XG194×127尾管悬挂器设计【说明书+CAD】
XG194127尾管悬挂器设计【说明书+CAD】,说明书+CAD,XG194×,127尾管悬挂器设计【说明书+CAD】,xg194,悬挂,吊挂,设计,说明书,仿单,cad
LOGO指导教师:黄天成老师指导教师:黄天成老师XG194127尾管尾管悬挂器挂器设计n班级:装备班级:装备10901班班n学生:王琛学生:王琛n序号:序号:1-21n 课题背景及国内外现状课题背景及国内外现状n 尾管悬挂器结构设计和工作原理尾管悬挂器结构设计和工作原理n 尾管悬挂器力学分析尾管悬挂器力学分析n 致谢致谢论文的结构和主要内容论文的结构和主要内容课题背景及国内外现状课题背景及国内外现状u随着石油天然气随着石油天然气资资源的不断开采利用,尾管固井源的不断开采利用,尾管固井工工艺艺成了提高深井和特殊井固井成了提高深井和特殊井固井质质量最常用的一量最常用的一种方法种方法,尾管尾管悬悬挂器是挂器是实实施尾管固井技施尾管固井技术术的关的关键键装置装置。u现现有的尾管有的尾管悬悬挂器改善了井下高温、高挂器改善了井下高温、高压压,降低,降低钻钻机和机和钻钻具的具的负负荷,荷,为为向更深向更深领领域的域的钻钻井提供了井提供了可靠的技可靠的技术术保保证证,但是,但是,现现有技有技术术的尾管的尾管悬悬挂器挂器存在着上提管柱困存在着上提管柱困难难,使用固定,使用固定销钉销钉将卡瓦和卡将卡瓦和卡瓦座固定在中心管上的瓦座固定在中心管上的设计设计,容易在使用中造成,容易在使用中造成脱落或移位的故障,且制造复脱落或移位的故障,且制造复杂杂,使用不便,极,使用不便,极大的影响着生大的影响着生产产效率。效率。课题背景及国内外现状课题背景及国内外现状u什么是尾管悬挂器?什么是尾管悬挂器?u尾管尾管悬悬挂器主要用来挂器主要用来悬悬挂尾管并将尾挂尾管并将尾管与上管与上层层套管相套管相连连接,它将尾管送入接,它将尾管送入井内,通井内,通过过地面地面仪仪器控制,把数十吨器控制,把数十吨乃至上百吨重的套管坐挂在井内数千乃至上百吨重的套管坐挂在井内数千米深的位置,并完成注水泥作米深的位置,并完成注水泥作业业和封和封固尾管。固尾管。尾管悬挂器结构设计和工作原理尾管悬挂器结构设计和工作原理u1-上接上接头、2-中心管、中心管、3-卡瓦、卡瓦、4-锁块、5-活活塞、塞、6-坐封剪坐封剪钉、7-活塞套、活塞套、8、9、10-密封密封圈、圈、11-下接下接头尾管悬挂器结构设计和工作原理尾管悬挂器结构设计和工作原理u结构设计:结构设计:u上接头与中心管连接,活塞装在活塞套内,上接头与中心管连接,活塞装在活塞套内,然后套到中心管上,中心管在活塞与下接然后套到中心管上,中心管在活塞与下接头之间设计了进液孔,上接头的锥体斜面头之间设计了进液孔,上接头的锥体斜面下面是卡瓦,用锁块将卡瓦连在活塞套上,下面是卡瓦,用锁块将卡瓦连在活塞套上,中心管下端与下接头之间采用中心管下端与下接头之间采用43/4锥度锥度管螺纹连接,所述的上接头,其下端为一管螺纹连接,所述的上接头,其下端为一锥体斜面,便于卡瓦在活塞的推动下,经锥体斜面,便于卡瓦在活塞的推动下,经椎体斜面撑开。椎体斜面撑开。尾管悬挂器结构设计和工作原理尾管悬挂器结构设计和工作原理u工作原理:工作原理:u当尾管下挂到一定深度需要坐挂时,水泥当尾管下挂到一定深度需要坐挂时,水泥车打压将压力液从中心管的进液孔进入由车打压将压力液从中心管的进液孔进入由下接头、活塞形成的液压腔内,压力液推下接头、活塞形成的液压腔内,压力液推动活塞和带锥体斜面的上接头一起下行,动活塞和带锥体斜面的上接头一起下行,卡瓦沿上接头的锥体斜面径向撑开,尾管卡瓦沿上接头的锥体斜面径向撑开,尾管悬挂器坐挂。悬挂器坐挂。尾管悬挂器结构设计和工作原理尾管悬挂器结构设计和工作原理u结构特点:结构特点:u结构简单,体积小,使用方便,采用锁块结构简单,体积小,使用方便,采用锁块连接卡瓦至中心管上,使得悬挂牢固,上连接卡瓦至中心管上,使得悬挂牢固,上接头与该上接头的下端锥体斜面为一体,接头与该上接头的下端锥体斜面为一体,使下行方便,解决了现行尾管悬挂器上下使下行方便,解决了现行尾管悬挂器上下活动管柱困难,上提管柱困难,使用固定活动管柱困难,上提管柱困难,使用固定销钉将卡瓦和卡瓦座固定销钉将卡瓦和卡瓦座固定 在中心管上的设在中心管上的设计,卡瓦撑开后易移位脱挂等固井质量的计,卡瓦撑开后易移位脱挂等固井质量的问题问题尾管悬挂器力学分析尾管悬挂器力学分析u套管柱受力分析套管柱受力分析基本数据:基本数据:套管长套管长1500m1500m外半径外半径97mm97mm壁厚壁厚12.7mm12.7mm材料:钢(材料:钢(N80N80)根据厚壁筒理论进行受力分析,根据厚壁筒理论进行受力分析,分析图如右图:分析图如右图:由第四强度理论得,套管处于由第四强度理论得,套管处于塑性状态,满足强度要求塑性状态,满足强度要求尾管悬挂器力学分析尾管悬挂器力学分析u卡瓦的力学分析与合理卡瓦的力学分析与合理设计基本数据:基本数据:牙高牙高0.2m0.2mm m;牙面长度牙面长度90m90mm m;套管内半径套管内半径54m54mm m;牙面角牙面角4545,楔角,楔角11.311.3o o材料:材料:20CrMo20CrMo低碳合金钢(低碳合金钢(N80N80)卡瓦类零件在弹性零件中属于楔卡瓦类零件在弹性零件中属于楔形体,根据极坐标下的相容方程形体,根据极坐标下的相容方程和平衡方程,采用应力函数法得和平衡方程,采用应力函数法得到四个应力单独作用下的应力分到四个应力单独作用下的应力分布;再根据弹性叠加原理找到应布;再根据弹性叠加原理找到应力最大的点,进行应力校核,确力最大的点,进行应力校核,确定结构可行。定结构可行。尾管悬挂器力学分析尾管悬挂器力学分析u卡瓦的力学分析与合理卡瓦的力学分析与合理设计卡瓦是尾管悬挂器的主要部件,本悬挂器的卡瓦结构比较特卡瓦是尾管悬挂器的主要部件,本悬挂器的卡瓦结构比较特殊,为了使坐挂成功率提高以及便于卡瓦的固定,设计的卡殊,为了使坐挂成功率提高以及便于卡瓦的固定,设计的卡瓦采用上面四片卡瓦片均匀分布,下面是整个下端,这样既瓦采用上面四片卡瓦片均匀分布,下面是整个下端,这样既能使卡瓦顺利张开,也能保证卡瓦的相对固定,对于本悬挂能使卡瓦顺利张开,也能保证卡瓦的相对固定,对于本悬挂器是十分实用的。器是十分实用的。尾管悬挂器力学分析尾管悬挂器力学分析u中心管受力分析中心管受力分析悬挂体本体受力分析主要从轴向受拉和径向受压进行分析悬挂体本体受力分析主要从轴向受拉和径向受压进行分析悬挂器坐挂失效的因素:悬挂器坐挂失效的因素:(1)外层套管塑变破裂)外层套管塑变破裂(2)椎体、卡瓦挤毁及结构设计不合理)椎体、卡瓦挤毁及结构设计不合理(3)没有考虑固井工艺的影响因素)没有考虑固井工艺的影响因素致谢致谢谢谢各位老师点评、指导!谢谢各位老师点评、指导!长江大学毕业论文(设计)任务书学院机械工程学院 专业 过程装备与控制工程 班级 装备10901 学生姓名 王琛 指导教师/职称 黄天成/讲师 1毕业论文(设计)题目:XG194127尾管悬挂器设计2毕业论文(设计)起止时间:2013年3月20日2013年6 月20日3毕业论文(设计)所需资料及原始数据(指导教师选定部分) 毕业设计所需资料: (1)封隔器理论基础与应用M,石油工业出版社,1983; (2)尾管悬挂器及尾管回接装置SY/T5083-2005S,中国人民共和国石油天然气行业标准,2005; (3)马兰荣,郭朝辉等. 