震击器原理介绍.doc

震击器介绍

一、使用震击器的目的
震击器是将处于拉伸状态的钻具内部的潜在能量转化成动能。在震击发生后，这种动能将一股动力波传递给被卡的钻具，从而使钻具解卡。
动力波的能量与钻具震击的加速度有关系，动力波的持续时间与钻具的长度有关。它们的关系如下：

其中：M等于震击器上部钻具的重量，
V为震击器震击时的速度。
震击器有三种：机械震击器
液压震击器
液压机械一体式震击器

二、机械震击器
机械震击器工作时使用一系列的弹簧、销子及释放机构来实现震击。
液压震击器控制液体通过的形程来实现震击。
液压机械一体式震击器综合上述两种设计来进行震击。

机械震击器在拉力达到事先选定的值的情况下向上震击，在压缩力达到事先选定的值的情况下向下震击。震击器只在设置的限制值内工作，这个值正常来说应离钻进时震击器受到的力。在正常钻进期间，机械震击器所处的位置要么时中性状态（不受力），要么时拉伸状态，但是不论怎样都不能处于向下激发的状态，因为这样有可能无谓的损坏下面的钻具和钻头。
机械震击器的释放机构可以在地面设置，也可在井下设置，主要取决于机械震击器的设计。机械震击器共有两种主要的设计。一是弹簧的扭转原理。这种机械震击器送到井场前都设置好了向上激发和向下激发的负荷。它们的激发力通过对井下钻具施加10－15％的扭矩变量来实现，左转扭矩下降，右转扭矩增加。Daily L.I就是使用的这种原理。另一种设计采用带槽的延伸套、接线片及辅助弹簧组成。激发井下震击器所需要的负荷可以通过增加泥浆排量来降低。ANADRILL 的EQ机械震击器就是采用这样的原理，将在后面的内容介绍。

三、液压震击器
液压震击器由两个活塞组成，由一个阀将这两个活塞隔开。当拉伸或压缩的力施加导处于激发状态的液压震击器上时，一个活塞中的液体就被压缩，并在受到很大的流动阻力的情况下流向另一个活塞。液体流动的速度可控制工具激发所需的时间，拉伸或压缩力大，激发所需时间就短，否则激发所需时间时间就长。移动的距离称为冲程。当冲程达到一定的位置时，压缩的液体就会通过旁通阀忽然之间全部释放，法门随流动的液体冲向第二个活塞，使两个活塞之间的压力立即达到平衡。震击器受到的力越大，活塞中的液体受到的压缩力就越大，激发时间就越短，激发产生的力就越大。这是Anadrill Hydraquaker 震击器的工作原理。
液压震击器激发条件不需要预先设置激发门限值。何时激发，激发产生的力有多大等，都取决于拉伸或压缩的幅度。当向上激发时，激发的力与拉力成正比。拉力越大，激发产生的打击力就越大。
因此，液压震击器的一个优点就是在其限制范围内有一个连续可变的震击力，另一个优点就是对6－1/2”工具而言，它们的内径比机械震击器大。
当液压震击器再次处于激发位置后，如果有足够的时间使它来完成冲程，它会再次激发。这使液压震击器在高角度的斜井或水平井中施工有其独特的优点，那就是由于钻具可能受到很大的摩阻，司钻不可能施加足够的拉力或压缩力到机械震击器上。而液压震击器即使在只受到最小的拉伸或压缩力的情况下，最后都会激发。当然，这也是它的一个缺点，它会意外激发从而导致落鱼事故，特别使在直井中。
液压震击器频繁的激发会导致液体过热，从而降低了液体的粘度，缩短了其冲程时间，使液压震击器在没有受到希望的拉伸力的情况下就提前激发。其结果是，震击力降低。
机械震击器的一个主要优点是它们只在受到的力达到预先设置的门限值后才激发。它们比液压震击器更抗噪，工作时间也更长。

五、Earthquaker (EQ)是如何工作的？
EQ震击器主要组成如图所示，主要包括Trip Mandrel, Trip Sleeve, Friction Sleeve, Adjusting Sleeves and Spring Tubes等部分。这几个部件的相对位置关系确定了震击器是处于激发的状态还是处于等待激发的状态。Trip Sleeve相当于一个轴向弹簧的作用。Spring Tubes由三根居中的具有高弹性能量(每压缩0.1”产生100000LBS的力)的弹簧管组成。
下图列出了EQ震击器四种不同的位置关系。在自然状态，Trip Sleeve处于正常的不压缩不变形状态，此时它与Trip Mandrel接触，此时Trip Sleeve的内齿和内外槽分别与Trip Mandrel的外槽和外齿啮合，Trip Sleeve的外齿Friction Sleeve的齿正对应。Friction Sleeve 镶嵌于Middle Housing内部，相当于Housing整体结构的一部分。

