（机械工程专业论文）新型一体式套管头的开发和设计.pdf

摘要 本文在对国内外各种套管头结构技术水平及冀东南堡油田l 号人工岛井口槽钻井 要求进行分析的基础上，从简化操作程序，提高操作效率、操作可靠性和安全性的角度， 对套管头的本体、悬挂器和密封组件的选型和优化设计进行了研究，设计出了外形尺寸 小巧、操作简单，一个本体可以悬挂二级套管的新型一体式套管头。通过型式试验和现 场使用表明，所设计的产品能够完全满足人工岛井口槽的钻井要求，同时还能有效地提 高工作效率，降低安全隐患。 本文首先从实际出发，对冀东南堡油田l 号人工岛井口槽结构进行调查分析，对套 管头在钻井流程中的作用进行了研究，确定了适合井口槽结构使用的本体和悬挂器结构 型式，减少钻井防喷器使用的套数和拆装井口的次数，一次安装后不需要更换井口装置 和改变地面设施，就可以完成多次固井及钻井作业。然后对该套管头的主要零、部件按 照压力容器的相关要求进行了强度计算，满足设计载荷要求。并对该套管头进行了型式 试验和标准化设计，全面满足冀东油田的生产需求，解决了配件不统一，安装困难的难 题。 关键词：井口槽，套管头，整体式套管头，设计 t h e d e v e l o p m e n t a n dd e s i g no fn e w i n t e g r a lc a s i n gh e a d c h e n gw e i ( m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q iy a o g u a n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so fav a r i e t yo fe a s i n gh e a ds t r u c t u r ef o rd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lt e c h n i c a ll e v e la n dn a n p uo i l f i e l dt h ef i r s ta r t i f i c i a li s l a n dw e l l h e a ds l o td r i l l i n g r e q u e s t ，i no r d e rt os i m p l i f i e dp r o c e d u r e s ，i m p r o v eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c y , o p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t ya n ds a f e t y ，m a k et h er e s e a r c ho ft h es e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o no fc a s i n gh e a d b o d y , h a n g e ra n ds e a l i n gc o m p o n e n t s ，t h en e wi n t e g r a le a s i n gh e a do fc o m p a c td i m e n s i o n s ， s i m p l eo p e r a t i o n ，t w oe a s i n gc a nb eh u n gb yo n eb o d yb e e nd e s i g n e d t h r o u g ht h et y p e t e s t i n ga n du s i n gb yo i l f i e l ds h o wt h a ti th a sf u l l ym e e ta r t i f i c i a li s l a n dd r i l l i n gs l o tw e l l h e a d r e q u i r e m e n t s ，w h i l ee f f e c t i v e l yi m p r o v ew o r ke f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gs e c u r i t yr i s k s i nt h i sp a p e r , p r o c e e df r o mr e a l i t y , i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h ew e l l h e a ds l o t s t r u c t u r eo fn a n p uo i l f i e l dt h ef i r s ta r t i f i c i a li s