井下打捞器的设计(毕业论文)

1、摘 要 目前，随着各大油田钻井逐年增多，我国投产的油、气、水井总数已有十几 万口，大多数油、气田已相继进入开发的中后期。随着投产时间的延长和作业次 数的增加，井况变差，作业井和待修井逐年增多，打捞器是修井作业中不可缺少 的工具。 本论文提出的方案为设计 ltc 型卡瓦打捞筒的总体结构、基本原理及对原有 型号的 ltc 型卡瓦打捞筒进行适当的改进，使其与原有型号 ltc 型卡瓦打捞筒相 比，具有强度高、结构简便、通用性特点。多年的地面试验、中间试验及现场试 验情况，说明 ltc 型卡瓦捞筒特别使用于深井、超深井或落鱼过量情况下使用。 该 ltc 型卡瓦打捞筒更适用于作业。并应用静力等效的方法，对

2、卡瓦与筒体进行 损坏性分析，卡瓦与筒体应力(卡瓦弯曲应力和轴向弯曲应力)进行了计算，分析 抓紧落鱼时落鱼对筒体与卡瓦壁强度的影响。 关键词：可退打捞器；打捞；ltc 型卡瓦打捞筒 abstract for the moment,along with the number of well drilling in each giant oil and gas field increased year after year,the quantities of the oil, gas and water wells are nearly 50,000 in our country.most of t

3、hem had entered the late development.with the extension of working time and the increase of the times of operations, the well conditions become worse.because the number of well need operate and repair is increasing year by year,fishing tools are indispensable in repairing job. the paper suggested pr

4、ogram is to design ltc-slip overshot gross structure,rationale and proper improve on inhere type packer,in contrast to inhere type of the overshot,have intensity highness, structure handiness,operation easiness,and so on,ground tests for years,intermediate tests and field test conditions for releasi

5、ng and circulating overshot with slip grip model ltc,thus,verifies that the model ltc overshot is especially,suitable for use under these circumstances,such as deep well,ultra- deep well or excessive fishes.the ltc-slip overshot is more applicable to operate.and to adopt the equivalent static method

6、 to put on damage analysis of slip and cylinder,to calculate slip and cylinder stress(slip bending stress and axial bending stress),to analysis the strength of fish with the cylinder and the slip while fish is grasped hard. key words:drawback-type fishing tool;fishing;ltc-slip overshot 目 录 第第 1 章章 概

7、概 述述.1 1.1 我国打捞器发展状况 .1 1.2 打捞筒研究的目的意义 .4 1.3 打捞器发展水平及发展方向 .6 第第 2 章章 可退式打捞筒及其零件的结构可退式打捞筒及其零件的结构设计设计.8 2.1 可退式打捞筒筒体结构分析 .8 2.2 零件图的结构分析 .10 第第 3 章章 筒体与卡瓦的损坏分析筒体与卡瓦的损坏分析.17 3.1 退式打捞筒损坏分析 .17 3.2 打捞过程及受力分析 .19 第第 4 章章 零件的选择与参数计算零件的选择与参数计算.25 4.1 主要零件的选择及参数计算 .25 4.2 其它元件的选择及参数计算 .27 第第 5 章章 主要零件的选材、加工

8、及技术要求主要零件的选材、加工及技术要求.30 5.1 控制环、卡瓦、筒体三个主要零件 .30 5.2 工作原理及打捞过程分析 .32 结结 论论.35 参考文献参考文献.36 致致 谢谢.38 附附 录录.39 第 1 章 概 述 1.1 我国打捞器发展状况 我国投产的油、气、水井总数已有十几万口，大多数油、气田已相继进入开 发的中后期。随着投产时间的延长和作业次数的增加，井况变差，作业井和待修 井逐年增多。 油、水、气井井下打捞作业是一种非常规的井下作业措施，属于一项专门的 科学技术范畴。在该技术领域，随着深井、水平井、多底井与分枝井等复杂井身 结构技术的普遍应用，使得井下打捞作业面临新挑

9、战。 在各种修井作业中，打捞作业约占三分之二以上。而井下落物种类繁多，形 态各异，归纳起来主要有管类落物、杆类落物、绳类落物、井下仪器工具落物和 零部件等小落物。根据不同落物的特点而设计制造不同打捞器。已广泛应用于现 场并有较高成功率的就有 30 多种。 国内打捞器分类，主要有以下几种：公锥、母锥、打捞矛、打捞筒 1.1.1 公锥： 用途： 公锥是一种专门从油管、钻杆、套铣管、分隔器、配水器、配产器等有孔落 物的内孔进行造扣打捞的工具。这种工具对于带接箍的管类落物，打捞成功率较 高。公锥与正反扣钻杆及其它工具配合使用，可实现不同的打捞工艺。 工作原理： 当公锥进入打捞落物内孔之后，加适当的钻压

10、，并转动钻具，迫使打捞螺纹 挤压吃入落鱼内壁进行造螺纹。当所造螺纹能承受一定的拉力和扭矩时，可采取 上提或倒扣的办法将落物全部或部分捞出。 老式公锥多带有排削槽。此槽原设计意图是排出造扣切削时所产生的铁宵， 而实际造扣工况是挤压成型，并无铁宵生成。实践证明排宵槽不发生效用，而且 对某些造扣后需要憋压的作业又极为不利，因此只能承受 10mp 以下的泵压，再 高，则会由此槽串通。 1.1.2 母锥： 用途： 母锥公锥是一种专门从油管、钻杆等管柱落物外壁进行造扣打捞的工具。可 用于对无内孔或孔堵死的圆柱形落物进行打捞。 工作原理： 母锥工作原理与公锥相同，均依靠打捞螺纹在钻具压力与扭矩作用下，吃入

11、落物外壁造扣，将落物捞出。就造扣机理而言，属挤压吃入，不产生切宵。 1.1.3 打捞矛： 用途： 打捞矛是内捞工具，可以打捞油管、钻杆、套铣管、衬管、分隔器、配水器、 配产器等有内孔落物，又可对遇卡落物进行倒扣作业或配合其他工具使用（如震 击器、倒扣器） 。 工作原理： 当矛杆与卡瓦进入鱼腔之后，卡瓦依靠自重向下滑动，卡瓦与斜面产生相对 位移，卡瓦齿面与矛杆中心线距离增加，使其打捞尺寸逐渐加大，直至与鱼腔内 壁接触为止。上提矛杆时，斜面向上运动所产生的径向分力，破使卡瓦咬入落物 内壁，抓住拉落鱼。 1.1.4 打捞筒用途： 用途： 打捞筒是从管子外部进行打捞的一种工具，可以打捞不同尺寸的油管钻

