液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)在水平井中的應(yīng)用

田啟忠中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院

液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)在水平井中的應(yīng)用

田啟忠
中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院

震擊解卡是解除井下管柱卡阻的常用手段，但應(yīng)用于水平井時，因其井筒摩阻大，震擊器上部鉆桿柱儲存的彈性形變能釋放時被摩阻消耗，震擊效果差，為此，進(jìn)行了水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)研究。技術(shù)方案為：通過設(shè)計雙級彈簧缸結(jié)構(gòu)來增加彈簧加速器的彈力，多組彈簧加速器串聯(lián)來增加工作行程，配合液壓增力器形成了水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡管柱，能夠克服彎曲井眼摩阻的影響，提高震擊效果。室內(nèi)試驗(yàn)表明水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡管柱的震擊性能參數(shù)符合設(shè)計要求，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定了現(xiàn)場施工技術(shù)參數(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)解卡效果顯著，并且大鉤載荷能減少80%，降低了對修井設(shè)備的要求，提高了該技術(shù)的適用性。

修井；水平井；彈簧加速器；震擊增力器；震擊解卡

國家專利：專利名稱“一種水平井震擊解卡裝置及其施工方法”（編號：201510386264X）。

目前有以下幾種常用水平井遇卡管柱解卡技術(shù)：一是利用地面提升設(shè)備配合井下震擊器的震擊解卡技術(shù)［1］，該技術(shù)是通過地面提升設(shè)備快速上提鉆柱使其積蓄彈性能［2］，鉆柱底部連接震擊器的延時機(jī)構(gòu)使彈性能延時釋放，彈性能在某一時刻的瞬間釋放形成震擊作用，但鉆柱的彈性能在釋放時被水平井井筒的摩阻消耗［3］，震擊效果差；二是利用水力錨把下部連接的增力解卡管柱錨定在套管內(nèi)壁上，利用液壓增力器在水力錨和落魚之間產(chǎn)生大噸位拉力，實(shí)現(xiàn)增力解卡，該拉力通過水力錨施加到套管內(nèi)壁上，避免對上部油管柱造成破壞，該技術(shù)目前在各大油田應(yīng)用廣泛，但是施工時，液壓增力器拉力很大，極易使落魚管柱斷裂或魚頂開裂變形［4］，使打撈情況復(fù)雜化；三是利用震擊器配合倒扣工具進(jìn)行解卡，首先利用震擊器將落魚管柱的絲扣震松，再通過上部的反扣管柱反轉(zhuǎn)倒扣進(jìn)行解卡，但是旋轉(zhuǎn)管柱倒扣時，受井筒摩阻大的影響［5］，地面施加的扭矩極難傳遞到井下倒扣工具，應(yīng)用效果較差。為解決以上問題，研制了震擊增力器和彈簧加速器，將地面設(shè)備對鉆柱的拉力蓄能轉(zhuǎn)換為彈簧加速器的彈簧壓縮蓄能，以克服水平井井筒摩阻的影響，同時還具備液壓增力解卡功能，可提高水平井落魚解卡成功率。

1 液壓機(jī)械一體式震擊解卡管柱Integral hydraulic-mechanical jarring string

1.1管柱結(jié)構(gòu)

Structure of the string

水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡管柱見圖1。

圖1　液壓機(jī)械一體式震擊解卡管柱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the integral hydraulic-mechanical jarring string

1.1.1彈簧加速器 當(dāng)被卡管柱處于水平井段時，為克服井眼彎曲帶來的管柱摩阻，利用震擊增力器將液壓做功轉(zhuǎn)換為彈簧加速器的彈性勢能，再將彈性勢能轉(zhuǎn)換為震擊器活塞的動能，實(shí)現(xiàn)對被卡管柱的震擊解卡。結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　彈簧加速器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the spring accelerator

工作原理：彈簧加速器采用兩級彈簧缸結(jié)構(gòu)，使兩組儲能彈簧并聯(lián)工作，實(shí)現(xiàn)彈性儲能增倍效果?？蓪⒍绦⌒偷膯蝹€彈簧加速器串聯(lián)使用，增加彈簧加速器的工作行程，滿足震擊器震擊行程的需要。使用時將彈簧加速器下部連接震擊器，上部連接震擊增力器，當(dāng)震擊器下部連接的打撈工具撈住落魚后，通過地面泵車大排量打液壓，震擊增力器上部的水力錨撐開錨定在套管壁上，此時液壓推動震擊增力器液缸上行，震擊增力器外筒通過下接頭帶動彈簧加速器心軸上行，心軸通過中心管帶動底座和內(nèi)接頭壓縮儲能彈簧進(jìn)行彈性儲能，此時震擊器進(jìn)入延時階段，當(dāng)震擊器的延時阻尼機(jī)構(gòu)釋放時，彈簧加速器儲存的彈性能瞬間釋放，轉(zhuǎn)換為震擊器心軸的動能，對卡點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一次震擊。