l a n d ，t h ec a s i n gh e a d sr o l ei nt h ed r i l l i n g p r o c e s sh a sb e e ns t u d i e dt od e t e r m i n et h et y p eo ft h eb o d ya n dh a n g e rt h a ts u i t a b l ef o r t h e u s eo fw e l l h e a ds l o t ，t or e d u c et h eu s eo fp l o i d yb o pa n dt h ef r e q u e n c yo fr e m o v a la n d i n s t a l l a t i o no fw e l l h e a d ，o n c ei n s t a l l e dd on o tn e e dt or e p l a c et h ew e l l h e a de q u i p m e n ta n d c h a n g e si ng r o u n df a c i l i t i e s ，w ec a nc o m p l e t et h em u l t i p l ec e m e n t i n ga n dd r i l l i n go p e r a t i o n s t h e nh e a dt ot h ec a s i n gh e a dm a i np a r t sa n dc o m p o n e n t si na c c o r d a n c ew i t ht h er e l e v a n t r e q u i r e m e n t so fp r e s s u r ev e s s e ls t r e n g t hc a l c u l a t i o nc a r r i e do u tt om e e tt h ed e s i g nl o a d r e q u i r e m e n t s a n dc a r r i e do u to ft h ec a s i n gh e a dt y p et e s t i n ga n ds t a n d a r d i z a t i o no fd e s i g n , a n dp r o d u c t i o nt om e e tt h ef u l ln e e d so fj i d o n go i l f i e l d , s o l v et h en o n - u n i f o r mp a r t s ， i n s t a l l a t i o nd i f f i c u l tp r o b l e m s k e yw o r d s ：w e l l h e a ds l o t , c a s i n gh e a d ，i n t e g r a lc a s i n gh e a d ，d e s i g n i l 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体喜雯薹言，兰! ! 丝塑二壁丛壅篁丝堡互坚弘；羡矿 毕业院校：! 芏圈星趁垄望! 经查：2 毕业时间：2 旦f ! 亟! 囝 论文类型：博士论文口硕士论文 博士后研究报告口同等学力论文口 授权人签字： 日期：2 0 0 9 ff 日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：互至2 壹日期：2 口。夕年，月同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 同期：2 口口歹年，月，多同 同期：叼年，2 月， i 4 1 4 m p aob ；，5 8 6 m p a 6s 1 1 8 1 i r 1 3 5 。 3 3 套管悬挂器结构方案的确定 套管悬挂器是套管头装置的核心，其外径应能通过相应的全开孔防喷器，按悬挂方 式可分卡瓦式和螺纹式两种。 3 3 1 卡瓦式套管悬挂器 卡瓦式套管悬挂器，它是靠卡瓦上面的卡牙紧紧咬住套管的外壁来实现对套管的卡 紧和悬挂的。见图3 1 所示。 第3 章新型一体式奁管头的结构设计 图3 - l 卡瓦式套管悬挂器 f i 9 3 - 1s l i p t y p ec a s i n gh a n g e r 当卡瓦卡住套管时，管柱本身的重力g 作用在卡瓦上，产生一个轴向分力f ，通过 卡瓦外环的锥面，产生一个径向分力n ，这个径向分力n 使卡瓦卡紧套管。在套管头 的设计中，把这个分力达到挤毁套管时的值定为悬挂器的极限载荷，如果能减小这个分 力，又不使套管滑脱，就可增大悬挂器的承载能力。卡瓦式套管悬挂器的特点之一是它 的卡瓦总是以某种形式和主密封环相连，当下放套管带动卡瓦下移时，常会带动一个机 构使密封环胀开。