1、毕业 设计 Bim.zhdi 1 第一章 前言 石油套管是油田开采中的必要生产设备，主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的顺利进行和完井后整个油井的正常运行，它是维持油水井正常运行的生命线，其使用情况的好坏将直接影响油田开采的进度和成本。因此采取有效措施及时对损坏套管进行挽救和修复有很大的经济效益。 目前国内外许多注水油田经过一段时期开发后，都遇到套管损坏情况。主要有石油套管变形、错断及损坏，轻者需要修复，影响油井产量，重者则使整口井报废，导致注采井网的不完善，造成了大量的人力、物力浪费。国内这种情况尤其突出，很多油田 出现大批油水井套管损坏的现象，油田套管损坏一直我国浅层油
2、田的开发的突出问题。 本文详细介绍了国内市场上存在的各种常用套管修复工具，以及各工具所存在的优势和不足，并通过综合分析，本着通用、易操作、降低工作难度等出发点，设计一种新型结构的液压整形设备，为石油工业的添砖加瓦！ 设计过程及成就简介： （ 1） 首先为了准确、并简化计算的工作量，通过近三个周的自学 ANSYS 软件，最终把一些复杂的计算利用软件来分析，得到了更准确的计算结果，简化了过程。 （ 2）其次为了更直观的对液压整形工具进行机构设计并优化，又利用大约两个 周的时间， 强化Pro/e 软件的学习，最终 把整个工作头的立体模型建立出来， 并实现装配。 （ 3）最后通过三维立体模型的建立，再
3、转化成 CAD 二维图形，并进行细节修复和优化，最终完成工作头部分几乎全部的零件图、 四 张 A0 装配图。 毕业 设计 Bim.zhdi 2 第 二 章 套管修复技术的应用 2.1 石油套管坏损的原因 2.1.1 地质因素 地质因素是造成套损的主要原因，它包括构造应力、泥岩膨胀出砂、油层压实等。围岩钻穿后，井眼周围的岩石中出现了亏空面，原来的平衡状态遭到了破坏。当应力集中处应力达到围岩的屈服极限，就有塑性 变形发生，这种变形受到套管和套管外水泥壳的限制，同时套管也受到围岩的 反作用而产生变形损坏 2.1.2 油层出砂 油井生产过程中出砂，会在下衬管层段形成空洞和坑道，在油层压实和地层压力下降
4、的情况下，围岩应力发生变化，由于形成空洞，就产生了一种试图恢复空洞上部 (衬管带以下 )己破坏的应力平衡，在空洞区和空洞上部地区之间的界面上产生切线应力区。如这些切线应力高于岩石破裂强度，空洞上的岩石就会坍塌，形成对套管的作用载荷，导致套管损坏。 2.1.3 射孔因素 射孔时产生的高压可导致套管变形甚至破裂。多数油田油水井射孔孔 密均在 16 32/M。射孔时一方面孔眼附近震裂，破坏了水泥墙，形成裂缝，失去保护套管的作用；另一方面造成套管本身强度降低，形成套损。 2.14泥岩膨胀和蠕变 岩石具有蠕变和应力松弛的特性，岩石种类不同，其蠕变程度不同，即使在自然地质条件下，岩石也会发生蠕变，泥岩是一
5、种特别不稳定的岩类，在高温高压下能促使其蠕变，在有水的情况下能引起膨胀，由于套管阻挡了它的蠕变和膨胀，这样就增加了套管外部负荷，这种负荷会随着时间而增长，当套管的抗压强度低于外部负荷时，套管就被挤压乃至错断。 2.15井底出砂和油层压实可导致套管 损坏 油井生产过程中出砂，会在下衬管层段形成空洞和坑道，在油层压实和地层压力下降情况下，使周围岩石应力发生变化，由于形成了空洞，就产生了一种力图恢复空洞上部（衬管带以上）已破坏的应力状态平衡，在空洞区和空洞上面地区之间的界面上产生切线应力区，如果这些切线应力高于岩石破坏强度，那么空洞上的已卸压岩石就能坍塌，形成对套管的作用载荷，导致套管损坏。 2.1
6、.6 盐层蠕变 钻井时，由于钻井液对盐层的溶解和冲刷作用，可造成复合盐层井壁坍塌而形成不规则井眼，使得固井的水泥未能充满管外空间，最终使得盐层与套管产生点接触，形 成点载荷或非均匀载荷。盐流动也能使套管产生弯曲。由于环空水泥充满程度差，盐流向无水泥空间的速度快，或发生单向流动，尤其当盐层的厚度不规则，而且具有更大的倾角时，危险性更大，会使套管弯曲，产生横向推力和轴向拉伸载荷。这时套管的横向外载不仅是非均匀的，而且还是非对称的。 盐层在高温、高压下的蠕变和塑性变形特别明显，在有水时盐岩和含盐泥岩软化，体积增加，在岩石压力作用下向井筒移动，致使套管损坏。 2.1.7 其他原因 套损原因还包括套管本
