《震击器分类大全》PPT课件.ppt

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1、在钻井修井作业中，由于地质构造复杂（如井壁坍塌、裸眼中地层的塑性流动和挤压）、技术措施不当（如停泵时间过长、钻头泥包等），常常发生钻具遇阻卡钻，震击器是解除卡钻事故的有效工具之一。当钻具遇卡时，通过震击器给卡点处施加向上或向下的强烈的震击力，使卡点松动，从而达到解卡的目的。,六、震击类工具,震击解卡工具的特点就在于它以高速度来获得较大的动能去克服卡持钻具的力量。,卡钻示意图 1-钻柱 2-震击器,现场拍摄的震击器,按工作状况可分为:随钻震击器和打捞震击器; 按震击原理可分为:液压震击器、机械震击器和自由 落体震击器; 按震击方向可分为:上击器、下击器和双向震击器。,目前国内应用的震击器，主要来

2、自Weatherford、Baker、Bowen、NationalOilwell、Rocan、Cougar、贵州高峰机械厂、北京石油机械厂等厂家的产品。,1. 震击器分类,2. 震击器特点 震击解卡工具以其结构来说，基本上是液压式和机械式两种，它们的共同特点是：,必须能循环钻井液，中心要有循环钻井液的通道； 必须能传递扭矩，心轴与外筒之间不能有周向运动； 必须有高强度的密封，内液不能外泄，外液不能内渗； 要有储能机构，能把钻具伸长或压缩的弹性能积蓄起来， 然后突然释放，产生高速运动； 要有震击偶，即一个撞击体和一个承击体组成一对相互矛 盾的偶合体； 要有连接机构，因为它是连接在钻柱中间进行工作

3、的，所 以上下部都要有和钻柱相连的螺纹。,震击器种类很多，各部零件结构也有差异，但总的就是为了实现以上六项功能，抓住了这一点，各种震击器的原理、结构就迎刃而解了。,震击作用是在相对运动中产生的，所以震击器必然有一个固定件和一个活动件，固定件和下部被卡钻柱连接，处于相对固定状态. 活动件和上部钻柱连接，随自由钻柱的拉、压而做上、下运动，其蓄能、释放、加速、撞击的过程，都是利用钻柱的上提下放来完成的。,.1开式下击器,3.震击器典型结构,结构 如图，开式下击器就是缸套与活塞芯轴的组合体，芯轴部分作为固定件与下部钻柱连接，缸套及其上下接头部分作为活动件与上部钻柱连接。,震击偶是以缸套下接头的下端面做

4、为撞击体，以心轴接头的上台肩做为承击体，组成一对互相撞击的震击偶。活塞只起密封和扶正心轴的作用，与震击作用无关。,上接头为钻杆接头螺纹，与上部钻柱连接，由上部钻柱带动缸套做上下运动。芯轴（空心轴）中下部外形呈外六方长杆，下端为钻杆公扣，可与打捞工具或安全接头等工具连接，中间有循环水眼，芯轴外套为内六方孔套在芯轴六方杆上，可上、下自由滑动，并能传递扭矩。缸套下部有四个孔，允许钻井液进出，所以叫开式下击器,工作原理 下击器的工作过程是能量转化过程。上提钻柱时，缸套随钻柱上行，而心轴则固定不动，待缸套下接头的上端面与活塞下端面接触时，下击器全部拉开，完成一个工作行程。如果继续上提钻柱，钻柱便开始弹性

5、伸长，积蓄弹性能。当猛放钻柱时，钻柱由于自身的重量和弹性收缩力的释放而迅速下行，因为开式下击器有足够的行程（600-1500mm） ，下行钻柱有一定的加速时间，当下击器达到关闭位 置时，势能和变形能完全转变为动能，达到最大值， 使缸套下接头以极高的速度撞击心轴接头上台肩， 给被卡钻具一强烈的下击力。如此反复迫使落鱼解 卡。,震击力的大小随震击器的上部钻柱悬重增加而增大，随上提负荷增大产生的弹性伸长越长而增大，震击器的冲程越长震击力越大。,用途 与打捞工具配套使用，抓获落鱼后，可以下击解除卡阻；可以配合倒扣作业，与倒扣器配套使用时，可补偿倒扣后螺纹上升的行程；与内割刀或钻磨铣管柱配套使用时，可以

