16油田新技术处理卡钻事故八十多年以来，震击器一直在钻井行业中得到广泛应用，是 节省钻机时间并在出现卡钻情况下保护钻柱和井筒不受损害非常 经济有效的应急方法。随着技术的发展以及对震击器动力学认识 的不断深入， 震击器的应用已经扩展到水平井和大斜度井中。 然而， 如何优化使用震击器依然是我们面临的难题，震击器技术将会不 断得到发展。Bob Costo Larry W. Cunningham Glenn Joseph Martin Jos Mercado Brian Mohon Liangjun Xie 美国得克萨斯州休斯敦油田新技术2012 年春季刊 ： 24 卷，第 1 期。2012 斯伦贝谢版权所有。在编写本文过程中得到休斯敦的 Eric Wilshusen 的帮助，谨表谢意。Accelerator AP，AP Impact，Hydra-Jar AP 和 Jar- Pact 等是斯伦贝谢公司的商标。使用震击器的目的只有一个 ： 释 放被卡钻杆。震击是将钻柱储存的应 变能迅速转换成动能，震击器再将动 能传递到钻柱卡点上的过程。大多数 作业者都会在井下钻具组合中安装震 击器，作为可能出现卡钻事故的预防 措施。据估计，平均每钻三口井就会 出现一次卡钻事故，每年由此会给 作业者增加数亿美元的成本1。大约50% 的卡钻事故发生在起下钻的过程 中， 20% 发生在扩眼和修套管过程中， 10% 发生在钻进过程中2。震击解卡1. Shivers RM III 和 Domangue RJ ： “Operational Decision Making for Stuck-Pipe Incidents in the Gulf of Mexico ： A Risk Economics Approach” ，SPE DRILLING & COMPLETION，8 卷，第 21 期（1993 年 6 月） ： 125-130。2. Bradley WB，Jarman D，Plott RS，Wood RD，Schofield TR，Auflick RA 和 Cocking D ： “A Task Force Approach to Reducing Stuck Pipe Costs” ， SPE/IADC 21999， 发表在 SPE/IADC 钻井会议上， 阿姆斯特丹，1991 年 3 月 11-14 日。3. Bowes C 和 Procter R ：1997 Drillers Stuck Pipe Handbook。休斯敦 ：斯伦贝谢（1997 年） ： 13。4. Clausen J，Rebellon J，Blanc J 和 Barton S ： “Novel Drilling Technology Delivers a Step Change in Challenging Deepwater Operations” ，SPE 142501， 发表在 SPE 中东油气展览会与大会上，巴林 麦纳麦，2011 年 9 月 25-28 日。是应对停工时间、昂贵的打捞作业、 侧钻或弃井的最后防线。尽管勘探 与生产公司会尽一切努力避免卡钻 造成的成本，但是一般情况下，钻 井人员对于震击器的力学和动力学 原理缺乏了解，并且在如何优化操 作震击器方面缺乏必要的培训。 因此， 作业者制订的应急计划并不能得到 彻底贯彻，从而可能导致额外增加 数百万美元的成本。 服务公司正在与作业公司进行 合作，对钻井人员进行培训，并且鼓172012 年春季刊励及时恰当地使用震击器分析程序 （这些程序已经成为震击器应急计划 预防措施的组成部分） ，旨在显著降 低作业风险、停工时间和成本。对 于地质情况、井眼和 BHA 几何形态 以及震击器应用的深入了解，有助 于钻井工程师更好地设计 BHA，从 而优化机械钻速和井眼轨迹，最大 程度防止出现影响钻井作业的井下 事故。 