也可用手拧紧螺钉使密封环胀开。 但是，由于卡瓦式悬挂器结构复杂，对锥面的加工精度及卡瓦材料的热处理要求非 常高，因而其价格相对比较高。安装时对井口的对中情况要求比较严格。为解决井口对 中的问题，设计上常常采用将卡瓦分成若干瓣，在坐入本体时可以自动调整对中。 3 3 2 螺纹式套管悬挂器 螺纹式套管悬挂器，它是通过在悬挂器上加工套管螺纹，与所悬挂的套管用螺纹连 接的悬挂器。见图3 - 2 所示。 图3 - 2 螺纹式套管悬挂器 f i 9 3 2s c r e wc a s i n gh a n g e r 螺纹式套管悬挂器与卡瓦式悬挂器相比，它不需要加工配合锥面，对材料的热处理 要求也不很高。它不但结构简单、价格低廉、不需要在井口切割套管和磨削坡口，而且 中国石油人学( 华东) t 程顾l ：学位论文 不存在挤扁套管、卡瓦牙咬伤套管的问题，对于井口稍微偏斜、卡瓦不易卡紧套管的油 井尤为适用。 螺纹式套管悬挂器的悬挂能力与密封压力与套管螺纹的强度和密封压力相关。具体 额定压力值见表3 7 。 表3 7a p i 内螺纹式端部或出口连接的额定压力值 t a b l e 3 - 7p r e s s u r er a t i n g sf o ra p ii n t e r n a lt h r e a d e de n d o ro u t l e tc o n n e c t i o n s 管螺纹规格外径规格额定一i ：作压力 螺纹类型 i nm mm p a l ：22 1 36 9 o 管线管 3 4 22 6 7 6 0 33 4 5 ( 标称规格) 21 2 67 0 _ 3 1 6 8 32 0 7 油管( 不加厚和外加 1 0 5 0 , 41 22 6 7 1 1 4 33 4 5 厚圆螺纹) 41 2 1 03 4 1 1 4 3 2 7 3 03 4 5 套管( 圆螺纹、偏梯 l l3 姐1 33 8 2 9 8 5 3 3 9 7 2 0 7 形螺纹、直连形) 1 6 2 04 0 6 4 5 0 8 01 3 8 3 3 3 套管悬挂器方案的确定 经过上述分析对比，考虑到卡瓦式悬挂器锥面的加工精度及卡瓦材料的热处理要求 非常高，我公司的加工能力无法实现，而我公司对套管螺纹的加工能力非常强，同时螺 纹式套管悬挂器的结构简单、价格低廉、不存在挤扁套管、卡瓦牙咬伤套管的问题，因 此新型一体式套管头的悬挂器方案初步确定为螺纹式套管悬挂器，它加工方便、成本低 廉，既能满足油田的油井生产需求，又适合我油田“降本增效 的方针。但还需要结合 油田的钻井和完井的实际过程进行优化设计。 在油田的生产过程中，钻井是由几大系统组成的，其中钻机的循环系统主要由钻井 泵、灌注泵、地面管汇、泥浆罐、固控设备( 或叫泥浆净化设备) 、泥浆调配设备等组 成。典型的旋转钻机的循环系统为钻井泵把泥浆从泥浆罐中吸入到泵中，变钻井泵的机 械能为泥浆的液体能，泥浆获得能量后，经过泵出口管线、立管、高压水龙带、水龙头， 进入转动的方钻杆、钻杆、钻铤的内孔中，通过钻头上的水眼喷射到井底，辅助钻头钻 进。井底的泥浆把钻头切削下的岩屑通过由钻杆柱和井壁组成的环形空间带至地面的泥 浆管线中，进入泥浆罐，经过各种固控设备对泥浆净化后，又进入钻井泵中重新循环流 动1 9 】。 固井是为了加固井壁，保证继续安全钻进，封隔油气和水层，保证勘探期间的分层 试油及在整个开采过程中合理地油气生产。它是下完套管之后，把水泥浆泵入套管内， 再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间的设计位置，进行碰压和候凝的过程。 固井是在安装完套管头后进行，常规情况是将套管头安装到位后继续钻井，钻完预 第3 章新型一体式套管头的结构设计 定井深后下套管，并将套管悬挂器安装完成后再进行固井作业。由于此时套管悬挂器已 将套管环形空间封闭，故操作时除了钻井时的循环管线系统外，还需要在套管头的本体 侧孔上再接一条循环管线与泥浆罐相连，以使固井时的泥浆能够返回泥浆罐。这种情况 使现场管线增加成本、操作复杂。 据调查，大部分钻井队没有按上述方法进行固井，在下完套管，将套管与套管悬挂 器相连后，没有将套管悬挂器做到套管头内，而是将其提起一定高度，保持环形空间的 畅通，利用原有的钻井循环管线进行固井作业，之后再将套管悬挂器回落。这样做的缺 点是，套管悬挂器提起时有时出现卡井等现象提不起来或回落时经常回不到位的现象， 尤其是在造斜比较浅的井和水平井比较明显。 为了方便现场操作和解决卡井、回落不到位的现象，对螺纹式套管悬挂器进行了结 构优化设计，设计结果如图3 3 所示。 。盯。w 酞搬 图3 - 3 新型一体式套管头套管悬挂器 f i 9 3 - 3c a s i n gh a n g e rf o rn e wi n t e g r a lc a s i n gh e a d 如图3 3 所示，套管悬挂器的内孔为套管螺纹，与相应的套管相连接，在套管悬挂 器的外圆支撑台面上开了若干个通孔，其孔的截面积之和应满足固井时钻井液的流速要 求，上下各有两个斜面，一个用于在本体上作支撑用，另一个斜面用于清理钻井液时使 用。