6、恒定进给钻压，这是开式下击器的最大优点。,基本技术规格,.2 润滑式下击器,这种下击器的活动部件是由密封在油腔内的液压油进行润滑的，所以叫闭式下击器，它的行程比开式下击器短，但工作可靠，在这里，液压油只起润滑作用，不起压缩储能作用。,闭式下击器的结构和液压上击器差不多，其固定件是上缸体、中缸体和下接头，活动件为震击杆（心轴）、震击垫和冲管 。,芯轴中间带有水眼，是长轴类零件，上击锤装配在其下端。上缸体下段内有花键，与接头芯轴配合。中缸体与上缸体内径相同，上击锤与其为间隙配合，可在其中快速上、下运动。中缸体与下缸体连成一体，包容着接头芯轴、导管及各部密封装置所构成的一个密封环形空间，润滑油就装在

7、其中。 接头芯轴导管与上、中、下缸体间有相对运动，运动最大的距离即为工具的震击冲程。,作用原理 拉开震击器行程，拉伸钻柱，使钻柱储存重力势能、弹性变形能。一旦卸荷（既是猛然下放），钻具则产生高速向下的冲击力，螺母垫撞击在缸体上端面，产生下击。由于钻柱的拉伸、收缩，在弹性、惯性力作用下，对落物还可产生向上的冲击力。如同一根弹簧，当提拉力足够时被拉伸，突然卸掉拉力，弹簧收缩一次，上弹一次，收缩一次，上弹一次，逐渐减轻减弱。,用途 润滑式下击器（也叫油浴式下击器），主要用于向落物施以突然下击解卡。也可以产生向上的冲击，实现活动解卡。用于预防性工艺管柱如打捞管柱、钻铣管柱、整形管柱、倒扣管柱等中，可承

8、受很大的钻压和传递足够的扭矩。润滑式下击器比开式下击器使用寿命长。利用连接有润滑式下击器的工艺管柱用其下击力，可在井口将打捞工具从落鱼中取出，这是该工具的最大优点之一。,3.3、液压上击器 液压上击器是利用压缩油来积蓄能量的一种工具，型式也有多种，但基本结构相同，现以Z型液压上击器为例，加以说明。,结构 如图，液压上击器就是缸套与活塞的组合体，缸套部分作为固定件与下部钻柱连接，活塞部分作为活动件与上部钻柱连接。,上缸体、中缸体、下接头，此三者组成一个外壳整体，使活动件（心轴、活塞、震击垫、冲管）在其内做上下相对运动，其下限为下接头上肩面所控制，上限为承击体所控制。 组成活动件的有心轴、活塞、震

9、击垫和冲管。,冲管 ：为一空心厚壁钢管，外径光滑，与心轴连接，它主要是为了和下接头的密封机构形成液压腔下部的动密封而设计的。它也可以为活塞的运行起导向作用。这样，活塞与活塞杆（心轴、冲管）组成了一个运动部件，受上部钻柱的驱使而做往复运动。,工作原理 如图a，活塞下行复位时，活塞环被迫靠向环槽上部，但它堵不住旁通孔，活塞环不起密封作用，液压油从下油腔经活塞环槽、旁通孔而至上油腔，形成无阻流动,如图b，当心轴受拉力时，活塞上行，活塞环被压向环槽下面，同时和缸体的内壁紧紧贴住，形成一个有效的金属密封。但是活塞环上有特殊设计的小缝，允许液压油有少量的泄漏，这个泄漏的速度就决定了上提钻具和等待震击的时间

