采油树防盗设计.doc

大庆石油学院本科生毕业设计（论文）摘 要采油树是油田采油作业中不可缺少的地面装置，在油田开发的各个时期，出现了各种不同类型的采油树。普通采油树由于没有防盗功能，安装在野外易被不法分子偷盗，一旦被盗，轻者造成停产，重则能引起井喷火灾等事故，给国家财产造成严重损失。防盗型偏心采油树，在原采油树基础上，进行防盗设计，将部分外露闸阀改为内置式，并且闸阀阀门螺栓应用非常规多边型螺栓，使市面普通工具无法进行装卸，不仅具有原有功能，还具有防盗功能，并且无需高成本制造，这样可以使油田大大降低油井石油被盗率，保护油田正常工作。防盗型偏心采油树的主要零部件主要由调心盘根盒，光杆密封器，井口采油树本体四通和油管挂四大机构及其法兰，卡箍，井口阀钢圈，o型密封圈，atm闸阀等零件组成。关键词：采油井口装置；盘根盒；光杆密封器；四通；油管挂abstract从图中可以看出，正向和反向从总的压力变化趋势上看是一致的，总压降值也大致相等，只是压力的波动情况不同。这一点充分反映了流道形状对压力分布曲线的影响。key words：流量；压力；流场；流动；模拟目 录摘 要iabstractii目 录iii第1章 绪 论11.1井口装置应用11.2我国井口装置发展现状11.3国外井口装置发展现状2第2章 采油树的分类92.1 引用标准92.2 结构形式92.3 基本参数122.4 主要技术参数的确定13第3章 防盗型偏心采油树总体方案论证与选择163.1防盗偏心采油树的基本结构与工作原理163.2 低矮型偏心采油树方案概述与论证17第4章 采油井口测试结构装置的设计224.1 工作原理224.2 主要技术参数234.3 主要特点23第5章 附属零件的选取与计算245.1卡箍紧固螺栓的强度校核245.2 法兰用密封垫环型式，尺寸及技术要求275.3轴承的选取与校核275.4光杆密封器密封力的计算275.5油管扣丝堵的强度校核285.6 采油井口闸的选择28第6章 结论30参考文献32致 谢33iii第1章 绪 论1.1井口装置应用 随着全国各油田自喷井的逐年减少，绝大多数油井已转入机械采油。采油井口装置是实现机械采油必不可缺的装备。主要用于监控生产井口的压力和调节油(气)水井的流量；也可以用于酸化压裂、注水、测试等各种措施作业，能满足不同工况，密封可靠，工作安全。据了解，全国约有2万口机械采油井，对采油井口装置需求量很大；由机械采油生产的原油占全国原油总产量的90%，说明采油井口装置是相当重要的采油装备。在国内将油管头、采油树统一称为“井口装置”，井口装置已是我国的成熟产品。具有结构紧凑、重量轻、性能好的特点，是井口装置的发展趋势。目前世界上能制造额定工作压力21mpa以上单油管和多油管采油井口装置的国家有：美国、英国、法国、日本、中国等。但是，美国以外能制造多油管采油井口装置的厂商基本上是美国公司在海外的子工资，或是应用美国公司转让的专有技术制造的。因此，美国公司在设计、制造、实验、检测和市场占有方面，一直占领领先地位。1.2我国井口装置发展现状 1956年，我国的几家中小型机械厂按照苏联提供的“大罗马”采油树和结合我过油田当时需要的水平，测绘、制造了额定工作压力为24.5mpa的ky250型采油树、锥座式油管头和底法兰，作为采油井口装置供油田使用。随后改型为s723型。此后又制造了额定工作压力为35和58.8mpa的kq350型和kq600型的采气井口装置。70年代后期，随着我国石油工业的发展和钻采技术水平的不断提高，我国从美国进口了一批高压采油井口装置，供四川开采天然气用。四川石油管理局资中钻采工艺研究所和上海第二石油机械厂根据美国公司的样机，测绘、改进并制造了额定工作压力为70mpa，公称通经为65mm，和额定工作压力为105mpa，公称通经为65mm的采气井口装置，供高压油井使用。 1981年，上海第二石油机械厂根据地矿部上海海洋地质调查局勘探2号的需要，按照api spec.6a规范设计和制造了额定工作压力为21和35mpa，套管程序为20的套管头，并获得了伤害船检局的认可，开创了我国制造套管头的纪元。1983年，上海第二石油机械厂引进了美国mcevoy公司采油井口装置的设计、制造、试验和检测技术，使我国采鸥井口装置技术水平上了一个新台阶，并且改变了我国采油井口装置“出口不出去，进口挡不住”的局面。目前我国已能按api spec.6a规范设计和制造额定工作压力为21、35、70和105mpa的采油井口装置了。但按产品规范级别要求，只能制造psl1、psl2和psl3级。