固井完成后，用清水对剩余的钻井液进行冲刷，清除残留的钻井液，清除时必然会 有- - , 1 , 部分钻井液清理不干净，则这些残留液体集中在斜面的下角罩，这个角落不影响 密封组件的安装，它就保留在密封组件和悬挂器斜面之间的这个缝隙里，不影响密封效 果和其他的安装与使用。 其工作原理是钻完预定井深后，将套管悬挂器通过螺纹与最后一根套管进行连接， 将其坐入套管头本体内的相应台阶上安装完毕，利用套管悬挂器侧面的通孔进行完井时 泥浆的替换工作，泥浆从环形空间经过套管悬挂器的通孔流到管线内，继而流入泥浆罐。 它不需要再在套管头上重新连接一条泥浆管线，也不必将套管悬挂器提起进行泥浆循 环，就可以完成钻井和固井作业。 中圉杠油人学( 华东) t 程颂l ：学位论文 3 4 本体结构方案的确定 套管头本体的作用是承坐套管悬挂器，安置密封组件，见图3 - 4 。钻进时，套管头 本体上接防喷装置，完井后它与油管头相连。 图3 - 4 双层套管头示意图 f i 9 3 - 4d o u b l ec a s i n gh e a d 目前，套管头本体内孔有直孔式和锥孔式两种，直孔式套管头本体内孔是圆柱形的， 悬挂器与本体之问有一补心，悬挂器背锥与补心上的锥孔配合，完成悬挂功能。锥孔式 套管头本体内孔是带锥度的，悬挂器背锥可直接与本体锥孔配合。由于锥孔式套管头本 体的锥度加工精度要求非常高，工艺复杂，直孔式套管头本体加工工艺性好，避免了在 大本体上加工要求较高的锥孔；适应性强，改变套管程序时，只要选配合适的套管悬挂 器即可，不需要更换较为昂贵的套管头本体；锥孔式套管头本体不用补心，结构比较紧 凑，在直径受限制的地方有它的优越性【2 1 。因此，在设计中，选择直孔套管头本体结构。 常规双层套管头的本体分上、下两部分( 见图3 5 ) ，每一部分悬挂一级套管，下部 本体与表层套管连接，上下本体之间用螺栓连接，上部本体与防喷器连接。这种套管头 结构复杂，外形尺寸大，在我油田的井口槽钻井工艺上无法使用。 2 7 第3 章新型一体式套管火的结构设计 图3 - 5 双层套管头本体外形 f i 9 3 - 5b o d yf o rd o u b l ec a s i n gh e a d 按照井口槽对套管头外形尺寸的要求，新型一体式套管头本体的方案设计为，将双 层套管头的上下本体合二为一，将两级套管悬挂器集中到了一个本体上，本体上有一个 4 5 。的台阶，用来支撑下部的套管悬挂器，上不得套管悬挂器直接作用在下部悬挂器上， 本体采用直孔式( 见图3 6 ) ，方便了密封组件的安装和钻井液的流动，极大地节约了空 间，使整体外形尺寸小巧，提高了其适用性，可以在各种钻井工况下安装，包括井口槽。 图3 6 新型一体式套管头本体 f i 9 3 - 6b o d yf o rn e wi n t e g r a lc a s i n gh e a d 同时由于其在一个本体里悬挂两级套管，对于目前我们在钻井工艺中遇到的尾挂套 管经常需要反挂到套管头上的情况，极其适用，它不需要拆卸防喷器，再安装本体、变 中国石油人学( 华东) t 程硕i 二学位论文 更管线及井口高度，只需要再在其内部安装一个合适的悬挂器即可满足要求。 3 5 密封方案的确定 3 5 1 常规套管头密封问题 随着套管头在各油田的应用【1 3 】【1 4 】，其密封失效问题成为套管头应用中一个最棘手 的问题，而要处理套管头密封失效需要花费大量的人力、物力，为此采取有针对性的预 防措施，是解决此类问题的最佳方案。在使用过程中，不同类型结构的套管头悬挂器失 效的原因各不相同，针对此种情况，以常用的两种不同结构的套管头为例进行具体分析。 ( 1 ) 心轴式套管头密封失效原因分析 这种套管头采用扣连接形式，其套管悬挂器由密封圈和心轴组成，其结构简单，使 用方便，见图3 - 6 ，但其对井口对中和密封面粗糙度等使用条件要求较高，容易造成密 封失效。失效的主要形式有： 图3 - 7 心轴式套管悬挂器密封 f i 9 3 - 7s c r e wc a s i n gh a n g e rs e a l 、套管悬挂器坐封后与本体相对歪斜在环境温度下，套管悬挂器与本体的承载 面光洁度都符合设计要求，套管悬挂器坐封后用顶丝挤压矫正，套管悬挂器能够居中， 与承载台阶面配合良好，所用的试压介质为清水，这样承载台阶面也不会存在异物。实 验结果：套管悬挂器坐封理想，试压成功率达到9 8 。而在钻井施工现场，施工条件与 室内试压条件相差很大，承载台阶面上有可能存在岩屑、沙粒或其它异物，导致套管悬 挂器与本体坐封时产生相对歪斜现象，使密封失效。如胜利油田t 7 1 2 0 井完井交井后， 采油作业队进行作业时，发现套管头悬挂器与本体发生相对歪斜，密封圈不能密封环空， 试压达到4 m p a 就发生漏失，影响采油作业正常施工。 