根據(jù)彈簧加速器結(jié)構(gòu)及性能要求，計算儲能彈簧技術(shù)參數(shù)（表1）。

表1　彈簧加速器儲能彈簧技術(shù)參數(shù)Table 1 Specification of heavy-duty spring in the spring accelerator

已知條件：彈簧加速器單級彈簧工作行程為110 mm，震擊器完成一次撞擊所需的總行程為360 mm，為滿足這一行程，采用4組彈簧加速器串聯(lián)，單個彈簧的自由長度為631 mm。

由此可知，4組彈簧加速器共8個彈簧總長為631 mm×8=5048 mm；彈簧加速器的彈性系數(shù)K2=2K1，四級加速器串聯(lián)的彈性系數(shù)K3=K2/4=K1/2；裝配工具時壓縮?x1=（631-620）×4=44 mm，工作總行程?x2=110×4=440 mm，撞擊完成彈簧釋放行程為360 mm，此時彈簧總形變?x3=?x1+?x2-360=124 mm。

因此，初始彈性勢能為

將K3、?x1、?x2代入式（1），得Ej' = 8960.292 J。

末彈性勢能為

將K3、?x3代入式（2），得Ej" = 588.132 J。

轉(zhuǎn)化的彈性勢能為Ej=Ej'-Ej" （3）

代入數(shù)值，得Ej=8 372.16 J。

因?yàn)橐簤簷C(jī)械一體式震擊解卡管柱處于水平井段，故不考慮重力勢能的變化，由能量守恒定律：彈性勢能轉(zhuǎn)化為震擊器心軸和彈簧加速器外套及鉆桿的動能，形成震擊。

設(shè)震擊加速系統(tǒng)總質(zhì)量為m

式中，m1為震擊器心軸質(zhì)量，kg；m2為震擊器引導(dǎo)頭質(zhì)量，kg；m3為加速器外套總質(zhì)量，kg；m4為單根鉆桿的質(zhì)量，kg。

將以上數(shù)值（m1=62 kg，m2=14.3 kg，m3=230.8 kg，m4=138 kg）代入式（4），得m=583.1 kg。

設(shè)震擊器的撞擊套震擊瞬間速度為v，由能量守恒得

代入數(shù)值，得v=5.36 m/s。

由動量定理得Ft=mv2-mv1（6）

假設(shè)撞擊套完成撞擊后速度v2為0，震擊階段持續(xù)的時間較短，一般為10～15 ms，由式（6）得

負(fù)號表示與速度方向相反，即震擊器對落魚的瞬時撞擊力約為313 kN。

1.1.2震擊增力器 震擊增力器是水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡管柱中的關(guān)鍵工具之一，它的作用就是改變震擊管柱的受力方式，通過油管打液壓在卡點(diǎn)和增力器之間快速產(chǎn)生大噸位的拉力［6-7］，首先具備增力提拉解卡功能，另外還能拉伸彈簧加速器儲存彈性勢能，由震擊器控制延遲時間，使彈性能在某一瞬間釋放，對卡點(diǎn)實(shí)施震擊解卡。結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　震擊增力器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the shock booster

工作原理：震擊增力器主要由上接頭、中心管、活塞、液缸套、閥座和下接頭等部件組成。當(dāng)油管打壓時，活塞和液缸套之間的環(huán)空進(jìn)液，因活塞通過中心管、上接頭與水力錨相連接，和套管位置相對固定，連接頭將在液壓力作用下產(chǎn)生向上的拉力［8］，該拉力通過液缸套、下接頭直接作用于彈簧加速器。增力液缸采用多級串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，根據(jù)所需拉力與拉伸速度的不同最多可達(dá)六級［9］。