因试验设备的关系，我国暂时还不能制造psl4级的采油井口装置。1.3国外井口装置发展现状 目前，国外生产采油树最大工作压力是140mpa，组成采油树的法兰式连接闸阀最大额定工作压力达210mpa。国外许多公司都在不断开发并完善电潜泵井口装置及整体采油树，生产有单油管电潜泵井口装置、双油管井口装置及双通径的整体式采油树，还能根据油(气)田的工况和井内滞留流体来生产陆上(包括海洋平台用)的井口设备及水下井口装置。目前主要生产国家有美国、英国、意大利等十几个国家，美国的产品技术和生产能力处于世界领先地位。著名的制造厂商有cameron、fmc、vetco、gray等公司，cameron公司采油树性能质量最好，但价格较高。1.3.1 闸阀(1)cameron公司闸阀 fl和fls型闸阀。 cameron公司新生产的闸阀有fl和fis型两种，工作压力13.7934.5mpa。 主要结构特点：采用整体式闸板结构，可防止管线中的沉淀物进入阀体内腔。高承载能力的两个止推轴承用来吸收闸板开启和关闭时的载荷，从而将手轮旋转力减至最小。特殊惰性材料弹簧承载的唇型密封，既能保护金属密封面又能加强低压密封性能。fl型闸阀在每个阀座上使用的是单个唇形密封。 js型闸阀。 主要结构特点：cameron公司js型闸阀主要特点是具有一回转孔口的闸板，可在不考虑阀杆位置的情况下把阀板推向开启位置，使js型闸阀特别适合于作采油树装置的底阀。此外，该型闸阀采用阀座和闸板、阀体金属对金属的密封，特殊外径、内径的唇型密封既加强。了低压密封又保护了阀座、阀板及阀体的金属密封面。 (2)vetco、gray公司闸阀 vetco、gray公司新生产的闸阀系列有vg一300和vg一200。 vg一300高压系列闸阀。 vg一300高压系列闸阀工作压力从34.5103mpa，规格从50228.6mm。 主要结构特点：这种闸阀采用的是多向模锻承压阀体、阀帽，uv型具有热塑并充填的特氟隆(tee)复合阀杆盘根，配备有多用途的接头，用于注入阀体润滑剂和阀杆密封剂。 vg-300fr型具有后座自动密封防火功能。 vg-200低压系列闸阀。 vg-200低压系列闸阀工作压力从13.7934.5mpa，规格从50.8101.6mm。 主要结构特点：这种闸阀结构采用的是低合金钢承压铸件壳体、平行阀板结构、非橡胶唇形阀杆盘根并采用精密滚针轴承承受阀杆载荷，具有安全剪切销的功能。 vg-300lmv型具有远距离控制快速防火功能。 vg-230se型为分合式阀板，伸长式阀盖，适合于高温工况。 vg-600适合于地热井工况。 (3)意大利breda公司闸阀 意大利breda公司闸阀有sds和sd两种类型，其共同特点是：浮动阀座密封，平板闸板结构，特氟隆复合人字形阀杆密封盘根。 sds型闸阀。 sds型闸阀适用于68.9138mpa的高压力场合，阀座内径、外径均预加u型密封，以确保高压力级别下施加在阀座上的载荷和阀板、阀座同压密封的要求。 sd型闸阀。 sd型闸阀适合于13.79-34.5mpa的低压力范围，通径从52.4181mm，阀座外径上采用u型预加载结构，确保阀板与阀座金属对金属的低压密封。 (4)美国f.m.c公司闸阀 美国f.m.c公司fmcl00系列闸阀采用锻造承压阀体结构、双滚针滑动轴承、安全剪切销和teflon uv型阀杆填料(专利产品)，可耐h2s、c02和氯化物的腐蚀，工作温度为-24177?c，工作压力在138mpa以上。 fmcl20型闸阀的工作压力从13.7934.5mpa，规格从53181mm。130型的工作压力从68.9103mpa，规格从49168mm。 (5)英国公司闸阀 英国研制了用于油气井自喷设备的闸阀(专利产品)。 主要结构特点：这种闸阀有一个弹簧加载的阀板和侧板，侧板上有与润滑器活塞连通的润滑环槽，润滑槽与阀孔沿供给槽道方向有一偏心。润滑环槽的截面积沿远离润滑点的方向逐渐增大，以保证对阀板的下部提供可靠的密封。一旦闸阀关闭，润滑剂供给槽道便通过闸板上的油槽与润滑环槽连通。这种闸阀的密封性能较好。 总之，国外闸阀的发展主要是应用特殊防腐材料，以满足高含h2s、c02物质的油气井需要；在结构上开展多样化研究，来达到密封性能好(有自动补偿)，且开启灵活；另外，在密封材料上不断改进，使其性能不断提高。 套管头包括套管头四通、套管悬挂器、盘根装置、顶丝、闸阀和压力表组成。 是装在整个井口装置最下端的一个装置。作用是连接井内各层套管并密封套管间的环形间。近年来，套管头结构不断得到改进，主要向操作简便、密封性能好(自动密封)、适用于深井多层套管以及整体化方向发展。 