12、杆和 套管等鱼顶为圆柱形的落鱼，并可与震击类工具配合使用。 工作原理： 打捞筒的抓捞零部件是螺旋卡瓦和篮状卡瓦，其外部的宽锯齿螺纹和内面的 抓捞牙均是左旋螺纹，与筒体相配合的间隙较大，这样就能使卡瓦在筒体内有一 定行程能胀大和缩小。当落鱼被引入捞筒后，只要施加一轴向压力，卡瓦在筒体 内上行。由于轴向压力使落鱼进入卡瓦，此时卡瓦上行并张大，运用它坚硬锋利 的卡牙借弹性力的作用将落鱼咬住卡紧。当上提捞柱，卡瓦在筒体内相对地向下 运动。因宽锯齿螺纹的纵断面是锥形斜面，卡瓦必然带着沉重的落鱼向锥体的小 锥端运动，此时落鱼重量愈大卡得也愈紧。整个重量由卡瓦传递给筒体。 上面已述，筒体的宽锯齿螺纹和卡瓦的

13、内外螺纹均为左旋螺纹。卡瓦与筒 体配合后，也由控制卡或控制环约束了他的旋转运动，所以释放落鱼时只要施加 一定压力，顺时针方向旋转捞柱，即将捞筒由落鱼上退出。由于抓捞牙为多头左 旋螺纹，退出的速度较快。 1.1.5 提放式系列打捞工具： 用途： 在油田小修现场作业中，往往缺少转盘设备和修井机，要想旋转管柱需靠人 力搬动管钳来进行，劳动强度大，技术要求难以准确实现，因此传统的可退式打 捞矛在使用上有所不便。提放式可退打捞矛则不需转动工具管柱，一放一提则释 放落鱼，既方便又可靠，是小修作业中的最好的打捞工具之一。是一种新型打捞 工具。 工作原理： 打捞工具抓住落鱼后可以自由退出落鱼。 1.1.6 复

14、合式鱼顶修正打捞器： 用途： 复合式鱼顶修正打捞器适用于在井下作业时，由于某种原因造成管柱弯曲折 断，使鱼顶产生变形的情况下使用，它克服拉其他工具在修整鱼顶过程中易产生 偏磨鱼顶而磨损套管等缺点，并可在整形后继续下放钻具，当牙套进入落鱼内部 后抓住落鱼。无论落鱼是自由状态或遇卡状态均可使用。 工具的特点： （1）鱼顶和打捞落鱼可以一次完成。 （2）修正鱼顶和打捞落鱼时工具与落鱼接触面积大，并有外筒保护鱼顶， 保证打捞效果。 （3）根据需要可以释放落鱼，安全退出工具，不会使井下事故复杂化。 1.1.7 磁力打捞器； 用途： 磁力打捞器是用来打捞在钻井、修井作业中掉入井里的钻头巴掌、牙轮、轴、 卡

15、瓦牙、钳牙、手锤及油管、套管碎片等小件铁磁性落物的工具。对于能进行正 反循环的磁力打捞器尚可打捞小件非铁磁性落物。 工作原理： 电磁铁对金属铁的吸附作用，打捞落鱼。 1.1.8 反循环打捞蓝： 用途： 反循环打捞蓝是专门用以打捞诸如刚球、钳牙、炮弹垫子、井口螺母、胶皮 碎片等井下小件落物的一种工具。 工作原理： 是靠大流量、高压力的反洗井泥浆冲击井底，使底落物悬浮运动推动蓝爪， 使井蓝爪绕销轴转动竖起，篮筐开口加大，落物进入筒体，然后蓝爪恢复原位， 阻止了进入筒体内的落物出筐，实现打捞。 1.1.9 局部反循环打捞蓝： 用途： 局部反循环打捞蓝是打捞井底质量较轻的碎散落物的工具，如螺母、射孔子

16、 弹垫子、钳牙、胶皮碎片、刚球、阀座等，也可以抓获柔性落物，如钢丝绳等。 工作原理： 下至鱼顶洗井投球后，刚球入座堵死正循环通道迫使液流改变流向，经循环 空间穿过 20 个向下倾斜的小孔进入工具与套管环形空间而向下喷射。液流经过 井底折回篮筐，再从筒体上部的四个连通孔返回，形成工具通道。 1.1.10 测井仪器打捞器： 用途： 测井仪器打捞器是专门用于打捞各种直径小、质量轻、没有卡阻的仪器工具。 这种打捞器能完整无损地将落井仪器打捞出井。 工作原理： 当落井的测（试）井仪器通过引鞋进入筒体之后，在钻具压力下，仪器分开 钢丝环内的钢丝上行，由于多股钢丝的弹力造成的摩擦力，将落物卡住，提钻后 能将

17、落井仪器捞出。 综上所述，目前国内的打捞器虽然品种较多，但真正在油田经常使用的也不 多，主要是由于有些通用性不强，操作不方便，成本高。 由于以上问题的存在，今后，国内外抽油机主要向以下几个方面发展： （1）能耗方向发展，以减少能耗，提高修井经济效益； （2）精确平衡方向发展，以使打捞到落鱼更精确减少不必要的时间； （3）高适应性、通用性方向发展，以便拓宽使用范围 ； （4）朝着自动化和智能化方向发展。 1.2 打捞筒研究的目的意义 打捞器是修井作业中不可缺少的工具，不同落鱼要求使用的打捞工具不同， 在打捞作业中选用适应的打捞器可以大大提高打捞时间，提高修井经济效益。而 打捞筒可以满足大多数落鱼