新型封隔式尾管悬挂器的开发与应用J,石油钻探技术,2006(5); (4)陈维荣,许利辉. 尾管钻井技术及其应用J,石油钻探技术,2003(2); (5)刘玉民,赵博等. 尾管钻井技术研究与试验J,钻采工艺,2010(1); (6)董照远. 尾管悬挂器力学分析O,燕山大学,2010, (7)袁进平. 新型尾管悬挂器的研制D,中国地质大学,2002。 原始数据: 密封能力25MPa; 封隔器坐封力:50200kN; 额定负荷:600kN。4毕业论文(设计)应完成的主要内容(1)尾管悬挂器的发展现状及趋势;(2)尾管悬挂器的工作原理;(3)尾管悬挂器的力学分析;(4)尾管悬挂器的总体设计(5)尾管悬挂器的主要零部件结构设计;(6)尾管悬挂器的三维设计。5毕业论文(设计)的目标及具体要求毕业设计(论文)正文:字数不少于1.2万字或1.2万字篇幅的内容;翻译:与研究课题有关的译文不少于3千汉字(或2万印刷字符的外文原文的翻译);阅读与研究课题相关的有代表性的参考文献资料15篇以上。绘图要求:(1)XGY194127尾管悬挂器总装图1张 (2)其它零件图4张 6、完成毕业论文(设计)所需的条件及上机时数要求完成该毕业设计(论文)需要提供:AutoCAD、Solidworks等软件;上机200H。任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生(签名) 长江大学毕业设计开题报告 题 目 名 称:XG194127尾管悬挂器设计题 目 类 别: 毕 业 设 计 院 (系): 机 械 工 程 学 院 专 业 班 级: 装备10901班 学 生 姓 名: 王 琛 指 导 教 师: 黄 天 成 辅 导 教 师: 黄 天 成 开题报告日期: 2013年4月19日 XG194127尾管悬挂器设计学 生:王 琛,机械工程学院老 师:黄天成,机械工程学院一、题目来源 题目来源:科研项目 二、研究目的和意义1论文研究的目的在油气井、深井、超深井、定向斜井、水平井尾架悬挂固井和完井中,下套管中途遇阻、下不到位和下探井底时,需要循环使井底畅通。由于目前使用的液压尾管悬挂器的液缸与套管内外处于连通状态,悬挂作业前开泵循环泵压很容易超过液缸启动压力而导致“提前悬挂失效”,再者因为液压悬挂所用的碰压器设置在尾管柱下部常处于井底大斜度或水平井段,使球与球座难以吻合密封而导致“延后悬挂失效”;当固井浮箍阀体与阀座间被过流浆体杂物堵塞时而导致“回流控制失效”。因此研究可控尾管悬挂器,解决长期存在的技术难题已成为目前尾管悬挂器固井、完井技术向前发展的必然要求与趋势。2. 论文研究的意义 通过研制出这种新型的完井、固井可控尾管悬挂器,是该工具设置了悬挂、碰压和回流综合控制系统,即控制了液缸与套管内联通的压力通道,将碰压器改设于尾管柱顶部,设置了复合胶塞自锁机构,将原有的单液缸单卡瓦设计成双液缸双卡瓦结构,远远地提高了其承载能力。该工具使用方便、性能可靠、节约成本、固井完井质量合格,易于操作,便于维修,大大减少了其工作消耗费用,而且解决了悬挂、碰压和回流综合控制失效的技术难题,为类似油气井、深井、超深井、定向斜井、水平井和具有小间隙长尾管特点的高难度尾管固井完井提供了丰富的技术经验三、阅读的主要参考文献及资料名称1封隔器理论基础与应用,石油工业出版社M,1983;2尾管悬挂器及尾管回接装置SY/T5083-2005S,中华人民共和国石油天然气行业标准2005;3马兰荣,郭朝辉等。新型封隔式尾管悬挂器的开发与应用J,石油钻探技术,2006(5);4陈维荣,许利辉。尾管钻井技术及其应用,石油钻探技术J,2003(2);5流玉民,赵博等。尾管钻井技术研究与实验J,钻采工艺,2010(1);6董照远。尾管悬挂器力学分析D,燕山大学硕士论文,2010;7袁进平。新型尾管悬挂器的研制D,中国地质大学硕士论文,2002.8马兰荣,郭朝辉等。尾管悬挂器超高压封隔技术研究与实践J,2012;9胡兴富,艾万荣,马忠华。尾管悬挂器喇叭口清洗技术与应用J,1997;10袁进平,蔡俊林等。液压自动脱开式尾管悬挂器M,2001;11姜向东,姚辉前。影响膨胀尾管悬挂器悬挂力的因素分析J,2012;12陈书玉。一种新型古井工具可控尾管悬挂器J,2010;13吴俊霞。液压式尾管悬挂器常见失效形式分析及对策J,2008;14马兰荣,郭朝辉等。旋转尾管悬挂器轴承的研制及性能试验J,2009;15刘玉民等。尾管钻井技术研究与试验J,2010。四、国内外现状和发展趋势及研究的主攻方向从本世纪20年代国外首次成功研制和应用机械式尾管悬挂器至今,又相继研制和开发了液压式、机械液压联合式尾管悬挂器。经过多年的不断努力,尾管悬挂器的设计和制造技术以及应用技术已经积累了丰富的经验,并取得了广泛的技术经济效益,为尾管固井技术的发展和应用打下了坚实的基础。通过对国外文献24的研究与分析发现,尾管固井技术的应用已受到越来越多的限制,其主要原因是结构不尽合理和施工难度大。(1)悬挂器采用倒扣方式实现送入钻具与悬挂体脱挂,使得在操作过程中易发生倒不开扣的恶性事故,在短尾管固井中则很难判断扣是否倒开,造成施工成功率下降。(2)国内的悬挂器在注水泥和替钻井液过程中不能活动套管,对井眼条件要求过高,而国外的旋转式尾管悬挂器价格昂贵,很难推广。(3)现有液压式悬挂器,在下套管过程中不能循环操作,若遇到复杂情况需要循环时,则很容易造成悬挂器提前坐挂。(4)尾管固井后均须另上小尺寸的钻具钻水泥塞或通喇叭口。五.主要研究内容1尾管悬挂器的发展现状及趋势;2尾管悬挂器的工作原理;3尾管悬挂器的力学分析;4尾管悬挂器的总体设计;IV5尾管悬挂器的主要零部件结构设计;6尾管悬挂器的三维设计。六、完成毕业设计所具备的条件与必须采取的措施首先应端正态度,明确设计目的及设计任务,严格按照计划进行,充分利用图书馆和网上资源积极查阅相关书籍及资料,为设计工作做好准备。不能急于求成,要做到有条不紊,按时认真地完成设计任务。在设计前,仔细阅读所有相关资料,结合设计任务书,理清设计思路,拟定设计计划。在设计过程中,遇到不懂的及时向知道教师请教,或与其他同学讨论。经常和老师联系,主动汇报设计情况及出现的疑难问题,虚心请教。设计初步完成后还需要做进一步地修改。最后要通读全篇,再次熟悉整个设计过程,为答辩做好准备。七、工作的主要阶段、进度与时间安排1) 4月1日4月7日 查阅尾管悬挂器设计相关资料,找出与题目相关英文材料进行翻译;2) 4月8日4月18日 完成开题报告,准备开题报告的答辩;3)4月18日4月19日 初步拟订设计方案并对可行性进行论证;4)4月20日4月25日 详细了解尾管悬挂器的工作原理及型号分类 ;5)4月26日4月30日 了解XG194127尾管悬挂器的性能和所要满足的力学性能 ;6)5月1日5月10日 对XG194127尾管悬挂器进行力学分析;7)5月11日5月18日 对XG194127尾管悬挂器进行总体设计和主要零部件结构设计 ;8)5月19日5月23日 进行XG194127尾管悬挂器的设计及绘图;9)5月24日6月8日 修改毕业设计、定稿、录入、出图;10)6月9日6月13日 审查、评阅、答辩准备、毕业答辩八、指导教师审查意见6XG194127尾管悬挂器设计长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名王 琛专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目 XG194127尾管悬挂器设计指导教师黄天成职 称讲师评审日期2013年6月10日评审参考内容:毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果,难度及工作量,质量和水平,存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律,学生掌握基础和专业知识的情况,解决实际问题的能力,毕业论文(设计)是否完成规定任务,达到了学士学位论文的水平,是否同意参加答辩。