7、身质量问题、固井水泥质量、施工质量、地层温度影响、注采强度等多毕业 设计 Bim.zhdi 3 方面因素的影响。 2.2 套管修复的主要途径 2.2.1 爆炸整形 爆炸整形工艺技术是将具有一定综合性能的炸药用管柱或电缆送到需整形复位井段后，投撞击棒或者接通电源，引爆雷管、炸药。炸药爆炸后产生的高温高压气体冲击波在套管内的介质中传播，当高温高压气体冲击波达到套管损坏部位内表面时，产生径向力波，克服套管本身的胀大阻力和管外岩石的挤压力，迫使套管迅速胀大并改变管外的压力分布，达到整形扩径的目的。扩径量的大小受到套管性能和规范及药量和药性的控制。如图 1。 2.2.2 连续胀管技术 图 1 爆炸胀形法
8、 毕业 设计 Bim.zhdi 4 工具主要由锥体心轴 ,滚动滑套 ,变径胀套及辅助零件三部分组成 1,如图 2所示，连续胀管工具随钻柱下井过程中遇到套管缩径时 ,变径胀套停止向下移动 ,停留在套管变形点位置 ,而心轴继续下移 ,通 过滚动滑套对变径胀套施加径向分力 , 致使变径胀套膨胀 ,对缩径点进行扩胀挤压整形 ,当心轴完成个位移后 ,上提钻柱使工具复位 ,完成一点整形 “重复下放钻柱 ,使心轴下移又可对第二缩径点进行整形 “在施工过程中连续胀管工具可自行找到套管缩径点 ,由 工具允许的最小直径一次对该点扩胀到套管原始通径 ,克服了常规胀管器在施工过程中需要整形尺寸分段造成的多次起下钻柱的
9、缺点 ,从而提高了现场施工效率。 2.2.3 梨形整形器 (又叫胀管器 ) 梨形胀管器如图 3，依靠反复上提下放钻具进行墩胀，靠冲击力迫使工具的锥形头楔人变形部位，进行挤胀，恢复套管变形部位将胀管器下至变形井段，依靠钻具的冲胀力，将变形部位逐步胀开。每次可以胀大的横向距离只有 1 2mm，更换工具次数多。 2.2.4 偏心轴整形器 偏心轴整形器见图 4，这种工具近年来使用较多，是比较好的一种整形器。套管整形器是用以修复井内套管有压扁、凹陷等变形，使之恢复其接近正常状况的一种专用工具。 图 2 连续胀管整结构 图 3 梨形整形器 毕业 设计 Bim.zhdi 5 2.2.5 套管刮削器 套管刮削
10、器用以清除油井套管内部的任何沉积物，不平整物或毛刺，依靠管柱加一定钻压，由转盘带动管柱及铣锥旋转，切削需修整的部位 ，达到扩径目的，如图 5。 2.3 液压整形及扩径工具的创新与应用 由于目前工地所采用的各种套管修复工艺都存在各自不同的弊端，使修复难度很大，而且还可能带来额外的副作用，给套管带来一定的损伤。比如在爆炸整形工程中直接关系到套管修复胀形的程度地要量的多少需要经过精确测量套管径缩程度，然后才能确定药量的多少，其次是如何保证对心度，这些在深入地下数千米的地方如何准确掌握这些参数是存在很大困难的；再如梨形整形器需要反复提放钻具进行墩胀，这就需要提供很大的动力，而且要多次更换工具，是修复的
11、难度加大；而偏心轴整形 器则需要很大的扭矩和轴向的压力，对于地下数千米的颈缩点，为保证一根数千米的长轴能够承受所需要的扭矩，提高材料的强度，造成成本的大幅提高；而 套管刮削器只适合于修复一些毛刺等故障，对于三四个毫米的鼓包是不适用 的。因此如何既能降低成本、降低作业强度、缩短工期、同时保证修复的通用性，这些要求的提出就给液压整形器的诞生提供的前提。 2.4 液压整形及修复工具的结构及扩径原理 液压整形及修复工具是采用高压水提供动力，在高压水的作用下，带动多个串联活塞移动，同时上提带有锥度的拉杆，而拉杆周围则直接跟三个扇形模块接触， 扇形模块（如图 6） 具有特殊的形体结构，其与拉杆接触的部位具
12、有跟拉杆等同的锥度，而外圆则是圆柱状，这样当拉杆随活塞杆上升时，由于拉杆具有锥度，就把扇形模块外推，把拉杆的轴向位移转换成扇形模块的径向位移，同时把拉杆提供的轴向拉力，通过扇形模块直接转换成径向力作用在套管的颈缩部位。而径向扩径位移的大小直接由拉杆的上升位移大小决定，进而转化成由液压水量的多少来控制，这些完全由根据地面操作人员对扩径的需要来掌握，其最大扩径范围为 117 125MM。本液压整形工具更大的结构的特点是采用拉杆的倒锥度，这样所有的径向力 提供完全是整个修复工具内力的一个分力，使得整个工具不再承受任何外来轴向力，给修复工具地下的定位带来了极大的方便。 图 4 偏心轴整形器 图 5 套
