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上海交通大学工程硬士专业学位论文( 设计)摘要 修井用液压式油管解卡装置研制 摘要 在油田修井作业中，能否顺利地将井下油管柱起上地面，是直接影 响整个修井进度和作业费用的关键。本文在分析研究油管卡死机理和油 管解卡方法的基础上，针对油井发生砂卡、蜡卡等事故时，采用小修作 业机不能将油管柱从井下起出，无法继续进行修井作业的情况，研制了 修井用液压式油管解卡装置。从而扩大了小修作业机的工作范围，降低 了作业成本，提高了作业时效。 本课题( 设计) 分析了工程背景及国内外现状。通过对油管卡死机 理和油管解卡方法的分析研究，使油管卡阻机理和油管被卡事故处理方 法系统化。对实现大力起拔油管柱方法和解卡装置的传动方案进行了分 析研究，确定了空心双出杆单液压缸结构和单出杆双液压缸结构两种设 计方案，分析确定了两种方案的总体布局和主要结构，并对其主要零部 件进行了设计计算。 重点对单液压缸方案中的关键零件进行了强度计算，为保证卡瓦卡 住油管而又不卡伤油管，对卡瓦的受力状态进行了分析，对其锥度和长 度进行了详细的计算；在对上活塞杆卡瓦座进行受力分析、外载荷计算、 单元格划分、建立力学模型、确定边界条件等基础上，用“a n s y s ”软 件进行了有限元分析，确定了卡瓦座的最大应变位置及最大变形量，计 算出了最大应力值。经核算，满足强度和刚度要求。采用对比分析的方 法对液压系统方案进行了设计和可靠性分析。同时对液压元件进行了选 择，对液压系统进行了验算。编写了该装置的使用说明书。 本课题( 设计) 突出解决的其他技术问题：采用空心双出杆单液压 缸结构，避免了多缸同步问题；整个解卡系统由推力调心轴承支承，工 作中可使油管柱小幅度转动和振动并能自动微调油管和卡瓦的同心度； 不设置专门的导向装置就能保证活塞杆的导向精度；采用预紧弹簧自动 卡瓦机构，避免了多个夹紧油缸造成的结构复杂问题。 关键词：修井作业，油管卡阻，液压系统，解卡装置 i h ed e s i g no fh y d r a u l l c r u b i n gs t u c k f r e ein gs y s t e m f o rw o r i ( o m e r b s t r a c t i ti st h ek e yt op u l lt h ed o w n l a o l et u b i n gs u c c e s s f u l l yt ot h es u r f a c ed u r i n gw o r k o v e r j o bi nt h eo i l f i e l d , w l a i e l am a yd i r e c t l ya f f e c tf i l es p e e x ta n dc o s to f t h ew o r k o v e rp r o c e s s t h eh y d r a u l i cr u t , 啦s t u c kf r e e i n gs y s t e mu s e di nw o r k o v e re n g i n e e r i n gh 丛b e e n d e s i g n e da n dd e v e l o p e do nt h eb a s i so fs t u d y i n g t h et u b i n gs t u c km e c h a n i s ma n dt u b i n g s t u c kf r e e i n gm e t h o d s t h es y s t e mi sd e a l i n gw i t ht h ea c c i d e n t so fs a n ds t u c ka n dw a x p l u g g i g i nw l a i e l at h e 劬i n gp u l i n gs e r v i c ew i t ht h ew o r k o v e rr i gf a i l st op e r f o r m t h e a p p l i c a t i o no ft h es y s t e mi nw o r k o v e rp r o c e s sm a ye x t e n dt h es e r v i c es e o l o ft h e w o r k o v e r r i gi nh i g he f f m e n e ya n dl o wc o s t t h e t l i b i n g s t u c km e c h a n i s ma n dt u b i n gs t u c kf r e e i n gm e t h o d sh a v eb e e n s y s t e m a t i z e db yk c u l 恤e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gi nr e f e r e n c et ot h ep r e s e n tr e s e a r d aa n d s t l l d ya th