液压机械一体式震击解卡技术在水平井中的应用

田启忠中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院

液压机械一体式震击解卡技术在水平井中的应用

田启忠
中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院

震击解卡是解除井下管柱卡阻的常用手段，但应用于水平井时，因其井筒摩阻大，震击器上部钻杆柱储存的弹性形变能释放时被摩阻消耗，震击效果差，为此，进行了水平井液压机械一体式震击解卡技术研究。技术方案为：通过设计双级弹簧缸结构来增加弹簧加速器的弹力，多组弹簧加速器串联来增加工作行程，配合液压增力器形成了水平井液压机械一体式震击解卡管柱，能够克服弯曲井眼摩阻的影响，提高震击效果。室内试验表明水平井液压机械一体式震击解卡管柱的震击性能参数符合设计要求，并根据试验数据制定了现场施工技术参数。现场应用表明：液压机械一体式震击解卡技术解卡效果显著，并且大钩载荷能减少80%，降低了对修井设备的要求，提高了该技术的适用性。

修井；水平井；弹簧加速器；震击增力器；震击解卡

国家专利：专利名称“一种水平井震击解卡装置及其施工方法”（编号：201510386264X）。

目前有以下几种常用水平井遇卡管柱解卡技术：一是利用地面提升设备配合井下震击器的震击解卡技术［1］，该技术是通过地面提升设备快速上提钻柱使其积蓄弹性能［2］，钻柱底部连接震击器的延时机构使弹性能延时释放，弹性能在某一时刻的瞬间释放形成震击作用，但钻柱的弹性能在释放时被水平井井筒的摩阻消耗［3］，震击效果差；二是利用水力锚把下部连接的增力解卡管柱锚定在套管内壁上，利用液压增力器在水力锚和落鱼之间产生大吨位拉力，实现增力解卡，该拉力通过水力锚施加到套管内壁上，避免对上部油管柱造成破坏，该技术目前在各大油田应用广泛，但是施工时，液压增力器拉力很大，极易使落鱼管柱断裂或鱼顶开裂变形［4］，使打捞情况复杂化；三是利用震击器配合倒扣工具进行解卡，首先利用震击器将落鱼管柱的丝扣震松，再通过上部的反扣管柱反转倒扣进行解卡，但是旋转管柱倒扣时，受井筒摩阻大的影响［5］，地面施加的扭矩极难传递到井下倒扣工具，应用效果较差。为解决以上问题，研制了震击增力器和弹簧加速器，将地面设备对钻柱的拉力蓄能转换为弹簧加速器的弹簧压缩蓄能，以克服水平井井筒摩阻的影响，同时还具备液压增力解卡功能，可提高水平井落鱼解卡成功率。

1 液压机械一体式震击解卡管柱Integral hydraulic-mechanical jarring string

1.1管柱结构

Structure of the string

水平井液压机械一体式震击解卡管柱见图1。

图1　液压机械一体式震击解卡管柱结构Fig.1 Structure of the integral hydraulic-mechanical jarring string

1.1.1弹簧加速器 当被卡管柱处于水平井段时，为克服井眼弯曲带来的管柱摩阻，利用震击增力器将液压做功转换为弹簧加速器的弹性势能，再将弹性势能转换为震击器活塞的动能，实现对被卡管柱的震击解卡。结构见图2。

图2　弹簧加速器结构示意图Fig.2 Structure of the spring accelerator

工作原理：弹簧加速器采用两级弹簧缸结构，使两组储能弹簧并联工作，实现弹性储能增倍效果。可将短小型的单个弹簧加速器串联使用，增加弹簧加速器的工作行程，满足震击器震击行程的需要。使用时将弹簧加速器下部连接震击器，上部连接震击增力器，当震击器下部连接的打捞工具捞住落鱼后，通过地面泵车大排量打液压，震击增力器上部的水力锚撑开锚定在套管壁上，此时液压推动震击增力器液缸上行，震击增力器外筒通过下接头带动弹簧加速器心轴上行，心轴通过中心管带动底座和内接头压缩储能弹簧进行弹性储能，此时震击器进入延时阶段，当震击器的延时阻尼机构释放时，弹簧加速器储存的弹性能瞬间释放，转换为震击器心轴的动能，对卡点实现一次震击。

根据弹簧加速器结构及性能要求，计算储能弹簧技术参数（表1）。

表1　弹簧加速器储能弹簧技术参数Table 1 Specification of heavy-duty spring in the spring accelerator

已知条件：弹簧加速器单级弹簧工作行程为110 mm，震击器完成一次撞击所需的总行程为360 mm，为满足这一行程，采用4组弹簧加速器串联，单个弹簧的自由长度为631 mm。