、套管悬挂器密封圈被挂损坏或脱落由于套管悬挂器密封圈大部分是橡胶制品， 橡胶有遇压变形、预热膨胀、遇挂受损的特性，所以在套管悬挂器坐封的过程中，套管 悬挂器下放速度过快或为防止套管发生粘卡而来回的提拉活动套管时，会导致密封圈与 防喷器、套管头法兰面发生摩擦挂损，甚至会发生密封圈脱落，使密封失效。如胜利油 田h 3 3 斜1 1l 井，下完油套进行循环过程中，由于活动套管导致密封橡胶圈受挂脱落， 采油队作业试压时，压力达到9 m p a 就稳不住压力。 第3 章新型一体式套管义的结构设计 、套管头本体密封面受损在钻井过程中，由于使用套管头防磨套不当，或未及 时更换受损防磨套甚至未安装防磨套，导致套管头本体承载密封面受到偏磨损伤，在套 管悬挂器坐封后不能产生有效密封。 、井口不正、偏斜位移过大有可能导致套管悬挂器坐封不到位一开后安装封井 器时，因为套管偏斜会使井口、转盘和天车不在一条直线上，这样在完井作业时，由于 井口太偏，套管悬挂器下坐封面就有可能坐在法兰面上，不能坐封到位。 、自锁压力不够，密封圈不能变形产生密封效果在完井固井作业时，大部分井 队采用开放式固井法，这种方法操作方便，但在固井过程中，套管悬挂器要上提进行循 环，由于上提高度过高或因为固井后套管粘卡，套管悬挂器下放坐封后受到的拉力减小， 甚至不能坐封到承载台阶面上，密封圈就不能受压变形产生有效密封。 针对上述分析，应该从套管头本体、悬挂器及密封组件的结构设计上的优化和改进 进行解决。 一是在满足支撑密封组件的要求下，在悬挂器与密封组件之间留出容纳残留物的空 间，在悬挂器上预留一个斜面，固井完成后，用清水对剩余的钻井液进行冲刷，清除残 留的钻井液，清除时必然会有- 4 , 部分钻井液清理不干净，则这些残留液体集中在斜面 下角的预留空间里，这个空间不影响密封组件的安装，因此不会产生密封组件歪斜的现 象发生。 二是将密封组件的安装位置放到悬挂器的上方，待悬挂器坐封到位后在安装密封组 件，由于本体为直孔结构，上部分尺寸稍大可做引导，安装时容易对中，有悬挂器已经 坐封到位，不会再发生提拉等活动，不会使密封件发生损坏。 三是在安装过程中，应j 下确使用压紧项丝和防磨套等工具。顶丝主要作用是将密封 组件压紧，产生预紧力；防磨套的作用主要是保护密封面不被钻具损坏。 ( 2 ) 卡瓦式套管头密封失效 卡瓦式套管头密封失效有卡瓦主密封失效和b t 密封失效两种形式，其产生的原因 和克服方法讨论如下： 、卡瓦主密封失效卡瓦式悬挂器通过镶在下部的密封圈受压后变形，与承载密 封面进行结合，形成有效密封。但在坐封过程中，由于偏斜或其他原因，密封圈上部卡 瓦受力不均，使密封圈产生的变形不均匀，导致内外套管之间不能产生有效的密封。 、b t 密封( 辅助密封) 失效b t 密封一般是通过液压方式在环内注入密封脂使 b t 密封圈膨胀变形，从而在内外套管间形成有效密封。但在带有b t 密封的套管头四 通坐封时，由于坐封面不光滑或因为倒角面粗糙会造成b t 密封圈受到损坏，不能受压 膨胀变形产生有效的密封，也有可能由于b t 密封注脂压力或试压压力大于内套管抗外 挤压力，造成内套管受压变形，也不能产生有效的密封。 针对上述失效原因，可以采取将改变密封圈的安装位置来解决，将密封圈安装在卡 瓦悬挂器的上部，用顶丝压紧产生密封；对b t 密封应严格控制注脂压力，并在运输过 中国石油人学( 华东) - y 程硕i ：学位论文 程中重点保护密封面不被破坏，以避免密封失效的问题发生。 3 5 2 常用高压静密封种类和选用原则 国内采用的静密封结构有以下三类：强制密封、半自紧密封及自紧密封。【1 7 l ( 1 ) 强制密封 强制密封是由螺栓和密封件等部件组成，其密封原理是依靠螺栓的拉紧来保证顶 盖、密封元件和简体端部之间具有一定的接触压力来达到密封。 其优点是结构简单，制造方便，占用高压空间小。缺点是由于内压上升后螺栓的变 形、顶盖上升或变形减少了接触压力，因此强制密封要求有大的螺栓预紧力，以保证工 作状念下顶盖和筒体端部之间有一定的接触力来达到密封。 ( 2 ) 自紧密封 自紧密封是由密封件、压环和支撑环等附件组成，其密封原理是在压力升高后，由 于其结构特点，使密封元件与顶盖、简体端部之间的接触力加大，因而密封性能在高压 下更好，预紧螺栓仅保证初始密封所需的力就可以了。 其优点是不需要大的预紧力就可以达到压力越高，密封越好。缺点是占用了一定的 压力空间。 ( 3 ) 半自紧密封 半自紧密封是由螺栓、密封件、压环等附件组成，其密封原理介于强制密封和自紧 密封之间，随着压力的升高，使密封元件与顶盖、筒体端部之间的接触力稍微降低，但 与强制密封比较，降低的比较慢。 其优点是不需要大的预紧力就能保证密封性能。缺点是加工工精度要求比较高，成 本高。 