18、的打捞要求，从而对打捞筒的通用性适应性进行研究 与设计。 1.2.1 结构原理和技术指标 1.2.1.1 可退式卡瓦打捞筒打捞原理 可退式卡瓦打捞筒是从落鱼外径抓捞落鱼的打捞工具。它可以打捞钻铤、钻 杆、油管、接头、接箍和其它井用管子。该系列工具功能完备，有密封结构，抓 住落鱼后能进行泥浆循环。 打捞筒的抓捞零部件是螺旋卡瓦和篮状卡瓦，其外部的宽锯齿螺纹和内面的 抓捞牙均是左旋螺纹，与筒体相配合的间隙较大，这样就能使卡瓦在筒体内有一 定行程能胀大和缩小。当落鱼被引入捞筒后，只要施加一轴向压力，卡瓦在筒体 内上行。由于轴向压力使落鱼进入卡瓦，此时卡瓦上行并张大，运用它坚硬锋利 的卡牙借弹性力的作

19、用将落鱼咬住卡紧。当上提捞柱，卡瓦在简体内相对地向下 运动。因宽锯齿螺纹的纵断面是锥形斜面，卡瓦必然带着沉重的落鱼向锥体的小 锥端运动，此时落鱼重量愈大卡得也愈紧。整个重量由卡瓦传递给筒体。 1.2.1.2可退式卡瓦打捞筒的优点 （1）打捞可靠,可承受超过油管扣连接强度 1.2-1.5 倍的拉力。 （2）夹紧落鱼后,若抓住的落鱼被卡也可根据具体要求释放落鱼,退出工具。 （3）结构简单,体积小,重量轻,操作方便,维修容易。 （4）工具成本较低,经济效果显著。 （5）可与其它打捞工具联合使用,如震击器,加速器z可装磨鞋、锐鞋修正不 规整鱼顶 ;如果需要增大网捞面积可连接加大引鞋，鱼顶偏倚井壁时可使

20、用壁钩， 抓捞部位距鱼顶太远可增接加长节等辅助工具,以适应特殊打捞作业的需要。 为了方便现场使用,根据结构特点,把安装篮式卡瓦组件的捞筒定为 a 系列， 安装螺旋卡瓦组装件的捞筒定为 b 系列。 t l t 1.2.2 可退式卡瓦打捞筒型号表示方法可退式卡瓦打捞筒型号表示方法 1.3 打捞器发展水平及发展方向 1.3.1 国内外打捞器发展水平及发展方向 在国内，经过 50 多年的研制，由最初的仿制，到现在已经能够自主生产种 类型打捞器，并达到国际先进水平。 50 年代克拉玛依油田在调整中对打捞器进行了探索，研究成功的抽油管接箍 捞矛和倒扣式打捞筒，在油田打捞作业中发挥了一定的作用。1963 年

21、大庆油田采 油工艺研究所经过上千次试验，研制成功局部反循环打捞蓝，70 年代又研制成功 局部反循环打捞蓝，使打捞井底质量较轻的碎散落物如螺母、射孔子弹垫子、钳 牙、胶皮碎片、刚球、阀座等，也可以抓获柔性落物，如钢丝绳等。节省大量时 间，并在大庆油田大面积推广使用。 国外打捞器技术比较成熟，近几十年来，随着钻井、完井工艺不断向高压、 高温复杂的深部地层方面发展，对修井作业提出了种种更高的要求，特别世界投 产的油、气、水井总数越来越多，随着投产时间的延长和作业次数的增加，大多 数油、气田已相继进入开发的中后期。井况变差，作业井和待修井逐年增多。使 打捞器研制工作趋向专业化，研制的产品日益丰富。目前

22、，著名的 baker 石油 技术公司和 weathrford 石油技术公司都有品种齐全的打捞器产品。据统计， 早在六十年代，见诸于美国有关产品目录上的打捞器品种已达 11 种。近几年来， 则大大超过此数，并涌现出不少结构改进，性能提高的新型打捞器。 1.3.2 可退式卡瓦打捞筒发展的前提 一种新型的打捞器如果想为人们所认可必须有理论依据，还要有实践作为理 论的论证，我门所要设计的这种可退式卡瓦打捞筒就是为了检测其中各项指标的 可靠性，来为其真正的投入使用奠定良好的基础。 打捞物的公称直径 “筒”字汉语拼音的第一个字母 “捞”字汉语拼音的第一个字 母 “退”字汉语拼音的第一个字母 a（b ）结构

23、分类代号 第 2 章 可退式打捞筒及其零件的结构设计 2.1 可退式打捞筒筒体结构分析 可退式打捞筒的外筒由上接头、筒体、引鞋组成。内部装有抓捞卡瓦、盘根 和铣鞋或控制环（卡） 。打捞卡瓦分为螺旋卡瓦和蓝状卡瓦两类，每类又有几种 尺寸的打捞卡瓦。进行打捞时，可选用一种适合落鱼外径的卡瓦装入筒体内。如 图 2-1、图 2-2。 图 2-1 打捞筒装篮状卡瓦 图 2-2 打捞筒装螺旋卡瓦 2.2 零件图的结构分析 2.2.1 篮状卡瓦 篮状卡瓦为园筒状，形似花篮。外部与螺旋卡瓦一样，但为完整的宽锯齿左 旋螺纹，内部抓捞牙亦为多头左旋锯齿形螺牙（经淬火处理） ，有轻微刮削落鱼外 壁的作用，同时在夹紧

24、力作用下，咬入落鱼以增加提拉效果。篮式卡瓦在360圆 周方向开有四条（均布）纵向长口如图2-3，其中一条是开通的，在开通的开口端 有宽键槽，此处外径车成圆形。这一结构特点使卡瓦易胀开好夹紧。 aa 图 2-3 篮式卡瓦结构 1-通口;2-螺旋锥面;3-窄口;4-键槽 螺旋卡瓦；螺旋卡瓦形如弹簧，外部为宽锯齿左旋螺纹，与筒体内螺纹配合， 螺距相同，但螺纹面较筒体的窄得多。内部是抓捞牙为多头左旋锯齿形螺牙，螺 牙锋利坚硬。螺旋卡瓦下端焊有指形键如图 2-4，与控制卡配合后就阻止了螺旋 卡瓦在简体内转动。这类螺旋卡瓦通常设计三种抓捞尺寸。其总抓捞尺寸范围 912mm，考虑到管子的磨损，每个卡瓦的抓捞