本文对造成卡钻的原因和现有 震击器的类型进行了回顾，并对震 击作用力以及在钻柱中使用震击器 的重要性进行了讨论。加拿大、阿 曼和美国等地的应用实例说明了成 功使用震击器的益处。卡钻的原因和类型当移动钻柱所需的静态力超过 了钻机的能力或钻杆的拉伸力时，就 会发生卡钻，此时钻杆不能上下移 动或旋转。在钻进、接单根、测井 或测试过程中，或是设备在井内进 行任何作业的过程中都有可能发生卡钻事故。 卡钻主要有两种基本类型： 机械卡钻和压差卡钻。 当钻柱移动并遇到障碍或阻碍 时，通常会发生机械卡钻。这种卡 钻有三种机理 ：缩径卡钻、砂桥卡 钻和井眼几何形状卡钻（上图） 。当 非固结地层岩石、岩屑或碎石沉积 在 BHA 周围并充填钻柱和井眼之间 的环空时，就会发生缩径卡钻。泥浆 泵停泵时间过长 （如起钻作业过程中） 经常发生缩径卡钻。当中等或较大 的岩石碎片、水泥或杂物掉落井中 将环空堵塞时，就会发生砂桥卡钻。 当井眼形状或尺寸和 BHA 不一 致时， 就会因井眼几何形状造成卡钻。 这种卡钻通常是由于井眼倾斜导致 键槽卡钻造成的。键槽切入地层的 凹槽，钻柱外径较大的部分例如钻 铤连接处和底部钻具组合，就可能 会卡在键槽中。其他原因包括缩径、 刚性钻具、 塑性地层、 井筒内的台肩、 狗腿度以及套管损坏等。 当钻杆静止或移动非常缓慢时， 可能发生压差卡钻。这种卡钻由钻井液的过平衡所致，即泥浆柱的静 态压力大于渗透性地层的孔隙压力， 这一压差就会将钻杆推入井壁，从 而导致卡钻3。导致情况更加严重的因素包括过平衡压力较高、 泥饼过厚、 钻井液密度较高以及泥浆固相含量 较高等。 当工程师对卡钻的机理和原因 有了正确的认识后，就会在设计过 程中预先优化安装震击器，从而最 大限度发挥震击器的作用。一旦出 现卡钻，掌握这方面知识的操作者 就可能根据井眼状况选择合适的震 击力与持续时间。震击器工作原理尽管震击器早在 19 世纪就开始 应用，但是现代震击器直到 20 世纪 30 年代才开始出现。1931 年，工程 师设计了一款由机械式闩锁装置固 定的伸缩式心轴震击器。从那时起， 震击器经过了无数次改进，使其能 够不断应对更加复杂井的挑战4。 卡钻机理。 多种原因会造成卡钻， 使钻柱在井中不能上下移动或旋转。 当非固结地层的岩石颗粒、 碎石或砾石落到井筒中时， 就可能发生缩径卡钻 （左） 。 当地层钻屑或碎石在 BHA 周围堆积时，也有可能发生缩径卡钻。当钻杆围绕井壁上某一点旋转时，就会在该处切出一个凹槽或键槽（插图） ，这时就 有可能发生键槽卡钻（中） 。当将钻柱从井中起出时，工具接头部分或 BHA 外径大于钻柱外径的部分就可能无法通过键槽，造成卡钻。在这种情况下， 钻柱可以向下移动或旋转，但是无法上提，因此被卡在井中。当钻井液产生的静液压力大于渗透性地层的孔隙压力时，就可能会发生压差卡钻（右） 。 当钻柱静止或移动非常缓慢并且接触到渗透性地层或过厚的泥饼时，这一过平衡压差就会将钻柱推向井壁，造成卡钻。?18油田新技术如今的震击器由一个在套筒内 滑动的心轴和一个内制动机构组成， 内制动机构能够在释放心轴之前短 暂延缓其运动5。心轴通常被称为锤子，而套筒常被称为铁砧。这种叫 法可以帮助说明能量是如何从钻柱 中释放并传递到卡点上（下图）6。震击器的工作原理是基于其储 存的势能。震击器的势能来自于从 地面施加的超拉力或下放力7。震击器可向上、向下或上下冲击，在钻 柱中处于拉伸或者压缩状态。如果 处于拉伸状态，心轴完全打开，如 果处于压缩状态， 则心轴则完全关闭。 无论处于哪种状态， 心轴都不能运动， 直到需要进行震击作业，司钻对钻 柱施加额外的拉伸力或压缩力 8。司钻通过在钻柱顶部缓慢施加 超拉力而 BHA 保持静止来实现上击 震击器。震击器中的制动机构在短 时间内限制了心轴的运动，使钻杆 发生物理拉伸，从而储存应变能量 （上图） 。 这一阶段通常称为加载阶段， 一般仅持续几秒钟，但如果司钻使用 液压震击器， 那么延迟时间就会较长， 加载阶段可能会持续几分钟9。