外壳可以沿着Trip Mandrel上下移动十分之几英寸，直到弹簧管和Trip Sleeve的端部接触为止。Adjusting Sleeves是拧进到外壳的底部和顶部的，它可以控制外壳自由活动的空间。旋转Adjusting Sleeves可以控制外壳自由活动的空间和和承受阻力的位。Adjusting Sleeves可以旋转到不同的位置，这些位置是在车间里面校正准确了的，每一个位置都对应不同的激发负荷。当在现场需要设置上击、下击的门限负荷时，将上、下Adjusting Sleeves分别旋转到不同的指定的位置即可。
当Trip Sleeve和Spring Tubes接触后，再在EQ震击器上增加压力或拉力，这个力就会分别独立的加到上或下弹簧管上。随着工具拉伸幅度增加，Trip Sleeve 和 Trip Mandrel齿之间的压力增加，弹簧管受到的高压缩负荷迫使Trip Sleeve膨胀，这种膨胀受到专门限制Trip Sleeve 膨胀的Friction Sleeve的阻止。弹簧管继续压缩直到外壳和Friction Sleeve运动足够的距离、Trip Sleeve不再受到Friction Sleeve的阻止。这个点就是由EQ的设置决定的。
在这个点，Trip Sleeve瞬间完全膨胀，脱离Trip Mandrel的限制，进而与Friction Sleeve的内齿啮合。此时，外壳失去限制，在拉力或压缩力的作用下加速运动直到撞击砧板，从而完成一次震击。Trip sleeve的扩张是通过调节Trip sleeve端部的膨胀垫来实现的。
向上震击完毕，向下适当释放钻具，此时Trip Sleeve和Friction Sleeve一起向下运动，当Trip Sleeve的内齿重新与Trip Mandrel的外齿啮合时，Trip Sleeve和Friction Sleeve之间的啮合分开，形成齿间对齿间的状态，在不施加负荷的情况下，弹簧管完全伸直，从而使震击器又处于自然的状态。
综上所述，EQ震击器有三个主要的位置：
1、 向下激发位置：Trip Mandrel和Trip Sleeve分离，Trip Sleeve扩张到Friction Sleeve的向下激发位置。
2、 自然状态：Trip Mandrel和Trip Sleeve啮合，Trip Sleeve 和Friction Sleeve齿顶对齿顶对立，受到事先设置的激发负荷的限制。
3、 向上下激发位置：Trip Mandrel和Trip Sleeve分离，Trip Sleeve扩张到Friction Sleeve的向上激发位置。

六、EQ震击器的特点
1、 在钻具中使用EQ震击器，只要钻具发生粘卡，可以立即实施震击。
2、 向上或向下的激发门限值可以在车间或现场地面设置，最大为180000 lbs。扭矩对这个预先设置的激发力没影响。
3、 EQ所采用的花键系统意味着主轴没有扭曲。这在DD工作方面是特别有用的，特别是在定向期间。
4、 工作部件都包含在油里面，这就减少了泥浆固相对工具造成的磨损。
5、 一个补偿活塞将密封件之间的压差降低到最小。在运动密封区域预先放置的V型盘根消除了压力的泄漏。
6、 震击器总会在预先设置的门限值处工作，不受入井时间和温度的影响。
7、 内部补偿机制允许工具高度拉伸和压缩。这也提供了一种对井下负荷进行校正的手段。

七、总述
1、 在EQ震击器附近或上部钻具由于没有比EQ震击器外径大的钻具，因此上部钻具遇卡的可能性大大降低。
2、 设计震击器的位置时，油两种观念相互冲突：有些客户希望将震击器靠近钻头，这样在钻头遇卡的情况下，震击器的震击才对解卡有效。但是这样旧增加了震击器上部钻具遇卡的风险，在这样的情况下，震击器对解卡是没有任何帮助的，因为压缩或拉伸的力传递部到钻头上。一种折衷额办法就是使用少量的钻铤，将6 1/4" 或 6 1/2"的震击器放在HWDP 下面，EQ 可以在压缩或拉伸的状态下工作EQ。震击器的启动销必须总是处于拉伸状态下的5000 lbs。在设计钻具时，应考虑到这一点。
3、 设置上击门限值时要保证足够的高，以免震击器在很低的拉力的情况下就激发。在这样的情况下，钻具是能在不用震击器的情况下自由活动的。震击器是在钻具发生粘卡、需要很大的额外拉力的情况下才使用的。
4、 作为一个规则，与钻具运动方向相反的方向震击效果是最好的。如果起钻遇阻则向下震击，如果下钻遇阻则向上震击。如果在键槽卡钻，下击可能解卡，上击就会使钻具在键槽内卡得更紧。
5、 最大的震击力取决于最大的可额外施加的提升力。震击器在钻具中，摩阻会使其减弱。物质的运动速度是最重要的。
6、 摩阻对震击器的影响是很大的，特别是在斜井中。向上震击时，需要施加额外的拉力来克服上提摩阻从而达到计划的激发门限值，相反，向下震击时需要释放更多的具重量来克服下方摩阻从而达到计划的激发门限值。
7、 泥浆在钻具内循环会产生一个外力，外力总是想让震击器打开，因为震击器基本上是一个不平衡的接头，循环时通过钻头的压差产生会使震击器受到一个向上的力。如果在震击器工作期间保持循环，那么这个力就会减少上击所需的拉力，增加向下震击所需的施加的钻具重量。外力F可由下列公式计算：