1.3.2 套管头(1)cameron公司产品 紧凑式套管头。 cameron公司紧凑式套管头，是将多层套管头的壳体制成一体，内部各层悬挂器通过相互承载传递重量，体积小，节约材料和连接件，减轻自身重量。 套管挂。 cameron公司生产的套管挂主要有aw、wc、jm、ca、cam、fr、brx一2等类型，可根据不同油井情况和套管与cameron wf型套管头壳体和wf型套管四通相配合。 aw型套管挂是中等容量的整体式套管挂，具有双唇型的密封环，通过拧紧内六角螺栓可实现人力增能。 wc型和fr型套管挂也是中等容量的套管挂，二者的卡瓦都围绕着套管而锁紧并座入套管头壳体内，密封件则是在卡瓦座入和套管被切断后才装配到套管上方的。wc型套管挂密封件的内部有夹层式的套管密封，可通过拧紧内六角螺栓而实现人力增能，而fr型套管挂的“o”形套管密封圈则是自动增能的。 jm型套管挂可安全可靠地悬挂长套管柱，其环形密封可封住高达68.9mpa的压力，即使在高温下也是一样。jm型套管挂上的“有帽螺栓增能式”环形密封(cap energized annulus seal)可把测试压力载荷与套管压力载荷相互隔开。jm卡瓦和密封总成的外圆锥面加工成齿形则是为了通过限制套管向下运动来防止套管管端的颈缩过大。jm型套管挂的卡瓦和密封总成是整体环绕式的，环形密封很容易安装，只需很小的力即可达到完全增能密封的效果。 ca和cam型套管挂都是环绕式整体卡瓦和密封组合，二者的共同特点是具有环形密封，这种密封可由套管的重量作用而自动增能；它们都有上、下卡瓦，并可把套管载荷分布到上、下卡瓦上以减小管子的偏斜。 ca型是一种高容量(hihg一capacity)套管挂，可用于279mm、346mm、425mm和1080mm的套管尺寸。 cam型是带有加强卡瓦座的高性能的套管挂，可承受极大的套管载荷而只有最小的套管偏斜，可用于绝大多数的套管尺寸。 brx-2型套管挂是螺纹悬挂式的管挂，使用时需用专用的brx一2型工具。 (2)意大利breda公司产 套管头。 意大利breda公司套管头分为nbs型和nsb型两种。 nbs型是常规选用，带有标准法兰和两个180。的对称侧口，底部采用螺纹与表层套管连。 nsb型是典型的陆地套管头，与nbs型所不同的是表层套管与nsb型套管头采用的是焊接连接方式。 套管挂。 breda公司套管挂分为cmbns型和cnbfns型。 cmbns型配套用于nsb型套管头或四通，这种结构通过抱合套管下放至壳体内，采用铰链插销机构原理，在现场安装，需另加主副密封机构。 cnbfns型属于自动激发密封，通过悬挂套管重量，激发悬挂器内密封元件，实现卡瓦与本体，套管头与卡瓦间的密封。 (3)vetco、gray公司产品 快速连接装置vgloc tm connector卡瓦连接方式。 这种连接是当表层套管固井候凝时，根据钻井设计套管头的安装高度，切割表面套管，水平套入套管头，通过上紧底部支承螺柱，压紧卡瓦切入套管表层，从而达到连接作用。 套管悬挂器。 vetco、gray公司公司套管悬挂器有mandrel型、we型和w型三种。这三种悬挂器可根据工况的不同而适用于不同的场合。 mandrel型为心轴式悬挂器，其密封区域控制锥面与对应的锥面接触，强制金属对金属的密封，同时，悬挂器上端的加长颈与井口部件底部的锥面，形成金属对金属密封。 we型设有平动密封，当拧紧螺帽时，便把压缩板拉到卡瓦座圈上，压缩密封元件，从而形成卡座圈密封和悬挂器与套管之间的密封。 w型被公认为是最可靠的自动重量坐定悬挂器，它可自由活动，当它承受套管重量时，就密封环形空间，一只正向金属活动器限制套管卡瓦座圈的移动，并防止密封挤出。 1.3.3油管头系列 油管头由油管头四通、油管悬挂器、盘根装置、顶丝、闸阀、压力表和法兰组成。装在套管头上面，主要承受油管柱内的压力、承受油管柱和采油(气)树以及其它装置的负荷。 (1)f.m.c公司产品 f.m.c公司电潜泵油管头装置中油管挂内的油管悬挂器，利用增加装穿电缆装置来实现电潜泵的采油作业。这种形式的电缆接头，根据电压、电流、工作温度分为多种级别供用户选择，电压从30005000v，电流分别为70、125、140、164a，工作温度从60178?c。 1一g级电潜系统，适用于标准f.m.c的tc型油管头，用直径178mm生产套管带全压和金属密封技术，69mm的eue油管1#awg接头电缆，5kv一140a供电系统，上下pigtail接头可拆卸，优质加长密封区域以保证pigtail上下接头的压力及水密封。