10、。待钻柱有了足够的伸长量，就刹车等候震击，这时活塞在钻具弹性力的驱动下继续上行。,如图c当活塞的第二个活塞环上行到卸载槽时，上油腔的液压油畅通无阻地流向下油腔，活塞不再受液压油的限制，开始加速向上运动。,如图d，由于活塞在钻具弹性力的驱动下加速向上运动，使震击垫和承击体猛烈相撞，产生强有力的上击作用，这个撞击力通过缸体传到下部钻具的卡点上。,在打捞作业中。应使震击器尽量靠近卡点。打捞工具+安全接头+上击器+钻铤+加速器+钻柱。 在取心作业中。取心筒+钻铤+安全接头+震击器+钻铤+钻杆.安全接头可以不加。 在地层测试作业中。测试工具+钻铤+安全接头+上击器+钻铤+加速器+钻杆。 若一般不用加速器

11、时，在上击器上面加100m左右的钻铤，以便获得理想的震击效果。 与加速器配合使用，在上击器与加速器之间应接3-6根钻铤，其震击效果会更为显著。,液压上击器的使用,操作方法 下震击器时应记清震击器下面的钻具悬重，打捞时应记清打捞前的钻具悬重，后者减去前者即为震击器以上的钻具悬重。 当打捞工具捞住落鱼后，上提钻具，确认钻具被卡，即可进行震击作业。这时以一定的速度上提钻具达到所需要的震击拉力，即钻具的弹性伸长大于活塞行程和预期的震击拉力伸长之和，刹车待震，一般几秒或几分钟即可发生震击。 若时间过长仍不发震，可能是震击器没有复位，应下放钻柱，给震击器加30-50KN的压力，待复位后再上提，即可发震。如

12、一次震击不解卡，可反复震击，震击拉力从小到大逐渐增加。,如果震击力达不到要求，则采取如下措施： 完全关闭上击器； 增加上击器上面的钻铤重量； 加快提拉钻柱的速度； 加装加速器。,如果被捞落鱼还有部分未卡，则钻具的弹性伸长应分为两部分，一部分为震击器以下的钻具伸长l1，一部分为震击器以上的钻具伸长l2, 总的钻具伸长l= l1+ l2. 此时若使l等于活塞行程，震击器将不起作用，因为在这种情况下，对震击器起作用的是l2 ，而不是l, 此时应计算钻具卡点，然后分别算出l1, l2使,l2=l l1, 活塞行程 若使用的是复合钻具，就按复合钻具计算弹性伸长量。,维护保养 上击器从钻柱上卸开后，应立即

13、排净内部钻井液，特别是冲管及冲管壳体周围的钻井液，要放干净。并将心轴密封面清洗干净，涂上黄油，以防生锈，再用防护套加以保护以防碰撞。 公、母连接螺纹都要清洗干净，涂好润滑脂，以防腐蚀，要平放在支架上，不许和地面接触。,.4、液压加速器,结构 它的结构和液压上击器基本相同，也是缸套和活塞的组合体。缸套做为固定件由上缸套、中缸套和下接头组成，活动件则由心轴、震击垫、活塞和冲管所组成，可以在缸体内上下运动，心轴花键与上缸套下部的内花键相配合，用以传递扭矩。它和液压上击器的主要区别在于：,1-钻柱 2- 加速器 3 上击器 4-安全接头 5 打捞工具, 液压上击器的活塞是单向密封，上行密封下行不密封，

14、而加速器的活塞是绝对密封，没有旁通孔，也没有泄油小缝，液压油储于上油腔，不许泄入下油腔。 上击器有卸载槽，是为了加速活塞的上行运动，而加速器没有卸载槽，仅仅是一个弹性储能器。钻柱上提的拉力越大，它储蓄的能量越多，储能越多，释放的能量也越大。 总体长度比上击器要长，因为它的油腔需要有足够的容积，储能多少与液压油的多少成正比。,工作原理 加速器就是储能器，上提钻柱，加速器心轴带动活塞上移，硅油被压缩，就像弹簧被压缩一样，储存了能量， 如图a所示。继续上提钻柱，上击器活塞运动到卸油槽时，释放能量，上部被拉长的钻柱弹性回缩，加速器油腔内被压缩的硅油也膨胀而释放能量。,当上击器到达终点时，震击垫以极大的