o m ea n da b r o a d t h em e t h o d so f t u b i n gp u l l i n gw i t hl a r g ef o r c e sa n dt h ep l a n so f t r a n s m i s s i o no f t h es t u c kf r e e i n gs y s t e mh a v eb e e ns t u d i e da n da n a l y z e d t w od e s i g np l a n s h a v eb e e np u tf o r w a r d , w h i c ha r es i n g l ec y l i n d e rw i t hd o u b l eh o l l o wp i s t o nr o d sa n d d o u b l ec y l i n d e r sw i t hs i n g l ep i s t o nr o d f u r t h e r m o r e , t h eo v e r a l la r r a n g e m e n ta n dm a i n s t r u c t u r e so ft h ep l a n sh a v eb e e nd e t e r m i n e d a n dt h ed e s i g nc a l e u l a t i o mf o rt h em a i n c o m p o n e n t sh a v eb e e np e r f o r m e da sw e l l t h ei m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt ot h ec a l e u l a t i o mo f t h es l l e n g t l ao f t h ek e yp a r t s o f t l a es i n g l ec y l i n d e rp l a n i no r d e rt od a m pt h et u b i a gf i r m l yw i t h o u td a m a g ei t , d e t a i l e d a n a l y z i n go ff o r c e sa n dc a l c u l a t i o n sh a v eb e e np e r f o r m e do nd e t e r m i n i n gt h el e n g t ha n d t a p e ro f t h es l i p o nt h eb a s i so f l o a d sa n a l y s i s 1 0 a d sc a l c u l a t i o n , 矗n 沁e l e m e n t sm a r k i n g , f o r c em o d e le s t a b l i s h m e n ta n db o u n d a r yc o n d i t i o n sd e t e r m i n a t i o n , a n s y ss o f t w a r eh a s b e e ne m p l o y e dt od e t e r m i n et h em a x i m u ms t r a i np o s i t i o no ft h e s l i p b o w l , a n dt l a c m a x i m u mf o r m a t i o na n ds t r e s sh a v ea l s ob e e nc a l c u l a t e d t h es t m l g t ha n dr i g i d i t yo ft l a c s l i ph a v em e tt h er e q u i r e m e n to f t h es y s t e ma l t e re l a e e kc o m p u t a t i o n b yw a yo f e o m p a r i 丑g a n da n a l y z i n gt h ep l a n s ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n da n a l y z e dw i t ht h e m e t h o do fr e l i a b i l i t y m e a n w h i l e ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e nc h e c k e dl 巾a n dt h e c o m p o n e n t sh a v eb e e ns e l e c t e d t h eo p e r a t i o nm a n u a lo ft h eh y d r a u l i ct u b i n gs t u c k f r e e i n gs y s t e mh a sb e e nc o m p i