评审意见:指导教师签名: 评定成绩(百分制):_分(注:此页不够,请转反面) 2XG194127尾管悬挂器设计长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名王 琛专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目 XG194127尾管悬挂器设计答辩时间 2013 年 6 月 13 日 8:0017:40时答辩地点7教209一、答辩小组组成答辩小组组长:周志宏成 员:张慢来 张琴 李美求 刘利军二、答辩记录摘要答辩小组提问(分条摘要列举)学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定(百分制):_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制):_答辩小组组长(签名) : 秘书(签名): 2013年 6月13日院(系)答辩委员会主任(签名): 院(系)(盖章)3XG194127尾管悬挂器设计长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名王 琛专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目 XG194127尾管悬挂器设计评阅教师李美求职 称讲师评阅日期2013年6月11日评阅参考内容:毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果,难度及工作量,质量和水平,存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况,解决实际问题的能力,毕业论文(设计)是否完成规定任务,达到了学士学位论文的水平,是否同意参加答辩。评语:评阅教师签名: 评定成绩(百分制):_分(注:此页不够,请转反面)2毕业论文(设计)题目名称: XG194127尾管悬挂器设计 题目类型: 毕业设计 学生姓名: 王琛 院 (系): 机械工程学院 专业班级: 装备10901班 指导教师: 黄天成 辅导教师: 时 间: 2013.3 至 2013.6 目录摘 要X前言11选题背景21.1 尾管固井的广泛应用21.2 尾管悬挂器的重要作用21.3 课题研究的目的及意义32国内外尾管悬挂器的发展现状及趋势42.1 国外尾管悬挂器技术进展42.2 国内尾管悬挂器技术进展102.3 尾管悬挂器的发展趋势113 尾管悬挂器的结构和工作原理123.1 机械式尾管悬挂器123.2 液压式尾管悬挂器123.3特殊尾管悬挂器133.4 XG194127尾管悬挂器134尾管悬挂器力学分析的数学模型144.1 悬挂部分套管受力分析144.2 卡瓦的力学分析与合理设计174.3 悬挂器本体受力分析224.4 悬挂器坐挂失效的简要分析265参考文献27致 谢30XG194127尾管悬挂器设计 XG194127尾管悬挂器设计学 生:王 琛,机械工程学院老 师:黄天成,机械工程学院 【摘 要】随着石油天然气资源的不断开采利用,尾管固井工艺成了提高深井和特殊井固井质量最常用的一种方法。尾管固井具有较好的经济和社会价值,正日益广泛地被采用。尾管悬挂器是实施尾管固井技术的关键装置,尾管悬挂器以尾管悬挂器的力学分析作为其设计和研制的理论依据,以便使尾管悬挂器的性能更好的满足现场的各项要求。基于这种背景,本文首先回顾了国内外尾管悬挂器技术进展:先叙述了常规的尾管悬挂器的技术进展,又介绍了目前具有特殊功能的新型尾管悬挂器研究现状。 在充分掌握尾管悬挂器的分类、结构原理和现场对尾管悬挂器的性能要求的基础上,先用数学工具对卡瓦、悬挂部位套管及悬挂器本体进行力学分析和强度校核,并应用简化的数学模型,通过对现场实例的计算结果来验证数学模型的正确性。计算并验证卡瓦的尺寸是否合理,以达到理论指导实践的目的。同时为尾管悬挂器的研制、改进和创新提供了重要的理论指导。【关键词】尾管悬挂器;技术进展;工作原理;力学分析XG194127 Liner Hanger Design Student:Wang Chen, Mechanical College of Yangtze UniversityInstructor: Huang TianCheng, Mechanical College of Yangtze UniversityAbstract With the continued exploitation and use of oil and natural gas, linercementing technics hasbecome one of the most commonly used methods toimprove the cementing quality of the deep and special wells. Liner cementing isincreasingly widely adopted with better economic and social value. Liner hangeris the critical device in the progress of implementing liner cementing technology.Liner hanger is designed and developed on the theoretical basis of itsmechanical analysis in order to make it better meet the requirements of thescene.Basis of this background, in this paper, at the beginning, the developmentprocess of liner hanger technology both at home and abroad is reviewed, firstly,the technical development of the conventional liner hanger is described, and then current research status quo of the liner hanger with special functions introduces is introduced. Based on a full grasp of the