25、尺寸在标准打捞尺寸以下 3mm 的范围。这就适应了井内管柱的磨损尺寸变化。 无论是篮式卡瓦还是螺旋卡瓦，都是靠其内表面的坚硬多头螺纹牙咬住落鱼。 为保证咬紧落鱼。卡瓦内径必须略小于落鱼外径。当落鱼进入后,上推卡瓦 ,这 时脱开筒体原螺旋锥面而被胀大的卡瓦就以其弹性收缩力给落鱼以咬紧力。这时 上提钻具,筒体与卡瓦两者的螺旋锥面就紧紧贴合而产生径向夹紧力。由计算得 知,若上提力增加,径向夹紧力随之增大。若要释放落鱼,只要加30kn50kn的力 下击，筒体与卡瓦两者的螺旋锥面脱开，即可右旋上提钻具。必须指出,要保证 篮式打捞筒和螺旋打捞筒完成咬住和蒋放落鱼的动作,卡瓦安装在筒体内必须满 足下列关系式

26、如图2-5。 2 21 1 tt q dd d （2-1） t ttq （2-2） 图 2-4 螺旋卡瓦结构 1-多头螺纹；2-螺旋锥面；3-弧形长键 图 2-5 筒体与卡瓦尺寸 kttq qn （2-3） 式中 1q d 卡瓦螺旋锥面大端直径； 1t d 筒体螺旋锥面大端直径 ； 2t d一筒体螺旋锥面小端直径 ； q t卡瓦宽锯齿形螺距； t t 简体宽锯齿形螺纹螺距； qn t卡瓦内表面多头螺纹螺距； k多头螺纹头数。 由以上可知,可退式打捞筒的筒体和卡瓦是保证打捞筒性能的关键零件,而其 大锯齿形螺旋锥面是完成咬紧或释放落鱼动作的关键结构。 2.2.2 控制环 控制环下端的喇叭口带有铣齿

27、即为铣鞋，供篮状卡瓦用，其作用有二，控制 环的指形键与篮状卡瓦的键槽配合，约束篮状卡瓦在简体中只能上下运动不能转 动。另外是一个密封总成。内槽粘结有和各种尺寸的篮状卡瓦相适应的“r”形 盘根。起着与落鱼外径密封作用，外部装有“o”形密封圈，是密封总成的通用 件起着控制环与筒体内壁的密封作用，如果下端喇叭口带有铣齿，又起着修整鱼 顶裂口飞边的作用如图2-6。 图 2-6 控制环 2.2.3 筒体 两端有螺纹，上端的螺纹与上接头或加长节联结，下端螺纹与引鞋或壁钩联 结。 内部有宽锯齿螺纹和螺旋卡瓦或篮状卡瓦的宽锯齿螺纹配合，但螺纹的公称 直径要比卡瓦大，这样就给卡瓦在简体内上下运动和胀缩创造了条件

28、如图 2-7。 图 2-7 打捞筒筒体 2.2.4 控制卡、 “a”形盘根、 “r”形盘根 控制卡：由控制卡套和卡键焊接而成，供螺旋卡瓦通用，其作用在于限制螺 旋卡瓦在筒体内只能上下运动不能转动如图 2-8。 图 2-8 控制卡 “a”形盘根：为橡胶短筒，内部有密封唇，为落鱼外径与筒体内壁间密封 用，与各种尺寸的螺旋卡瓦配套使用，它装在筒体的上部。利用上接头的下端斜 面把它适度压紧即具密封性，用以保证泥浆的正常循环。当换用篮状卡瓦时安装 “a”形盘根是无防碍的，如图 2-9。 “r”形盘根：它的内面有密封唇，外表面粘结在控制环的内槽，与各种尺 寸的篮状卡瓦配套使用如图 2-10。 图 2-9

29、a 型盘根 图 2-10 r 型盘根 2.2.5 上接头、引鞋 上接头：有两个作用，上端有接头扣和钻柱连接，下端有螺纹与筒体联结， 下端而为斜面，起着压紧“a”形盘根的作用如图 2-11。 引鞋：外径和筒体外径一致，上端有螺纹和筒体联结，引鞋上端斜面起到压 紧“o”圈的作用，下端构成一个螺旋口，能诱导落鱼进入捞筒如图 2-12。 图 2-11 上接头 图 2-12 引鞋 2.2.6 打捞筒附件 包括加长节，加大引鞋和壁钩，操作者可根据井内情况选用。如图 2-13。 图 2-13 打捞筒附件 第 3 章 筒体与卡瓦的损坏分析 3.1 退式打捞筒损坏分析 主要有下述形式: （1）筒体内宽锯齿形螺旋

30、锥面被压伤或外胀；（2）卡瓦破裂或脆断。 经分析认为，除操作不当外，加工质量差是造成上述损坏的重要原因，为了 解在加工哪些因素影响打捞筒性能，需对筒体和卡瓦在打捞状态下的受力状况加 以分析。当在打捞状态下，筒体和卡瓦两者的宽锯齿形螺旋锥面要贴合紧密，须 满足公式（3-1）、（3-2）、（3-3）。 2 21 1 tt q dd d （3-1） =（03+89）/2 =89 mm t ttq =60 （3-2） kttq qn （3-3） =60 mm 总夹紧为 w( 忽略摩捺力 ) r p w z tan （3-4） =40/tan10+8.511 =107.52 kn 根据力的平衡方程式可得

31、 z pp 式中 p上提力； pz各螺旋锥面所受轴向力之和； 螺旋锥面的锥体半角； r预紧力。 宽锯齿上的剪应力 cosan pz （3-5） =40/31.81cos10 =7.48 kn 式中 a贴合面积； n螺旋锥面相互贴合的圈数。 由图 3-1 可的： 2 )( 21 ldd a tq （3-6） =1.81 m 式中 l贴合部分螺旋锥面母线长。 cos ht l t （3-7） =41.25 mm 式中 h卡瓦相对筒体的窜动量。 tan2 1 1 dqd h t （3-8） 贴合面上的压应力 y 由图 3-1 可知： an n y 式中 n法向正压力，n= pz/sin。 代入上式可