l e d t h eo t h e rt e c h n i c a lp r o b l e m ss o l v e di nt h i sd e s i g n ：b y a d o p t i o no f t h es i n g l ec y l i n d e r w i t hd o u b l e h o l l o w p i s t o nr o d s , t h ec y l i n d e r ss y n c h r o n i z a t i o nh a sb e e na v o i d e d t h ew h o l e s y s t e mi ss u p p o r t e db yt h r u s tc o n c e n t r i ca d j u s t a b l eb e a r i n g s ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l ef o rt h e t u b i n gt or o t a t ea n dv i b r a t ei nc e r t a i ne x t e n ta n dt of i n ea d j u s tt h ec o n c e n t r i c i t yb e t w e e n t h em b i n ga n dt h es l i p m o r e o v e r , t h ee x a c t n e s so fg u i d a n c eo ft h ep i s t o nr o d sw i l lb e g u a r a n t e e dw i t h o u ts p e c i f i cg u i d a n c es y s t e m i na d d i t i o n , b yu s i n gt h ep r e - t i s h ts p r i n g a u t o m a t i cs l i p ，t h ec l a m p i n go f t h ec y l i n d e rb e c o m es i m p l ei ns t r u c t u r e k e yw o r d s ：w o r k o v e r , t u b i n gs t u c k , h y d r a u l i cs y s t e m , s t u c kf r e e i n gs y s t e m 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 培 保；蘩密，在_ 蔓年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：多撕硐 指导教师签置舔沁 日期：2 喇年彳月日 日期：2 p 0 2 年矿月6 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：矽彩硐 日期：2 明年岁月膨日 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计)第一章绪论 1 1 课题的来源 第一章绪论 随着对油田的深度开发。我国各大油田陆续进入了中后期开发阶段。为保证油、 水并的正常生产，修并作业次数逐年增加，修井作业成为采油生产的主要工作之一。 修井工艺是油田科研单位的主要研究课题之一，其中大量的研究集中在如何及时、 正确地处理修井作业中出现的各种故障。无论何种修井作业在大多数情况下都需要 起、下油管柱( 将油管起上地面或下入井中) 。能否顺利地起、下油管，是直接关系 到整个修井进度和作业费用的关键问题之一。大量的生产实践说明，由于油井结蜡、 出砂、落入异物及地层各层系之间的错动等原因，在采油井和注水井的修井作业中， 油管被卡的现象时有发生。据有关统计资料，油管被卡井数约占生产井总数的1 0 2 0 ，且随着油井服役期的延长而增多。因而在修井过程中油管解卡作业是修并作 业的重要工作。目前修井作业中，解卡的方法主要是机械解卡，即在对油管进行一 定强度振击的同时加大起拔力( 对其它方法如化学解卡、物理解卡等的研究还很不 成功) 。研究井下被卡管桂如何从井内起上地面，已成为井下作业技术人员的主要 课题。 小修作业机轻便、灵活，作业成本低，除特殊修井作业外，一般首先选用小修 作业机。目前油田修井作业大部分工作是由小修作业机完成的，但小修作业机受结 构的限制，一般额定大钩载荷为3 0 0 k n ，当遇到较严重的油管卡阻时便无能为力， 不得不转为大修。这样不仅使小修作业的前期工作化为乌有，而且大大延长了工作 周期。而大修作业费用最低也要1 0 万元人民币，使作业综合成本大大增加。值得 注意的是，对大多数一般作业井，在这种情况下，只要将油管卡桥解开，后续作业 就可由小修作业机顺利完成，兔上大修设备。为此，在深入研究油管卡阻原因、卡 阻机理、卡阻形式及有效解卡方法的基础上研制一种简单小型的专用油管解卡装置 ( 起拔力大于8 0 0 k n ) ，以便在油管柱遇卡时及时解卡，从而节省大量资金和作业时 间。预计使用该种解卡装置，只要能顺利解卡一次就可补偿其全部的投资费用。