3 5 3 密封选用的原则 由于套管头的使用条件，井下的温度和压力都是不稳定的，在一定的范围内波动， 同时井口槽的操作空间比较小，为了能够满足井口槽钻井的要求，同时符合冀东油田降 本增效的目标，设计选用静密封的原则是： 在正常操作和压力、温度波动的情况下都能保证容器的密封性； 结构简单，装拆和检修方便； 加工制造方便，不要求过高的加工光洁度和精度； 密封结构紧凑、密封构件少，除节省金属材料外，还要缩小密封构件所占用的 高压空间，能够在套管悬挂器和本体之间进行安装，能密封上下两个方向的压力； 所需的紧固件也应简单轻巧，以减少锻件吨位和尺寸： 选择密封元件的材质时应注意抗腐蚀问题，应能满足井1 ：3 压力3 4 5 m p a 的设计 要求。 第3 章新型一体式食管头的结构设计 3 5 4 新型一体式套管头密封方案 ( 1 ) 结构和使用方面 在新型一体式套管头密封方案选择上，考虑到了前面提到的密封失效原因分析，在 结构设计和使用要求方面进行改进和优化。具体方案如下： 在本体内用圆柱面密封，不用锥面密封，且将密封环设置在本体孔壁上。这样 可以使套管悬挂器在一定范围内保证密封且不易刮坏盘根，而不必要良好的圆锥面；密 封环采用自紧密封结构，保证套管头的密封性能。 各配件要配黄齐全、使用得当，防止密封面受损。设计防磨套等工具，且必须 合理使用，在套管头安装试压完毕后，要安装好防磨套，并用锁紧顶丝顶紧防磨套后进 行正常钻进，对于长周期的钻进工程，要定期对防磨套进行检查，确定其完好无损，以 避免由于钻具磨损造成套管头本体密封面损坏。 井口安装必须平、正，防止套管悬挂器坐封不到位。由于表层套管偏斜或其他 原因，会导致井口不正，这种情况下，套管悬挂器很容易偏挂在套管头本体法兰面上， 使其不能坐封到位，所以，在安装完封井器后，必须通过固定拉杆校正井口，使井口、 转盘和天车的偏斜不大于5 毫米。套管悬挂器坐封完后，对联顶节的高度进行核对，确 保悬挂器坐封到位。 固完井进行悬挂器坐封时，下放速度一定要缓慢稳定，防止碰刮损伤密封圈。 悬挂器坐封一次到位后，均匀顶紧锁紧项丝，使悬挂器居中，达到有效的密封效果。 清洁坐封面，保证密封良好。坐封套管悬挂器前，打开四通下部泄流孔，泄完 上部环空泥浆后，给环空注入清水清洗坐封承载面，防止密封面上有岩屑砾石，影响密 封。 ( 2 ) 密封环设计方案 密封环采用自紧密封设计，用正反v 形密封圈进行两面的密封。 v 形密封圈为一种唇形密封圈，它绝大部分是与压环和支撑环组合使用。压环和支 撑环采用普通碳素钢制作，中问的v 形圈采用氟橡胶压制。这种组合密封能够提供良 好的稳定性和较好的耐磨性，并能防止密封圈被挤入间隙，密封耐压性也很好1 1 6 1 。 ( 3 ) v 形密封圈密封机理 3 2 中国石油大学( 华东) t 程硕j ：学位论文 abc 图3 - 8v 型密封圈的自封作用 _ 开始状态；b 一中间状态；c 一挤压状态 f i g , 3 - sv - s e a lr i n g ss e l f - e n e r g i z e ds e s if u n c t i o n 叠- s t a r ts t a t e ；b - i n t e r m e d i a t es t a t e ；ps q u e e z e ds t a t e 图3 7 解释了v 型密封圈的自封作用。在自由状态下，v 形圈的唇部外径大于本体 的内径，唇的内径小于悬挂器的外径。这样，装配后便有一定的变形。由于支撑环的作 用，这种变形只发生在唇的尖端，并在其接触部位产生压力，即使不施加压紧力，唇口 也能封住一定的内压，因为唇有“自封 作用。较高的内压能使唇尖改变接触状态和加 大接触应力，使唇部与本体和悬挂器贴合得更紧密，介质就更难通过。 在新型一体式套管头的设计中，采取了双v 密封环结构，唇口分别位于上下位置， 即能密封下部环形空间的压力，又可以密封上部钻井液的压力。 总结：新型一体式套管头选择双v 密封环结构，可以有效地节省占用的压力空间； 对密封表面的粗糙度和配合尺寸的要求也不高，加工工艺简单，安装方便；同时由于其 为自紧密封结构，在地层压力波动的情况，也可以确保密封的可靠性，随着地层压力的 增高，其密封性能也更强；其所需的预紧力很小，因此不需要再增加其他的预紧螺栓等 部件，只需在本体上开几个顶丝孔，用顶丝将其压紧即可。采用双v 密封结构可以在 保证密封效果的前提下，有效地缩小新型一体式套管头的尺寸，达到井口槽钻井的需要。 3 6 新型一体式套管头设计技术参数 经过分析对比，新型一体式套管头的最终设计方案采用了直孔式本体，内部用螺纹 式悬挂器，并在悬挂器上开有钻井液流动孔，采用自紧式v 形密封组件进行密封，见 图3 - 9 。其具体技术参数见表3 - 8 。 