文案|炎左编辑|炎左钻井工程中经常遇到跳钻现象，在砾石层或硬度大并且稳固性较差的地层中，跳钻现象往往表现的尤为突出。
跳钻产生的共振作用能使数千米的钻具一起跳动，对钻头、钻具乃至钻机的破坏力极大，会造成钻头牙轮破碎及钻具本体受损或折断等早期失效现象。
因此，消除和减轻跳钻对提高钻井速度、降低钻井成本具有非常重要的意义。
钻柱减震器是配合牙轮钻头或研磨性取心钻头钻进时，起纵向减震作用的减震工具。
它能够吸收或减缓钻进过程中钻柱的纵向震动和冲击载荷，从而维持正常的钻压，保护钻具和地面设备、降低钻井成本、提高钻井效率。
根据国内油田需要，北京石油机械厂2007～2008年研发了液压机械式钻柱减震器。
该减震器不同于单纯以硅油等液体为工作介质的液压减震器，亦不同于单纯采用减震弹簧作为弹性元件的机械减震器。
液压机械式钻柱减震器是在二者的基础上，克服了单一减震器的缺点，集成二者的优点而研发的新型井下工具。
其工作特性不受工作环境的影响，具有弹性刚度自动调节、连接强度高、性能稳定、工作可靠、装配维修方便、减震效果好、工作寿命长、性价比高等优点。
工作原理和具体结构如图1所示，液压机械式钻柱减震器结构主要包括心轴、扶正体、花键体、弹簧心轴、弹簧筒体、连接体、液压缸、冲管、下接头、对开卡环、密封压套、锁紧螺母、密封装置、固体弹簧（环形弹簧／碟形弹簧）及液体弹簧（硅油）等，分别组成扭矩传递机构、提升机构、减震机构、刚度调整机构、密封机构以及连接机构等。
正常钻进时，需要向钻头施加一定的钻压，此钻压可通过钻柱减震器的心轴、弹簧心轴、冲管作用在固体弹簧和液体弹簧上，经压缩弹簧及硅油传递给下接头及钻头。
钻井过程中，特别是在硬地层或砾石层钻进时，钻头经常处于跳钻状态，实际上是类似于顿钻那样频繁地向井底冲击。
此冲击传递到液压机械式钻柱减震器后，减震器的下接头及筒体向上运动，下部液压腔中的压力增大，硅油发生弹性变形，同时将此动能转化为弹性势能，从而吸收或减缓钻柱及钻头的冲击、震动能量。
文中所提起的液压机械式钻柱减震器其液压部分的弹性刚度为3.0～3.5KN/MM，并且液压部分的工作行程比机械部分多60MM。
因此，若减震器受到的动载荷大于210KN，则机械部分的减震元件受力压缩发生弹性变形，与硅油共同作用以吸收或减缓来自钻柱及钻头的冲击。
其主要的技术参数为：上/下接头螺纹为NC50、水眼直径为50MM、最大工作压力为350KN、最大工作扭矩为15KN-M、最大工作拉力为1500KN、弹性刚度（3.3-5.0）KN/MM、工作温度（-40~150）℃。
减震元件设计钻柱减震器的减震元件主要有3种，分别是液压油、弹簧和橡胶。
减震元件的设计直接影响到产品的减震效果，是减震器设计的核心部分。
液压机械式减震器的减震元件包括液压部分和机械部分。
其中，机械部分设计方案有2种减震元件，一种为碟形弹簧，另一种为环形弹簧。
下面分别对2种弹簧刚度进行设计计算。
碟形弹簧是用金属板料或坯料锻压而成的锥形截面垫圈式弹簧，结构示意图见图2。
图2中Ｄ、ｄ分别为碟形弹簧的外径及内径，Ｈ为碟形弹簧自由高度，H0为碟形弹簧压平时的高度，ｔ为碟形弹簧的厚度‚Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、OM为应力位置点。
碟形弹簧的特点主要有：刚度大，缓冲吸震能力强，能以小变形吸收大载荷，适合于轴向空间要求小的场合。
具有变刚度特性，可通过适当选择碟形弹簧压平时变形量与厚度之比，得到不同的特性曲线，具有很大范围的非线性特性。