经 大量的生产现场调研、分析和研究造成管柱被卡原因，找出有效地解卡方法、研制 其解卡装置是油田生产急需解决的问题。 随着石油企业改革的不断深入，如何充分利用现有设备节能降耗、降低企业成 圭堂奎里查兰堡主堡墨兰兰垡丝苎! 堡生!苎二! 堕丝 本、减少作业费用、提高作业时效，已成为并下作业首先考虑的问题。本课题就是 基于上述考虑，在原有小修作业机上配备修井用液压式油管解卡装置以扩大小修作 业范围。故该课题一方面紧密结合生产实际，解决油田生产急需解决的问题，另一 方面以设备开发研制作为工程硕士学位论文( 设计) 题目也符合有关规定和要求“1 。 1 2 课题的意义 开展该课题研究的理论意义在于它可以进一步使油管卡阻理论系统化，更准确 的解释各种卡阻现象的机理，更快地找到解卡方法，进一步完善修井作业工艺，提 高修井作业质量和作业效率，以提高修井作业的整体水平。 油井解卡装置研制成功，将使现有的小修作业范围扩大，几乎能完成除套铣、 侧钻等特殊作业以外的全部作业，在投资不大的情况下，能使油田现有的修井设备 跃上一个新的台阶。 据统计资料，胜利油田每年修井约为2 5 0 0 0 口，卡阻井约占5 ，即为1 2 5 0 口， 其中能够用油管解卡装置解卡成功的井约占6 0 ，即胜利油田每年约有7 5 0 口井可 用油管解卡装置完成解卡作业，若保守地按每口井可节省修井费用1 0 万元。节省 作业时间1 0 天计算。推广该设备每年将节省修井费用7 5 0 0 万元，作业时间7 5 0 0 天。其经济效益十分可观。 研究该课题的意义还在于它可以使一般修井不上大修，从而避免了只为一个解 卡问题而频繁移动大修作业机的问题，使大修作业机工作更加专业化，系统化。 总之，该装置既发挥了小修作业机轻便灵活，费用低的优点，又克服了其提升 力不足的缺点。对扩大小修作业机工作范围，节省作业成本，提高作业效率，缩短 作业周期具有重大意义。 1 3 课题的研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 在全面调研的基础上，利用最新研究成果，系统地分析油、水井油管卡阻机理， 探讨油管解卡的有效方法，根据油田生产实际和作业现场的实际要求，研制一种修 井用液压式油管解卡装置。使其结构简单，坚固耐用，易损件少，能单独拆装和移 运，能在风沙等恶劣条件下，野外作业，安全可靠，经济合理，尽可能利用小修作 一2 一 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计) 第一章绪论 业机上的原有设备。满足设计参数和使用要求 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 分析工程背景及国内外现状。 ( 2 ) 在广泛调研的基础上，对油管卡死机理和油管解卡方法进行分析研究。 ( 3 ) 确定解卡装置的主参数、总体布局和主要结构方案。 ( 4 ) 主要零部件的结构设计与强度计算。 ( 5 ) 液压缸薄弱环节的有限元分析。 ( 6 ) 液压系统的设计、计算及可靠性分析。 ( 7 ) 根据结构方案、性能、工艺的要求，绘制总装配、部件图及零件图。 ( 8 ) 试验及其分析。 1 4 国内外现状分析 近年来，美国贝克石油工具公司( b a k e ro i lt o o l i n c ) 研制生产的液压不压井 修井设备中，设计了一套液压式油管提升装置，但它受到结构及安装形式的限制， 提拔力为3 0 0 k n ，只能用于提升油管作业。不能用于解卡。用于以上目的相同产品 尚未在国外杂志上发现。 1 9 9 7 年大庆油田采油工艺研究院，试制了一种油管解卡装置，称为修井机辅助 强拔装置蚴，该装置由两个油缸、横粱、底座及游动卡瓦和固定卡瓦组成。游动卡 瓦装在横梁中。固定卡瓦装在底座中。底座直接座在套管法兰上。最大提升力为 3 0 0 k n 。研制者认为，利用该强拔装置与小型修井机( 额定钩载为3 0 0 k n ) 配合，可达 到6 0 0 k n 的提拔力。但在实际工作中，强拔装置的提拔速度与小型作业机上游动系 统大钩的提拔速度很难同步，即6 0 0 k n 的提拔力不能保证。该装置安装在井口套管 法兰上，起拔力直接作用子套管上，由于修井中套管应为保护对象，套管受压会产 生变形，形成新的油井故障，这种安装方式是不允许的，经实际使用说明两个缸的 完全同步问题难解决。 一3 一 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计) 第二章油管卡死机理和油管解卡方法的分析研究 第二章油管卡死机理和油管解卡方法的分析研究 2 1 油管卡死的机理嘲嘲 当井下油管柱不能或仅能在很小一段范围内活动或转动，且不能被上起时称为 油管柱卡死。由于造成油管柱卡死的原因很多，因而油管卡死的类型也很多，常见 的有砂卡、蜡卡、水泥凝固卡、落物卡、套管变形卡等。在实际工作中，必须对油 管被卡的原因进行全面分析，以便正确地拟定解卡措施。 2 1 i 砂卡 凡是油、气井生产或作业施工管柱被油层出砂或施工用砂卡住的故障，统称为 砂卡。 