同时，配备压缩型橡胶在特别的高温情况下可靠工作，配备可调节的可调式内部控制阀调节正常压力。 1一m型，适用于f.m.c公司tcb型直径为170ram生产套管(或更小)和直径为69mm的eue油管(或更小)。 f.m.c公司1一a、1一s电潜油管头系统适用于api 6a工作压力最大至68.9mpa含h2s、c02的工况下，标准f.m.c的tc型或tcm型油管头。 (2)意大利breda公司产品 油管头。 意大利breda公司油管头有dp70、dp4、dp7三种类型。各种类型的法兰规格均较齐全，侧面均为法兰栽丝连接形式，下法兰的两次密封采用y形结构。 dp70适合单油管悬挂。 dp4适合双油管悬挂，其四通壳体增设紧顶螺钉，控制双管悬挂的方向和位置。 dp7型适合多油管悬挂，在其四通壳体上有四只紧顶螺钉，以控制悬挂器的安装方向和深度。 悬挂器。 可分为dp4hs ms型、b8m型和dp4h5型。 dp4hs ms型油管悬挂器为潜油电泵作业使用，为井下潜油泵电缆提供了可靠的封隔装置，悬挂器本体与油管连接，电缆心轴插入并固定，底部输出端连接装置与心轴连接，固定螺钉按位置锁紧悬挂器。 b8m型为缠绕式悬挂器结构，配备tsb型球形单向背压阀，通过上紧上法兰顶丝，减小盘根、密封与壳体及油管之间的间隙。dp4h5型为伸长颈结构，带井下安全阀及控制管线接口。 (3)cameron公司产品 n型油管挂。 cameron公司n型油管挂有n型心轴式和nrfc式2种类型。 n型心轴油管挂的特点具有压缩式环形密封，可通过油管柱的重量或锁紧螺栓来增能，可带有背压阀，用来封闭油管，利用关井压力完井。此外，它还带有延伸的颈部，这种延伸颈部设计，提供了二次环形和一种进行外部测试初始密封及连接的手段。延伸颈部共有3种类型：延伸平滑颈、延伸密封颈和带有备用控制管道的延伸密封颈。 n型rfc油管挂是一种缠绕密封式悬挂器，这种密封可通过拧紧油管四通的锁紧螺栓而增能，适用于工作压力高达103mpa的工作条件。 mtbs油管油管挂。 cameron mtbs油管挂适用于工作压力高达103 mpa的工作条件。它具有大通径，其环形密封被径向地挤入密封部位，当油管挂由与之配对的锥座内提起时，环形密封就自动地恢复到原状。油管挂的上密封是一种压力增强的金属“u”形帽式的双向密封，因而不再需要其它的辅助密封。油管挂的延伸颈部设计，可确保金属“u”形帽式密封在安装时对中可靠。 cevoy ms型油管挂。 mcevoy ms型油管挂适用于138mpa和207mpa的工作条件，其延伸颈部设计为了便于安装采油树，采用可变形的支撑环而不再需要其它的测量和调试装置。使用双向密封，且不需要将密封环压入接合密封面即可形成金属对金属的密封。当重新使用油管挂时，只需将密封和支撑环更换即可。 悬挂器。 cameron公司dcp悬挂器有dcp双油管悬挂器和dcp单油管悬挂器2种类型。 dcp双油管悬挂器是带有d型环形密封的拼合心轴式悬挂器，通过密封填料注入孔，把塑料密封注入四通的顶法兰内，从而使这些密封增能，有2个支撑销支撑这两部分并使之对中。 dcp单油管悬挂器是心轴式的悬挂器，适用于dcps油管四通。二者配套，可用于双层完井。 1.3.4.采油(气)树 指井口装置总闸门以上的主体部分，外形像树，所以叫采油(气)树，主要由套管闸门、总闸门、生产闸门、清蜡闸门、油管四通或三通、油嘴等部件组成。其作用是控制和调节油井的自喷生产，引导喷出的油气进入输油管线，保证录取油压、套压、计量油、气产量、取样及清蜡等工作。近年来主要发展整体式结构，海洋平台采油作业，由于受平台面积及钻井成本等的限制一般首先选用整体式结构。 意大利breda公司生产的整体采油树有s型和d型2种。 s型适用于单管井口装置，s-1型为主阀+单阀+四通+清蜡阀组合结构，s-2型为双主阀+四通组合结构，s-3型为双主阀+四通+清蜡阀结构。d-1、d-2、d-3和s型相似。 d型适用于双管井口装置。 1.3.5.水下井口装置 这种井口不是安装在海底，而是在海水中，像自升式钻井船一样，用几个桩腿支撑在海水中，而在海底泥面上有一个简单的关闭装置。用这种井口装置作业工艺较为简单，且遇到井涌时可以较安全地进行井口操作。 1.3.6.防火井口装置 cameron防火井口和采油树装置特点是从油管四通的下卡箍直到上主阀共同形成一个壳层，在油管挂(一直延伸到油管挂颈部)和主阀体之间，在油管挂体和油管头四通之间，以及在油层套管挂和油管头四通之间，均有金属对金属的防火密封。油管头四通与防火环形阀做成一个整体以减少连接件的数目。