用同样的碟形弹簧采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大的范围内变化。
如果碟形弹簧的高度和板厚在制造中出现误差，即使误差不大，其特性也会有较大偏差。
因此，笔者根据石油行业标准对减震器弹性刚度规定、减震器寿命等要求，结合国标GB/T1972——1992《蝶形弹簧》理论指标、德国工业标准DN2093对碟形弹簧制造检测工艺的具体规定，规范了严格的原材料控制标准。
液压机械式减震器所用碟形弹簧规定了严格的几何公差和载荷公差，制定了明确的生产工艺过程。
所设计的液压机械式钻柱减震器标称直径为178ｍｍ，根据行业标准SY/T6347——1998《钻柱减震器》，其技术要求指标中最大工作压力为350KN，刚度为3.5～5.0KN/MM。
设定液压机械式钻柱减震器的最大工作行程为120MM，其中机械部分行程为60MM。
碟形弹簧设计计算采用基于MS-OFFICE、利用VB二次开发的碟形弹簧设计专业软件分别进行单片、组合的设计计算及验证。
碟形弹簧在承载区间［0.15h，0.75h］，循环寿命达到2×10次。
通过以上方法，使碟形弹簧理论设计与实际制造相一致，保证了液压机械式钻柱减震器稳定的弹性刚度，具有良好的减震性能。
环形弹簧是由多个带有内锥面的外圆环和带有外锥面的内圆环配合组成的，见图3。
承受轴向力后，各圆环沿圆锥面相对运动产生轴向变形而起弹簧作用。
环形弹簧的特性：其特性曲线如图4所示。
由于外圆环和内圆环沿配合圆锥相对滑动时，接触表面具有很大的摩擦力，加载时轴向力P由表面压力和摩擦力平衡，相当于减小了轴向载荷的作用；卸载时，摩擦力阻滞了弹簧弹性变形的恢复，相当于减小了弹簧作用力。
由环形弹簧的特性曲线可以看出，面积OABO部分即为在加载和卸载循环中，由摩擦力转化为热能所消耗的功，其大小可以达到加载过程所做功的60％～70％。
因此，环形弹簧的缓冲减震能力很高，单位体积材料的储能能力比其他类型弹簧大。
如上所述，178MM规格的钻柱减震器最大工作压力为350KN，因此环形弹簧所受的最大工作压力为350KN。
根据机械设计手册环形弹簧计算公式，对环形弹簧进行了计算，去基本技术参数为：外径130MM，内径102MIN；内外环高度48MM，内外环最小厚度4MM，圆锥面斜角B=16°。
则此环形弹簧的极限工作变形量为：FJ＝N（O0-O）/2式中：N0——内外环对数；O0——无载时内外环的轴向间隙；O——加载后内外环的轴向间隙。
经计算得知：环形弹簧的极限工作变形量FJ为61.02MM＞60MM；环形弹簧的极限工作载荷PJ为527KN＞350KN。
工作腔内可压缩液体的性质优劣直接影响到减震器的主要性能指标，必须具备粘度指数高、凝点低、压缩系数稳定和温度膨胀系数小等主要物理性质。
因此，设计中选用甲基硅油作为减震元件。
经计算得出：液压缸内直径为130MM，活塞直径为100MM；工作行程为120MM时，最大工作压力为400KN，此时弹性刚度为30333KN/MM。
根据以上计算结果，又对机械液压组合后的整机刚度进行了叠加计算。
图5为载荷/行程（即刚度）曲线。
从图可以看出，在减震器工作区间（钻压Ｐ＝210～450KN），其刚度在3∙5～5∙0KN/MM，满足行业标准要求。
实验验证1.硅油强度试验，该步测试0～120MM全行程范围内液压（硅油）部分的刚度，每隔5MM做一记录。
此时弹簧（蝶形弹簧或环形弹簧）均不安装。
2.碟形弹簧刚度试验。
该步测试60～120MM行程范围内碟形弹簧部分的刚度（此时液压腔不加硅油）。
