随钻震击器及减震器失效分析与解决方案

根 据 电 镀 学 原 理 ，普 通 镀 硬 铬 表 面 具 有 硬 、
脆 、多 孔 、容 易 脱 落 等 缺 点 ¨ 。尽 管 镀 后 表 面 无 ｊ 宏观 裂 纹 ，但 镀 铬层 内应 力 较大 ，在 使用 过程 中由 于应 力 释放 会在 微 观组织 上 产生 裂纹 ，而且 常规震 击器 或 减 震 器 密 封 轴 径 （ 径 ） 采 用 镀 后 磨 削加 孔 工工 艺 ，又增 加 了镀 铬层 的 内应 力 和产生 微 观裂纹 的几 率 。另 外 ，与金 属基 体 结合 的镀 铬层 有许 多微 孑 隙 ，空气 等腐 蚀性 介 质通 过微 裂纹 和微 孑 隙会腐 Ｌ Ｌ
常规震击 器或减 震器 一般 采用 丁腈 橡胶 密封 圈 加挡环 结构 。丁 腈橡 胶耐 水 和耐 油性 能 较好 ，但 强 度较低 ，在空气 钻井 作业 中，尤 其 在环 境 恶劣 的中
东等高 温地 区 ，橡胶 材料 很容 易 老化 变 质 ，失 去原 有 的弹性 和力学 性 能。在 带有 一定 压力 并 含有 岩 屑
践效果 引起 钻 井 界 的高 度 重 视 。但 是 常 规 震 击 器 、 减震 器在 空气 钻井 中应 用 时暴露 出以下 问题 ：① 产 品表 面腐蚀 严 重 ，长期 工作 时容 易 产生 腐蚀 疲 劳断 裂现 象 ；② 密 封 表 面 点 状 坑 蚀 严 重 ，导 致 密 封 失 效 ；③密 封形 式不 适宜 ，从 工作 原 理上 看 ，产 品对
２ 解 决 方 案
２ １ 产 品整体预 防腐 蚀及 疲劳 断裂 ．
图 ３ 特 殊 密 封 材 料 及 密 封 形 式
由于 震 击 器 或 减震 器 本 身 就 是 处 理 事 故 的工 具 ，要 求下 井工 作必须 绝对 可靠 。依 据产 品 的使 用 性能要 求 ，笔者 研 究 了 国外 同 类 产 品 的材 料 特性 ，
使 密封 圈免受 带 有 固体 岩 屑 颗 粒 的高 速 气 流 冲击 。
该 Ｃ形 滑环 材料 摩 擦 因数 小 ，不 仅有 一 定 的 弹性 、 散热 性 ，还有 较好 的力 学性 能和 耐高温 能力 ，从 而 满 足 了密封在 恶 劣工况 下 的使用 要求 。 （ ） 在具 有 密 封 结 构 的简 体 部 位 ，采 用 二 级 ２ 密封 设计 ，其 中一 级为 隔离环 境介 质 ，二级 为工作
含 的高 密度 氧气 、盐雾及 其 它腐 蚀性 气体 均 具有较
强 的穿 透 力 ，很 容 易 透 过 微 裂 纹 和微 孔 隙氧 化 基 体 ，在 金属 基体 与 镀铬 层 的界 面上 形成 氧化 物 ，再 加上 镀 层 内外应 力作 用 ，大 大减 弱 了镀层 与 金属 基
体 的结 合力 ，致 使 镀层 慢慢 从基 体 上剥 落 ，从而 产
可靠性 及使 用要 求符 合空 气钻 井 的特殊工 况 。
２ ２ 防点 状坑 蚀设计 ．
常规 的震 击器 或减 震器用 于 以空气 循环 的欠平 衡钻 井 工艺 中 ，由于工 具 的外 表 面存在 较大 的直 角变径 台肩 ，携带 岩屑 的高速气 流在 死角 处很 容易 形成 高 速涡流 Ｊ ，致 使 高 速 旋 转 的 固体 岩 屑 交 变 冲击 震 击 器外露 的密 封表 面 。所 以 ，腐蚀 、应力 以及 高速 固体岩 屑 的撞 击共 同作用 于具 有密 封要求 的镀 铬表
