn)力，以此提高解卡的可能性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度與安全風(fēng)險(xiǎn)，提高事故處理的能力。根據(jù)現(xiàn)有的理論研究成果可知，設(shè)計(jì)的工具在現(xiàn)場作業(yè)時(shí)具有安裝方便、現(xiàn)場應(yīng)用便捷等顯著優(yōu)勢。

1 石油鉆探施工中井下震擊解卡工具參數(shù)優(yōu)化方法

1.1 優(yōu)化井下震擊解卡工具結(jié)構(gòu)

為了降低石油鉆探施工中鉆具卡鉆事故的發(fā)生概率，應(yīng)在施工作業(yè)時(shí)，將井下震擊解卡工具作為施工的輔助工具。本文將結(jié)合井下鉆探施工作業(yè)需求，進(jìn)行震擊解卡工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其工具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 井下震擊解卡工具結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中：1為內(nèi)螺旋短節(jié)；2為螺旋芯軸；3為導(dǎo)向桿；4為平衡密封活塞；5為限位螺帽；6為下筒體；7為上筒體；8為承壓組件（碟簧組）9為墊環(huán)；10為上部密封接頭；11為預(yù)緊螺母。

其中內(nèi)螺旋短節(jié)模塊的內(nèi)壁為承力螺旋導(dǎo)軌，上下端使用螺紋分別與上筒體與下筒體相連[2]。螺旋芯軸為中空管，下部是鉆具螺紋，與鉆具相連；上部與導(dǎo)向桿下部相連；中部是承力螺旋導(dǎo)軌，與內(nèi)螺旋短節(jié)模塊內(nèi)壁契合。

導(dǎo)向桿為中空管，下端與螺旋芯軸相連，上端有外螺紋、連接限位螺帽，導(dǎo)向桿中間有外螺紋，螺紋上連接預(yù)緊螺母。

平衡密封活塞套在導(dǎo)向桿外壁，且與上部密封接頭內(nèi)壁緊密接觸，能夠在導(dǎo)向桿上下運(yùn)動(dòng)，由導(dǎo)向桿及限位螺帽進(jìn)行上下限位，平衡密封活塞內(nèi)側(cè)與導(dǎo)向桿之間有密封結(jié)構(gòu)，平衡密封活塞外側(cè)與上部密封接頭有密封結(jié)構(gòu)。

下筒體上端與內(nèi)螺旋短節(jié)模塊下端相連，下端內(nèi)側(cè)有密封結(jié)構(gòu)。上筒體下端與內(nèi)螺旋短節(jié)模塊上端相連，上端連接上部密封接頭，中部有臺階，承力套坐在臺階上。

承壓組件（碟簧組）套在導(dǎo)向桿外壁上，使用多組多片碟簧組成，每組碟簧組有1～4片碟簧，根據(jù)碟簧片數(shù)及組數(shù)調(diào)整螺旋芯軸的行程及壓力。承壓組件（碟簧組）上端限位在預(yù)緊螺母，下端限位在承力套上。

承力套下部坐在上筒體臺階上，上部對承壓組件（碟簧組）限位，承力套可以在上筒體內(nèi)上下活動(dòng)。

上部密封接頭下部外側(cè)與上筒體相連，上部為鉆桿螺紋，可從平衡密封活塞下部至下筒體下端的密封結(jié)構(gòu)之間充油。

1.2 主要部件技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在完成震擊解卡工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對工具的主要部位技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

表1 震擊解卡工具主要部位技術(shù)參數(shù)

按照上述內(nèi)容，進(jìn)行震擊解卡工具主要部位技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，以此種方式，確保震擊解卡工具在井下石油鉆探施工應(yīng)用時(shí)，可以達(dá)到預(yù)測的使用效果。

1.3 井下震擊解卡工具安裝與復(fù)位

在完成震擊解卡工具結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)后，對其進(jìn)行安裝與復(fù)位設(shè)計(jì)。

當(dāng)油氣井施工過程中發(fā)生卡鉆事故需要震擊解卡時(shí)，則需要充分循環(huán)鉆井液，盡可能將井筒里的巖屑攜帶出井口，停泵后將鉆桿在卡點(diǎn)上端卸扣，將上部鉆具取出，將扭震解卡器主體通過上部密封接頭與上擊器連接，漏漿上擊器與鉆具連接[4]。在此基礎(chǔ)上，將扭震解卡器下入井中，將螺旋芯軸下端螺紋與落魚頂進(jìn)行對扣連接，上提上擊器，上擊器積蓄能量后向上錘擊，在錘擊力的作用下扭震解卡器的內(nèi)螺旋短節(jié)向上移動(dòng)，使得螺旋芯軸產(chǎn)生軸向扭力，將扭力傳遞給卡點(diǎn)，完成一次震擊。