主截断阀到油管头四通以及油管头四通到套管头四通间的连接均采用cameron重型防火卡箍。这种卡箍具有厚壁结构，在着火时，可起到“冷源”作用。螺栓组合凹入到卡箍凸缘的螺孔内，这样可避免温度升高时，直接暴露在火焰中的螺栓和螺帽的连接作用因着火而削弱。防火的上主阀和下主阀上都包括一种易熔材料，这种易熔材料仅在规定的温度时熔化。 1.3.7水下采油树 vetco、gray公司s型水下采油树用于钻井平台或浅水浮动钻井装置，水深一般小于90m，配有人井工具和修井工具，油管挂、井口及防喷器组无需定向，钻杆柱及油管上接立管无需专用的定向立管，固定关闭环形单流阀无需电缆环形堵头，组合式阀体使得连接增强，减少密封，生产管线连接及修井控制连接由操作工人进行，井口连接和阀门可进行远程液控系统操作第2章 采油树的分类2.1 引用标准本设计的行业标准是中华人们共和国石油天然气行业标准 sy 515693。2.2 结构形式采油井口装置结构形式是按其连接形式区分的，有螺纹式，法兰式和卡箍式，分别见图2-1，图2-2和图2-3。图2-1 螺纹式采油井口装置1四通；2节流阀；3截止阀；4、6压力表；5总阀；7油管头；8套管阀；9、10套管头；11表层套管；12生产套管；13油层套管；14油管图2-2 法兰式采油井口装置1截止阀；2四通；3、4节流阀；5闸阀；6压力表；7油管头；8、9套管头；10表层套管；11生产套管；12油层套管；13油管截止阀；2四通；3节流阀；4压力表；5闸阀；6油管头；7、8套管头；9油层套管；10生产套管；11油层套管；12油管图2-3 卡箍式采油井口装置1截止阀；2四通；3节流阀；4压力表；5闸阀；6油管头；7、8套管头；9油层套管；10生产套管；11油层套管；12油管闸阀的基本形式有：卡箍式闸阀，法兰式闸阀，分别见图2-4，图2-5。 图2-4 卡箍式闸阀 图2-5 法兰式闸阀 2.3 基本参数2.3.1 此标准采油树的规范级别 本标准由四个规范级别，即psl1，pls2，pls3和pls4。规范级别的确定，应按下表规定：酸性环境不是是是是不是是高浓度硫化氢不是不是是不是不是是井口装设的潜在影响无无无有有有产品规范级别额定工作压力mpa35psl1psl1psl2psl2psl1psl370psl2psl2psl3psl3psl3psl 4105psl3psl3psl 4psl 4psl 4psl 4(1) 是否为酸性环境：含有水和硫化氢的天然气，当气体总压力等于或大于448kpa，气体中的硫化氢分压力等于或大于0.345kpa时的酸性天然气系统；或当天然气与油之比大于1000立方米/吨的含水和硫化氢的天然气-油系统，以及天然气与油之比等于或小于1000立方米/吨时，其总压力大于1.828mpa，天然气中硫化氢分压力大于0.345kpa，或天然气中硫化氢分压力大于69kpa，或天然气中硫化氢体积含量大于15%的含水和硫化氢的天然气-油系统，统称为酸性环境。 (2) 是否为高浓度硫化氢：100mg/l的硫化氢的暴露距井口半径距离大于15m，即为高浓度硫化氢。 (3) 在下列情况下是井口装置有装设的潜在影响：a.100mg/l的硫化氢的暴露半径距井口距离大于15m，并有住宅商业区，学校，医院，公共建筑，公园及道路等区域；b.500mg/l的硫化氢的暴露半径距井口距离大于15m，并有上述区域及道路。c.井位于公园，野生保护区或市区内；d.井距离明火或火焰燃烧设备46m以内；e.井距离公路小于15m；f.井位于给水区；g.井位于内陆航运河道附近；h.井位距离住宅小于106m。(4) 额定工作压力 14 mpa。(5) 采油树的连接用螺纹的额定工作压力应符合gb 9253.2,gb 9253.3和gb 9253.4的规定。2.3.2 基本参数综合上述，主要技术参数如下： 外形尺寸lwh 2240mm380mm1660mm 总质量m/kg 556 最大工作压力pmax/mpa 20 密封压力ps/mpa 20 强度试压pt/mpa 28 测试孔通径dt/mm 35 观察孔直径do/mm 47 适用套管尺寸dc/mm 154 适用油管尺寸dot/mm 66 阀门形式 闸板阀2.4 主要技术参数的确定采油井口装置的常规设计技术参数的计算，按国标及api的有关标准计算，以下为特殊部件的有关参数的算式。2.4.1 油套环空最小流道的确定在满足油井正反洗井排量要求时，确定其节流压力损失不超过0. 1 mpa。依据管道管咀的算式2： (2-1)式中：q流量，m3/h；a管咀流量系数，取a=0.97；d管咀直径，mm；p压力损失，mpa；流体密度，kg/m3；经计算并兼顾铸造工艺，取d=30 mm，其计算结果为: p=0.1mpa时，q=34. 