32、得： sin an pz y （3- 9） =40/31.81sin10 =42.42 kn 由公式（34）-（39）可看出,筒体、卡瓦所受的各种应力是螺旋锥面半 角、简体的 2t d、卡瓦的 1q d 、 及螺距t、窜动量h、贴合线长l等的函数。这些 尺寸的精度直接影响卡瓦和筒体的强度。 经计算证明,若卡瓦螺旋锥面大端直径减少0.5%,筒体的螺旋锥面小端直径增 大 0.5%,其它因素不变,贴合面上的剪应力及压应力 v 可增加12%.若卡瓦、筒 体螺旋锥面半角增加 1,其它因素不变,压应力 y 增加 617%。 从图3-2可见,筒体与卡瓦有 2-8 圈螺旋锥面相贴合。由于筒体壁厚较薄,卡 瓦

33、形状复杂,经冷、热加工后其圆度、同轴度及螺旋锥面外形尺寸等易产生误差,使 贴合面积显著减小,受力不均,从而导致筒体和卡瓦破损 . 为保证卡瓦、筒体获得良好的机械性能,加工中应注意控制刀具角度,消除 对刀误差,保证刀杆刚度;加强工序问尺寸检测；选用变形小、散热快的冷加工方 法 , 把影响制造精度的误差控制在规定的范围内。 3.2 打捞过程及受力分析 打捞过程可分四步：修切、夹紧、提拉、释放。 第1步. 修切鱼头 打捞的鱼头是各种各样的,奇形怪状的鱼头是不利于打捞的。控制环上的锐 齿将切去鱼顶上的毛刺、凸起、硬水泥块等物,也可修切轻度的椭圆形鱼顶,使通 过控制环的鱼顶尺寸趋于一致，以便密封和打捞。

34、 第 2 步.夹紧落鱼 工具组合的旋转和下降，鱼顶开始接触卡瓦内孔锯齿形牙，这时卡瓦在右旋 扭矩的作用下内径稍加胀大，锯齿形牙在轻度切削鱼头的情况下，允许修切过的 鱼顶慢慢进入卡瓦，直至鱼顶与上接头内孔台肩接触，停止右旋和下降，此时卡 瓦与筒体锥面离开。 + 图 3-1 夹紧力分析 1-筒体；2-卡瓦；3-油管 当右旋扭矩除去后，具有初夹紧力的卡瓦（因为鱼头直径略大于卡瓦内径） 紧紧抓住落鱼，如果再施加上提力q,卡瓦与筒体的特大螺距内锥面螺、纹相吻合， 卡瓦沿螺旋圆周面上，受摩擦力f与正压力n的合力 i n、提力q、夹紧力w、初夹 紧力r的作用而平衡（图3-2）。 若只考虑卡瓦与筒体摩擦时：

35、tan q wr （3-10） 式中 w的总夹紧力； q 作用在简体上的上提力； 锥面半角； 摩擦角； r初夹紧力（卡瓦弹性变形）。 3 1 1 2 11 3 sin2 cossin375 . 0 l nehdk r i （3-11） 式中 1 卡瓦n等分后每一等分的扇形角； n等分数(纵向开口数)； d每个扇形面积的弯曲外径； k油管外径与卡瓦内径之差之半； h每个扇形面弯曲部分厚度； l一每个扇形面根部至锥面顶点之距离； e一弹性模数。 由（3-11）式知 （1）当卡瓦的结构一定时，q力越大 ,w力也越大。 （2）当=90时摩擦忽略不计。则=0,tg(十) = ,w=0, 即没有锥 面螺旋

36、面。 （3）角越小，w力越大。但当 0 8 时,卡瓦与外筒锥面螺纹自锁, 松开较困难。因此角大于8 即可，一般取0120。 第3步.提拉出井 由上述可知,只要给工具组合施以足够的提拉力q, 落鱼即可出井。此同时, 被夹紧的油管给卡瓦一个与q力相平衡的g力（鱼头下部各种阻力包括油管重量 及遇卡阻力），其方向与q力相反。卡瓦在g力作用下产生左旋扭矩,驱使卡瓦沿 锥面螺纹向下运动,如图（图3-3）。 图 3-2 卡瓦提拉落鱼 1-筒体；2-篮式卡瓦；3-控制圈；4-打捞油管 图 3-3 卡瓦夹紧落鱼受力 1-卡瓦；2-落鱼 由图3-3可知。 1 v = 2 v+ 3 v 式中 1 v 在g力作用下产

37、生的合成运动速度； 2 v、 3 v垂直、水平方向分速度。 设产生左旋扭矩时力为p,此力作用点到捞筒中心的距离为 0 d/2,则左旋扭矩 2 0 dp m （3-12） =14.444.5 =640.8 nam 此力矩通过控制环长键作用在筒体上,这样外筒体除承受较大的拉力外,还承 受着由提拉过程中引起的左旋扭矩。 将图 3-4 左绘成图 3-4 右，件一沿斜面下移。 由图 3-4 右得： p=gtan ( 0 -) （3-13） 式中 0 锥面螺纹中径 0 d处的升角， 0 =arctans/ 0 d (s锥面螺纹螺距)。 代入（3-13）式得: tan arctan s pq d （3-14

38、） 将（3-14）式代入（3-12）式得: 0 tan arctan 2 s q d m （3-15） =640.8 nam 图 3-4 卡瓦夹紧落鱼受力 由(315)式可知: （1）m值随q力的增加而加大。 （2） 0 的增犬,m值增加,使捞筒受力状态复杂。因此尽量使 0 = 0 而 0 与螺 距s、中径 0 d有关,须恰当选取。 （3）m力矩的存在,使卡瓦与筒体锥面螺纹处于旋合趋势,这样更有利于卡瓦 夹紧落鱼和保证打捞过程中落鱼不致松脱。 （4） 0 d值也直接影响m值,但 0 d值在具体结构中,由于作业空间有限,不允许 0 d有较明显变化。 第 4 步.释放落鱼 由于落鱼遇卡，在允许最大