classification, structure, principle and the performance requirements of the liner hanger by the scene, mechanical analysis and strength check of slip are made by useing mathematical tools for suspension parts of the casing hanger, hanger body, and a simplified mathematical model is established. Then the correctness of the mathematical model is verified by means of the alculation results of the scene examples. Calculates the size of the slip and estimate whether it is reasonable to achieve the purpose that theory guides practice. At the same time, an important theoretical guidance for the development, improvement and innovation of the liner hanger is provided.Keywords liner hanger; technical progress; principle; mechanical analysis;finite element methodIII前言前言随着石油天然气资源的不断开采利用,尾管固井工艺成了提高深井和特殊井固井质量最常用的一种方法。尾管固井具有较好的经济和社会价值,正日益广泛地被采用。尾管悬挂器是实施尾管固井技术的关键装置,尾管悬挂器以尾管悬挂器的力学分析作为其设计和研制的理论依据,以便使尾管悬挂器的性能更好的满足现场的各项要求。 现有的尾管悬挂器改善了井下高温、高压,降低钻机和钻具的负荷,为向更深领域的钻井提供了可靠的技术保证,但是,现有技术的尾管悬挂器在使用中尚有一系列的不足之处,存在着上提管柱困难,使用固定销钉将卡瓦和卡瓦座固定在中心管上的设计,容易在使用中造成脱落或移位的故障,且制造复杂,使用不便,极大的影响着生产效率。 本人所设计的XG194127尾管悬挂器属于一种特殊尺寸的尾管悬挂器,坐挂类型属于液压型,。常规尾管悬挂器坐挂方法简单,但坐挂不够可靠,液压式尾管悬挂器是用钻具和送入工具将悬挂器及附件送入到预定位置,投铜球后进行憋压,液流通过悬挂器传压孔进入液缸,当压力达到8-11MPa。液缸尾部的剪钉剪断,液流推动液缸上行,同时液缸推动支撑套、推杆和卡瓦同步上行,卡瓦在上层套管内壁和锥套锥面之间形成自锁,实现坐挂。此种坐挂方式比较可靠,成功率较高。 在充分掌握尾管悬挂器的分类、结构原理和工作原理的基础上,针对本人所设计XG194127尾管悬挂器,先用数学工具对卡瓦、悬挂部位套管及悬挂器本体进行力学分析和强度校核,计算并验证卡瓦的尺寸是否合理,并用AUTO CAD 和solidworks软件绘出整个尾管悬挂器的装配图和部分零件图。1选题背景1.1 尾管固井的广泛应用随着石油天然气资源的不断开采利用,深井、超深井以及水平井、大斜度井、小井眼小间隙井等特殊井不断增多。提高这些井的固井质量是世界石油钻井领域一直在攻关的难题,而尾管固井工艺是提高深井和特殊井固井质量最常用的一种方法。所谓尾管固井,就是用送入钻具和悬挂器将一段套管柱送至设计井段,并悬挂在上层套管尾部设计位置,倒扣、注水泥后拔出悬挂器中心管,循环冲出多余水泥,然后起出送入钻具的过程。也有特殊尾管固井是先工具下井,注水泥,然后在设计位置坐挂成功后倒扣,取出送入钻具。尾管固井是一项风险高,技术复杂,施工难度大,质量要求高的特殊固井作业。但由于尾管固井与全井下套管固井相比有以下优点:(1)可以节约大量套管与水泥,降低固井成本;(2)减轻钻机下套管负荷,改善管柱轴向载荷条件;(3)改善钻井水力条件,尤其在低压地层固井能大幅度降低环空流动阻力, 有利于保护油气层;(4)在先期完井中,采用尾管回接技术,可解决套管磨损问题;(5)可解决深井、复杂井固井中常规固井无法解决的技术难题。所以尾管固井己成为固井作业中一种必不可少的工艺技术。由于它具有较好的经济和社会价值,正日益广泛地被采用。同时,尾管固井也存在风险大,技术难度大,施工复杂等缺点。尾管固井是钻井建井过程中最后一个关键环节,其成败关系到建井的成败,一旦失败将造成上千万甚至上亿元的损失,世界各国都很重视尾管固井工具及工艺的研究。1.2 尾管悬挂器的重要作用尾管悬挂器是实施尾管固井技术的关键装置,在尾管固井中占有非常重要的地位,尾管悬挂器主要用来悬挂尾管并将尾管与上层套管相连接,它将尾管送入井内,通过地面仪器控制,把数十吨乃至上百吨重的套管坐挂在井内数千米深的位置,并完成注水泥作业和封固尾管。尾管固井技术的广泛应用,对尾管悬挂器的需求量也越来越大,其性能和质量直接影响到尾管固井施工的难易程度和成败第 29 页 共30 页选题背景选题背景率。所以,尾管悬挂器的设计和研制一直是人们为了提高尾管固井技术,保证尾管固井质量,适应不同具体井况尾管固井的关键和难点。1.3 课题研究的目的及意义 尾管悬挂器是实施尾管固井技术的关键装置,在尾管固井中占有非常重要的地位。尾管固井技术的广泛应用,对尾管悬挂器的需求量也越来越大,其性能和质量直接影响到尾管固井施工的难易程度和成败率。所以,尾管悬挂器的设计和研制一直是人们为了提高尾管固井技术,保证尾管固井质量,适应不同具体井况尾管固井的关键和难点。尾管悬挂器应具有良好的悬挂性能,其性能要求应当是“下得去、挂得住、倒得开”。具体性能要求是,悬挂较大载荷,不损伤外层套管,送入机构可靠并可回收,悬挂操作简单,送下钻具倒开起出容易、安全等。目前,国内尾管悬挂完井技术遇到越来越多的技术难题,主要是由悬挂器结构不合理引起。而尾管悬挂器又以尾管悬挂器的受力分析作为其设计和研制的理论依据,以便使尾管悬挂器的性能更好的满足现场的各项要求。所以有必要对尾管悬挂器坐挂后包括悬挂器、卡瓦和上层套管进行系统的受力分析和强度校核,为尾管悬挂器的设计和研制提供理论基础。1.3.1课题研究的目的在油气井、深井、超深井、定向斜井、水平井尾架悬挂固井和完井中,下套管中途遇阻、下不到位和下探井底时,需要循环使井底畅通。由于目前使用的液压尾管悬挂器的液缸与套管内外处于连通状态,悬挂作业前开泵循环泵压很容易超过液缸启动压力而导致“提前悬挂失效”,再者因为液压悬挂所用的碰压器设置在尾管柱下部常处于井底大斜度或水平井段,使球与球座难以吻合密封而导致“延后悬挂失效”;当固井浮箍阀体与阀座间被过流浆体杂物堵塞时而导致“回流控制失效”。因此研究可控尾管悬挂器,解决长期存在的技术难题已成为目前尾管悬挂器固井、完井技术向前发展的必然要求与趋势。1.3.2. 课题研究的意义通过研制出这种新型的完井、固井可控尾管悬挂器,是该工具设置了悬挂、碰压和回流综合控制系统,即控制了液缸与套管内联通的压力通道,将碰压器改设于尾管柱顶部,设置了复合胶塞自锁机构,将原有的单液缸单卡瓦设计成双液缸双卡瓦结构,远远地提高了其承载能力。