造成油管柱砂卡的主要原因是： ( i ) 油井生产过程中，油层所出砂随油流入套管内，当长时间停产时，油中 的砂粒下沉，沉积在井底，埋住生产管柱，或在油管和套管环形空间的某些狭小部 位卡堵、沉积形成砂桥，当砂桥达到一定长度后使油管上提困难；注水井在注水过 程中由于压力不平衡，或在停注过程中的“倒流”现象，使砂子进入套管内沉积增 多，埋住注水管柱而造成砂卡。 ( 2 ) 冲砂施工中，因泵的排量小，液流上返速度低，冲散的砂子带不出地面， 倒灌或接单根时，砂子下沉将冲砂管卡住。 ( 3 ) 压裂施工油管下得太深，含砂比过大，排量过小，加入的砂子未能全部 带迸裂缝，或压裂后放压过猛，裂缝中的砂子外吐等，使压裂管柱被卡。 ( 4 ) 其他如油井填砂、喷砂射孔等，因措施不当均能造成管柱被卡。 2 1 2 蜡卡 油田生产的原油中一般都含有石蜡，在原油开采时，原油从井底上升到地面的 过程中，温度逐渐降低，油中的石蜡释出并沉积在油管或套管壁上。当沉积层在油 管和套管环形空间内达到足够长度并形成一定的厚度时，则形成蜡桥，造成蜡卡。 2 1 3 水泥凝固卡 凡是在挤注水泥浆施工中造成井下管柱被卡的故障称为水泥凝固卡。 造成水泥凝固卡的主要原因是： ( 1 ) 挤注灰浆时间过长，超过了水泥浆初凝时间，水泥凝结卡住油管柱。或 一4 一 圭塑奎里查兰曼主要塞生兰垡堡壅! 丝塑!苎三兰鎏竺墅垫墨塑塑篁竺主查鳖塑坌堑堑茎 配灰浆水质不符合标准要求，水泥浆提前凝固，卡住旄工管柱。 ( 2 ) 井下温度过高，使用的水泥牌号与井温不符，或添加剂用量不准确，水 泥浆提前初凝。 ( 3 ) 注水泥塞替完灰浆后，设备发生故障，未及时上提油管或反洗井致使油 管柱被卡。 ( 4 ) 挤注灰浆时，管柱丈量或计算错误，使施工管柱困死在井内。 ( 5 ) 水泥封堵油层时，计量或处理不当而造成油管柱被卡事故。 2 1 4 落物卡 主要是在地面作业操作时或其他原因，落在油井内的物体所造成的油管柱被卡 事故称为落物卡。造成落物卡的主要原因多数是由于施工中职责心不强或工具结构 件质量低劣等所造成的。例如钳牙、卡瓦片、井口螺丝、撬杠、小件工具、井下工 具的破损、橡胶等物体落入井内将油管柱卡住。 2 1 5 套管变形卡 由于套管质量不达标，特殊旋工或地层应力变化，以及套管外挤压力大于内压 力等因素，而造成套管一处或多处的缩径、挤扁或弯曲等统称为套管变形损坏，简 称套管变形。凡是由于套管变形使井内油管柱无法提出而造成油管卡住的事故，称 为油管变形卡。 造成套管变形卡的原因： 经过对套管损坏井的调研分析，发现套管变形是由于复杂的多种因素共同作用 的结果，但总有某一种因素是造成套管变形的主要因素。归纳起来，主要有以下几 方面。 ( 1 ) 套管本身质量差、强度低、安全系数小。满足不了在井下长期生产过程 中所受多变复杂外力的作用而损坏。 ( 2 ) 地层滑移、井壁坍塌、将套管错断或挤坏变形。 ( 3 ) 修井过程中选用工具不当，而损坏套管。 ( 4 ) 固井质量差致使水泥分布不均匀，产生套管外漏串通，泥岩层膨胀将套 管挤扁而变形。 ( 5 ) 高压注水或采油压差过大致使套管变形。 2 2 油管解卡方法的分析 一5 一 圭塑至墨查兰堡主堡壅圭兰竺堡奎! 丝生!苎三兰垫筻壅塾墨塑垫竺竺查鲨箜坌堑堑壅 无论哪种原因造成的油管被卡，都严重地影响油田生产甚至造成关并停产，所 以必须及时处理。对于不同类型的油管被卡事故，要依据事故发生的时间和程度的 不同，对井下情况进行全面分析，采用恰当的解卡方法进行解卡作业。 2 _ 2 1 卡点和中和点深度的计算m ( 1 ) 计算的意义 计算卡点以上的管柱重量。 准确掌握卡阻情况，卡阻位置，借助于地质资料、含砂量和沉砂深度等判 断卡阻性质，确定解卡方法。 用计算数据与解卡过程中各参数来比较，分析解卡情况。 ( 2 ) 卡点深度的计算 卡点：油管( 或管柱) 在井下被卡死，其卡死的最高位置称为卡点。卡点深 度是指从卡点位置到钻盘方补心上平面的距离。如图2 - 1 所示。当一口井 管柱被卡后，首先要计算卡点深度，因为卡点深度对判断卡钻的性质和制 定解卡的处理措施有很大关系。 卡点深度的理论计算公式为： l - 墨警 ( 2 1 ) 一 ， 式中三卡点深度( m ) ； e 钢材杨氏模量，一般取2 0 6 e l l p a ； s - - - - 被卡管柱截面积( m 2 ) ； f 所用上拔力( n ) ； a 己在f 力作用下管柱伸长量( ) ； 其中l 的确定通常用比悬重多一点的力作为初 始力，这时卡瓦的绝对高度作为初始点属，再将拔出 的绝对高度作为终点_ l ，用两次以上的上拔力的和， 求出上拔力平均值。而两点间的拔出长度就是管柱伸 长量缸= _ 1 1 2 一 ，两次上拔力的差值，就是上拔力 a f = e b 。为了精确起见，三值可以用多次上拔 计算的平均值。 ( 3 ) 中和点深度的计算 在处理被卡管柱时，如果上提解卡拉力小于被卡 管柱卡点以上的重量时，则管柱上部受拉力，下部受 6 - 图2 - i 砂卡管柱示意图 f i g u r e2 - 1d i a g r a mo f t u b i n gb l o c k e db ys a n d l 一油管；2 一套管；3 一卡点； 4 一沉砂 圭壅奎里查堂塑圭堡塞竺兰竺堡苎! 鍪盐!苎三童垫! 垄垫里塑垫笪竺圭查鲨塑坌婴壅 压力，在二者之间有一点既不受拉，也不受压，这一点称为中和点。