39、提拉力作用下仍无法解卡时，本工具可以释放落 鱼，退出工具。释放落鱼是抓紧落鱼后的动作，因此，想解除夹紧必须满足下面 条件。 由（310）式可知夹紧力 w=q/tan(+)+r ，如果 w=0，必须使 q=0，r=0 。q=0 可实现，而 r=0 无法实现。这样就需要采取另外的办法，即在 q=0 时旋转上提工具，方可提出落鱼。 在较大拉力 q 的作用下，卡瓦与捞筒的螺旋锥面产生交大的正压力，其合力 为 i n。 在 i n的作用下,在卡瓦与筒体的接触表面上产生弹性变形力n。由于接触 表面并非绝对光滑,致使摩擦系数（当量摩擦系数）f比静摩擦系数f大几倍,即 得 f= 01 1 i n n n f

40、（3-15） =0.431.5 =1.8 式中 01 单位压力变形量； n接触表面不平引起的变形； n摩擦面副数。 一般 1+n/ i n 01 =1.32 。 01 n n （3-16） 这样在 q=0 时，卡瓦与筒体接触面的弹性变形的恢复力（与 n 值大小相等， 方向相反），使卡瓦与筒体的螺旋锥面间产生摩擦阻力 1 f。 1 f阻止卡瓦与筒体脱 开。 1f值为： 1 f=fn （3-17） 将（3-15）、 （3-16）代入（3-17）式得： 01 1 01 1 i n n n f n f （3-18） =43 kn 因此，必须施加一个与q力方向相反的力 1 q以克服 1 f之力，使卡瓦与

41、筒体螺 旋锥面脱开（图 3-5）。 图 3-5 筒体与卡瓦脱离 1-卡瓦；2-筒体 由图 3-5 得： cos 1 fq （3-19） =43cos10 =42.35 kn 实现上述条件能释放落鱼。实际操作时需先下压工具而后旋转工具并上提， 就能释放落鱼。 第 4 章 零件的选择与参数计算 4.1 主要零件的选择及参数计算 4.1.1 上接头 由第三章卡瓦受力分析得，当上提力q=40kn 则选： 上接头为：nc31(210) 上接头牙型代号：v-0.038r 螺距：p=6.350 mm 锥度：1：6 螺纹基面锥度：c=80.848 mm 4.1.2 筒体 强度计算： 图 4-1 筒体危险截面

42、由图4-1可知:最危险的截面为a-a面 4 22 dd a h8.5 mm 114d mm 102d mm =1080 mpa 筒体许用拉力: 49.219772.20341080afkn f=1000kn49.2197 fkn 所以材料选用42crmn钢 4.1.3 卡瓦 打捞筒抓捞部位卡瓦牙齿（多头左旋螺纹）对牙齿受力分析： 齿上的剪应力 cosan pz =40/121.81cos10 =1.78 kn 78 . 1 =2.1kn 所以材料选用30mn钢。 4.1.4 控制环 控制环主要是对落鱼顶部进行轻微修整的作用，所以受力主要集中在牙齿和 键上。对牙齿和键的扭矩进行受力分析： 设钻机

43、的电机功率为7.5kw,输出转速n=110r/min,作用于钻杆上的轴向力 1 p=15kn,落鱼直径d=0.09m,卡瓦与落鱼之间的摩擦系数为f=0.4,大螺旋角为 0 11,为当量摩擦角, =11。 当作用于钻杆上的最大输出扭矩m： 6509550 n p m mn 作用于落鱼上的圆周力： 4 . 14 2 2 d m p kn 卡瓦对落鱼的正压力q： 98.51 2 2 2 1 f pp q kn 卡瓦夹紧时所需的轴向推力f： tan21fq kn 由上面的计算与分析可知控制环牙齿主要受扭矩作用： 92.52 2 211 d fppm mn 65004.6351292.52 1 mm 所

44、以控制环牙齿需要表面淬火处理后喷焊钨钢粉。 4.2 其它元件的选择及参数计算 4.2.1 “o” 形圈的密封原理与设计 “o”形圈是一种断面为圆形的弹性密封元件。“o”形圈的优点 是结构紧凑,动摩擦阻力小,密封压力高,制造简单,拆装方便。成本低等。 目前, “o”形图都是选用具有各种不同性能的合成橡胶模压而成。在 橡胶密封元件中, “o”形圈是应用得最广泛的一种。 图 4-2 在压力作用下“o”形圈的压力分布 (a)低压时;“o”形圈作用于密封零件上的压力分布； (b)高压时;“o”形圈作用于密封零件上的压力分布； （1）静密封场合 “o”形圈被置于两个相关零件（密封偶件）的密封部位(沟槽)后

45、,受到一定 程度的压缩。“o”形圈工作时,其断面直径的预压缩量为 830% 。由于橡胶具 有良好的弹性,这一预压缩量使“o”形圈在密封介质（空气、水、泊类专主流体)没 有压力或压力很小的情况下,仍然能移给密封接触面以一定压力,保证装置的密封。 图4-2为压力很小时“o”形圈在密封接触面上的压力分布情况。当工作介质压力 很高时,在高压作用下, “o”形圈被挤压到沟槽另一侧,堵塞介质泄漏通道,起到 迷封作用,如图4-2右所示。 “o”形圈在这科情况下的特性，称为密封作用。此时,密封接触面上承受的 压力 m p为： p= m p + p 高 式中 m p“o”形圈安装后，预压缩作用于密封接触面上的初

46、使压力，公斤力/ 厘米； p 高密封接触面上承受的密封介质压力，p 高=cp，c 为压力传递系数，对 于橡胶来说，c=1； p 为密封介质的压力，公斤力/厘米。一般，由于 c1，所以，pmp 。 由此可见，要“o”形圈在安装时受到预压缩，即具有初使压力，就能实现 无泄露密封。 （2）形圈的设计原则 “o”形圈是典型的压缩型密封元件,其压缩率的大小直接影响密封性能似的 高低和使用寿命的长短。选择压缩率时，要考虑以下因素：有足够的密封面接触 压力；摩擦力和磨耗损失要尽量小；尽可能避免永久变形。 “o”形圈压缩率的表达式为： w=（ 0 d-h）/ 0 d a100 式中 0 d“o”形圈在自由状态

