测井液压震击器的研制与应用

龚光勇,孙志忠,薛建民,石庆平,万海洋,吴西平

(1.中国石油集团测井有限公司培训中心,陕西西安710076;2.中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710201;3.西安石竹能源科技有限公司,陕西西安710077)

0 引 言

由于井况复杂,电缆测井施工过程中经常会遇到施工风险,其主要表现就是测井仪器串遇卡以及打捞等,严重影响测井作业[1]。井下仪器串遇卡的原因包括电缆吸附以及仪器串吸附或挂卡[2],造成仪器串吸附在井壁上或遇卡于缩径及掉块位置,仪器串向上拉动困难,不能继续施工。一旦发生遇卡只能采用打捞的方式进行处理,成本昂贵,费时费力,且产生较大的施工风险。如果能够在吸附初期还未粘死时,利用测井液压震击器(以下简称震击器)给仪器串一个较大的冲击力,很大程度上可以缓解吸附,甚至立即解卡,有效避免复杂情况的发生。对于复杂条件下的电缆测井施工作业,震击器的研制与应用十分必要。

1 工作原理和基本结构

1.1 震击器工作原理

震击器是针对仪器串解卡的作业工具。仪器串遇卡后,通过上拉电缆蓄存弹性势能到达激发点解锁,弹性势能释放使震击锤高速向上完成碰撞震击,从而解卡。其特点是纯机械、无动力、液压平衡,根据实际使用情况调节解锁力大小,利用上部电缆及自身弹簧的弹性势能在解锁后形成强大的上击力,可以重复多次震击直至解卡。震击器一般安装于马笼头下方,针对遇卡仪器串卡点处,施加震动冲击力,最大的优点就是震击实效性强,即时震击[3]。

当仪器在上提过程中遇卡后,电缆张力不断变大。观察井下三参数张力值,直至三参数张力值大于解锁力,此时震击器震击,仪器解卡;若仪器未能解卡,则将电缆释放使震击器复位,等待60 s后,拉动电缆再次进行,产生震击,可以反复多次震击直至仪器张力突然变小,继续上提仪器解卡成功。震击器施工工艺简图见图1。

图1 震击器施工工艺简图

1.2 震击力学分析

震击器接于马龙头之下,当震击器以下仪器遇卡时,测井绞车上拉电缆就会将电缆张力作用于震击器,震击器在电缆张力作用下压缩碟簧储存弹性势能,当达到震击器所设定的解锁力时,弹性势能被瞬间释放到震击锤上转化成向上运动的动能,随后与震击筒发生碰撞产生一个向上的冲量,该冲量会直接传递至仪器串的遇卡位置,从而达到解卡的目的。根据动量定理

FΔt=mΔv

式中,F为冲击所产生的力,N;Δt为冲击发生的时间,s,冲击的时间越短,冲击所产生的力越大;m为部件质量,kg;Δv为碟簧推力致使冲击部件到达终点时所产生的最高速度,m/s,冲击后速度为零,冲击动量全部转化为冲击力。

震击器弹簧的行程及结构示意见图2。其工作过程分为3个阶段,即储能、释放和碰撞。

图2 震击器弹簧行程及结构示意图

1.2.1储能阶段

井下遇卡时,地面绞车上提电缆,震击器外筒向上移动,拉动加速芯轴向上运动。此时,蓄压碟簧储存弹性势能,待下部震击锤释放时将其转化为动能[4]。储存的弹性势能

(1)

式中,U为弹性势能,J;k1为电缆刚度,N/mm;x1为电缆伸长量,m;k2为蓄压碟簧刚度,N/mm;x2为蓄压碟簧压缩量,m。

1.2.2释放阶段

当机械锁突然解锁释放时,震击器以下仪器约束被解除,弹性势能释放使震击锤以极快的速度与震击筒发生碰撞。有效势能

(2)

式中,h为从释放到碰撞的有效行程,m;Az为克服阻力所做的功,J;m1为上段仪器质量,kg;v1为震击锤碰撞的瞬时速度,m/s。

Az=(Q1+Q2+W1/2)h

(3)

式中,W1为上部运动仪器部分重力,N;Q1为上部运动仪器部分所受井液阻力,N;Q2为上部运动仪器部分与井壁摩擦力,N。

整理可得,碰撞前的瞬时速度

(4)

1.2.3碰撞阶段

根据假设,发生在井下的震击碰撞被视为完全非弹性碰撞。震击筒以上仪器部分与震击筒以下至卡点位置仪器部分碰撞后,结合为一体同时向上运动。根据动量守恒定律[5]得

m1v1+m2v0=(m1+m2)v2

(5)

式中,m1、m2分别为上、下段仪器质量,kg;v1、v0分别为上、下段仪器碰撞前的瞬时速度,m/s;v2为碰撞后的速度,m/s。Qg为作用于卡点的动载荷,kN/m2;A2为下段仪器的截面积,m2。设下段仪器的刚度为C2=EA2/L2,则δ=Qg/C2,其中L2为下段仪器长度,m;E为仪器本体材料的弹性模量;δ为在动载荷作用下,下段仪器被拉伸的形变量。已知下段仪器卡死时v0=0,则下段仪器所产生的弹性势能

(6)

由式(6)整理可得

(7)

由式(7)可以看出,动载荷随上提力F的增大而增大,其中m1=0.1m2,C2=900 N/mm,解锁力设定在4 200 lbf[注]非法定计量单位,1 lbf=4.448 222 N,下同,若不考虑能量损失,动载荷Qg是上提解锁力F的5倍左右。