13、管刮削器 毕业 设计 Bim.zhdi 6 图 6:扇形模块 图 7 修复工具的工作头局部 图 8 放大的修复工具工作头局部 2.5 总结 本章简单介绍了时候套管发生坏损的原因，以及常用的套管修复工具，并在分析各修复工具优缺点的同时， 提出了新型液压整形扩径工具的结构构造及其出现的必要性。 毕业 设计 Bim.zhdi 7 第三章 方案拟定 3.1 工作头的结构选择 3.1.1 锥形工作头 锥形工作头整个外形呈锥状，锥尖朝下， 活塞推动内部锥形体， 锥形体因锥度的作用，下移致使环抱锥体的外部结构径向扩张，实现扩径修复目的，同时 这种结构能自动寻找套管缩颈处，一处修复后继续下移，能实现一次下井，
14、 多处修复 。 但是该结构在椎体下移的过程中要受到套管很大的轴向力，而且环抱在椎体周围的结构如何进行轴向的联结，并能承受如此大的轴向力，存在困难。示意如图 0： 图 0 3.1.2 圆柱工作头 圆柱形工作头外形呈圆柱状， 共分成三个扇形瓣，瓣的内表面具有一定的锥度，环抱在中心的倒锥体上，椎体尖部向上，和活塞杆相连，在活塞 的拉动下上移，扇形瓣（图 0）在锥度的作用下，径向外移，挤压缩颈套管，实现修复工作。因为整个工作头外部为圆柱状，只承受套管径向的反作用力，而在轴向上完全为工作头的内力，这对于整个机器井下作业的固定降低了难度。 图 0 因此综合两种结构的比较，第二种结构简单，并较好的实现了修复
15、工作，选择第二种方案。 毕业 设计 Bim.zhdi 8 3.2 液压缸结构的选择 3.2.1 螺纹联结方案 由于套管的直径直接限制整个修复工具径向的尺寸，然而套管的修复所需要的拉力高达近百吨，所以必须采用多节液压缸串联的方式共同作用，方能实现目标 。 而缸体采用螺纹连接方式能增大修复工具的径向尺寸，如增大活塞的工作面积，增大活塞杆的直径，提高拉力，但是就如何进行多节缸体的串联，却是一个难题。 3.2.2 法兰联结方案 采用此方案使各个缸体利用法兰串联起来，然后分段装配，方便的实现了多节缸体串联的目的，但是该联结由于法兰出螺纹的存在，减小了缸筒的内径，降低了活塞的有效工作面积，增多了串联缸体的
16、个数。 3.3 活塞及活塞杆的结构选择 因为液压缸采用多节串联的结构，考虑安装的简单，以及缸体等零件的容易加工，活塞和活塞杆采用螺纹连接的方式，两端开孔并加 工螺纹，但是螺纹的深度必须严格控制，以保证活塞杆旋入的深度在公差要求范围内，保证活塞的行程精确。同时为了保护活塞的外圆精度和装配的需要，在活塞中部沉一个孔，同时活塞杆的端部沉六角孔，以方便安装。 3.4 总结 工作头部分采用外圆柱内倒锥的结构，结构简单，整体除承受内力外，轴向不承受任何外力，有利于井下作业的固定；液压缸采用多节串联，法兰联结，有利于整体的转配，并提高了整个缸体的强度。 毕业 设计 Bim.zhdi 9 第 四 章 套管修复
17、工具的工作原理的 受力 与计算 4.1 理想 拉力的推导 4.1.1 拉杆受力分析 相关参数： d 颈缩处套管的内径 套管的壁厚 S 与模块相接处的鼓包面积 如图 9所示为两受力状态。相对称的模块及锥体扩径时的受力如图： 图 9 模块与拉杆扩径时受力分析 首先取拉杆作为分离体，拉杆受力状态如图 10所示。 图 10 拉杆受力分析 其中： f 拉所受拉力 毕业 设计 Bim.zhdi 10 q 模块对拉杆锥平面的压力 1 拉杆与模块之间的摩擦系数 拉杆的平衡条件为 : 12 s in 2 c o sf q q （ 1） 由于拉杆为正锥体，所以垂直方向上的合力为零。 4.1.2 模块受力分析 再取
18、上模块作为研究对 象，该模块的受力状态如图 11所示。其中： 图 11 模块受力分析 p 套管管壁对模块单位长度上的挤压力 T 模块支撑盘对模块端面的支撑力 2 模块与支撑盘间的摩擦系数 q 拉杆对模块产生的压力 1 拉杆与模块之间的摩擦系数 模块的平衡条件： 1s in c o sT q q （ 2） 21 s in c o sp T q q （ 3） 其中， q 与 q 力大小相等方向相反。 由于三式中的主动力只有 f ，其余为派生力，整理式（ 1），（ 2），（ 3）得 11 2 1 22 ta n1 ta n pf 因工具 在 工作过程中与模块接触的总面积为 S，所以拉杆的拉力公式为 ：