一次震擊作業(yè)完成后，提下鉆具，將螺旋芯軸提至原位，準(zhǔn)備下次震擊。

在上提鉆具時(shí)，聯(lián)動(dòng)扭震解卡器的工作狀態(tài)不同，在上提下放鉆具時(shí)，螺旋芯軸處于伸出狀態(tài)，在承壓組件的預(yù)緊力作用下，不可產(chǎn)生自由旋轉(zhuǎn)，聯(lián)動(dòng)扭震解卡器整體能夠傳遞扭矩，使聯(lián)動(dòng)扭震解卡器能夠?qū)崿F(xiàn)在井下的對扣、緊扣作業(yè)[5]。綜合上述分析，完成石油鉆探施工中井下震擊解卡工具安裝、復(fù)位與施工方法的設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)對石油鉆探施工中井下震擊解卡工具參數(shù)優(yōu)化方法的研究。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

完成對井下震擊解卡工具參數(shù)的優(yōu)化后，為了驗(yàn)證優(yōu)化效果，選擇以某進(jìn)行中的石油鉆探施工項(xiàng)目作為依托，將本文實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化的工具引入該項(xiàng)目當(dāng)中，并將其與優(yōu)化前的施工效果進(jìn)行對比。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樘骄繀?shù)優(yōu)化后的工具在實(shí)際工作過程中的運(yùn)行機(jī)理、震擊頻率以及密封強(qiáng)度等性能。在實(shí)驗(yàn)過程中，所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：JSE65-46型號液壓泵、實(shí)驗(yàn)臺架、SE48-460型號液體循環(huán)裝置，以及針對實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生壓力進(jìn)行測量的HW685-120型號壓力測量儀。將五個(gè)規(guī)格為Φ72mm的震擊工具作為實(shí)驗(yàn)研究對象，并分別將其編號為#01、#02、#03、#04和#05。將五個(gè)解卡工具固定在實(shí)驗(yàn)臺架上，將上述選擇的SE48-460型號液體循環(huán)裝置通過連接器與震擊工具進(jìn)行連接，在不影響液體循環(huán)裝置正常運(yùn)行的情況下，對其工具參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。將完成參數(shù)優(yōu)化后的震擊解卡工具應(yīng)用到石油鉆探當(dāng)中，針對其相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，得到如表2所示的記錄結(jié)果。

表2 優(yōu)化后震擊解卡工具運(yùn)行參數(shù)記錄表

根據(jù)表2可知，隨著解卡工具運(yùn)行過程中流量的不斷增加，其沖擊頻率呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，與此同時(shí)，沖擊提供的轉(zhuǎn)速也逐漸加快。因此，結(jié)合石油鉆探施工現(xiàn)場的實(shí)際需求可知，通過實(shí)現(xiàn)對流量的控制和調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對震擊解卡工具沖擊頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而達(dá)到實(shí)際施工所需的工作狀態(tài)。

通過上述實(shí)驗(yàn)，基本驗(yàn)證了本文參數(shù)優(yōu)化后的震擊解卡工具在實(shí)際施工鉆探施工當(dāng)中的可行性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的解卡工具應(yīng)用性能，在完成鉆探工作后，將密封強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo)，探究優(yōu)化前后震擊解卡工具的密封強(qiáng)度，其計(jì)算公式為：

式（1）中，P為密封強(qiáng)度；a/sinα為密封面總面積；a為密封面長度；α為密封結(jié)構(gòu)夾角；σ為擠壓應(yīng)力。根據(jù)上述公式，計(jì)算得出經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的工具密封強(qiáng)度，并將其與優(yōu)化前的密封強(qiáng)度進(jìn)行對比，得到如表3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 震擊解卡工具優(yōu)化前后密封強(qiáng)度對比結(jié)果

從表3可以看出，優(yōu)化后的工具密封強(qiáng)度得到明顯提高，進(jìn)一步證明本文參數(shù)優(yōu)化方法的應(yīng)用優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

為了提高石油鉆探施工作業(yè)效率，本文對井下震擊解卡工具參數(shù)優(yōu)化方法展開了設(shè)計(jì)研究，此次研究從工具結(jié)構(gòu)、主要步驟受力參數(shù)設(shè)計(jì)、工具安裝與復(fù)位三個(gè)環(huán)節(jié)展開研究，實(shí)現(xiàn)了基于上擊聯(lián)動(dòng)運(yùn)行理論的解卡工具優(yōu)化，尤其是針對上擊震擊器震擊無效時(shí)的卡鉆，可以提高震擊效果，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高事故處理的能力，該工具安裝方便且便于現(xiàn)場應(yīng)用。為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中，具有一定的使用效果，采用實(shí)例應(yīng)用分析的方式，進(jìn)行優(yōu)化后工具使用效果的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后證明優(yōu)化后的工具密封強(qiáng)度得到明顯提高，證明本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法可提升工具的綜合性能。