该工具使用方便、性能可靠、节约成本、固井完井质量合格,易于操作,便于维修,大大减少了其工作消耗费用,而且解决了悬挂、碰压和回流综合控制失效的技术难题,为类似油气井、深井、超深井、定向斜井、水平井和具有小间隙长尾管特点的高难度尾管固井完井提供了丰富的技术经验2国内外尾管悬挂器的发展现状及趋势2.1 国外尾管悬挂器技术进展2.1.1 常规尾管悬挂器技术进展早在20世纪20年代,美国德克萨斯州钢铁厂(以下简称TIW)已成功地研制和应用了机械式尾管悬挂器,为固井工作开创了一种全新的工作方式。随着美国石油工业的发展和深井的增多,相继研制出了多种形式、不同规格的尾管悬挂器。经过多年来不断的努力,尾管悬挂器设计和制造技术已取得重大突破,应用技术逐步成熟。例如TIW生产的EJ-IB型双锥机械式尾管悬挂器曾创造了悬挂尾管最长(2963 m)和最重(339 kN)的世界纪录。经过80多年的发展和改进,尾管悬挂器的质量和性能不断提高,结构更加完善,规格逐渐形成系列化。目前国外生产尾管悬挂器的几个主要厂家是:美国的TIW、Baker-Brown公司、Otis公司、Lindsey公司及加拿大的Cagem公司等,其生产的尾管悬挂器各有特色和优势。国外尾管悬挂器的尺寸,大到508 mm406 mm,小到l27 mm88.9 mm,各种规格十分齐全,给钻井作业者选用合适的尾管悬挂器提供了很多机会。国外在发展和提高尾管悬挂器技术的同时,也研制和开发了许多与尾管悬挂器相配套的各种附件和工具。如尾管回接工具,专用于封隔损坏套管或部分回接但不返至地面的回接尾管悬挂器,与尾管悬挂器相配套的尾管外封隔器和尾管内(采油用的)封隔器。这些工具、附件的研制和开发成功,为现代固井工作带来极大的方便。随着石油工业的发展,钻遇探井和复杂并的机会越来越多。如何提高复杂井眼条件下尾管悬挂器的坐挂成功率;如何在破碎地层、易漏易喷地层及高压气井中借用行之有效的套管固井工艺技术(如通过活动套管提高顶替效率,用套管外国内外尾管悬挂器的发展现状及趋势封隔器对付易漏易喷地层及高压气井环空串槽等)来提高尾管固井质量,是目前国内外尾管悬挂器的发展现状及趋势来说需要认真考虑的两个问题。国外在上世纪 80年代研制和开发出了许多具有特殊功能的各种新型尾管悬挂器,如封隔式尾管悬挂器、旋转尾管悬挂器、内藏卡瓦式尾管悬挂器等。2.1.2 特殊尾管悬挂器技术进展随着石油工业的发展,深井和复杂井的数量越来越多,提高复杂井眼条件下尾管固井的成功率及在破碎地层、易漏易喷地层及高压气井中使用行之有效的尾管悬挂器是提高固井质量的主要技术措施。尾管悬挂器同其他钻井工具相比,要求其性能更可靠,一次使用成功率更高。近年来,除完善和提高常规尾管悬挂器的性能外,国外公司还研制和开发出了许多具有特殊功能的新型尾管悬挂器,如 flex-lock 尾管悬挂器、液压丢手式尾管悬挂器、封隔式尾管悬挂器、旋转式尾管悬挂器、内藏卡瓦式尾管悬挂器、多功能尾管悬挂器系统、尾管多胶塞系统等,以适应越来越复杂的深井固井施工要求,特别是深井超深井尾管悬挂器研制有了长足的进展。(1)flex-lock 卡瓦设计增大了悬挂能力现在深井井眼与套管间的间隙越来越小,传统的液缸、椎体、卡瓦和本体结构形式的尾管悬挂器根本不能保证其悬挂能力和抗挤、抗内压强度。因此,Baker 公司发明了一种 flex-lock 卡瓦,该卡瓦由液体压力激发,沿着卡瓦座而不是锥面运行。它将尾管负荷均匀的周向传到卡瓦座上而不是径向传到本体上,大大降低了本体负荷应力,有效避免了本体在大负荷下的挤压变形和破坏,起到保护卡瓦的目的。不同规格的 flex-lock 尾管悬挂器的悬挂能力和额定抗内压强度,见表 2-1。由于其本身没有锥体,加之在卡瓦座和卡瓦上设计有循环孔,故过水面积也增加了很多。 表2-1 卡瓦悬挂器的悬挂能力和额定抗内压能力(2) 液压丢手保证了复杂井尾管下入在分支井、大斜度井、水平井、小井眼小间隙井和老井侧钻井等特殊工艺井尾管固井作业时,常常需要边下尾管边旋转管柱才能将尾管下至设计位置,为满足这些特殊井尾管固井要求,国外 Baker、TIW、Weatherford等公司设计研制了液压丢手式尾管悬挂器。液压丢手式尾管悬挂器主要靠其独特的送入工具实现尾管的送入、上提和旋转。送入工具上设计有支撑爪,正常情况,它被锁定在坐挂套的凹槽内,可承受拉压负荷,送入工具上的花键可传递扭矩,实现管柱的转动。当尾管下至设计井深时,投球憋压尾管坐挂。同时,送入工具的液缸销钉被剪断,液缸上行,并带动支撑爪回收,退出凹槽使送入工具释放。送入工具上还设计有紧急释放机构,一旦液压机构失效,可通过机械方式实现送入工具的释放。(3) 封隔装置解决了重叠段密封问题 为能有效地提高易漏失地层和高压气层中的固井质量,同时阻断悬挂器处上下环空井段的压力传递和阻止环空气窜向上部运移。国外的几个主要厂商(包括 Baker-Brown 公司、TIW 公司、Otis 公司)都研制和开发了封隔式尾管悬挂器。Baker-Brown 公司的 D 型封隔式尾管悬挂器,该型悬挂器与该公司的 C-2 型送放工具配套使用,其最大的特点是在原普通机械式悬挂器的本体与回接筒之间增加一段封隔器短节。当悬挂器下放至坐挂位置,先用普通机械方式完成正常的坐挂、倒扣和注驱水泥工作,后给送放工具加压,通过送放工具上的坐封挡块,将钻柱的重力传递到封隔器顶部,压紧封隔器的封隔单元封住套管环空,使锁紧机构锁死而实现封隔器永久坐封,从而可以阻断封隔器处上下压力的传递,阻止环空气窜向上运移,提高固井质量。 当尾管需延伸和回接时,在管串中增加一个封隔器,以提高回接套管的固井质量或采用反循环固井。通常应用的封隔器有液压式和机械式两种。封隔器一般放在回接筒上面。机械式坐封也是靠管柱重力作用在封隔器上,压紧密封元件,使锁紧卡瓦锁住外层套管而实现永久坐封。高性能的液压式尾管封隔器依靠管柱内憋压,当压力大于 17 MPa 时实现坐封动作。(4) 尾管旋转提高了封固质量 为改善水泥浆的顶替效率,提高尾管固井质量,使尾管在注水泥过程中转动,美国Baker-Brown公司、TIW公司和Lindsey公司都分别研制了旋转尾管悬挂器,它们研制的机械式尾管悬挂器和液压式尾管悬挂器都保证在注永泥和泥浆顶替时能以3-10 r/min的速度旋转尾管。与普通的尾管悬挂器相比,其最大的特点是有一个与本体分离的带槽的锥套,其上有一组支撑尾管重量的锥形活动轴承或滚珠轴承,其原理是,该型尾管悬挂器下到坐挂位置后,用常规机械方法使卡瓦上行至活动锥套上,实现正常坐挂和倒扣,尾管重力通过支撑轴承、锥套和卡瓦作用在上层套管上。当注永泥和顶替时,转动钻柱,通过与该型悬挂器相配套的2RH型送放工具带动尾管转动,从而改善顶替效果和提高固井质量。液压式旋转尾管悬挂器的区别只是用液压方法使悬挂器坐挂,使尾管旋转的结构及原理与机械式相同。最近,TIW公司在非密封轴承基础上,进一步开发出了一种用氟塑料、酰胺纤维树脂等材料组成的多层式的密封型承载轴承系统。测试表明,其承载能力和寿命都比普通的非密封型滚珠轴承好在49 kN载荷和2 r/min转速下,非密封型滚珠轴承的寿命只有3.5 h,而密封型轴承系统在24.5 kN载荷和20 r/min转速下,寿命可达7.5 h。在24.5 kN载荷和34.3kN载荷下,转速分别为18 r/min和15 r/min时,旋转18 h后,其旋转扭矩不增加。