2 结构设计与测试制造

震击器的设计是将储能加速段与震击解锁机构结合,极大程度缩短了仪器长度及重量,独特的液压锁与复位机构设计保证了仪器的可靠性,其主要技术指标见表1。仪器的震击力可以达到设定解锁力的4倍以上,解锁力可调可控,其调节范围1.3～2.2 t。仪器配套有相应的专用地面测试设备,以便实时检测仪器可靠性。

表1 主要技术指标

2.1 总体设计

震击器由上接头组件、平衡活塞组件、储能加速组件、解锁震击组件及下接头组件等组成。总体结构示意见图3。平衡活塞组件用于平衡井下外界钻井液压力,保证震击力输出不受井下钻井液压力影响;储能加速组件提供震击部分冲击所需速度,包含能量储备及加速部件;解锁震击组件[6]用来调节解锁力的大小,匹配弱点,保证解锁力不至于超过弱点值的70%,同时内部有液压锁,在达到解锁力以后自动解锁,储能加速组件及内部震击锤对下部遇卡仪器串部位发生碰撞震击。

图3 总体结构示意图

2.2 分项设计

2.2.1上接头组件

用于连接地面测试设备与下井仪器,一般为马龙头。该部分选用高压电气接插件,需要承压140 MPa、耐温175 ℃,将液压油与上部仪器隔离开,同时需要将电缆贯通至下部仪器。

2.2.2平衡活塞组件

用于平衡井下压力,保证仪器内部压力与外界压力相同,活塞选用高耐磨、防腐蚀的Qbe2材料,密封采用耐高温175 ℃的氟橡胶进口O形圈作为密封元件(见图4)。

2.2.3储能加速组件

仪器在承受张力作用时,压缩碟簧储存弹性势能,达到解锁力时释放弹性势能,为震击锤震击提供动力,外壳体材料选用耐腐蚀、重量轻的钛合金TC11作为主材,碟簧选用高性能的弹性合金材料,加速轴的动密封采用耐高温氟橡胶O形圈结合改性四氟,保证密封可靠同时提升耐用性(见图5)。

2.2.4解锁震击组件

在仪器上拉过程中,震击组件会在达到设定的张力值(1.3～2.1 t)时,瞬间释放,使得中心轴连同震击锤处于自由状态,此时在加速筒中的能量释放,使得震击锤向上完成震击(见图6)。仪器外壳体选用耐腐蚀、耐冲击的不锈钢17-4作为主材,仪器内部设计有可以通过外部调节解锁力大小的机构,震击锤及所有运动活塞均采用强度高、耐磨性好的Qbe2材料,液压锁密封采用高温组合密封圈,同时设计有线缆的固定装置,以防止线缆伸缩被挤坏。

图4 平衡活塞组件示意图

图5 储能加速组件示意图

图6 解锁震击组件示意图

2.2.5下接头组件

用于连接解锁震击组件和下部仪器,与上接头一样需要选用高压电气接插件,承压140 MPa、耐温175 ℃,将液压油与下部仪器隔离开,同时需要将电缆贯通至下部仪器。

2.3 仪器制造与测试

2.3.1仪器制造

对于关键部位配合精度要求高的零件,采用数控机床结合研磨工艺以保证仪器达到精度要求。对于细长轴,采用热处理时效,保证零件稳定不变形。对于液压阀件进行独立高低温加压测试。

2.3.2仪器测试

根据地面检测设备多次测试,如图7、图8所示,震击力可达解锁力的4.5倍左右,其能量转化率相当高。测井时使用常规马笼头弱点拉断螺钉的力为6 000 lbf,我们会将解锁力(激发点力值)设置在6 000×70%=4 200 lbf,其解锁后的震击力可达18 900 lbf,施加在遇卡位置。

图7 单次测量结果图

图8 11次测量数据统计

3 应用案例分析

震击器于2018年6月开始应用于各大油田,据部分统计,中国石油集团测井有限公司长庆分公司应用158井次,仪器遇卡40井次,成功解卡26井次,成功率65%,效果显著。

3.1 应用案例1

2020年5月19日在耿侧XXX井,井深2 146 m,靶位移276 m。仪器连接顺序:4 m电极+4 m短节+震击器+三参数+伽马+连斜+井径。在仪器测至1 834 m时,仪器串遇卡,采用常规手段快速上提下放电缆增加张力,多次尝试解卡,未能成功。

后经过计算震击器的解锁力,将电缆上提至绞车面板力值为34.2 kN,仪器串成功解卡。

3.2 应用案例2

2021年10月28日在华XXX井进行核磁测井施工,井深2 415 m,最大井斜43.5°,目的层平均井斜31°。仪器下放至目的层段进行起测,上提30 m后遇卡,计算最大安全拉力32 kN,拉至26 kN解卡,继续起测80 m后再次遇卡,缓慢上提拉至26 kN未解卡,放松张力再次上提至28 kN未解卡,继续放松张力后上提拉至31 kN,在90 min内震击20余次后解卡,顺利完成该井测井任务。

4 结 论

(1)测井液压震击器具有较高的技术指标和解卡能力,可以对轻度、中度遇卡进行有效的解卡操作以继续完成测井作业,从而降低了测井仪器遇卡事故发生的几率,较好地保护井下贵重仪器和测井电缆。

(2)该震击器的研制与成功应用改变了复杂井眼环境下的测井方式,是现阶段预防和解决电缆测井施工中仪器遇卡、降低打捞率、提高测井速度、降低作业成本的良好手段,具有较高的推广应用价值。