9m3/h。即油套环空流道设计为30mm,其流量为35 m3/h时，压力损失不超过许用值，满足生产工艺要求。2.4.2 油套环空流道断面最小壁厚校核由铸造及加工工艺选定流道最小断面的壁厚为10 mm。因该流道只承受内压产生的径向应力，其强度校核为2： (2-2) (2-3)式中：设计工作压力，mpa；s钢材屈服极限（取s=550 mpa），mpa；许用应力，mpa；p流道设计压力（取p=35 mpa），mpa；d流道内径（取d=30mm），mm；焊缝系数（=1）；壁厚（取=10mm），mm；c腐蚀余量（取c=1mm），mm；k材料均质系数（取k=0.85）；m工作条件系数(取m=0.87)；n过载系数（取n=1.1）；经计算得：=53.3 mpa，=369.8 mpa，即，断面安全。2.4.3 油管挂强度校核设计的油管挂起连通生产阀门的三通作用(图)，其断面受拉应力作用的强度校核为1： 1内径 2通径 3外径图2 油管挂断面图式中：f横截面所受轴向应力，n； a横截面积。cm3。 设井深为1500 m,英寸平式油管。最大工作压力为25mpa，计算结果为：= 65mpa，即，油管挂设计安全。第3章 防盗型偏心采油树总体方案论证与选择3.1防盗偏心采油树的基本结构与工作原理目前,陆地油田抽油机井普遍采用型偏心井口。该井口具有油管挂可自由旋转、便于解卡、设有测试孔,停机即可环空测试、施工不动地面管线、与井下开关配套使用、实现不压井作业等诸多优点。但由于没有防盗功能，安装在野外易被不生分子偷盗，一旦被盗，轻者造成停产，重则能引起井喷火灾等事故，给国家财产造成严重损失。为此设计防盗型偏心采油树，防盗型偏心采油树，在原采油树基础上，进行防盗设计，将部分外露闸阀改为内置式，并且闸阀阀门螺栓应用非常规多边型螺栓，使市面普通工具无法进行装卸，不仅具有原有功能，还具有防盗功能，并且无需高成本制造，这样可以使油田大大降低油井石油被盗率，保护油田正常工作。3.1.1 基本结构防盗型偏心井口由光杆密封器(包括73mm胶皮清蜡闸门和73mm盘根盒)、测试闸门、油管挂体、油管挂、8134推力球轴承、套管法兰、上法兰、球形垫环、闸阀及配件组成。油管挂以73mm油管螺纹,上部与光杆密封器相联、下部与井下油管柱联接。通过7320ac角接触球轴承安装在油管挂体上,卸下螺栓,可实现自由旋转。油管挂与油管挂体之间采用o形密封圈密封,以保证抽出的油和从地层中产生的气体不相混合,按各自的通道流动。在油管挂体和套管法兰之间设有球形垫环,使井口在安装时实现对中。该垫环上部与油管挂体采用o形密封圈密封,下部与套管法兰直接用钢环密封。闸阀螺栓为不规则多边型，使普通工具无法轻易拆卸。3.1.2 工作原理 抽油机井在正常工作时,抽油泵抽出的油经油管柱到达油管挂体的环形空间,由侧孔进入出油阀门a到地面管线。从地层中产生的气体,经过油管与套管的环形空间到达井口,再从油管挂体下部的侧斜孔,经过阀门b进入套管放气阀,套管放气阀可实现定压放气。抽油机井需要测试时,可打开测试阀门,测试仪器通过测试阀门、测试孔下到井下。因卸下上法兰螺栓后,可自由旋转油管挂,所以,能够实现环空测试。井下作业时,只要拧下上法兰的螺栓,将上法兰和油管挂提起即可进行油井作业。3.2 低矮型偏心采油树方案概述与论证本方案的论证主要针对低矮型偏心采油树的主要零部件，包括：1.调心盘根盒的方案选择。2.光杆密封器的方案选择。3.井口采油树本体四通的方案选择。4.偏心油管挂的方案选择。5.套管法兰的方案选择。6.管接头的方案选择。下面分述他们的论证与选择：1.调心盘根盒的方案选择：(1)调心盘根盒的作用与原理：目前，抽油机井井口使用的光杆密封器大是几十年不变的老产品，存在许多需要改进的问题。抽油机井井口调偏装置作为井口装置的一种新型产品，能够很好地解决井口偏心问题，现场应用效果明显。安装抽油机时，要求抽油光杆与井口密封装置同轴心，而实际上不可能没有误差。抽油机运行一段时间后，因受各种因素的影响，大多数油井抽油光杆的轴心会发生不同程度的位移和偏斜。现场资料表明，光杆最大位移达50mm,偏斜角度为3-5。由于原有井口密封装置无法调整，抽油光杆与密封器盘根发生偏磨，盘根严重磨损导致漏油。另外，损坏光杆偷油的现象也比较严重。若光杆被砍出毛刺后，毛刺随光杆的上卜运动而剧烈地切割盘根，使盘根失去密封性能，导致井口大量跑油。现场出现这些现象后只有更换盘根，换盘根时需停井、放空，不但严重影响油井的正常生产，污染井场环境，而目_增加维护作业费用和工人的劳动强度。