47、下的断面直径，毫米。 为了提可密封效果,防止间隙挤出，当工作压力超过一定值时时, 通常采用 挡圈结构“o”形圈使用挡圈后，其工作压力可以大为提高。静密封压力能够达 到 200700 pa；动密封压力可以达到400 pa。 （3） “o”形圈的断面值 在相同的技术条件下,同一内径尺寸的“o”形圈断面直径大的要比小的寿命 长,旦断面直径与压缩变形有着十分密切的关系。 要延长“o”形圈的使用寿命,应尽量选用较大的断面直径。因为油类中的氧 是从“o”形圈表面向其中心扩散而使胶料老化,氧的扩散速度随橡胶表面氧的浓 度而变化,扩散深度与扩散时间的平方成正比,所以,加大“o”形圈断面对于降低 老化速度起相当

48、大的作用。进行密封装置设计时,应当尽量选用较大断面直径的 “o”形圈。 （4） “o”形圈橡胶材料的选择 在密封工程中，合理选择“o”形圈橡胶的性能、牌号对满足使用要求是十 分重要的。石油测井仪器用“o”形圈一般多选用丁砖橡胶, 深井仪器和超深井 仪器选用氟橡胶。这两类橡胶的性能特点简述如下： 丁腈橡胶（nbr） 目前，丁腈橡胶是用量最大的一种特种合成橡胶。采用低温（510）聚 合的丁腈橡胶具有较好的物理机械性能和加工工艺性能。 根据不同的性能，丁腈橡胶可分为通用型和特苏型两大类。特种丁腈橡胶包 括羟基丁腈橡胶、部分联丁腈胶、丁腈橡胶和聚氯乙烯共沉橡胶以及液体丁腈橡 胶等。 氟橡胶（fpm）

49、氟橡胶的特点是,耐高温(使用温度范围30250 ,短时间使用温度可达 316)耐氧化、耐油和耐酸碱。但自粘性能差、热塑性不高，加工成型以及与金 属粘接的性能较差,模制化成型较为困难，在一定程度上影响模制零件质量。 氟橡胶的种类很多,按其化学结构来分,有氟化乙烯系、氟化硅翻系、氟化亚硝基 系、氟化丙烽系、氟比聚黯系等。常用的氟橡胶是六氟化丙烯 ( 2 cf =cf- 2 cf ) 和氟化乙烯( 2 cf = 2 ch)的共聚物。, 氟橡胶通常用于高温、高真空及高压环境,也适用于油类环境。由于氟橡胶 具有许多优异性能而广泛用于石油、化工、军工、航空、航天等部门和尖端科学 技术领域。 由上述经查表可

50、选择“o”型圈,合成橡胶（chr） 氟橡胶（fpm） 4.2.2 “r”形密封圈 打捞过程中主要起到密封作用，它的内面有密封唇，外表面粘结在控制环的 内槽，与各种尺寸的篮状卡瓦配套使用。主要保证液体在井内正常循环。所以主 要要求压力密封。 所以选择氟橡胶（fpm）作为材料加工 r 形密封圈。 4.2.3 “a”形盘根 “a”形盘根应为橡胶短筒，内部有密封唇，为落鱼外径与筒体内壁间密封 用。利用上接头的下端斜面把它适度压紧即具密封性，用以保证泥浆的正常循环。 主要要求压力密封。 所以选择氟橡胶（fpm）作为材料加工“a”形盘根。 第 5 章 主要零件的选材、加工及技术要求 5.1 控制环、卡瓦、

51、筒体三个主要零件 5.1.1 控制环 控制环选用 20mn 钢，在加工和热处理方面，要求坡口焊接，焊接后加工外 圆。齿部渗碳（渗层厚 =12 毫米）淬火（硬度达 hrc5862） 。这样既解决了 可焊性问题，又达到拉设计要求。 5.1.2 卡瓦 （1）篮式卡瓦。卡瓦受压扭组合应力，经计算选用30mn钢。在热处理时，只 在内螺纹部位高渗碳淬火、回火。其余部位保持原材料性能。为提高弹性，卡瓦 下部外径减小。为保证加工精度，卡瓦上的宽锯齿形螺旋锥面除了是用安装在刀 台上的硬质合金刀块进行加工外,其余加工、检查等手段和要求均与筒体相同。 但由于篮式卡瓦内孔需经渗碳、回火,而卡瓦卡瓦上四条开口有一个开口

52、被切穿, 经热处理后,必然因产生变形而超差。因此,在机械加工时,所有开口均暂不铣通。 （2）螺旋卡瓦用 30mn 钢制作，按图中要求进行加工热处理，以保证螺旋卡 瓦的弹性和齿部硬度。螺旋卡瓦的机械加工有两种方式，一种是整体切削加工， 另一种是轧制后进行机加工。试制过程中，采用整体加工方式。 螺旋卡瓦犹如用一条梯形断面的钢带缠绕而成，每一螺距形成一个螺旋锥面。 这一螺旋锥面只有同卡瓦座上的内螺旋锥面良好贴合时,才能大面积地均匀地给 井下落鱼以夹紧力。 因螺旋卡瓦断面积较小如图（5-1）,要求与井下套管接触的牙部要硬而锋利, 其心部其他各部有良好的韧性,整体有较好的弹性,故选用低合金钢，加以合理的

53、 热处理。 对已成形的螺旋状零件,热处理会导致零件变形,如螺距不等、圆度误差加大 等。在台架试验中,现落鱼引不进或引进后抓不住现象；有的经负荷试验断成几 段。因此采用渗碳淬火后定型回火处理的方法控制热处理变形,已收到一定效果 又在切削成形时，每一螺旋锥面间留有很薄的圆柱形连接金属，待热处理后，用 专用机床切去如图（5-2） ，这就保证了卡瓦的工作性能和使用寿命。 图 5-1 螺旋卡瓦 图 5-2 热处理前螺旋卡瓦 合格的卡瓦并不可能保证百分之百的打捞成功,因为卡瓦座内螺旋锥面的尺 寸精度和形状误差直接影响卡瓦与卡瓦座的贴合程度。试制过程中证明,如二者 接触面积低于30%,卡瓦会被压断或齿部被压