在中和点部位 的螺丝松弛，当采用倒扣解卡时，往往容易从此处倒开。其计算公式如下： 上：曼 ( 2 2 ) g 式中l - - 中和点深度( 曲； f 解卡时上提力( k n ) ； 口每米管柱在压井液中的重力( k n m ) 。 2 2 2 常见的油管被卡事故处理方法 2 2 2 1 砂卡事故处理方法 ( 1 ) 活动解卡法适用于砂卡时间不长或砂卡不严重的井。解卡时，上提、 下放油管柱进行活动，使砂子疏松而解卡。上提下放活动可以连续进行，但每次活 动5 - - 1 0 m i n 应该稍停一段时间，以防管柱因疲劳而断脱。活动解卡时，可上提慢 加负荷到一定值后，立即下放迅速卸载；也可活动一段时间，提紧管柱后刹车，使 管柱拉伸悬吊拉力逐渐传到下部管柱。两种活动形式都可能解卡。 ( 2 ) 循环憋压解卡法发现砂卡后，立即开泵循环反洗并，若能反通即可解 卡。如洗不通可采取憋压解卡的方法，如果能憋开，则解卡。憋压解卡时压力应由 小到大逐渐增加，不可一下憋死。若该法同时与活动解卡法一起进行则效果更佳。 ( 3 ) 冲管冲洗解卡法冲管冲洗解卡是利用小直径且出口带斜尖的冲管下至 砂面上5 1 0 m ，在油管内进行循环冲洗出砂子，逐渐解除砂卡。 ( 4 ) 大力上提解卡法在其它解卡法无效时，可采用大力上提解卡法。所谓 大力上提解卡，是在设备载荷及井下管柱强度许可范围内，采用大力上提，以克服 砂子对管柱的阻力而拔出砂塞来解卡。使用这种方法时一定要加固井架绷绳并安装 灵敏可靠的指重表，上提载荷要控制好，否则易损坏井下管柱和作业机，甚至造成 重大事故。采用专用液压式油管解卡装置则既安全又可靠。 ( 5 ) 倒扣套冲解卡法采用上述解卡法无效时，可采取倒扣套冲解卡法。这 种方法是在反扣钻杆下接反扣打捞工具( 如反扣公锥，母锥，反扣捞矛等) ，将井内 被卡管柱在砂面以上的部分逐步倒出，然后下套铣筒套冲去被砂埋住的部分管柱外 面的砂子，再倒出这部分管柱。这样用套冲和倒扣方法交替进行，直到起出全部被 砂卡管柱为止。只有大修作业机或钻机才能进行此种操作 2 2 2 2 蜡卡事故处理方法 目前，各油田常用的清蜡方式主要有：机械清蜡、化学清蜡及热力清蜡几种， 这些主要适用于结蜡不严重的情况。对结蜡严重但未形成蜡卡时需采用管柱清蜡。 一7 一 圭堡至望奎兰堡主堑壅生兰竺丝苎! 堡茎!苎三兰垫笪垄垫兰塑垄竺竺壅鲨塑坌堑里壅 当遇结蜡特别严重已蜡卡油管柱时，必须对套管结蜡进行处理。处理套管结蜡 的方法是利用套管刮蜡法或大力上提解卡方法。 2 2 2 3 凝固卡事故处理方法 对于由于水泥凝固但卡得不牢两能开泵循环的井，可用浓度为1 5 的盐酸进行 循环解卡。对于卡得牢固的情况应采取先倒扣，后套铣的办法解卡。 2 2 2 4 落物卡事故处理方法 处理落物卡，切忌大力上提油管柱，以防卡死，使事故复杂化。一般处理的 方法是： ( 1 ) 如果被卡管柱能转动上提时，可以缓慢转动或低速上提管柱，将落物挤 碎或随管柱一起带出。 ( 2 ) 从卡点处倒扣起出倒开的管柱，下壁钩拔正鱼顶后，再捞出落物解卡。 ( 3 ) 从卡点处倒扣起出倒开的管柱，下磨鞋或铣鞋，将从卡点处到倒扣点的 一段管柱和落物一同磨掉或铣去解卡。 2 2 2 5 油管变形卡事故处理方法 要解除油管变形卡，必须对油管变形进行修理。一般方法是首先采用钻模打印、 试下、电测等方法来判明套管变形的位置、形状以及最小直径，再根据变形的程度 采用不同的工具进行修理。一般采用套管整形工具，即可将变形部位矫正到接近厚 套管内径。目前国内外常用的整形工具有：普通涨管器，偏心滚子整形器，旋转震 击式整形器等多种。 通过调研及上述分析可知，砂卡、蜡卡是油水井作业中经常遇到的事故，据统 计，胜利油田每年作业油井数为2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 口，修井中遇卡的占5 左右，可采 用大力上拔解卡的井占5 0 6 0 ，即胜利油田每年约有7 5 0 口井可用大力上拔解除 油管被卡事故。因此，针对小修作业机提拔力不足的情况，研制油管解卡装置是非 常必要的。 一8 一 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计) 第三章解卡装置的总体设计 第三章解卡装置的总体设计 3 1 设计的依据和原则 3 1 t 设计的依据 ( 1 ) 当油田产能井在生产过程中发生砂卡、蜡卡等事故时，单靠小修作业机 的大钩起吊能力不能将油管柱从并下起出，小修作业机无法继续进行修井作业时。 如无其他措施，只好改为大修作业，请井下作业公司大修队到井场进行作业，这不 仅使前期工作化为乌有，且作业周期长、经济效益显著下降。为使油、水井不至于 大修作业，两管柱负荷又较大的井能够较快地恢复正常生产，有必要研制一种修井 用油管解卡装置，解除油管被卡事故，从而减少大修井次数，创造出可观的经济效 益。 ( 2 ) 修井工艺过程、现场设备和施工场所允许。 ( 3 ) 液压传动的原理、特点能够满足起拔力、速度及动作要求。 ( 4 ) 本课题是研制实用型修井专用设备，急油田修井作业所需，应用价值大、 制造费用低，便于实施。 3 1 2 设计所遵循的原则 ( 1 ) 在满足性能和现场作业要求的前提下。力求结构简单、操作灵活、维修 方便、外形美观以及经济合理。 ( 2 ) 注意关键部件的设计，保证良好的精度和性能。 ( 3 ) 坚固耐用、搬运方便、安全可靠，适应野外作业环境。 ( 4 ) 满足工艺性要求。 ( 5 ) 尽量选用标准件。 3 2 解卡装置主参数的确定 额定起拔力e 根据现场要求，考虑油管柱的最大抗拉能力，确定解卡装 置额定起拔力f = 8 0 0 k n a 最大起拔力，胍 考虑该装置还应满足利用钻杆进行解卡作业的需要， 确定最大起拔力f u = l l o o k n a 一9 一 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计)第三章解卡装置的总体设计 提升速度u 的确定解卡装置的主要作用是大力上提油管柱，使其解卡。 因此，提升速度不易过高，经调研分析，提升速度q 和复位速度u ：分别确 定为：1 q 1 5 州m i n ；啦4 2 q 。 动力油泵的额定供油压力阢考虑各种阻力损失并留有一定储备量，且 小修作业机上的供油装置，泵压一般为以= 1 6 m p a 。确定动力油泵的供油 压力以= 1 6 m p a 。 供油泵的排量v 及转速一参考现有泵的工作参数取v - - 9 0 m l r ； 一= 1 5 0 0 r m i n 最大工作行程s 的确定考虑到油管接箍长度1 4 0 姗，为避免卡瓦卡住接 箍的工况，实际行程必须大于2 倍的接箍长度，为此确定s = 5 0 0 m 。 3 3 解卡装置总体布局和主要结构方案的确定 3 3 1 实现大力起拔油管的方法 经调研分析实现大力起拔油管柱的主要方法有以下几种： ( 1 ) 增加作业机游动系统钢丝绳股数，在大钩、井架允许的前提下大力上提油 管柱。使用这种方法时，一定要加固井架绷绳并安装灵敏可靠的指重表，上提载荷 要控制好，否则易损坏作业机，甚至造成井架倾倒等重大事故。 ( 2 ) 大修作业可实现大力起拔油管柱。这种作业方法，不但作用周期长，而且 作业费用高，确实没有其它解卡办法时才上大修作业机作业。 ( 3 ) 用修井机液压辅助强拔装置。修井机液压辅助强拔装置的最大提升力为 3 0 0 k n 。研制者认为，该强拔装置与小修作业机配合，好象可达到6 0 0 k n 的起拔力。 但在实际作业中，强拔装置的起拔速度与小修作业机大钩起拔速度很难同步，即 6 0 0 l 【n 的起拔力不能保证。因此很少使用。 ( 4 ) 研究一种独立、且搬运方便的修井用液压解卡装置，实现大力起拔油管柱。 使其解卡后，再继续采用小修作业机进行提管作业，以缩短作业周期，降低作业费 用。这正是本文设计的目的。 3 3 2 解卡装置传动方案的确定 要使解卡装置实现大力起拔油管柱，必须将原动机的旋转运动变为执行元件的 上下往复直线运动，实现这种运动形式的传动方案主要有滑动螺旋传动、齿轮齿条 传动和液压传动等。 一1 0 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计) 第三章解卡装置的息体设计 ( 1 ) 滑动螺旋传动方案由电动机通过变速机构带动螺旋螺母转动，从而实现 大力起拔油管柱所需的上下往复直线运动。该传动方案结构简单，制造方便，运动 平稳，易于自锁；但摩擦阻力大，传动效率低( 约3 0 9 6 4 0 ) ，有侧向间隙，反向有 空行程，低速时有爬行“”。 ( 2 ) 齿轮齿条传动方案由电动机通过变速机构带动齿轮齿条传动，实现大力 起拔油管柱所需的上下往复直线运动。该传动方案的传动速度和功率范围很大；传 动效率高( 约9 8 9 9 5 ) ，工作可靠，使用寿命长，结构紧凑，但制造成本高，有 噪声、振动和冲击，无过载保护作用。 ( 3 ) 液压传动方案液压传动方案是以液压油为工作介质，通过液压泵将原动 机( 电动机) 的机械能转换成液流的压力能，再通过执行元件( 液压缸) 将液流的压力 能转换为机械能，以拖动外负载。液压传动方案可以采用控制、调节元件来控制、 调节液压系统中液流的压力、流量及其方向，以满足负载变化和变速变向的要求。 液压传动有以下特点： 同样的功率，液压传动装置重量轻、体积紧凑、惯性小。 可在运动中方便地实现大范围的无级调速。 运动平稳、易实现快速启动、制动和频繁换向。 采用安全阀，可实现过载保护。 系统内部机构都在油内工作，能自行润滑，可以经久耐用。 借助各种阀可实现自动控制及远距离操作。 液压元件易实现标准化、系列化和通用化，便予设计、制造和推广应用。 基于以上分析综合考虑本设计结构性能的要求，选用液压传动方案。 3 3 3 解卡装置总体布局方案的确定 采用液压式起拔油缸，使其与修井机原有液压大钳共用一个液压动力源。省去 一个液压泵站和部分液压回路。 为了减少液压缸，使结构简单，采用空心双出杆单液压缸结构或单出杆双液压 缸结构两种总体布局方案。 3 3 3 1 双液压缸结构总体布局方案 ( 1 ) 结构组成如示意图3 - 1 所示。此方案主要有底座l 、液压缸2 、卡瓦3 、 横梁4 、导向柱5 、法兰6 及工作台7 等部件组成。液压缸2 两端采用铰支结构， 其导向精度靠导向柱来保证。其横梁4 的功用是将液压缸活塞杆的头部刚性连接在 一起，经导向柱5 使两个液压缸达到机械同步。横梁上装有上卡瓦，并承受起拔力， 上海交通大学硬士研究生学位论文( 设计) 第三章解卡装置的总体设计 要求横粱有一定剐度和抗弯曲能力。