震擊增力器規(guī)格與技術(shù)參數(shù)見表2。

表2　震擊增力器技術(shù)參數(shù)Table 2 Specification of the shock booster

技術(shù)特點(diǎn)：改變震擊管柱的受力方式，將地面設(shè)備對管柱的拉力轉(zhuǎn)換為油管的液壓力，通過震擊增力器將液壓轉(zhuǎn)換為拉力直接作用于彈簧加速器和震擊器［10］，工作過程中油管不與套管壁產(chǎn)生摩擦，沒有側(cè)向分力，不會造成套管損壞［11］，特別適合于水平井、大斜度井的落魚管柱震擊解卡或增力解卡。

1.2工作原理

Working principles

首先用打撈工具撈住落魚管柱，油管內(nèi)打液壓，撐開水力錨錨爪，同時震擊增力器的液缸快速上行［6］，帶動彈簧加速器的中心管上行，而彈簧加速器的外工作筒與震擊器的延時機(jī)構(gòu)相連，因此彈簧加速器的外工作筒上行相對遲緩得多，彈簧加速器的中心管就壓縮工作筒內(nèi)的儲能彈簧，進(jìn)行彈性蓄能，當(dāng)震擊器的延時機(jī)構(gòu)到達(dá)釋放腔時，彈簧加速器儲存的彈性勢能瞬間釋放，轉(zhuǎn)化為震擊器心軸的動能，對撞擊套進(jìn)行一次撞擊，帶動下部連接的打撈工具對落魚實(shí)行一次震擊解卡。按此步驟反復(fù)進(jìn)行操作，直至被卡管柱順利解卡。

2 室內(nèi)試驗(yàn)Laboratory tests

水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡管柱及配套工具研制完成后，首先對單個工具進(jìn)行了地面性能試驗(yàn)，工具各項(xiàng)性能參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，然后對整個工藝管柱進(jìn)行了井下模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)參數(shù)見圖4、表3。

圖4　水平井震擊解卡井下模擬試驗(yàn)Fig.4 Downhole simulation test for jarring operations in horizontal wells

通過井下模擬試驗(yàn)，證明水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)方案完全可行，各項(xiàng)性能參數(shù)符合設(shè)計指標(biāo)，已具備現(xiàn)場試驗(yàn)條件，由模擬試驗(yàn)參數(shù)結(jié)合現(xiàn)場施工條件，確定了水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡工藝施工技術(shù)參數(shù)，見表4。

表3　水平井震擊解卡試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Test data for jarring operations in horizontal wells

表4　水平井震擊解卡工藝施工技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters for jarring operations in horizontal wells

3 現(xiàn)場試驗(yàn)Field tests

3.1施工步驟

Operational procedures

（1）下入解卡管柱，管柱組合為（自下而上）：可退撈矛+剛性扶正器+鉆桿×1根+震擊器+鉆桿×1根+彈簧加速器4級+震擊增力器+水力錨2 級+油管串。

（2）緩慢下放管柱，核對魚頂深度，加壓40 kN，將撈矛插入魚腔，緩慢上提管柱［12］，等震擊器完全打開后，使上提負(fù)荷增加60 kN，仍未解卡，接好水泥車管線，試壓25 MPa，準(zhǔn)備增力解卡。

（3）進(jìn)行增力解卡打撈。水泥車正打壓，按5 、10、15、20 MPa順序打壓，每個壓力點(diǎn)穩(wěn)壓5 min。如果打壓過程出現(xiàn)壓力突降，環(huán)空返水，大鉤負(fù)荷降為原懸重，說明井下管柱已解卡［13］，停泵泄壓，等待5 min，使水力錨解除錨定，上提管柱，若負(fù)荷無明顯增加，說明管柱已解卡［14］，正常起管柱，撈出落魚；若泵車壓力不降，大鉤負(fù)荷無變化，說明管柱未解卡，將管柱壓回原懸重，使震擊器復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)行液壓震擊解卡。

（4）進(jìn)行液壓震擊解卡。上提管柱使原懸重增加60 kN，水泥車正打壓，開最大排量，快速打壓10 MPa，使水力錨撐開錨定［15］，同時震擊增力器的液缸套在液壓作用下帶動彈簧加速器的中心管快速上行，由于震擊器的液壓阻尼延時作用，其心軸以及與之相連的彈簧加速器的工作筒上行速度相對遲緩得多，因此震擊加速器的中心管就壓縮工作筒內(nèi)的儲能彈簧，進(jìn)行彈性蓄能。當(dāng)震擊器的液壓延時機(jī)構(gòu)釋放時，加速器儲存的彈性勢能瞬間釋放，轉(zhuǎn)化為震擊器心軸的動能，對撞擊套進(jìn)行一次撞擊，帶動下部連接的打撈工具對落魚實(shí)行一次震擊解卡。