下一阶段有时被称为冲击前阶 段，开始于制动机构释放时，结束 于震击器冲击时。这一阶段通常持 续 50 到 200 毫秒。心轴加速，储存 在拉伸钻柱中的能量突然释放，从 而击发震击器上部钻杆和钻铤或厚 壁钻杆（HWDP）的运动。钻柱在自 由运动过程中获得动量。 当运动停止时，就会传递一个冲 力，类似于锤子敲击铁砧。这一冲 击阶段通常持续 10 到 50 毫秒。并且 冲力会产生冲击波沿钻柱上下运动。 这一过程能够将能量突然释放到卡 点上。 冲击后阶段持续几秒钟，之后钻 柱恢复到完全放松的状态。在下一 个阶段即复位阶段，下放钻柱直到 给震击器施加一个压缩力，使震击 器复位以便进行下一次震击。 当震击器下击时，施加在钻杆上 的不是超拉力，而释放的是工具串重量，将压缩力传递到卡点从而通过向 下推动被卡工具将其释放。重复震 击过程， 某些情况下需要重复数百次， 直到解卡。如果震击作业没有成功， 作业者就会考虑采取其他办法。 震击过程中产生冲力和冲量，两 者结合来克服卡钻阻力从而解卡。冲 力是由锤子击打铁砧产生的峰值力。 冲量是在冲击阶段发生的动量变化， 可以由载荷 - 时间关系曲线之下的面 积进行计算（下一页，上图） 。冲力 和冲量主要受震击器以上钻铤数量 的影响。 震击器系统。典型的震击器系统由一个可以 在套筒（铁砧）内滑动的心轴（锤子）和一个 制动机构组成。制动机构能够在释放心轴之前 暂时限制其运动。时间延迟使得钻杆能够储存 势能。突然释放制动机构使得心轴在撞击套筒 之前加速运动 25 到 50 厘米（10 到 20 英寸） ， 突然释放能量，将冲力传递到卡点上。心轴向 上运动使得锤子撞击铁砧，在钻柱上产生向上 的冲力。心轴向下运动产生相反的效果。 储存应变能量。震击器的能量来自地面施加给钻杆的拉伸力。钻杆的类型 和长度影响其拉伸量和所能储存的能量。本图对 5 英寸、19.5 磅 / 英尺钻杆两 种拉伸长度所产生的不同超拉力进行了比较，其中超拉力是卡点以上自由钻 杆长度的函数。对于给定的拉伸长度，自由钻杆越长，超拉力和储存的能量 越小。5. 制动机构是一个使某机械部件的位置相对于 另一个部件保持不动的机构，这样，当向其 中一部件施加力时可以释放该装置。雨伞中 的打开机构就是制动机构的一个例子。6. Kalsi MS，Wang JK 和 Chandra U ： “Transient Dynamic Analysis of the Drillstring Under Jarring Operations by the FEM” ，SPE Drilling Engineering， 2 卷，第 1 期（1987 年 3 月） ： 47-55。7. 超拉力是施加在移动钻杆上且超出钻杆在空 气中或流体中重量的拉力。下坐重量也叫下 放时钻具重量，等于钻杆可自由活动时钻柱 和 BHA 在卡点或井底的重量。8. Schmid JT Jr ： “Designing BHAs for Better Drilling Jar Performance” ， World Oil， 195 卷， 第 5 期 （1982 年 10 月） ： 100-104。 9. Aarrestad TV 和 Kyllingstad ： “Loads on Drillpipe During Jarring Operations” ，SPE Drilling & Completion，9 卷， 第 4 期（1994 年 12 月 ） ： 271-275。10. Newman KR 和 Procter R ： “Analysis of Hook Load Forces During Jarring” ，SPE/IADC 118435， 发 表 在SPE/IADC钻井会议暨展览会上， 阿姆斯特丹， 2009 年 3 月 17-19 日。