过油管封隔器设计【说明书+CAD】
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长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 过油管封隔器设计 院 (系) 机械工程学院 专 业 班 级 装备10901班 学 生 姓 名 陈聪 指 导 教 师 周志宏 辅 导 教 师 周志宏 开题报告日期 2013年4月17日 过油管封隔器设计1 题目来源生产实践2 研究目的和意义封隔器是指用来密封环空或隔离目的层段,控制注入或采出流体,并能承受压差的井下工具。封隔器一般用钻杆或电缆下井,80年代开始发展、90年代成熟的连续油管技术提供了一种新的输送方式,其中连续油管的主要作用有:输送流体;传送下井仪器;利用其刚性在大斜度井或水平井中将下井仪器推过造斜井段,或者使其在水平井段推进;因其外径小,可做过油管测量工具。根据连续油管输送流体的性能及传送性能,连续油管可用于钻井,采油以及侧井,射孔,防砂,打捞等作业。对比传统开采技术,连续油管有高效率、低成本、操作方便、安全可靠的作业优势,能更好的为油田生产服务。这样的连续油管技术为封隔器下井作业提供了一个新的作业技术过油管膨胀技术。因而研制出一套与过油管膨胀技术适应的井下工具对石油的开采起着极为重要的作用。封隔器作为过油管工具的重要组成部分自然成为了研制对象之一。但在采油井下作业时,常常面临着高温高压的工作环境,因而对井下封隔器要求比较苛刻。在本次毕业设计中,进行了过油管封隔器的设计。3 阅读的主要参考文献及资料名称1陈媛媛. 应用过油管膨胀技术堵水J-国外油田工程2007年第23卷第11期2王世倩. 连续油管采油技术的概况、应用与现状分析J-科技创新导报 2010年第15期3程心平,陈桂和. 高效膨胀式封隔器的设计和试验J-国外石油机械1999年03期4 索美娟,方志刚,刘颖,冯仁东,勒庆珍. 小直径膨胀式封隔器在吐哈油田的应用J-吐哈油气2006年第11卷第4期5 张承武,王兴建,陈建刚. 分段压裂封隔器叠层钢片膨胀简的密封机理J-石油机械2007年第35期第3期6 张立新,沈泽俊,李益良,张国文,高向前. 我国封隔器技术的发展与应用J- 石油机械2007年第35卷第8期7 徐 鑫,魏新芳,余金陵. 遇油遇水自膨胀封隔器的研究与应用J-石油钻探技术2009年第37卷第6期8刘鸿文.材料力学M.第五版.北京:高等教育出版社,2003.9 油田用封隔器及井下工具手册编写组.油田用封隔器及井下工具手册M.石油工业出版社.10李桐,马庆贤,崔奋.封隔器卡瓦咬合过程受力模拟研究J.石油矿场机械,2004,33:11-13.11油田用封隔器及井下工具手册编写组.油田用封隔器及井下工具手册M.石油工业出版社.12赵磊.简明井下工具使用手册M.北京:石油工业出版社,2004,1113周开勤.机械零件手册M.第五版.北京:高等教育出版社,2001.14机械设计手册联合编写组.第二版.北京:化学工业出版社,1979,10.15 Clem Rowe-Age Developments Pty.Ltd. INFLATABLE PACKER APPLICATIONS16 C.ATKINSON* and B.PELTIER. The finite deformation of a reinforced packer, membrane theory,Journal of Engineering Mathematics 27: 443-454, 1993.17 George Arnold, Enrico Suwandi. Innovative Inflatable System Enables the Underbalanced Deployment of Sand Control Screens, SPE8490018 H. Lee, C. Torres-Verdn, and K. Sepehrnoori. Coupled Pressure-Transient Behavior and Geomechanical Deformation in the Near-Borehole Region of Unconsolidated Clastic Rock Formations, SPE 10290419 Ruy Marcelo de Oliveira Pauletti and Reyolando M.L.R.F. Brasil, STRUCTURAL ANALYSIS AND CONSTRUCTION OF THE MEMBRANE ROOF OF THE “MEMORIAL DOS POVOS DE BELM DO PAR”20 Thru-Tubing Inflatable Systems, Baker Oil Tools,4 国内外现状和发展趋势与研究主攻方向4.1 国内外现状早期的膨胀式封隔器从送入起出机理到取得专利可追溯到四十年代的战争期间。