3.硅油＋碟形弹簧组合刚度试验。
该步测试0～120ｍｍ全行程范围内液压机械组合作用下整机的弹性刚度‚每隔5ｍｍ做一记录（此时安装碟形弹簧，液压腔加满硅油）。
4.环形弹簧刚度试验。
该步测试60～120MM行程范围内环形弹簧部分的刚度（此时液压腔不加硅油）。
5.硅油＋环形弹簧组合刚度试验。
该步测试0～120MM全行程范围内，液压机械组合作用下整机的弹性刚度，每隔5MM做一记录（此时安装环形弹簧，液压腔加满硅油）。
通过台架试验可以发现：环形弹簧刚度较大，平均刚度为7.67KN/MM；碟形弹簧刚度符合要求且性能稳定，平均刚度4.25KN/MM。
硅油+环形弹簧组合试验显示，平均刚度为5∙05KN/MM；硅油＋碟形弹簧组合试验显示，平均刚度为4∙68KN/MM，且刚度稳定。
综合考虑结构和性能要求，决定采用硅油＋碟形弹簧的组合形式。
现场应用港2027井由于油层套管爆破取套施工，将残余切割弹留在了断口处，并卡死，工具都无法通过，给下步施工带来很大困难。
前期，先下入●118ｍｍ×1∙2ｍ通井规至811∙85ｍ遇阻，提出后，又下入●200ｍｍ铅模在811∙85ｍ遇阻位置打印，提出，铅印显示为断口内卡有残余切割弹，证实了鱼顶状况后分别下入尖丝堵多次震击，下入●215ｍｍ平底磨鞋、●218ｍｍ套铣筒，并带入●127ｍｍ螺杆钻具多次磨铣，均未收到实质性的效果。
之后决定上钻杆进行磨铣作业，并选择采用液压转盘进行施工。
先在地面用2根高压管线将转盘液压马达与机车马达通过变扣连接起来，再用2根高压管线将转盘液压马达与转盘通过变扣连接起来，机车液压油箱加满液压油，将转盘液压马达手柄拨至开位，指挥机车上的操作手合上机车离合器，此时，转盘随之转动，逐渐加大油门，转速也逐渐提高。
转盘转起来后，观察转盘转向，如果是正转，可将转盘液压马达手柄朝相反的方向拨动，转盘转向就会向相反的方向转动，即反转，手柄位置固定不动，分离机车离合器，停止旋转。
等钻杆下到位后，在井口第1根钻杆接箍上通过变扣连接1根●62ｍｍ加厚油管短节，然后把转盘卡瓦座内的卡瓦取出。
卡瓦座上的压盖套在方钻杆上，与倒自封的程序一样，将转盘吊装在井口四通上，上齐螺栓，卸掉变扣和油管短节。
最后，吊起连接好水龙头的方钻杆与井口第1根钻杆连接，下入转盘2M，机车打住死刹车，井口人员将2片卡瓦装入卡瓦座，上紧压盖螺丝，连接好进出口管线，将磨鞋提至鱼顶上1ｍ，开泵循环至出口返液。
合上机车离合器，转盘旋转5MIN以上，缓慢下放钻杆，钻压控制在10～30KN，转矩控制在1500～2500NM，持续钻进。
在钻进过程中，随时上下活动钻杆，经过2H后，进尺0∙4ｍ，达到了预期目标，将鱼顶修整完毕，为下步措施完成提供了条件。
磨铣完成后，洗井干净彻底，上提磨鞋至鱼顶2M，分离机车离合器，停止转动。
卸掉卡瓦座2个顶丝，人员远离井口，继续上提方钻杆，直到提出方钻杆，与倒自封的程序一样，将转盘从井口四通上吊卸下来，就可以正常起钻杆了。
现场应用情况表明，该液压转盘体积小，运输和安装方便，适用于小修现场环境；适合小修现场的倒扣打捞、磨铣落物、修套等工序施工，发展潜力很大。
拓宽了小修井作业范围，提升了小修井作业的能力。
结语该液压机械式钻柱减震器适用于复杂井、水平井等特殊工艺井，是国内外钻井井下工具的技术提升，具有良好的社会经济效益。
该液压机械式钻柱减震器刚度稳定并且可控，可以有效地保护钻头和钻具，降低钻井成本，提高钻井效率。
该减震器是在二者的基础上，克服了单一减震器的缺点，集成二者的优点而研发的新型井工具。