(5)卡瓦内藏防止了意外碰损和坐挂美国Lindsey公司为防止尾管悬挂器在斜井中碰环或碰掉卡瓦,尤其在大斜度井段和水平井段确保卡瓦安全顺利地抵达坐挂位置,按指令可靠地动作,研究和开发了新的PS型卡瓦内藏式机械液压双作用尾管悬挂器。其最大的特点是卡瓦在坐挂前始终藏在本体内,入井时不会碰到井壁和上层套管,确保下套管作业的安全性。悬挂器到达坐挂位置后,可先用液压方式进行坐挂,投球憋压,剪断液缸剪钉后,卡瓦从本体内伸出,通过下放钻具实现坐挂。如果液压坐挂失灵,则可采用机械方式进行坐挂先将尾管下放至井底,压上重量后转动钻具,待液缸剪钉剪断后,上提钻具至坐挂位置,下压钻具实现坐挂。同时兼备液压和机械两种作用的坐挂方式,对提高悬挂器的坐挂成功率非常有利。该型悬挂器的另一特点是改善了过流面积。一般悬挂器在本体部分因环空间隙限制,过流面积较小;而该型悬挂器除率体与套管间的环空中有较大的过流面积外,还能在本体内部过流钻井液,有利于水泥浆达到紊流顶替,改善顶替效率,提高固井质量。 (6)多功能系统提高了综合性能尾管悬挂器的研究和开发既要考虑其特殊功能,又要提高其整体综合性能,国外Baker、Weatherford等公司都开发了多功能尾管悬挂器系统。Weatherford公司的Nodeco型多功能尾管悬挂器系统,主要由PH型液压坐放尾管悬挂器、TSP型顶部坐封封隔器、带球座SWP型胶塞、液压丢手R型送入工具、浮动筛帽组成。 多功能尾管悬挂器的主要特点是坐挂前可以旋转、上提下放,卡瓦和锥体设计独特,过水面积大,卡瓦和套管接触面积大,套管单位面积承受的载荷小。封隔器作为多功能尾管悬挂器系统的一部分一同下入,不需要额外的尾管坐放滑套。为了解决大斜度井送球困难问题,将球座设计在胶塞中。可旋转式液压丢手送入工具是尾管下入时可以旋转,不会提前丢手;旋转尾管有助于提高固井质量;高扭矩可以避免井下出现复杂情况。针对钻井液中的钻屑和其它固相物易进入回接筒引起沉淀、造成送入工具粘卡等问题,Baker公司发明了一种“筛帽”。它开有细小的筛缝,既可传递液压防止回接筒被挤毁,又可阻止固相物进入回接筒内,减少了送入工具粘卡的危险。通常,“筛帽”被固定在回接筒顶部,只有当回收送入工具时才被一同提出。(7)多胶塞系统防止了水泥浆污染 尾管固井中,水泥浆受井内流体污染非常严重。造成环空胶结质量差,即使延长侯凝时间也作用不大。实践证明:尾管越长,水泥浆受到污染越严重。TIW、Weatherford、Baker 公司都推出了旨在解决尾管固井中水泥浆污染严重问题的多胶塞系统。多胶塞系统一般由上下两个泵送塞、上下两个尾管塞组成,胶塞短节连接在送入工具顶部,尾管胶塞由支撑爪固定。TIW 公司的研究表明,虽然旋转式尾管技术解决了一些有关尾管固井顶替问题,但钻井液与水泥浆相混影响水泥浆胶结强度的问题依然存在。而尾管多胶塞系统可以减少水泥浆受到的污染,不管尾管多长,水泥浆污染程度可从 55%降到 10%。多胶塞系统的工作原理是:注水泥时先投入下泵送塞,然后注入水泥浆,当下泵送塞到达下尾管塞时,泵压增加,下尾管塞的激发机构激发,支撑爪释放下尾管塞。在注入全部水泥浆后投入上泵送塞,水泥浆被多胶塞全部隔离,当下泵送塞尾管塞组合到达碰压座时,水泥浆可以旁通,正常进入环流空隙中。当上泵送塞尾管塞组合进入碰压座时,实现碰压。由于只有当下尾管塞释放后,上尾管塞才能被激发释放,故不会有井下复杂情况出现。 (8)可膨胀尾管悬挂器可膨胀尾管悬挂器包括实体可膨胀尾管悬挂器和异型管可膨胀尾管悬挂器,在此以实体膨胀悬挂器系统为例,介绍其结构原理及应用情况。1)结构组成可膨胀尾管悬挂器系统包括带密封元件的膨胀尾管悬挂器本体、回接筒、坐封套筒、送入工具及胶塞系统(包括钻杆胶塞和尾管胶塞)。在悬挂器本体上有硫化橡胶元件,当悬挂器本体被膨胀时,橡胶组件就会被挤压在环形空间,这样橡胶组件可有效地填充了尾管悬挂器和上层套管的环空,除了保证尾管顶部的密封性能外,还可提供足够的承载能力。以 244.5mm177.8 mm 膨胀尾管悬挂器为例,其密封橡胶可以承受 2260 kN 的轴向载荷,并且具有良好的的密封性能。在进行膨胀时,膨胀锥下端面坐在悬挂器本体内锥面上并在膨胀时起到密封作用,这种密封作用是由悬挂器本体发生塑性变形而形成的。送入工具包括浮阀、膨胀锥及锁紧卡箍等零件,其主要作用是将尾管送到井内设计位置实施膨胀与尾管脱离。浮阀是一种单向阀,在下入尾管的过程中,当环空和送入工具内的压差到达一定值时,它会自动打开,平衡送入工具内外压力,以免因压力过大挤坏送入钻具;此外,浮阀还可以防止碎屑进入回接筒和送入工具内部,以保证送入工具的顺利提出。锁紧卡箍位于悬挂器本体的坐挂套筒内,它的作用是将尾管串的与送入钻具连接在一起,以便将尾管送到井内,通过它可以向尾管串传递扭矩和载荷。当膨胀完毕,下放送入钻具,释放锁紧箍,可提出送入工具。2)主要特点与常规尾管悬挂器相比,实体膨胀尾管悬挂器具有以下特点:封隔器与悬挂器融合为一体;密封组件能承受较高的压力且具有防腐性能;膨胀尾管悬挂器本体上没有传压孔,从而减少了潜在的渗漏通道;膨胀管悬挂器与上层套管间的间隙较大,有助提高套管的下入和循环排量;由于没有卡瓦、锥体、液缸等外部附件,提高了过流能力;对上层套管要求较小且不会对其产生物理性破坏;不会有提前坐封等事故的发生。3)工作原理由于可膨胀尾管悬挂器的外形尺寸较小且结构相对简单,与常规尾管悬挂器相比其施工作业的速度更快。在施工工艺方面二者最大的区别是:常规尾管悬挂器先进行坐挂,之后进行注水泥作业;而可膨胀尾管悬挂器是在注水泥之后再进行坐挂。此外,可膨胀尾管悬挂器在注水泥过程中,允许送入钻具进行旋转或往复运动,以提高顶替效率。替浆完毕,投入憋压胶塞、憋压至 25-49 MPa,膨胀尾管悬挂器,通过液力将悬挂器由较小直径膨胀到较大直径,最后贴紧上层套管内壁上。当悬挂器完全膨胀后,浮阀自动打开,平衡管内外压力。下放钻具可将其与尾管脱离。在提出送入工具的同时,开泵循环将多余的水泥浆循环出井眼。2.2 国内尾管悬挂器技术进展2.2.1 常规尾管悬挂器技术进展当前,国内尾管悬挂器技术已由过去的引进、消化、吸收发展到以自主研发为主阶段。国产尾管悬挂器的型号已从过去简单的液压式、机械式发展到组合式、功能多样化,规格尺寸更加完善。随着现场的需要和技术的进步,更多新型尾管悬挂器不断涌现,防止CO2、H2S 气体腐蚀的特殊尾管悬挂器以及水平井尾管悬挂完井系统等。这些特殊尾管悬挂器在国内陆上和海上油田的应用中,均取得良好效果。上世纪 90 年代进入发展中期,这期间,随着消化、吸收,对该技术的自主研发力量得到了加强,制造技术有了提高,悬挂器性能和质量趋于稳定,明显的进步包括:规格型号逐渐齐全;送入工具可回收且重复使用;可实现无负荷倒扣;密封机构耐压能力达 30 MPa 以上;回接装置更加可靠。发展了如液压机械双作用结构,随位自动脱挂丢手系统等。进入 2l 世纪以来,尾管悬挂器技术进入了快速发展期。为适应钻井技术发展需求,国内相关机构进一步加大了对技术研发的投入,形成了稳定的专业化研发队伍。伴随着国内一些新材料技术和装备制造技术的突破,一些具有自主知识产权的新型尾管悬挂器相继诞生。最具代表性的包括:超大尺寸尾管悬挂器、封隔式尾管悬挂器及其回接装置、水平井尾管悬挂系统、防腐型尾管悬挂悬挂器、尾管悬挂完井系统等。 表2-1 国内主要尾管悬挂器规格尺寸与性能2.2.2 特殊尾管悬挂器技术进展石油钻井不断向广度深度发展,钻井地域遍布海洋、沼泽、沙漠、高原,深井、超深井逐渐增多,分支井、水平井、大位移井逐年增加。