第3 章新型一体食管头的结构设计 图3 - 9 新型一体式套管头示意图 f i g , 3 - 9n e wi n t e g r a lc a s i n gh e a d 表3 - 8 新型一体式套管头技术参数 t a b l e 3 - 8n e wi n t e g r a lc a s i n gh e a ds p e c i f i c a t i o n s 表套连接方式1 33 8 ”c s g 外螺纹 连接套管外径由3 3 9 7t u r n 套管程序1 33 8 ”x95 ，8 7 法兰规格 6 b x1 35 8 3 4 5 本体垂直通径由3 1 5 m m 侧孔规格23 8 t b g 额定压力 3 4 5 m p a 额定悬挂重量95 8 ”悬挂器9 0 t , 7 。悬挂器1 5 0 t j j ：作温度2 9 1 2 1 。c 性能级别 p r l ：l ：作介质 钻井液、原油、天然气 规范级别p s l i 3 7 新型一体式套管头标准化方案 根据现场调研，通过对冀东油田各钻井工艺的调查和了解，目前冀东油田钻井上普 遍采用的套管程序为：表层套管为1 33 8 ，技术套管为95 1 8 ”，油层套管为51 2 或7 。其中1 33 1 8 的表层套管螺纹分为c s g 短圆螺纹和b c s g 偏梯形螺纹两种。套 管头与采油树的连接也分为法兰连接和套管螺纹连接两种：在陆地上的套管头与采油树 的连接为套管螺纹连接，即在悬挂器上端接一段5l 2 或7 的螺纹短节，一端与套 管悬挂器连接，另一端与采油树连接：在海上与岛上，套管头与采油树的连接为法兰连 接，即用套管头的上法兰直接与采油树的下法兰连接。为了能适应冀东油f f l 各处钻井的 要求，提高新型一体式套管头的适用范围，根据调研情况确定了新型体式套管头的标 中国杠油人学( 华东) t 程硕i ：学位论文 准化方案，以所悬挂套管的规格和压力进行分类，同时考虑陆上和海上套管头与采油树 连接方式的不同，新型一体式套管头的标准化方案见表3 - 9 。 套管头型号编制方法为： x 其中： 一产品名称代号：y t l ( 一体式套管头，与采油树螺纹连接) y t f ( 一体式套管头，与采油树法兰连接) 一表层套管规格 英寸 一技术套管规格 英寸 一油层套管规格 英寸 一套管头晟高设计压力 兆帕 一本体材料特征：一体式套管头的本体材料均为锻造，故为d 表3 - 9 新型一体式套管头标准化方案 t a b l e 3 - 9n e wi n t e g r a lc a s i n gh e a ds t a n d a r d i z a t i o np r o g r a m m e y t l1 33 8 x 95 ，8 x 51 2 3 4 5 d 陆上使用新型一体 y t ll33 8 x 95 8 x 7 3 4 5 d 式套管头y t l1 33 8 ( b ) 95 8 x 51 2 3 4 5 d y t l1 33 8 ( b ) x 95 8 7 - 3 4 5 d y t f1 33 8 x 95 8 x 5l 2 3 4 5 d 海上使用新型一体y t f133 8 x 95 8 x 7 3 4 5 d 式套管头y t f1 33 8 ( b ) 95 8 x 51 2 3 4 5 d y t f1 33 8 ( b ) x 95 8 x 7 3 4 5 d 3 8 结论 本章通过对套管头在冀东南堡油田的使用条件和环境进行分析，参照相关标准确定 了套管头的设计基本参数和材料。又通过对目前常用的套管悬挂器、套管头本体和密封 组件的各种不同结构形式和失效原因进行了分析对比，确定了新型一体式套管头的结构 形式，即套管悬挂器采用螺纹式悬挂器，并在悬挂器上开有钻井液流动孔，套管头本体 采用直孔式本体，密封组件采用了双v 自紧密封结构。这种结构满足了井口槽钻井对 套管头的外形尺寸和使用要求，达到了设计的预期效果。 同时通过对冀东油田各钻井工艺的调查和了解，确定了新型一体式套管头的标准化 设计方案，使新型一体式套管头不但能够用于井口槽钻进需要，还能应用于冀东油田陆 上其他各钻井的需要，拓宽了新型一体式套管头的使用范围。 第4 章新型一体式套管头关键部件的强度校核计算 第4 章新型一体式套管头关键部件的强度校核计算 4 1 主要技术规范 规格型号：y t f1 33 8 x 95 8 x 7 3 4 5 d 额定工作压力：3 4 5 m p a 连接套管程序：1 33 8 ”x95 8 ”x7 垂直通径：3 1 5 m m 产品规范级别：p s l i 温度级别gpu ( - 2 9 1 2 1 ) 材料级别tb b 执行标准：s y t 5 1 2 7 悬挂载荷t3 0 0 0 0 0 k g 新型一体式套管头主要由本体、悬挂器、连接法兰、连接螺栓、挚环等组成。 本计算主要对本体、悬挂器及连接螺栓承载能力进行计算，其他零件如连接法兰、 垫环等均按s y t 5 1 2 7 规范进行设计，故不另作计算。 4 2 新型一体式套管头本体强度校核 本体材料：3 5 c r m o 热处理：调质处理h b 2 4 0 - - 2 6 0 机械性能：6b 5 8 6m p a 6o - 2 4 1 4m p a ( s y t 5 1 2 7 2 0 0 26 0 k ) 4 2 1 套管头本体强度校核 套管头本体承受的载荷主要为各套管之间环形空间的密封压力p n ，悬挂器悬挂套 管柱重量载荷f i 作用在本体的4 5 。