由此可知，4组弹簧加速器共8个弹簧总长为631 mm×8=5048 mm；弹簧加速器的弹性系数K2=2K1，四级加速器串联的弹性系数K3=K2/4=K1/2；装配工具时压缩∆x1=（631-620）×4=44 mm，工作总行程∆x2=110×4=440 mm，撞击完成弹簧释放行程为360 mm，此时弹簧总形变∆x3=∆x1+∆x2-360=124 mm。

因此，初始弹性势能为

将K3、∆x1、∆x2代入式（1），得Ej' = 8960.292 J。

末弹性势能为

将K3、∆x3代入式（2），得Ej" = 588.132 J。

转化的弹性势能为Ej=Ej'-Ej" （3）

代入数值，得Ej=8 372.16 J。

因为液压机械一体式震击解卡管柱处于水平井段，故不考虑重力势能的变化，由能量守恒定律：弹性势能转化为震击器心轴和弹簧加速器外套及钻杆的动能，形成震击。

设震击加速系统总质量为m

式中，m1为震击器心轴质量，kg；m2为震击器引导头质量，kg；m3为加速器外套总质量，kg；m4为单根钻杆的质量，kg。

将以上数值（m1=62 kg，m2=14.3 kg，m3=230.8 kg，m4=138 kg）代入式（4），得m=583.1 kg。

设震击器的撞击套震击瞬间速度为v，由能量守恒得

代入数值，得v=5.36 m/s。

由动量定理得Ft=mv2-mv1（6）

假设撞击套完成撞击后速度v2为0，震击阶段持续的时间较短，一般为10～15 ms，由式（6）得

负号表示与速度方向相反，即震击器对落鱼的瞬时撞击力约为313 kN。

1.1.2震击增力器 震击增力器是水平井液压机械一体式震击解卡管柱中的关键工具之一，它的作用就是改变震击管柱的受力方式，通过油管打液压在卡点和增力器之间快速产生大吨位的拉力［6-7］，首先具备增力提拉解卡功能，另外还能拉伸弹簧加速器储存弹性势能，由震击器控制延迟时间，使弹性能在某一瞬间释放，对卡点实施震击解卡。结构见图3。

图3　震击增力器结构示意图Fig.3 Structure of the shock booster

工作原理：震击增力器主要由上接头、中心管、活塞、液缸套、阀座和下接头等部件组成。当油管打压时，活塞和液缸套之间的环空进液，因活塞通过中心管、上接头与水力锚相连接，和套管位置相对固定，连接头将在液压力作用下产生向上的拉力［8］，该拉力通过液缸套、下接头直接作用于弹簧加速器。增力液缸采用多级串联式结构，根据所需拉力与拉伸速度的不同最多可达六级［9］。

震击增力器规格与技术参数见表2。

表2　震击增力器技术参数Table 2 Specification of the shock booster

技术特点：改变震击管柱的受力方式，将地面设备对管柱的拉力转换为油管的液压力，通过震击增力器将液压转换为拉力直接作用于弹簧加速器和震击器［10］，工作过程中油管不与套管壁产生摩擦，没有侧向分力，不会造成套管损坏［11］，特别适合于水平井、大斜度井的落鱼管柱震击解卡或增力解卡。

1.2工作原理

Working principles

首先用打捞工具捞住落鱼管柱，油管内打液压，撑开水力锚锚爪，同时震击增力器的液缸快速上行［6］，带动弹簧加速器的中心管上行，而弹簧加速器的外工作筒与震击器的延时机构相连，因此弹簧加速器的外工作筒上行相对迟缓得多，弹簧加速器的中心管就压缩工作筒内的储能弹簧，进行弹性蓄能，当震击器的延时机构到达释放腔时，弹簧加速器储存的弹性势能瞬间释放，转化为震击器心轴的动能，对撞击套进行一次撞击，带动下部连接的打捞工具对落鱼实行一次震击解卡。按此步骤反复进行操作，直至被卡管柱顺利解卡。

2 室内试验Laboratory tests

水平井液压机械一体式震击解卡管柱及配套工具研制完成后，首先对单个工具进行了地面性能试验，工具各项性能参数经试验均达到设计指标，然后对整个工艺管柱进行了井下模拟试验。试验项目及实验参数见图4、表3。

图4　水平井震击解卡井下模拟试验Fig.4 Downhole simulation test for jarring operations in horizontal wells

通过井下模拟试验，证明水平井液压机械一体式震击解卡技术方案完全可行，各项性能参数符合设计指标，已具备现场试验条件，由模拟试验参数结合现场施工条件，确定了水平井液压机械一体式震击解卡工艺施工技术参数，见表4。