面 ，加 速 了密封表 面 的失 效进 程 。当密 封表 面 已经 产生点状 坑蚀 的震 击器或 减震 器服 役 时 ，点 状坑蚀 的密封表 面不 仅无 法实现 全密 封 ，而且还 将 逐渐破 坏密封件 ，使 密封彻 底失 效 。
针对 点状坑 蚀 的形成 机 理 ，笔者 采 取 了 以下 ２
（ ） 采用 特 殊 设 计 的 密 封结 构 和 材 料 代 替原 １ 有 结构 ， 由 １个 特 殊 材料 制成 的 Ｃ形 滑 环 将 密封
圈包 围 ，使密 封 圈与密 封表 面不 产生相 对运 动 ，并
提 出了材料 的理 化指标 及各 项具体 参 数 ，并 与钢 厂
联合进 行技 术攻关 ，确 定 了符合 空气钻 井要 求 的专 用钢材 。材 料在 由计算 机控 制 的热 处理 生产 线上 进
为 Ｚ ０ ５ ０ ０ ８ ９５、Ｚ ０５ ０ ０ １２ ３ Ｌ２０ ２ ０ １ ９ ． Ｌ２０ ２ ０ ２ ０ ． 。
一
７ ６一
石 油
机
械
２０ ０ ９年
第３ ７卷
第ｌ ２期
升高 ，一般来 讲 ，在离 开井底 一段 距离 后 ，循环 空
气流速将 达 到原始 流速 的几倍 甚至 十几倍 。如果将
密封 的依 赖性 太 大 。为此 ，笔 者详 细分 析 了产 生 问 题 的原 因 ，并 提 出 了具 体解 决方 案 。
蚀金 属 基体 ，腐 蚀 的发 生 和腐蚀 的速度 与镀 铬层 的
表 面状 态和 工作 介质 的性质 有很 大关 系 。对 于 以空 气作 为 工作 介质 的欠 平衡 钻 井来 说 ，工作 介 质 中所
理 ，重要 零件 的材料 不满 足空 气 钻井 工况 ，如 果在 空气 介 质 中长期 工作 必然 导致 腐 蚀 、气蚀 破坏 ，甚
至造 成 连接 螺纹 松脱 以及 薄 弱部 位刺 穿疲 劳 断裂 。
论 ，空 气 流速 必 须 达 到 １ ／ ５ｍ ｓ以上 才 能 使 岩 屑 固 体 颗粒 随气流 一起 向上运 动 ，气流 速度 较 高 。由于 气 体 的可 压缩 性 ，流 速还 将 随着环 空压 力 的下 降而
关键 词 空气 随钻 震击器 减震 器 失 效机理 坑蚀 密封 形 式
１ ２ 密 封表 面 点状坑 蚀 ．
０ 引 言
在钻井 作 业 中如果 发 生卡钻 事 故 ，可借 助 随钻
震 击 器给 卡点 施加 向上 或 向下 的强 烈震 击 ，使 卡点 松动 ，从 而达 到解 卡 的 目的 。减 震 器利 用其 内部 的 减 震元 件 吸收 或减 小 钻 井 过 程 中钻 头 的 冲击 载 荷 、 钻 柱 的震 动载 荷及 破岩 时 的扭矩 载 荷 。欠 平 衡钻 井 技 术 中的空气 钻井 技术 以其 独特 的优势 和 良好 的实
（ 京 石 油机 械 厂 ） 北
摘 要 针 对常 规震 击器 、减 震器 在 空气 钻 井 中应 用 时暴 露 出 的产 品表 面腐 蚀 严 重 以及 密封 形
式不适 宜等 问题 ，详 细 分 析 了失效 机 理 ，并 从产 品 整体 预 防腐 蚀 及 疲 劳 断裂 、流 线形 结 构 设 计 、
确 保密 封 的有效 性 ，从 而延 长震 击器 或减 震器 的使 用 寿命 。
２ ４ 先 进 的整体 功能 原 理设计 ．