15、撞击力撞击到承击体上，通过上击器缸体的传递，给被卡钻具以巨大的震击力。此时加速器则处于复位状态，如图C所示。由动力学可知，撞击的能量和物体运动速度的平方成正比，因而上击器与加速器配合使用时，钻具不需要提很大的拉力就可以得到预期的效果。,因为活塞心轴和上部钻具连接，处于相对固定状态，不能向下运动，只能推动缸体上行，而加速器缸体又和上击器的心轴连接在一起，就加速了上击器心轴的上行速度，如图B所示。,.、机械上击器 机械上击器是采用摩擦付工作原理的一种井下震击工具，运动部件都密封在一个油腔内，工作可靠，工作拉力可以在井内调节。因为采用机械摩擦付的工作原理，即使密封失效，也能正常工作，所以特别适宜于深

16、井高温高压条件下的事故处理。,结构 如图所示，没有六方心轴和六方外空等传递扭矩的机构，因此它不能传递扭矩；调节环调节可以用钻具控制，不需要手工操作，因此可以实现井下调节；行程短，冲管不是套装在心轴内边，而是连接在摩擦心轴下面；它的撞击方向向上，是利用上部钻柱的弹性能，而不是利用下部钻柱的重量。它的结构可以分成下列几部分：,固定件是由中筒体和上、下接头及调节环组成，下接头与下部钻柱连接，形成相对固定状态。 活动件由心轴接头、心轴、摩擦心轴、冲管及摩擦卡瓦组成，心轴接头和上部钻柱连接，由上部钻柱驱动。 震击偶。以心轴大直径段的上台肩为撞击体，筒体上接头（冲击接头）的下端面为承击体，组成一对震击偶。

17、,聚能件。 即摩擦心轴和摩擦卡瓦所组成的摩擦付。因受筒体内锥面和调节环的控制，而产生或大或小的摩擦阻力。摩擦心轴周面上有三道凸棱状的摩擦环，呈上小下大的锥形面。摩擦卡瓦内外均为上小下大的锥形面，内有三道凸棱状的摩擦环，和摩擦心轴的摩擦环相配合，其内径比心轴摩擦环外径小1mm ，其外部有四道凸棱状锥形环，和筒体中部的内锥面相配合，摩擦卡瓦沿轴线有八道切线，形成一个可胀可缩的弹性体，通过调节环可以调节卡瓦对摩擦心轴的抱紧力。,调节机构。调节机构由调节环、调节环键、心轴键槽、心轴上的六条长键和筒体上的三条短键组成。,密封件。除各连接位置都有密封之外，在心轴大直 径段与中筒体之间，和冲管与下接头之间都

18、有特设的密封件，形成一个油腔，将摩擦心轴、摩擦卡瓦等密封在油腔之内，冲管用梯形螺纹与摩擦心轴连接在一起，主要起密封作用，也起扶正作用。因为摩擦心轴在运动过程中油腔容积有变化，所以在冲管与下接头之间特设浮动密封装置，俗称浮子。它的作用是防止液压油外泄，也防止钻井液窜入。液压油只起润滑作用，而无压缩储能作用。,工作原理 机械上击器是利用上部钻具的弹性能进行上击，在卡瓦滑脱之后，上部钻具迅速回缩，心轴大直径段上台肩撞击筒体上接头的下端面，形成一个强大的上击力。 摩擦力调节方法 井下调节摩擦阻力的方法如下：在一次震击完成后，工具完全处于拉开的状态下，正转1/3圈,可增大震击力20KN左右；反转1/3

19、圈可以减少震击力20KN左右。一般的经验，每千米钻具需转0.51.5圈，才能使震击器心轴与筒体之间有一相对扭矩，心轴与筒体产生相对转动，摩擦心轴拨动调节环键，使调节环在中筒体内产生轴向移动，改变摩擦卡瓦在中筒体内的轴向位置，从而达到调节震击力的目的。,理论研究,在钻进作业中, 卡钻事故时有发生。采用震击工具可以有效地解卡, 准确地计算震击时的动载荷是震击作业的一项重要内容。关于震击器的震击工作拉力的确定, 不同的研究方法有不同的结论, 如美国Bowen Tools 公司将上击器工作拉力定为上提拉力的46 倍, 而我国的打捞专家根据经验判断为2 倍多, 根据弹性静力学的能量原理推出上击器工作拉力