即钻头压差乘以震击器密封主轴的横截面积。其中Am使震击器密封主轴的横截面积，知道了该值，震击器受到的外力就可很容易的计算出来。下表为几种震击器的横截面积：

向上震击的时候，有时需要借助于这个外力的协助。在粘卡特别厉害或摩阻特别大的情况下，单纯靠上提拉力不足以激发震击器，在这种情况下，就只能在拔的过程中增加泥浆排量来激发震击器。

八、计算激发负荷和恢复激发所需的负荷
1、上击指重表读数
＝自由状态下钻具悬重
－震击器下方钻具的重量
＋上击门限值
＋上提摩阻
－泵外力
2、下击指重表读数
＝钻具自由状态下的悬重
－震击器下方的重量
－下击门限值
－泵外力
－下放摩阻
3、震击器上击后恢复自然状态指重表读数
＝钻具自由状态下悬重
－震击器下方钻具的重量
－下放摩阻
－工具内部摩阻（上击门限值的1％）
注意：如果不能恢复，再多加释放一点钻具重量。
4、 最高可获得的上击拉力
（MAUJS，Maximum Allowable UP Jar Setting）
有两种方法用于确定MAUJS，主要根据客户提供的信息。
A、根据震击器上方的可自由转动的钻具可以承受的最高拉力来计算。
MAUJS
＝震击器上方的可自由转动的钻具的浮力重量
－安全系数（10000lbs
－上体摩阻
B、另一种方法就是利用下列两个值中较小的一个：
考虑钻具磨损时钻具的最小拉伸力
钻机的提升能力
MAUJS
＝震击器上方的可自由转动的钻具的浮力重量
－安全系数（10000lbs）
－上体摩阻

注意：在计算MAUJS值时，选择何种计算方式是甲方的责任。如果钻具是新的，则钻具的抗张强度很好确定。否则就需要在可活动钻具受到的浮力重量的基础上加上某一安全系数（例如10000lbs），以确保井下钻具的安全。
在计算最高拉伸力时，不要考虑泵外力，因为如果钻具粘卡严重而开部开泵，也就没有泵外力了。

九、如何成功的应用震击器
1、粘卡发生后，在最短的时间内采取最恰当的震击措施是解卡的关键。
2、计算是很简单的事情，但是在问题发生的时候，小的计算也会变得很复杂。
3、实施震击前确定好上击或下击。
5、 震击应在钻具发生粘卡时运动方向的反方向进行。

十、震击失败的原因
1、 震击时施加的力量不准确。
2、 泵外力超过震击器的压缩力。
3、 在震击器上方发生粘卡。
4、 震击器没有进入自然状态。
5、 高摩阻不能施加足够的力来激发震击器。
6、 井眼轨迹使压缩力不能施加。
7、 向右的扭矩击中在可设置扭矩的震击器上。
8、 没有等足够的时间来使震击器完成震击。

十一、好的震击方法
1、 避免将震击器放在扶正器、扩眼器、键槽扩大器及其它大外径的钻井工具下面。
2、 震击器必须远离上部扶正器至少两根钻铤的长度。
3、 震击器立在钻台上，上面不能有钻铤。震击器必须在最顶端。
4、 当钻具组合中要使用两个震击器时，它们之间的距离至少要保持1000ft以上。
5、 保持方钻杆或顶驱在转盘补心上有足够的空间来下放钻具加压。
6、 使震及器完全处于拉伸或压缩状态。
7、 不要将震及器置于钻具转换部位，如DC到震及器到HWDP。
8、 慢速通过阻点，防止意外震击。
9、 任何时候震击器出井，立即装上活动轴护照，防止意外损伤活动轴或意外震击夹到人、物。