表3　水平井震击解卡试验数据Table 3 Test data for jarring operations in horizontal wells

表4　水平井震击解卡工艺施工技术参数Table 4 Technical parameters for jarring operations in horizontal wells

3 现场试验Field tests

3.1施工步骤

Operational procedures

（1）下入解卡管柱，管柱组合为（自下而上）：可退捞矛+刚性扶正器+钻杆×1根+震击器+钻杆×1根+弹簧加速器4级+震击增力器+水力锚2 级+油管串。

（2）缓慢下放管柱，核对鱼顶深度，加压40 kN，将捞矛插入鱼腔，缓慢上提管柱［12］，等震击器完全打开后，使上提负荷增加60 kN，仍未解卡，接好水泥车管线，试压25 MPa，准备增力解卡。

（3）进行增力解卡打捞。水泥车正打压，按5 、10、15、20 MPa顺序打压，每个压力点稳压5 min。如果打压过程出现压力突降，环空返水，大钩负荷降为原悬重，说明井下管柱已解卡［13］，停泵泄压，等待5 min，使水力锚解除锚定，上提管柱，若负荷无明显增加，说明管柱已解卡［14］，正常起管柱，捞出落鱼；若泵车压力不降，大钩负荷无变化，说明管柱未解卡，将管柱压回原悬重，使震击器复位，准备进行液压震击解卡。

（4）进行液压震击解卡。上提管柱使原悬重增加60 kN，水泥车正打压，开最大排量，快速打压10 MPa，使水力锚撑开锚定［15］，同时震击增力器的液缸套在液压作用下带动弹簧加速器的中心管快速上行，由于震击器的液压阻尼延时作用，其心轴以及与之相连的弹簧加速器的工作筒上行速度相对迟缓得多，因此震击加速器的中心管就压缩工作筒内的储能弹簧，进行弹性蓄能。当震击器的液压延时机构释放时，加速器储存的弹性势能瞬间释放，转化为震击器心轴的动能，对撞击套进行一次撞击，带动下部连接的打捞工具对落鱼实行一次震击解卡。

（5）按此步骤反复震击数次，将卡点震松，重新按步骤（3）进行增力解卡，如果还未解卡，再次按步骤（4）进行震击解卡，如此反复，直至将落鱼管柱解卡捞出井筒。

3.2应用实例

Field applications

中14平215井是胜利油田孤岛采油厂中一区的一口水平井，为提高防砂效果，采用筛管外砾石充填工艺完井，后期进行了管外砾石充填施工，施工结束后，管内充填工具出现了砂卡，修井机上提300 kN未能解除砂卡，只能把安全接头以上的管柱提出井筒，留井管柱井深数据见表5，准备采用水平井液压机械一体式震击解卡工艺打捞落鱼管柱。

表5　中14-平215井留井管柱数据Table 5 Data of pipe-string in Well Zhong-14-Well Ping-215

管柱组合为（自下而上）：Ø76 mm可退捞矛+Ø150 mm扶正器+Ø73 mm钻杆×1根+震击器+Ø73 mm钻杆×1根+弹簧加速器4级+震击增力器+水力锚2级+Ø88.9 mm油管串至井口。

管柱到位后，首先进行了增力打捞，增力至500 kN，砂卡未解除，再进行震击解卡，反复震击20次后，增力至500 kN，仍未解卡，再次震击40次后，观察井口管柱略有上移，初步判断砂卡已经震松，再次增力至300 kN，悬重降低明显，反复增力解卡数次，最终成功提出了全部被卡管柱。

4 结论Conclusions

（1）研制了弹簧加速器和震击增力器，形成了水平井液压机械一体式震击解卡技术，该技术能够克服弯曲井眼摩阻的影响，提高水平井震击解卡效果。

（2）水平井液压机械一体式震击解卡技术既能实现震击解卡，也能实现液压增力解卡，两种解卡技术相互辅助，能显著提高解卡效果。

（3）现场施工时打一次液压形成一次震击，操作繁杂，且对泵车排量要求较高，需短时间内用液压推开震击增力器对弹簧加速器进行蓄能，否则形不成震击解卡，今后应重点进行水力连续震击器的研制，能够通过地面泵车连续打压在井下形成连续震击，提高震击效率。

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（修改稿收到日期 2015-12-20）

〔编辑 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

田启忠（1984-），2007年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，现从事钻完井、采油和修井工作，高级工程师。通讯地址：（257000）山东省东营市西三路306号石油工程技术研究院。电话：13561027100。E-mail：tianqizhongcs@163.com

引用格式：田启忠.液压机械一体式震击解卡技术在水平井中的应用［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：201-205.