当时,这种封隔器受到许多常见问题的困扰,有待需要新的技术改进,同时也缺乏现在的经验。当时的最好弹性材料是天然橡胶,但它却不能耐油。经过五十年来的产品设计试验,弹性件的开发和井下条件的需要,已经把这类产品广泛用于具有多种用途的先进的工具体系。通常,那些下入井里坐在管材或套管中的一般都是井壁悬挂式封隔器,它们不同于膨胀式封隔器。膨胀式封隔器的一个优点就是它坐封在裸眼井的功能与坐封在套管或油管中的功能相同。如今绝大多数膨胀式封隔器在膨胀条件下都能使其直径增长两倍,而井壁悬挂式封隔器则一般每英寸膨胀不到英寸。因此,膨胀式封隔器已经赢得了在下入有限井筒,以及在更大井径中坐封的条件下需用封隔器的市场,而且根据不同的工艺技术形成了不同的产品,其中与过油管技术结合形成了过油管膨胀式封隔器。目前,国内为适应各种井下条件生产的过油管膨胀式封隔器技术还不先进,主要表现在原材料,加工工艺等方面,特别是井下密封材料没有重大突破,但是相关的研究有很多。在封隔器性能试验上,大庆油田采油一厂开展了封隔器性能检测地面简易装置的研制工作,可最大限度地在地面模拟井下封隔器工作状态,可以完成中心管加压、油套环空加上压、加下压检测封隔器密封性及反洗井压力、排量的测试。中原油田针对橡胶材料随温度的上升其力学性能,如抗张强度、弹性延伸率大幅下降等情况,研制了高温性能试验系统。油浸试验系统主要由油浸试验井、试验系统流程、自动化监控及配套设施4部分组成,可模拟井下封隔器工作状态。王海兰等对胶筒硫化橡胶的标准试样在不同压力和不同温度条件下的性能进行试验,获取应力应变关系曲线及橡胶的压缩模量、杨氏模量等数值,为分析封隔器的工作性能提供基本依据。李化甫等研制了封隔器圆度、同轴度检测装置。大庆油田采油工程研究院设计了可准确测量不同型号的扩张式胶筒偏心距实验装置。对封隔器作业工艺参数计算和数值模拟中,周先军等较早利用ANSYS对封隔器胶筒的接触应力进行数值模拟计算,得到了接触应力沿胶筒轴向分布情况,后续工作对3种压缩式封隔器胶筒与套管内壁接触压力大小和分布规律进行了分析计算,并对结构性能进行了比较。杨秀娟等认为上胶筒与套管的接触压力最小,中胶筒和下胶筒的接触压力依次增大,整体分布呈二次曲线形式,结果表明,摩擦因数变化对封隔器胶筒的接触压力有明显影响,为胶筒的优化设计提供了一定依据。在国外,用于分层采油的永久式和可取式封隔器已形成系列化产品。贝克公司和哈里伯顿公司的产品基本代表了国外的水平。其显著特点是耐温高、承压能力强、工作寿命长。如可取式封隔器:耐温150,耐压50MPa,工作寿命3年以上;永久式封隔器:耐温220,耐压70MPa,工作寿命10年以上。1994年美国初步研制出 2in高效可锚定单级膨胀式封隔器 (inflatable anchoring element)与以往的相比具有更高的耐压 、耐温和抗腐蚀性能 。它一般由坐封机构和膨胀胶筒两部分组成,可在不压井或不起出生产管柱的情况下,用连续油管或电缆输送穿过油管下至井底,对生产管柱以下的油层进行永久性或暂时性分层作业以及选择性油层处理,如卡堵水、挤水泥和压力测试等。在Beta油田现场试验中温度大于 150 条件下, 当膨胀率为 21 时, 2in高效可锚定单级膨胀式封隔器可承压 34MPa; 当膨胀率为 31 时, 可承压 14MPa。在Beta油田的现场试验中它的成功率超过 90%。Schlumberger公司的Coilflate过油管膨胀式封隔器适用于高温、高压井,用油管输送入井,是目前唯一膨胀比大于 31的膨胀式封隔器。用 2个单层膨胀式封隔器封隔中间区域,可成功实现靶区的堵水作业,也可在恶劣环境下实现层位封隔。封隔器膨胀部件的最高工作温度为 190 ,适用于恶劣环境,而且在膨胀率很大时也能实现高压密封 (温度为 190 时,若压力大于 34148MPa,则膨胀比为 21,若压力大于 13179MPa, 则膨胀比为 31),此外不需要投球就可以实现膨胀或丢手作业。