加强型震击器在海上完井射孔管柱中的应用

王 恒

（中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司，广东 湛江 524057）

0 引言

近几年，海上完井射孔管柱技术不断升级，为海上石油开采作业提供了充足技术支持。但是，在海上完井射孔管柱中，以液压震击器与RTTS 封隔器配合为主的作业模式存在射孔弹威力大、特定井次射孔枪多的特点，极易在射孔瞬间冲击管柱，致使液压震击器油室瞬时压缩且室内压力超出设计抗压强度，造成液压震击器毁损。因此，探究海上完井射孔管柱中加强型震击器的应用具有非常重要的意义。

1 加强型震击器

加强型震击器是具备上击功的全机械式工具，具体结构如图1 所示。

图1 加强型震击器

加强型震击器整体外径为127 mm，长5475 mm，通径57.2 mm，上击行程188 mm，工作压力70 MPa，耐外压屈服强度、耐内压屈服强度分别为90MPa、70MPa，抗扭矩屈服强度、抗拉屈服强度分别为1400 kN、105 MPa。加强型震击器应用过程中，触发机构触发器械产生动能，可经杆件带动震击机构动作形成震击，杆件之间的调节机构可以调节震击力，内腔不出现高压，规避射孔操作对内腔部件造成损害。在入井前期提拉加强型震击器调节环调校恰当吨位，可以产生稳定且持久震击，震击释放压力恒定为震击力的二分之一[1]。

2 加强型震击器在海上完井射孔管柱中的应用过程

2.1 海上完井TCP 射孔管柱准备

在海上完井TCP 射孔管柱对应井深为1900 m、井斜为40°，井下压力为12 MPa，井下温度为58 ℃，水深为30 m 的情况下，将加强型震击器与钻具连接（机械液压随钻加强型震击器芯轴端向上）。加强型震击器属上击型震击器，海上完井TCP 射孔管柱操作者应注意正确安放加强型震击器位置，加强型震击器位于钻杆下端，尽可能缩短加强型震击器与钻杆卡固点的距离，以获得更好的震击效果，解决因小井眼钻铤与井壁间隙小、不提钻维修泵时间长、骤然设备故障、斜弯曲钻具与井壁紧贴等因素引发的卡钻问题[2]。

2.2 加强型震击器运行

2.2.1 运行流程

在钻具卡固到井筒钻铤（或钻头、扶正器等）位置时，上提或下压5000 kg，自动激发启动加强型震击器。在加强型震击器运行过程中，无级可调震击器上连接头螺纹连接加重杆，下连接头、待震击工具经螺纹连接固定。上击操作期间，向上提拉机械式无级可调震击器至预先设定启动状态的震击体拉力，放开释放爪，碟簧内部存储势能在短时间内传递给拉杆，拉杆在动能驱动下运动，引发导向块状态变化，下套筒被导向块撞击，下部结构获得一个超出预先设定震击体拉力的冲击力，下部结构向上方滑移产生震击效果，辅助被卡固工具解卡。若首次解卡无法成功，则机械式无级可调震击器自动复位，在不起出原工具的情况下重复上述操作，同时作业人员可以利用转动调节套、传动调节环、调节蝶阀的方式，调节启动状态震击体拉力，震击力大小随之变化，完成无级调节。

在常规操作过程中，操作者可以先下管柱到遇阻位置，调低管柱悬重，上提管柱，并调高管柱悬重，震击解卡。在解卡无效时，期间更换悬吊解卡方式，悬吊20 h，下调悬重促使管柱上行一段距离，继续上提并调高悬重。若仍然无效，则上提管柱，由原悬重调高至原悬重+200 kN，震击解卡数次。同时将上提管柱悬重下降到原悬重，带出加强型震击器与可退捞矛，促使可退捞矛牙块脱离加强型震击器。在原悬重为360 kN时，下管柱到2335.25 m 位置遇阻，此时上提管柱，将悬重提高到560 kN，启动加强型震击器解卡。再将上提管柱悬重调低到360 kN，起管柱带出加强型震击器与可退捞矛。

从工作过程来看，海上完井TCP 射孔管柱中的加强型震击器包括初始阶段、限流阶段、拉伸阶段、冲击阶段、解卡阶段、恢复阶段几个阶段。在初始阶段，海上完井TCP 射孔管柱中加强型震击器水钻杆、钻铤共同回转钻进，弹簧压缩，震击体进入下端面，加强型震击器无法发挥作用；在限流阶段，海上完井TCP射孔管柱中钻机遇到卡固事故，上方提供向上提拉力，加强型震击器开始发挥作用促使憋压区部分拉力出现液压势能；在拉伸阶段，加强型震击器内处于压缩状态的弹簧出现向上伸长空间，弹簧伸长促使震击体向上方运动，运动加速度不断提升；在冲击阶段，加强型震击器的震击体越过憋压区，在向上力作用下，震击体快速冲击上断面。在震击体冲击上端面过程中，加强型震击器震击体相对于套筒的速度更大，对应的冲击力也较大；在解卡阶段，源于加强型震击器震击体的冲击力引发钻具剧烈振动，振动方向与卡钻位置黏滞力方向相反，顺利解除卡固钻头并提拉钻头，促使钻头卡固位置的黏滞力消除，在外力的作用下向上方提拉；在恢复阶段，恢复钻具，将井下掉落淤积物清理完毕后继续下放钻具，促使加强型震击器恢复至最初状态，震击体下压到下断面且弹簧位于压缩状态[3]。