20、是上提拉力的3.12 倍。但是在现场实践中发现, 震击器在钻柱中安放的位置不同, 产生的震击动载荷是大不一样的, 常规的静力学方法对上述现象不能作出正确的解释。,从图1可看出，震击器的震击过程可分为贮能、释放和碰撞三个阶段。,上击器的震击力计算：,i.贮能阶段 (1)拉伸变形量1 根据虎克定律，当钻柱在上提拉力T的作用下，其轴向变形量在材料强度的比例极限内时,钻柱被拉伸长的变形量1 为 1 = LT/( EA1) 式中T上提拉力，T=大钩上的载荷一钻柱在钻井液中的总重量，kN; E钻柱材料弹性模量，MPa; A1,钻柱平均截面积(上部钻柱)，cm2 L卡点至井口钻柱总长，m. 令钻柱刚度系数C

21、1=EA1/L，则 1 =T/c1,(1),(2)求变形能U1钻柱拉伸后贮存的弹性变形势能为,(2),2.释放阶段 当上击器延时机构突然释放，钻柱约束被解除后，钻柱突然收缩恢复变形而释放变形能，并带动震击器的撞击机构以极快的速度上弹，与被打击的机构碰撞。释放阶段的计算有以下几方面: (1)释放到撞击的有效行程h 有效变形量为,(3),(2)有效变形能U2计算式为,(4),(3) 释放后的有效变形能转化为动能动，和克服阻力所做的功阻 根据能量守恒定律有动+阻,(),式中M为上击器至井口钻柱质量(简称上段质量)； 上段钻柱在释放后至碰撞前瞬时所具有的即时速度；,其中W上段钻柱所受的重力; Q1R钻

22、柱受的钻井液阻力; Qf 钻柱与井壁之间的摩擦阻力。 钻井液阻力Q1R的计算非常复杂，它与泵压、泵排量、井深、井下温度、钻柱内外表面粗糙度，以及钻井液本身的密度、粘度和颗粒度均有关系。为了简化处理，抓住主要研究对象来分析研究。 由液体的粘滞性公式可得：,(),(),钻柱在井下的情况十分复杂，各类井中钻柱与井壁之间的摩擦阻力f也不相同，其大小与井斜的大小及其变化、井深、井眼与钻柱的方位角、钻柱与井壁之间的环形空间、钻井液性能、井壁岩性、钻柱的刚度和其表面粗糙度等因素有关。结合现场实际，经多次测试整理得出的经验公式为,式中摩擦阻力系数； 浮力系数； 钻井液对钻柱的浮力。 当钻柱向上运动，重力作负功

23、，当冲程为h时，上段钻柱重心只上移h/2距离。,(),（）碰撞前的即时速度。由式（）得,将代入得,3.碰撞阶段 根据假设，发生在井下的震击被视为完全非弹性碰撞。上击器至井口的钻柱与上击器至卡点钻柱碰撞后结合为一体，同时向上运动。,(),（）下段钻柱应有的动能由动量守恒定律得,式中分别为上、下段钻柱质量; 分别为上、下段钻柱碰撞前的即时速度; 碰撞后的速度。 当时，由式(10)得,(),(),碰撞后钻柱应有的动能,则,由此可见，碰撞后总的动能减少了。下段钻柱应有的动能为,(),(2)下段钻柱被拉伸的变形伸长量，在动载荷作用下，下段钻柱被拉伸的变形量为,式中作用于卡点的动载荷，即碰撞作用下产生的向上的力，kN； 下段钻柱平均截面积，cm2。,令下段钻具刚度则,其中L2下段钻柱长度，m。,(),(3)下段钻柱产生的变形能U3在U下动的作用下，下段钻柱被拉伸的变形能U由式(12)得,因,所以,(),(),将式(4), (9), (11)分别代人式(15)得,由式(16)可以看出，动载荷随上提拉力T增大而增加，而上提力T受到上击器和钻柱本身的抗拉强度的限制。因此上击动载荷是额定的可靠安全指标。,若不考虑能量损失，动载荷是上提拉力的3.49 3.95倍。,(),