工作 台7 的功用是支撑液压缸、下卡瓦等工作 部件，在采用液压转盘转动油管柱时，安 放液压转盘，同时便于工人操作。 ( 2 ) 工作原理 油管解卡装置的单向起拔动作由 一个三位四通手动换向阀控制。解卡 时，将该装置座在井口夯实的地面上， 把液压缸上下油口接上油管线，启动油 泵，使液压缸的下油口进油，上油口回 油，推动活塞杆和横梁一起上升，同时 上卡瓦卡紧油管一起上升，此时，下卡 瓦处于非工作状态。当横梁上升至最高 点时，切换回路，使液压缸的上油口进 油，下油口回油，活塞杆和横梁一起下 图3 - 1 双液压缸结构总体布局方案图 f i g u r e3 - lo v e r a l la r r a n g e m e n tp l a n o fd o u b l eh y d r a u l i cc y l i n d e r s t r u c t u r e 1 一底座；2 液压缸；3 - - 卡瓦；4 - - 横 栗；5 - - 导向柱；6 一法兰； 7 一工作台 降，这时下卡瓦自动复位并卡紧油管，使油管处于静止状态。当活塞杆和横梁下 降到最低点时，切换回路，使液压缸的下油口进油，上油口回油，活塞杆和横梁 一起再次上升，如此往复循环。 ( 3 ) 主要优缺点 优点：结构简单，高度方向尺寸较小，工作稳定，当需要活动油管柱时， 可壹接将液压转盘放在工作台上使用，工人操作方便。 缺点：整体尺寸较大，两缸需靠横粱导向柱实现机械同步。 3 3 3 2 空心双出杆单液压缸结构总体布局 ( 1 ) 结构组成 如示意图3 2 所示。此方案主要有上卡瓦1 、液压缸2 、活塞3 、活塞杆4 、 下卡瓦5 、底座6 、上进油口7 、下进油口8 组成。 。 ( 2 ) 主要部件的功用 底座底座的功用是支撑液压缸及使其他部件按要求相互连接，并承受 起拔力。因此要有一定的刚度和强度。 液压缸液压缸是解卡装置的执行元件。其功用是将液压能转换成机械 能，以实现往复直线运动，要求其结构简单，工作可靠。 一1 2 一 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计)第三章解卡装置的总体设计 卡瓦卡瓦分上卡瓦和下卡瓦。其功用是当解卡装置工作时。能将油管 在任一位置可靠的卡紧。为保证卡瓦工作可靠，其外表面设计有一定的 锥度，与卡瓦座内孔相配合。要求卡瓦能自锁，卡瓦牙耐磨损。 ( 3 ) - v 作原理 油管解卡装置的单向起拔动作 由三位四通手动换向阀或三位四通 电液换向阀控制。解卡时，让被卡油 管穿过解卡装置内腔，把该装置坐在 井口夯实的地面上，将液压缸上下油 口接上油管线，启动油泵，使液压缸 的下油口迸油，上油口回油，推动活 塞杆上升，同时上卡瓦卡紧油管一起 上升到最高点时，切换回路，使液压 缸的下油口回油，上油口迸油，活塞 杆下降。此时，下卡瓦自动复位并卡 紧油管，使油管处于静止状态。当活 塞杆下降到最低点时，切换回路，使 液压缸的下油口迸油，上油口回油， 活塞杆再次带动上卡瓦卡紧油管上 升。如此往复循环。 ( 4 ) 主要优缺点 优点：省去了图3 - 1 方案中的机 械同步机构( 横梁导向柱) ，结构简 单。 图3 - 2 空心活塞杆的单缸 结构总体布局方案图 f i g u r e3 - 2o v e r a l la r r a n g e m e n tp l a no f s i n g l ec y l i n d e ru i t hh o l l o wp i s t o nr o d 1 - - 上卡瓦；2 一液压缸；3 一活塞； 4 - - 活塞杆；5 一下卡瓦；6 一底座； 7 - - 上进油口：8 一下进油口 缺点：液压缸、活塞及活塞杆总成的精度要求较高，制造比较困难。 两种方案都设计，本论文重点论述空心双出杆单液压缸结构布局方案的设 计。 3 3 4 主要结构方案的设计 ( 1 ) 采用空心双出秆单液压缸结构空心活塞杆既是拔管过程中油管的通 道，也是提升机构中的游动卡瓦座。游动卡瓦座设计在空心活塞杆上端，固定卡 瓦座设计在液压缸底座内。 一1 3 圭壅奎墨查兰堡主堕壅兰兰些堡苎! 堡盐! 墨三兰竺主鍪墨竺璺竺丝盐 ( 2 ) 采用自动动力卡瓦，在满足性能要求的前提下，使结构最简化。 ( 3 ) 液压缸与活塞杆问的动密封均采用组合密封圈结构，确保良好的密封性 能。 ( 4 ) 液压缸设计有活塞运动行程控制开关。使起拔过程实现自动化，且具有 较好的防冲击和安全性 ( 5 ) 为避免套管在解卡中受重压，应设计有独立的底座。 ( 6 ) 为满足某些特殊作业，如下放油管作业，设计有手动的卡瓦提升机构。 ( 7 ) 采用三段圆柱孔面导向装置，以保证液压缸具有良好的导向性能。 ( 8 ) 为使解卡装置能在解卡中作小幅度转动，设计有可转动机构，为保证上、 下卡瓦起拔时具有一定的同轴度，采用推力向心对称球面滚子轴承支承，以满足支 承大轴向力和调心要求。 一1 4 一 上海交通大学硕士研究生学位论文( 设计)第四章主要零部件的设计与强度计算 第四章主要零部件的设计与强度计算 4 1 液压缸的设计与计算 液压缸是解卡装置的执行元件，它将压力能转换为机械能，并实现往复直线运 动。液压缸的类型，根据确定的两种解卡装