同时,对老区块、薄油藏的挖潜也越来越普遍。为适应钻井领域的发展需求,国内在尾管悬挂器的研制方面取得了较快的发展,不仅在陆上油田,而且在海上油田也基本实现了尾管悬挂器国产化。一些主导产品的主要性能达到或接近国外同类产品水平。尤其是近几年国内加大了特殊尾管悬挂器的研究开发力度,成效显著。主要体现在一下几个方面: (1)尾管封隔悬挂器及其回接装置 (2)水平井尾管悬挂系统(3)特殊尺寸尾管悬挂器(4)防腐型尾管悬挂器(5)尾管悬挂分级注封隔器完井系统2.3 尾管悬挂器的发展趋势石油钻井技术的日益发展对完井技术要求越来越高,从而要求尾管悬挂器向多功能化、智能化、安全性方向发展。多功能化:悬挂功能、双向卡瓦功能、封隔器(或水泥伞)功能;智能化:井深温度自动控制、地面遥感控制;安全性的提高:坐挂可靠、事故处理简单。国内特殊尾管悬挂器的研制与国外先进水平相比,还有不小差距。未来尾管悬挂器的要求是悬挂负荷更大,抗温能力更高,功能更多,能适应不同的井身结构和复杂的井内介质。尾管悬挂器向智能化、多功能化、安全性方向发展。国内特殊尾管悬挂器的研制与国外先进水平相比,还有不小差距。今后几年国内应着重开发以下产品:(1)液压丢手式尾管悬挂器。这种悬挂器下入过程中既可循环,又可正常转动,特别适合在水平井、大位移井中应用;(2)可旋转式尾管悬挂器。这种悬挂器坐挂后可旋转尾管,十分有利于提高环空水泥胶结质量;(3)钩式尾管悬挂器。主要用于分支井;(4)多功能尾管悬挂器。这种悬挂器集液压丢手、可旋转、可坐封封隔器以及多塞系统于一体。功能多,可靠性强,且对改善固井质量十分有利;(5)特殊尺寸尾管悬挂器;(6)水平井尾管悬挂系统。3 尾管悬挂器的结构和工作原理3.1 机械式尾管悬挂器机械式尾管悬挂器可分为楔块式尾管悬挂器、槽式机械尾管悬挂器、轨道式尾管悬挂器和微台阶尾管悬挂器等几种。这里以 XGJ-A 型 J 形槽式机械尾管悬挂器为例来介绍机械式尾管悬挂器的结构原理的特点。XGJ-A 型 J 形槽式机械尾管悬挂器原理及特点:1)“J”形槽引导坐挂导向钉换向,坐挂方式简单,只需上提正转半圈,下放,即可实现坐挂;2)不需要投球憋压,可与其他需压力激发的工具配套使用;3)送入工具丢手方便,只需下压一定吨位,即可轻松正转倒扣;4)密封补芯可随送入工具提出,无需钻除。3.2 液压式尾管悬挂器工作原理及主要技术参数:用钻具和送入工具将悬挂器及附件送入到预定位尾管悬挂器的结构和工作原理置,投铜球后进行憋压,液流通过悬挂器传压孔进入液缸,当压力达到 8-11 MPa,液缸尾部的剪钉剪断,液流推动液缸上行,同时液缸推动支撑套、推杆和卡瓦同步上行,卡瓦在上层套管内壁和锥套锥面之间形成自锁,实现坐挂。3.3特殊尾管悬挂器随着现场的需要和技术的进步,更多新型尾管悬挂器不断涌现,如防止 CO2、H2S 气体腐蚀的特殊尾管悬挂器以及水平井尾管悬挂完井系统等。这些特殊尾管悬挂器在国内陆上和海上油田的应用中,均取得了良好效果。在此,以旋转尾管悬挂器为例来说明其工作原理。旋转尾管悬挂器与普通尾管悬挂器不同之处是悬挂器上多一个止推轴承。当悬挂器坐挂后,悬挂器卡瓦与上层套管卡住,但卡瓦以下部分仍能在送放工具的驱动下进行旋转,所以该轴承能够在承受很重悬挂负荷的情况下保持有效旋转。通过套管转动,改善水泥浆的顶替效率,提高钻井液的流动性能,同时可降低施工泵压,提高井眼和井壁的清洗效果,保证水泥环与地层的胶结质量。另外,在下套管过程中如果遇阻卡,可以通过转动套管串来增加克服阻力,使套管顺利下入到设计位置。3.4 XG194127尾管悬挂器 尾管悬挂器主要是用来悬挂尾管并将尾管与上层套管相连接,它将尾管进入井内,通过地面仪器控制,把数十吨乃至上百吨重的套管坐挂在井内数千米深的位置,并完成注水泥作业和封固尾管。所以尾管悬挂器要满足“下得去、挂得住、倒得开”的基本特点。XG194127尾管悬挂器上层套管的公称尺寸为194mm,尾管公称尺寸127mm,壁厚12.7mm,内径174.60mm,钢级N80。如图3-1所示为XG194127尾管悬挂器的结构剖视图,1-上接头、2-中心管、3-卡瓦、4-锁块、5-活塞、6-坐封剪钉、7-活塞套、8、9、10-密封圈、11-下接头 其特征在于:上接头与中心管连接,活塞装在活塞套内,然后套入到中心管上,中心管在活塞与下接头之间设计了进液孔,上接头的椎体鞋面下面是卡瓦,用锁块连接在中心管上,中心管下端与下接头之间采用43/4锥度关螺纹连接,所述的上接头,其下端为一锥体斜面,便于卡瓦在活塞的推动下,经椎体鞋面撑开。 图3-1 XG194127尾管悬挂器的结构剖视图 当工艺要求进行油井的坐封或固井时,水泥车打压将压力液从中心管的进液孔进入由上接头、活塞形成的液压腔内,压力液推动活塞和带椎体斜面的上接头一起下行,卡瓦沿着上接头的椎体斜面径向撑开,锚定悬挂管柱。4尾管悬挂器力学分析的数学模型4.1 悬挂部分套管受力分析4.1.1 套管柱受力分析(1)内压力(Pci )。内压力指的是套管内流体作用在套管内壁的压强,可由地面套压和流体静压强公式计算。(2)水泥浆套管的外挤力(Pco)。该力是水泥石凝固后,水泥石与套管的作用力。(3)轴向力(Fa )。套管内的轴向力是由尾管自重和水泥浆浮力共同作用的结果。它形成于注水泥过程中。(4)卡瓦作用在套管上的径向力(Nc)。(5)卡瓦作用在套管上的轴向力(Wc),如图 4-1 所示。尾管悬挂器力学分析的数学模型图 4-1 外层套管受力状态示意图4.1.2 套管的载荷和套管的应力(1)水泥浆对套管的外挤压力和套管内压力及其在套管内产生的应力1)水泥浆对套管的外挤力 (4-1) 式中水泥浆对套管的外挤力,Pa;水泥浆或钻井液密度,kg/m3。取=1.28,L=1500m,卡瓦楔形角=得=18.5MPa2)套管内压力 (4-2) 式中 套管内压力,Pa; 地面套压,Pa; 套管内流体密度,kg/m3。查相关资料得,地面套压与套管柱下入深度有关,假设下入深度为3000m,为8.64MPa,套管内流体多为钻井液或泥浆,故密度为1.28得=27.14MPa3)在水泥浆的外挤力和内压力的作用下套管的应力根据厚壁筒理论 (4-3) (4-4) 泥浆外挤力和内压力产生的径向应力,Pa;水泥浆外挤力和内压力产生的周向应力,Pa;套管外半径,m;套管内半径,m。因为屈服直径为内直径,所以r为内半径。(2)套管的初始轴向载荷和初始轴向应力1)初始轴向载荷已知 (4-5)2)初始轴向应力式中 初始轴向应力,Pa。=4.1.3 套管的强度校核因为对于所有的,都满足 (4-6)式中 套管径向应力,Pa; 套管周向应力,Pa; 套管轴向应力,Pa;许用应力,Pa。则套管处于安全状态。对于任一点点满足 (4-7)式中为屈服应力,Pa。则套管处于塑性状态。4.2 卡瓦的力学分析与合理设计4.2.1 卡瓦受力状态和应力分析卡瓦受如下四个力的作用,如图 4-2 所示:(1)套管对卡瓦的外挤力();(2)套管对卡瓦的轴向力();(3)锥套对卡瓦的正压力();(4)锥套对卡瓦的摩擦力()。其中 (4-8) (4-9) (4-10) (4-11)式中卡瓦楔角,; 卡瓦斜面的摩擦角,。 图4-2 单片卡瓦受力状态示意图 卡瓦类零件在弹性力学中属于楔形体。