54、坏。因此贴合面积不小于80%。计算 又表明,卡瓦座内螺旋锥面的大、小端直径尺寸误差,是决定接触面积大小的重要 因素。 从纵剖面上看,卡瓦座内螺旋锥面,成宽锯齿形,孔深、螺距大。在加工过程 中应尽量采用刚度较大的刀杆（一般孔杆比为 10：8）,在强力冷却和润滑下窄刀 粗车,宽刀精车,车削时均用样板对刀。再用综合量规检验卡瓦在筒体内的贴合面 积及窜动量大小。 在热处理时，只对内孔齿部处理，其余部位需要很好保护，保证内、部有不 同的机械性能。 5.1.3 筒体 筒体受力复杂，由于结构和工作条件的限制，经计算，选用 42crmo 钢。调 质硬度为 hrc3035。给锥面螺纹的加工带来及大困难。采用拉锥

55、面半精车留余 量热处理（调质）精加工。在精加工工序中，特制了宽硬质合金成形刀 片，用以解决热处理后的变形量。在热处理时，保证操作精细，炉温适宜，使其 变形量最小。 图 5-3硬质合金刀 内最大长度约为 300 毫米。采用拉锥面半精车留余量热处理（调质） 精加工。用长刀杆刀具粗车和精车，在精加工工序中，特制了宽硬质合金成形 刀片，用以解决热处理后的变形量。粗车内孔留量为 0.40.6 毫米。然后精车内 孔,尺寸控制在土 0.1。用塞规检验。下一步工序为粗车、精车锯齿形螺纹,先用 如图（5-3）所示的硬质合金刀块粗车,再用宽为 tt 的硬质合金刀块精车。精车时 用样板对刀。加工时送给量要小,转数为

56、 2040 转/分,吃刀深度为 0.050.08 毫 米,强制冷却。 为防止让刀或产生某种形状误差等,要求刀杆刚度大,一般孔杆比为10：8。 加工就绪后,用窜动量0.5毫米的综合检验量规涂色检查。 5.2 工作原理及打捞过程分析 5.2.1 打捞注意事项 采用打捞筒打捞落鱼象处理其他事故与复杂性一样，认真分析井下情况，细 心操作，正确选择井下工具，地面仪器仪表正常工作是非常重要的。 以下几点是值得注意的: （1）准确掌握井下落鱼情况，例如落鱼尺寸，鱼头所处的位置及该段井眼 扩眼，缩径等情况。如果落鱼被卡需要倒扣，那么应准确确定卡点，倒扣点应控 制在离卡点两根钻杆处，这样有利于将来的打捞作业。

57、（2）打捞工具下井前，应仔细检查工具的工作情况及工具的尺寸。 （3）管串上的不必要的工具与接头尽量不带，工具越多，接头越多，管串 的薄弱环节也越多。 （4）在搞清井下落鱼尺寸的基础上选择合适的卡瓦尺寸，如果打捞中落鱼 滑脱，则应考虑换小一级的卡瓦。 （5）地面仪表、设备应处于最佳工作状态。 （6）打捞时采取措施越快越好，时间耽搁越长，对打捞工作越不利。 （7）操作要平稳细心。 5.2.2 打捞操作 （1）打捞钻具的组合 井身质量好，不易发生捞后卡钻的情况 打捞筒+下击器+钻具 上 井下情况不明，可能出现捞后卡钻的情况 打捞筒+安全接头+下击器+上击器+钻铤+钻具 上 （2）下井前准备 工具选择

58、 a 根据落鱼尺寸选用适当捞筒，配相应尺寸的一种卡瓦和盘根等。视井身变 化和井径选定引鞋或加大引鞋，亦或壁钩，确定落鱼的抓捞部位是否需要连接加 长节。 b 卡瓦公称打捞内径一般应小于鱼顶打捞部位外径 13mm。 c 根据实际情况，当需要增大网捞面积时，可选择使用加大引鞋；当鱼顶偏 倚井壁时，可选择使用壁勾；当打捞部位距鱼顶较远时，可选择使用加长节。 检查 下井前应按跟踪卡检查核对，准确无误后，方可下井。 （3）操作 筒体内无论是装螺旋卡瓦或篮状卡瓦，打捞作业过程中打捞和释放落鱼退出 捞筒的操作是相同的。 下钻前计算好碰顶方入、铣鞋方入和打捞方入。将捞筒连接在捞柱上，大 钳不得夹卡在筒体上，以免

59、损坏筒体，紧扣扭矩与捞柱相等。 把可退式打捞筒下到距鱼顶 0.30.5m 位置，开泵循环，冲洗鱼顶周围的 沉积物。 停泵，顺时针间断转动并缓慢下放钻具，试探鱼顶。 根据打捞方入及打捞钻具悬重变化，判断卡瓦已进入鱼顶打捞部位后，停 止转动并施加 35 吨的钻压，使落鱼进入卡瓦。 缓慢上提钻具，根据悬重变化判断是否捞获。未捞获时，可重复上述步骤。 将落鱼提离井底 0.50.8m，猛刹车 23 次，证明落鱼卡牢即可正常起钻。 在鱼顶方入找不到鱼顶时，如打捞钻具长度校对无误，可在可退式打捞筒上带加 大引鞋或壁钩，亦可加肘节或弯钻杆再捞。 井内如需要退出落鱼，下放钻柱，顺时针方向旋转钻柱并慢慢上提，直到

60、 可退式打捞筒退出落鱼为止。无法退出时，推荐用地面震击器，用 510 吨震击 力多次震击。 捞上落鱼后，起钻拆卸立柱时不能用转盘卸扣。 当落鱼起出井口后不应在井口释放，更不能在井口压松可退式打捞筒,有 可能时可在钻台上压松落鱼。 从落鱼上退出打捞筒，先卡住落鱼，用链钳卡住打捞筒，顺时针转动即可。 结结 论论 此次我的毕业设计题目是打捞器设计。可退式卡瓦打捞筒是从落鱼外径抓捞 落鱼的打捞工具。它可以打捞钻铤、钻杆、油管、接头、接箍和其它井用管子。 可退式打捞器的研究让我的知识领域有所扩展。由于可退式篮式瓦打捞器和可退 式螺旋卡瓦打捞器筒体不可通用，通过这个设计我们可以获得一种理想的螺旋卡 瓦打捞