减震 器设 计成 机械 式 ，不 同于 以硅 油 等液体 为
工 作介 质 的液 压减 震器 ，采用 蝶形 弹 簧作 为弹性 元 件 ，工作 特性 不受 工作 环 境 的影 响 ，克服 了常 规液
基 金 项 目 ：国 家 科 技 攻 关 项 目 “ 产 化 石 油 新 设 备 、新 材 料 研 制 及 应 用 技 术 ” （ ０ ３ Ａ １ Ａ１ ） 中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 技 术 创 国 ２０Ｂ ６３ ２ ；
新项 目 伊 朗四川气体 钻井 技术研 究及应用 ” （０ ２—１ ‘ ２０ ０—８ 。空气 随钻震击器及 空气 机械减震器均获 得国家实用新型专 利，专利号分别 ）
针 对 密封 的失效 原 因 ，改 进 了密封材 料 和结构 形式 （ 图 ３ 。 见 ）
的高速 气 固两相 流 的作 用 下 ，密 封 件 很 快 被 刺 穿 ， 失去密 封作用 ，产 品寿命 也将 大 幅度 缩 短。特 别是 对密封依赖 性很 强 的液压 震击 器或 液 压减 震 器 ，在 密封失效后 ，产 品会随 即丧失 震击或减震 功能 。
采 用 国际前 沿技 术— —全 机 械式 随钻 震击 器及 全 机械 式减 震器 ，从 原理 上克 服 了液 压震 击器 和液
压 减震 器 对密 封性 能依 赖 性强 的缺 点 ，具有 结 构简
单 、工作 可靠 、操 作 维ຫໍສະໝຸດ 方便 、减 震效 果好 、工作
压 减震 器对 密封 技术 的依 赖 ，从 根本 上解 决 了产 品
石 油
机
械
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第３ ７卷
第１ ２期
Ｃ Ｉ Ａ Ｐ Ｔ Ｏ Ｅ Ｍ Ｈ Ｎ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ ＭＡＣ ＮＥ Ｙ ＨＩ Ｒ
●应 用 技 术
随 钻 震 击 器 及 减 震 器 失 效 分 析 与 解 决 方 案
郭 建 庄 刘广 华 张 国 田 李 东 阳
（ ）采 用特 殊 表 面 处 理 工 艺 ，避 免 涂 层 中产 ２ 生微孔 隙 ，降低 涂层 中的 内应 力 ，减 少微 裂纹 的产 生 ，提 高 喷涂表 面质 量 ，阻断 了高 密度腐 蚀性介 质 的腐蚀 通道 ，达 到抗腐 蚀 和耐磨 的双重 目的 。
２ ３ 密封材 料和 结构 的优 化设计 ．
１ 失效 机 理 分 析
１ １ 产 品表 面腐 蚀 ．
生 点状 坑蚀 。
常规 的 震 击 器 或 减 震 器 采 用 直 角 台 肩 结 构 （ 图 １ 。对 于 空气 钻井 工艺 来说 ，由于 循环 空 气 见 ） 要 将井 底 的 岩 屑 携 带 到 地 面 ，根 据 气 固两 相 流 理 由于常规 震击 器 或减 震器 表 面没有 进 行 防腐处
封 的配合 表 面始终 处于 保护简 体 内 ，即便 循 环介质
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第３ ７卷
第１ ２期
郭 建 庄 等 ：随 钻 震 击 器及 减 震 器 失 效 分 析 与 解 决 方 案
在 变径 处形 成 涡 流 ，也 不 会 损 坏 与其 配合 的表 面 ，