科威特北部 Sabriyah油田某井日产油 2 094桶,但含水质量分数从 2001年的 10% 增加到 2003年的 36%。由于出水和靶区位于多层产油区以及完井作业时井下工具使用受到限制,所以需要解决复杂区域封隔、生产问题,采用 Coilflate封隔器可以有效解决此问题,同时降低含水质量分数。4.2 发展趋势封隔器作为井下一种主要的分层工具,在油气井的分层开采中具有着重要的作用。传统的封隔器有支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水力压缩式、水力密封式、悬挂式等八种系列和多个种类。其中油田最常用的是扩张式和压缩式两种封隔器。传统封隔器均是依赖外力,操作机械结构进行封隔器坐封。该类型封隔器在下井时,易出现砂卡、提前坐封等现象,风险高,可靠性较差。 自膨胀式封隔器是一种新型的封隔器,该类封隔器可根据地层不同的油气含量、井筒条件、作业要求,胶筒在遇油或遇水自主膨胀来封隔地层。目前,世界上仅有哈里伯顿、贝克休斯、TAM等几个少数公司拥有该项技术。在国外,遇油/水自膨胀式封隔器主要应用在裸眼井内,其主要用途包括以下几个方面:1、代替普通管外封隔器,对裸眼水平井分段封隔,从而进行分层采油; 2、该类封隔器具有较高的耐压特性(70MPa),可以进行水平段的分段压裂; 3、封隔器+机械/液压滑套的综合应用,进行找堵水作业; 4、水平段采用遇油/水封隔器和调流筛管的综合应用,对水平井的后期出砂进行有效治理等; 5、封隔器直接下到水层,对水平段水层进行有效封堵。遇油自膨胀封隔器在国内油田也开始得到了的应用,冀东油田到目前为止,已应用该产品40多井次。该项产品结构简单,坐封可靠,但价格昂贵。中国石油勘探开发研究院装备所在经过2年多的实验室攻关和对120多种配方的橡胶材料性能测试、样机膨胀试验和打压试验的基础上,开发出系列膨胀式封隔器,成为了国内研制遇油/水自膨胀式封隔器成功的首家研究单位,填补了空白。4.3 研究主攻方向遇油遇水自膨胀封隔器与传统封隔器相比,具有以下优点:膨胀率高,膨胀效果好,能够有效封堵环空;施工工艺简单,能够有效降低完井成本;可以用于分段完井、封隔水层、辅助固井、防砂等作业中,用途广泛。所以今后需加强对自膨胀式封隔器的研究并对其进一步进行承压以及耐腐蚀等性能的研究,以便扩大其应用领域。5 研究主要内容、重点研究的关键问题与解决思路 5.1 研究主要内容(1)过油管膨胀式封隔器发展概述(2)过油管膨胀式封隔器工作原理(3)过油管膨胀式封隔器参数计算(4)过油管膨胀式封隔器强化钢片设计计算(5)过油管膨胀式封隔器强化钢片应力分析(6)密封计算(7)装配图与部分零件图设计5.2 重点研究的关键问题 叠层刚片膨胀筒是过油管膨胀式封隔器的重要部件,其密封性是指膨胀筒密封套管的最大工作压差 , 它是该封隔器的关键技术。从零件结构和材质特性等方面分析膨胀筒的密封机理是本次设计的关键问题。5.3 解决思路从以下方面入手: (1)叠层钢片膨胀筒的工作原理(2)叠层钢片膨胀筒的密封结构(3)渐开线钢片的参数设计6 所采用的方法,手段及步骤(1)采用的方法本次设计主要采用的方法是文献研究法,通过查阅和收集有关封隔器原理结构和在油气举升应用方面的论文、专利、期刊和书籍,了解普通封隔器采油装置的原理、结构以及存在的问题,针对问题提出投过油管膨胀式封隔器装置的的设计方案。(2)采用的手段应用封隔器基本方程、最优参数方程、装置性能方程来计算和选择射流泵性能参数,根据现有生产工艺水平确定相关零件的结构尺寸,并根据材料力学的理论进行强度校核。(3),对封隔器的零件进行设计,在设计过程中对零件的尺寸进行校核。通过查阅文献资料按有关标准进行设计,设计过程中充分考虑零件的加工方法和装备尺寸。(4)根据有关公式对易损零件或关键部位进行校核。(5)利用ANSYS等软件对零件进行应力分析。(6)利用AutoCAD等绘图软件完成过油管封隔器装配图和零件图。7 工作的主要阶段,进度与实间安排阶段周次主要内容11查阅有关资料,了解封隔器的结构和特性。22查阅关于封隔器技术的中文和外文论文和专利。334完成开题报告和外文翻译,着手做文献综述,并进行初步结构设计。45根据初步方案画出结构草图568根据任务书中所给数据,结合方案和结构图进行各种设计计算、校核和修改。6911画装配图和各零件的零件图。71215完成毕业设计论文。8 指导教师审查意见X
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