台阶面上。具体受力图见图4 1 。 图4 1 新型一体式套管头本体受力分析图 f i 9 4 - 1f o r c ea n a l y s i sc h a r tf o rn e wi n t e g r a lc a s i n gh e a d sb o d y 3 6 中国石油人学( 华东) 工程硕1 二学位论文 新型一体式套管头的最小壁厚位于上连接法兰的颈部，该处壁厚最小，强度最弱。 该危险截面的基本参数为：外径0 = 4 7 5 ( 咖) ，内径d n = 3 4 8 ( m i l l ) ，则其壁厚s 为 6 3 5 m m 。 ( 1 ) 按照工作压力进行强度校核 按美国标准a s m e 规范第2 分册附录4 中关于壁厚的计算公式： s 户1 5 | - 鉴竖坠 + c ( 1 - 1 ) l 2 1 0 一1 2 k i p n j 式中： s 广一本体计算壁厚，单位m m ； d r 本体内径，单位l t m l ； p 广公称压力，单位m p a ： 卜附加裕量，c = 2 5 t i n ： 6 许用应力，单位m p a ； k 。形状系数，k 。= 1 o 。 按s y t 5 1 2 7 2 0 0 24 3 3 1 的规定，取许用应力【盯】- - - o - o 2 = 2 7 6 m p a ， 代入( 卜1 ) 得：s j = 3 7 7 7 r a m ，实际设计s = 6 3 5 ( t u r n ) ，有s s j ，实际壁厚大于 计算壁厚，故本体设计满足强度要求。 ( 2 ) 按照水压强度试验压力进行校核 根据s y t 5 1 2 7 2 0 0 24 3 3 1 的规定，取【西】= o 8 3 0 0 2 = 3 4 3 6 2m p a ， f 盯m 1 = 一- 仃0 2 = 2 7 6m p a 。 l j 一 式中 6 ， 静水压试验压力下最大工作许用的薄膜应力 6m 额定工作压力下的设计应力 6 。r 材料规定的最低屈服强度 实际应力计算：按g b l 5 0 钢制压力容器圆筒计算应力公式得 仃：pc(i)一-s)m ( 卜2 ) 仃= 一 kl 一二， 2 s 0 r ：! 亟堕旦( 1 3 ) = 二 kl j ， 2 s 式中p c 设计工作压力，单位m p a ： p 1 设计强度试验压力，单位m p a ； 3 7 第4 章新型一体式套管头关键部件的强度校核计算 6 ，计算最大工作许用的薄膜应力，单位m p a ； 6p 计算设计应力，单位m p a ； s 本体壁厚，单位砌。 代入( 1 - 2 ) ( 卜3 ) 得：6m - - 1 1 7 9 m p a ，6 ，= 2 2 3 5 7 m p a ， 1 2 故本体属于厚壁容器，应按厚壁容器计算公式进行计算： s b ：娶( 1 ( o 1 ) + c 式中：s 广计算壁厚，单位l l g l l ； k r 阀体外径与内径之比按下列公式计算 k o = - 掣一 、f 【仃】一3 p c c 附加裕量，单位i r l m ； 表4 1 因此6m 3 01 1 1 2 03 ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 【o 】材料许用应力，单位m p a ； p 】- 一o 0 2 ( 1 6 ) n 为强度指标，安全系数取n = 2 ，代入( 1 - 6 ) 中得【仃】= 2 0 7 ( m p a ) 。 另根据g b l 5 0 钢制压力容器3 5 c r m o 锻件3 5 0 1 2 以下的许用应力 6 = 2 0 7 m p a 故取 6 - - 2 0 7 m p a ，代入( 卜5 ) 中得k o = 1 1 9 。 代入( 1 4 ) 中得s b = 3 4 0 6 m m ，实际设计s = 6 3 5 m m ，有s s 。，故实际壁厚厚度 足够。 4 2 2 套管头本体承载面抗挤压强度校核 根据本体的设计结构和实际使用情况，本体所承受的最大轴向载荷，即为防喷器试 验压力作用在套管头本体上的最大作用力加上悬挂管柱载荷3 0 0 0 0 0 k g 。 中国石油人学( 华东) t 程硕l ：学位论文 即f 一= p x a + f 1 = 6 2 2 1 4 6 2 6 4 ( n ) 式中：f - r 最大轴向载荷，单位n ； a 承压面积单位，单位i l l l n 2 ； 4 5 。承载面承受的正压力 n m 戤= f 咖, e b o s ( 4 5 + p 1 ( 1 7 ) 式中：n 。，最大正压力，单位m p a ； 口材料摩擦角，单位：度；取0 = 1 4 。3 0 7 代入( 1 - 7 ) 中得n 冁= 3 1 1 0 7 3 1 3 2 n