利用极坐标下的相容方程和平衡方程,采用应力函数法可以分别求出在这四个力单独作用下楔形体内的应力分布;再根据弹性叠加原理,将上述 4 个外力单独作用下的应力值相加,即可得到卡瓦类零件的应力,并找出应力最大值的点。在卡瓦牙根部,相当应力取得最大值: (4-12)式中 (4-13)式中卡瓦牙根部的相当应力,Pa; 牙根倒角半径,m;牙高,m; 牙面长度,m; 套管内半径,m; 牙面角,;卡瓦的宽度,m。查材料参数得到: 卡瓦的屈服强度,N80套管管材的屈服强度,N80套管的内屈服强度。 现已知外层套管外径是0.194m、壁厚0.01265m,钢级N80.悬挂器四片卡瓦对称均匀分布,楔角,额定载荷是,锥度1:5,内径是0.108m,取椎体外径为0.158m。根据相关论文椎体外径即卡瓦外径,要满足 取牙面角为,、摩擦角、。不考虑水泥层和液体压力,悬挂器横截面上加载 1 MPa 压强时得到危险处的应力值如下表: 表 4-1 危险点处的应力值 此时套管和卡瓦的应力最大值均未达到屈服强度,该受力状态下坐挂安全。 改变载荷大小,悬挂器加载 5 MPa 压强时的各点应力值如下表: 表 4-2 危险点处的应力值 此时套管应力最大值均未达到屈服强度,卡瓦上的应力快接近应力屈服强度,表明该受力状态下悬挂器坐挂后有风险。 从表 4-1,4-2 的数据看出,在卡瓦中间和两片卡瓦的中间部位,是应力的集中点。在卡瓦牙根部也会出现应力的极大值。4.2.2 卡瓦和锥体的力学自锁分析设锥体锥角为 ,锥体悬重为P ,四片卡瓦对称分布,卡瓦与套管内壁摩擦系数为 ,卡瓦与锥体表面的摩擦系数为,如图4-3。(1)分析锥体的悬重 P (即轴向力)和卡瓦的反力T 的作用关系首先这二力平衡,由 得 (4-14)因为正压力N和摩擦力是T在锥面上两个分力,所以也可以写成 (4-15) (4-16) 图4-3 锥体及卡瓦受力示意图(2) 分析卡瓦受力情况 卡瓦内锥面上受到锥体对卡瓦的正压力 N 和摩擦力 ,合力为T ,卡瓦牙处受到外层套管法向压力和摩擦力,在这些力的作用下,卡瓦处于平衡。由得 (4-17)由于N、是T的分力,所以可写成 (4-18)由得 (4-19)要防止卡瓦打滑(自锁)、摩擦力赢大于T的轴向分力,即 (4-20)将式(4-17)代入式(4-20)得将式(4-16)代入本式得 (4-21),代入数据得,、均满足要求。故卡瓦设计合格 卡瓦是悬挂器的主要部件,卡瓦的材料和硬度对于卡瓦的工作质量有重要影响。目前大多采用20CrMo、12CrTi之类的低碳合金钢制成,经渗碳淬火后使表面硬度达到HRC43-52,内部热处理后硬度为HB207-328.故材料选用20CrMo。4.2.3 卡瓦和锥体的合理设计 式(4-21)即为卡瓦自锁公式, 仅与(卡瓦与套管内壁摩擦系数)和 (卡瓦与锥体表面摩擦系数)有关。 因为锥体和卡瓦内表面可加工成光滑表面,所以 取0.1。由于卡瓦牙和外层套管之间卡瓦的切入,摩擦系数较大,取0.2,这样可以算得卡瓦不打滑的最小半锥角 为5.6。 角越小,悬挂可靠性增加,但又受悬挂负荷的影响, 角又不能过小。在实际设计中 角取4-4.5 。 分析式(4-21)可知:当我们选定 以后,如果 减小或增大,这时卡瓦有更大的可靠性。所以,我们设计卡瓦时,要求内锥面光滑,而卡瓦牙要渗碳淬硬。经分析还发现:卡瓦如果没有主动力楔紧,则是卡瓦不打滑的必要条件。4.3.4卡瓦结构分析 为了使坐挂成功率提高以及便于卡瓦的固定,设计的卡瓦采用上面四片卡瓦片均匀分布,下面是整个下端,这样既能使卡瓦顺利张开,也能保证卡瓦的相对固定,对于本悬挂器是十分实用的。4.3 悬挂器本体受力分析4.3.1 悬挂器本体受力状态悬挂器本体受如下三个力的作用,如图 4-4。 图 4-4 悬挂器本体受力状态示意图(1)轴向力()。送入钻柱、悬挂器本体和尾管自身重力及水泥浆共同作用产生的力。(2)卡瓦作用产生的正压力()。(3)卡瓦与锥套之间的摩擦力()。4.3.2 悬挂器额定悬挂负荷分析4.3.2.1 悬挂器额定负荷计算 为了便于计算,假设:(1)四片卡瓦对称分布;(2)四片卡瓦在受力时和套管紧贴,卡瓦外圆面上受力均匀分布,力的作用线通过圆心,如图 4-5。 图 4-5 悬挂器额定负荷计算示意图 (4-22)式中 卡瓦外圆面上平均压力,N/m2;套管内径,m; 套管壁厚,m; 圆心角,;套管屈服应力,MPa;套管周长,m。根据式(4-14),得 (4-23)将式(4-23)代入式(4-18),得 (4-23)卡瓦外圆面平均压力为 (4-24)式中一片卡瓦的外圆面积,。将式(4-24)代入式(4-22),得令 (4-25)则 (4-26)于是得到额定负荷公式 (4-27)式中 套管材料最小屈服极限,MPa;套管壁厚,m;安全系数,取1.3; 卡瓦作用面长,m; 锥体半锥角,。已知,n取1.3,L=0.035,得600KN满足要求4.3.2.2 悬挂器额定负荷影响因素分析 以上对卡瓦的悬挂负荷作了分析和计算。由于卡瓦工作环境的复杂性。仅根据近似公式确定悬挂负荷是不完善的,因此要对影响卡瓦悬挂负荷的主要因素进行分析。卡瓦实际负荷能力主要受以下几个因素的影响: (1)井下实际工作状况对悬挂负荷的影响由于悬挂器在井下不能与套管保持绝对平行,从而产生一定的轴向夹角,使卡瓦面积的受力分布不均,另外,由于悬挂器在井下不可能完全居中,在悬挂时造成卡瓦不能同时贴合,造成卡瓦过早打滑,降低卡瓦的悬挂负荷。 (2)机械加工精度对悬挂负荷的影响当锥套的锥度与卡瓦锥度不一致时,就会造成卡瓦受力面的回转线与悬挂器的轴线不平行,减小卡瓦的实际受力面积。卡瓦尖角半径的大小也会影响应力集中的程度。此外,卡瓦热处理好坏对卡瓦的强度有很大影响。渗碳淬火硬度不够或因受热不均而造成的金相组织不均匀,低温回火不完全而存有残余应力等因素都会影响到卡瓦的强度,因此,在机械加工中要严格把关,保证零件质量。4.3.3 悬挂器本体抗拉强度计算管材抗拉强度计算公式如下 (4-28)式中管体额定抗拉负荷,N;套管材料最小屈服极限,MPa;D 管体外径,m;d 管体内径,m;n 安全系数。取n=1.4 得600KN所以,材料满足要求4.3.4 反扣自锁性分析悬挂器入井后,尾管的全部重量都施加在反扣上。为了防止反扣自动倒开,造成尾管落井事故,要求反扣必须具有自锁性。由螺纹自锁条件 (4-29)其中 (4-30) 式中当量摩擦角,;螺旋升角,; 摩擦系数; 牙型斜角,。 (4-31)式中 S 螺距,m; 螺旋升角,;d 为螺纹公称直径,m。查机械设计手册得 43/4锥度管螺纹连接满足上述要求,其基本数据如下:名义尺 寸牙型代 号大径d=D螺 距 P每英寸牙数tpi 中 径
收藏
编号:20699276
类型:共享资源
大小:1.73MB
格式:ZIP
上传时间:2021-04-14
40
积分
- 关 键 词:
-
说明书+CAD
XG194×127尾管悬挂器设计【说明书+CAD】
xg194
悬挂
吊挂
设计
说明书
仿单
cad
- 资源描述:
-
XG194×127尾管悬挂器设计【说明书+CAD】,说明书+CAD,XG194×,127尾管悬挂器设计【说明书+CAD】,xg194,悬挂,吊挂,设计,说明书,仿单,cad
展开阅读全文
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 装配图网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。