井口调偏装置从根木上解决了井口偏心问题。(2)调心盘根盒的设计标准及要求：依上所述，盘根盒的设计主要是能够满足调偏与密封，因此决定采用万向球头机构，主要由内部球头，球头座，球头压盖及“o型密封圈组成。耐压可达31.5mpa。当抽油光杆与井口发生偏斜时，抽油光杆能带动球头做相应的摆动，使密封器中心与抽油光杆中心始终保持同轴心，其调偏范围为015度。2光杆密封器的方案选择：(1)光杆密封器的作用与原理：以往的采油井口装置存在以下几点不足:一是不能自动调偏，操作较复杂;二是密封效果较差;三是抽油光杆磨损也比较严重;四是无防盗功能。针对以上四个问题， 形成了初步的设计构思和研制技术要点:采用万向球头原理，解决其自动调偏间题;对密封件的结构形式及材料都做了较大技术改进，并采用多级密封方式，进一步增强密封性能;在球头中采用耐磨尼龙材料，减轻对抽油光杆的磨损;增设防松卸机构，具有防盗功能。其主要技术指标是:额定工作压力定为25mpa，能满足所有井口压力要求。其独特的密封方式和专用的密封材料，能确保使用寿命达到12一18个月。(2)光杆密封器的设计标准及要求：依上所述，光杆密封器的设计主要是满足密封的作用，而且要具有足够的耐压强度，以防止发生井喷。3井口采油树本体四通的方案选择： 常用的油管和套管四通有三种形式即：法兰式四通，螺纹式四通，卡箍式四通三种，本次设计所采用的为法兰式四通，此类四通应用范围广，结构简单，安装简便，密封性能优良。 井口采油树本体四通的设计标准及要求：在设计四通的过程中要重点考虑其选材方面的问题，因为在此设计中四通不仅要抵抗油液的长期浸泡，好要长期的抵抗气体的腐蚀。 4偏心油管挂的方案选择：(1)油管挂的作用与原理：油管挂的主要作用是连接油管与测试装置的管挂体，承受全部的油管重量，按照中华人们共和国石油天然气行业标准 sy5158-93，油管挂与油管的中心距离为17mm，偏心井口是抽油井(指有杆泵采油井)进行环空测试的专用井口。其主要功能是利用该井口将井筒内的油管柱移靠在套管内壁一侧，使油管柱两侧的间隙集中于一侧，扩大下井仪器起下的通道，减少起下井仪器的困难，利用该井的可转动特性，排除电缆(或钢ll)和下井仪器在环空起下过程中随时都可发生的遇阻、遇卡和缠绕油管柱的故障，确保环空起下工艺及环空测试的成功。所以，偏心井口是开展环空测试工作的前提，是环空测试技术成败的关键。(2)偏心油管挂的设计标准及要求：为确保单转动偏心井口具有良好的转动特性.在偏心井口设计中.还设计了相配套的机件。 a)在偏心井口上部的出油立管柱上，设计了“括动接头”。在转动油管挂时.活动接头上部的立管及出油二通管线不跟随转动。因而.实现了不拆除地而管线的转动。 b)在套管头法兰的下部.设计了一个直径为3英寸的规察孔。.可以从孔中窥视电缆(或钢丝)缠绕油管柱的方向.也方便使用工具排除电缆(或钢丝)的缠绕。 c)在偏心油管挂月牙形平而上最宽阔的部位.设计了供下井仪器进出油、套管环形空间的“测试孔”。 d)在测试孔”上的防喷短节上.设计了1个1 1/4英寸的双翼胶皮防喷闸门。 单转动偏心井口和上述诸机件相配套使用.充分发挥了该井口的偏心”和可转动”2大优点。使环空起下工艺中长期未能得到解决的粗、卡、缠”技术难题得到了方便的排除。 5套管法兰的方案选择： 法兰的结构型式有:板式平焊、带颈对焊、整体、螺纹、翻边松套、对焊环松套、平焊环松套、等七种。密封面有:突面、全平面、凹凸面、桦槽面、橡胶环连接、透镜面、焊唇密封等七种。几种法兰常见结构形式的具体介绍：(1) 板式平焊法兰板式平焊法兰由于取材方便，是化工部门过去广泛使用的管法兰型式。由于板式平焊法兰的刚性较差，在螺栓力作用下，法兰变形引起密封面的转角而导致接头泄漏。因此在编制hgj45板式平焊法兰时将其压力等级限制在pn1.0mpa，并规定不得用于有毒、易燃易爆和较高真空度要求的化工工艺配管系统。(2) 带颈平焊法兰和承插焊法兰与带颈对焊法兰相比，带颈平焊法兰或承插焊法兰的颈部高度较低，所以法兰的生产采用滚轧或模锻工艺，比高颈法兰简单。法兰上增加了短颈对提高法兰的刚度，改善法兰的承载能力都大有益处。近年来引进的石油化工装置中普遍使用这两种结构型式。另一方面，带颈平焊法兰或承插焊法兰采用角焊或部分焊透填角焊缝的结构，现场安装较方便。对施工单位更可省略焊缝拍片探伤的工序，所以较受欢迎。