2.2.2 运行要点

加强型震击器运行中憋压区形程不足会直接导致震击体上击力小于震击要求下限，因此，在海上完井TCP 射孔管柱加强型震击器运行前，作业人员应精准调节行程，确保憋压区行程恰当，保证震击体上击力达到标准要求。

在加强型震击器下入海上完井TCP 射孔管柱后，若无法顺利进入初始状态（弹簧被压缩、震击体进入底部端面），需要借助高质量钻杆、钻铤，多次上拉、下压，辅助加强型震击器进入初始状态。上提钻具确定钻具被卡后进行震击作用，以均匀速度上提钻具至所需震击拉力（钻具弹性伸长超出行程、预期震击拉力伸长之和），刹车待震，数秒后完成震击。若一次震击无法顺利解卡，则数次震击，由小到大增加震击拉力。同时下入加强型震击器时应记录震击器下部钻具悬重，操作期间记录总钻具悬重，将总钻具悬重减去震击器下部钻具悬重，可以得到加强型震击器以上的钻具悬重。

海上完井TCP 射孔管柱运行环境高度复杂，部分情况下，加强型震击器产生震击力无法有效解卡，需要从下井前期着手，进行钻具解卡所需震击体上击力的校核，确保设计震击体上击力适应海上完井TCP射孔管柱环境，顺利完成解卡[4]。

2.3 参数校核理论

2.3.1 行程校核

加强型震击器行程大小对震击力具有直接的影响，海上完井TCP 射孔管柱中的憋压区形程时间合理范围为60 s，即60 s 对应行程是加强型震击器行程上限。基于此，根据流体流量，结合加强型震击器行程时间与截面的关系，进行行程校核，具体见式（1）。

式中：L 为海上完井TCP 射孔管柱中的憋压区行程，mm；t 为海上完井TCP 射孔管柱中的憋压区行程时间，s；q 为流量，mm2/s；Dyy为加强型震击器外径，mm；dyy为加强型震击器通径，mm。

2.3.2 震击体应力校核

在海上完井TCP 射孔管柱中，加强型震击器震击体向上提拉后击打到上断面，此时对应的瞬时轴向应力值应达到最大，环境风险最高。基于此，为确定震击体最大应力下震击体强度维持稳定，可以对震击体轴向应力进行校核，具体见式（2）。

式中：F 为震击体上提后击打到上端面的瞬时轴向应力值，MPa；F载为最大工作荷载，kN；Fmax为最大应力，MPa；K 为荷载因子；DZJ为震击体外径，mm；dZJ为震击体内径，mm。

2.3.3 拉杆应力校核

在钻机处于最大钻进速度时，拉杆承受应力应处于最大数值，一旦最大工作应力超出许用应力，拉杆被破坏风险较大。因此，需对拉杆所承受轴向应力进行校核。拉杆所承受轴向应力计算公式如下：式中：F 为拉杆所承受轴向应力，MPa；F载为加强型震击器最大工作荷载，kN；dHS为拉杆直径；Fmax为最大应力，MPa。

2.3.4 憋压区压强校核

在海上完井TCP 射孔管柱中，加强型震击器震击体同时承受机械作用力、阀体台阶端面压力，机械作用力与压力处于平衡状态。基于此，可以根据正应力嵌固端，进行加强型震击器震击体压强的计算，具体见式（4）。

式中：P 为海上完井TCP 射孔管柱憋压区压强，MPa；F载为加强型震击器最大工作荷载，kN；DZJ为震击体外径，mm；dZJ为震击体内径，mm；Fmax为最大应力，MPa。

3 加强型震击器在海上完井射孔管柱中的应用效果

在海上完井TCP 射孔管柱温度低于150℃的情况下，设定震击力上限为46000kg，最佳力为45500kg，震击力下限为45000 kg，显示力为1000 kg，管体规格为10 kg/cm2，最终力为842 kg，时间为16 s。对加强型震击器在海上完井TCP 射孔管柱中的应用效果进行验证，得出结果见表1。

表1 加强型震击器在海上完井TCP 射孔管柱中的应用效果

由表1 可知，在海上完井TCP 射孔管柱过程中，加强型震击器调节便利，免除重复拆装环节，且震击释放力较为准确，每调整一个刻度震击释放力变化5000 kg，有助于海上完井TCP 射孔管柱顺利解卡。一般液压型震击器在需上击时，需经台上提拉钻柱至锁扣上击解锁力以上，脱开机械锁扣进入液压延时，延时短暂后震击器芯轴被骤然放开并加速到最大伸展位置，形成上击；需下压时，下放钻柱致使下压挤压力超出锁扣下击解锁力，脱开机械锁扣致使加强型震击器芯轴自由下落，在震击器芯轴自由下落到完全闭合位置后进行下击。整个过程中需要反复起出工具，操作较为复杂，不利于海上完井TCP 射孔管柱加强型震击器多次震击，而加强型震击器运行期间可以借助无级可调震击器上连接头，便捷调节启动状态震击体拉力以及震击力，满足海上完井TCP 射孔管柱加强型震击器多次震击要求[5]。

4 结语

加强型震击器在海上完井TCP 射孔管柱中的应用，可以在提高卡枪卡钻处理效率的同时，从根本上解决射孔后震击器损坏失效问题。因此，在海上完井射孔管柱作业期间，作业人员可以利用加强型震击器代替液压震击器，充分发挥加强型震击器的优势，解决因射孔后水力锚无法收缩、封隔器胶筒无法收缩、射孔炸枪、地层出砂、套管变形等引发的卡钻问题。