（5）按此步驟反復(fù)震擊數(shù)次，將卡點(diǎn)震松，重新按步驟（3）進(jìn)行增力解卡，如果還未解卡，再次按步驟（4）進(jìn)行震擊解卡，如此反復(fù)，直至將落魚管柱解卡撈出井筒。

3.2應(yīng)用實(shí)例

Field applications

中14平215井是勝利油田孤島采油廠中一區(qū)的一口水平井，為提高防砂效果，采用篩管外礫石充填工藝完井，后期進(jìn)行了管外礫石充填施工，施工結(jié)束后，管內(nèi)充填工具出現(xiàn)了砂卡，修井機(jī)上提300 kN未能解除砂卡，只能把安全接頭以上的管柱提出井筒，留井管柱井深數(shù)據(jù)見表5，準(zhǔn)備采用水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡工藝打撈落魚管柱。

表5　中14-平215井留井管柱數(shù)據(jù)Table 5 Data of pipe-string in Well Zhong-14-Well Ping-215

管柱組合為（自下而上）：?76 mm可退撈矛+?150 mm扶正器+?73 mm鉆桿×1根+震擊器+?73 mm鉆桿×1根+彈簧加速器4級+震擊增力器+水力錨2級+?88.9 mm油管串至井口。

管柱到位后，首先進(jìn)行了增力打撈，增力至500 kN，砂卡未解除，再進(jìn)行震擊解卡，反復(fù)震擊20次后，增力至500 kN，仍未解卡，再次震擊40次后，觀察井口管柱略有上移，初步判斷砂卡已經(jīng)震松，再次增力至300 kN，懸重降低明顯，反復(fù)增力解卡數(shù)次，最終成功提出了全部被卡管柱。

4 結(jié)論Conclusions

（1）研制了彈簧加速器和震擊增力器，形成了水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)，該技術(shù)能夠克服彎曲井眼摩阻的影響，提高水平井震擊解卡效果。

（2）水平井液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)震擊解卡，也能實(shí)現(xiàn)液壓增力解卡，兩種解卡技術(shù)相互輔助，能顯著提高解卡效果。

（3）現(xiàn)場施工時打一次液壓形成一次震擊，操作繁雜，且對泵車排量要求較高，需短時間內(nèi)用液壓推開震擊增力器對彈簧加速器進(jìn)行蓄能，否則形不成震擊解卡，今后應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行水力連續(xù)震擊器的研制，能夠通過地面泵車連續(xù)打壓在井下形成連續(xù)震擊，提高震擊效率。

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（修改稿收到日期 2015-12-20）

〔編輯 景 暖〕

Application of integral hydraulic-mechanical jarring technique in horizontal wells

TIAN Qizhong
Petroleum Engineering and Technology Research Institute， SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandong 257000， China

Jarring operations are often deployed to release stuck downhole pipe string. In horizontal wells with significant friction resistances， energy released through elastic deformation of pipe string above the jar may be easily consumed by such friction resistances. Consequently， performances of jarring operations are usually unsatisfactory in horizontal wells. In such circumstances， the integral hydraulic-mechanical jarring technique was developed for horizontal wells. The new system contains dual-stage spring cylinder to enhance resilience of the spring accelerator and deploys multiple spring accelerators in series connection to prolong the working travel. With hydraulic boosters， the integral hydraulic-mechanical jarring string for horizontal wells can be deployed to compensate effects of friction resistance in curved borehole to enhance performances. Laboratory tests show that the integral hydraulic-mechanical jarring string for horizontal wells can satisfy design requirements. In addition， suitable technical parameters for application were clarified in accordance with test data. Field applications show that the newly developed integral hydraulic-mechanical jarring technique has outstanding performances， with hook load reduced by 80%. With high applicability， the technique can effectively reduce requirements for workover devices.

workover； horizontal wells； spring accelerator； shock booster； jarring operation

TIAN Qizhong. Application of integral hydraulic-mechanical jarring technique in horizontal wells［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 201-205.

TE358.4

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0201-05

10.13639/j.odpt.2016.02.014

田啟忠（1984-），2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆完井、采油和修井工作，高級工程師。通訊地址：（257000）山東省東營市西三路306號石油工程技術(shù)研究院。電話：13561027100。E-mail：tianqizhongcs@163.com

引用格式：田啟忠.液壓機(jī)械一體式震擊解卡技術(shù)在水平井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：201-205.