(3) 整体法兰整体法兰广泛地应用于阀门、泵的设计中，在配管设计中经常要碰到，因此为了保证标准的完整性，便于设计、制造、使用部门的应用，整体法兰的品种以及整体法兰的适用压力范围和公称通径范围都比较广泛，整体法兰的密封面型式有全平面、突面、凹凸面、桦槽面和环连接面等五种。(4) 带颈对焊法兰带颈对焊法兰俗称高颈法兰，是承载能力最好的法兰型式，也是化工工程设计中广泛使用的法兰型式。(5) 螺纹法兰螺纹法兰是工程建设中广泛使用的一种法兰结构型式，其具有现场安装方便，不需焊接的优点。螺纹法兰采用的螺纹型式有按gb7306规定的550圆锥内螺纹rc，550圆柱内螺纹rp及按gb/t12716规定的600圆锥管螺纹npt等三种。考虑到螺纹法兰的结构特性，因此不宜用于易燃、易爆和高度以及极度危害的场合。(6) 对焊环松套法兰和平焊环松套法兰 对焊环松套法兰和平焊环松套法兰主要适用于具有腐蚀性介质的管道系统。法兰和对焊环、平焊环可以采用不同的材料，所以能节省不锈钢的用量，降低法兰成本，提高使用性能。根据实际情况和目前现场的使用情况分析，套管法兰的选取上述法兰类型中的螺纹法兰，其结构见图3-2：图3-2 螺纹式套管法兰6.管接头的方案选择：管接头的种类很多，从接头的通路上来看：有直通，直角，三通等形式；从油管与管接头的连接方式看：有焊接式，卡套式，管端扩口式，扣压式 等形式；从管接头与机体的连接方式看；有螺纹式，法兰式，等形式；此外，还有各种满足特殊用途的结构形式。焊接式管接头用在钢管连接中，这种管接头连接牢固，利用球面进行密封简单而可靠，缺点是装配时球形头应与油管焊接，因而必须采用厚壁钢管。卡套式钢管接头也用在钢管连接中。这种管接头利用卡套卡住油管进行密封，轴向尺寸要求不严拆装方便，不需事先焊接或扩口，但对于油管的径向尺寸精度要求比较高（要用精度高的冷拔钢管做油管）。扩口式管接头，适用于铜管和薄壁钢管，也可利用其来连接尼龙管和塑料管。这种管接头利用油管管端的扩口在管套的紧压下进行密封，结构简单，适用于低压系统。直角接头为卡套式管接头，连接钢管，另一端通过螺纹与液压元件相连。这种管接头在连接管道时不受方向性的影响，但其结构复杂。扣压式管接头，用来连接高压软管。这种管接头在中，低压系统中得到应用。以上介绍的几种管接头为常用的几种，本次设计的采油树的整体连接方式采用卡箍的形式，所以采用扣压式管接头。第4章 采油井口测试结构装置的设计目前，油田在用的采油测试井口装置，用途单一、功能单一，存在以下缺点:(1)旋转不灵活，测试困难，遇卡遇缠绕处理困难;(2)由于油管和抽油杆之间轴向位置相对固定加之井筒不直，致使两者不可避免的产生偏磨，而这种摩擦集中在油管的内壁某一直线或部位上，使得这些部位的油管迅速磨损，致使油管报废。采用手动旋转井口靠人工控制油管的旋转，不仅耗费大量的人力，且不能保证油管内壁均匀磨损。采用单一旋转井口装置，安装复杂，功能少，生产成本高，效率低下;(3)无油套气回收装置，造成资源浪费，阻碍油井产量提高。综合上述问题，在本次设计中采用了旋转油套气回收环空测试井口装置，较好的解决了上述问题。4.1 工作原理4.1.1 主体及测试部分工作原理 环空测试旋转油套气回收井口是一种由主偏心座及油管挂安装在推力轴承上组成的双回转测试井口，该装置油管挂旋转可使测试钢丝绕油管中心旋转，可解决钢丝在测试过程中发生缠绕的难题。而当主偏心座旋转时，可使测试孔偏移到套管一侧，为测试仪器提供最大下井空间，方便测试。 4.1.2 油管挂旋转工作原理 利用抽油机上下往复运动的动力，当抽油杆向下移动时，固定在抽油杆上的方卡接触到顶杆，带动棘轮做圆周运动，并使棘轮同轴的蜗杆旋转，蜗杆和蜗轮相互啮合，使得蜗轮转动，从而带动油管挂和油管做圆周运动。抽油杆向上移动时，在压缩杆内弹簧的作用下，使得压缩杆复位。如此循环，利用抽油机往复运动作为动力，带动油管旋转，从而使油管和抽油杆均匀摩擦，偏磨减少，延长油管使用寿命。4.1.3 油套气回收工作原理 旋转油套气回收环空测试井口装置安装在油井井口后，进入套管环形空间的天然气，经油管挂的天然气回收口、阀座中间孔道，当压力增加到1.5一5 m pa时，便可顶开阀体，经过回收孔道进入油管孔道得到回收。若油套管环形空间内的天然气压力低于1.5一5 mpa，在弹簧的作用下，阀体会自动关闭，停止回收。回收阀的控压功能主要是通过调节圆柱弹簧的压缩力来实现的(调节范围1.5一5 mpa)。既要维持套管内有1.5一5 m pa以下压力，保证油井正常采油，又要防止套空间回流，保证油井作业正常进行。正常采油时，当油套管环形空间的天然气压力增加到1.5一5 mpa并大于油管内压力，套管气回收阀体会自动顶开，经过回收孔道进人油管孔内得到回收。当油管内压力