井下工具课程设计

1、西南石油大学石油设备与工具方案设计课程设计题目名称：喷砂器学生姓名：学生学号：专业年级：机械工程及自动化2009（井下）指导教师：评阅教师：完成日期：2013-1-11- -选题目的和意义（研究的必要性）国内外研究现状分析总体设计方案确定3.1设备功能要求或作用3.2结构方案确定3.3结构组成、工作原理及使用范围3.4主要设计参数确定3.5所设计设备的主要结构、性能特点完成全部设计需要完成的主要研究内容及技术难点主要研究内容技术难点完成全部设计拟采用的研究思路方案设计基本计算6.1井底相关压力的计算6.2销钉的剪切强度计算6.3弹簧的刚度计算6.4凡尔受力情况6.5弹簧压缩量参考文献选题目的和

2、意义（研究的必要性）般来说，在原始状态下，除受到沉积特点的影响外，油层岩石的结构都是致密的，因而原油从油层向井筒内渗流时，也是比较缓慢的。对低渗透油层，原油的渗油就就更缓慢，甚至不出油气。此外，油井在钻井时或生产一段时间后，井底附近要受到污染，影响油（气）流向井筒。以上几种情况均使油（气）流向井筒的过程中消耗大量的能量，使油气产量上不去。为了减小油气流动阻力，使其加速流向井底，在地面采用高压大排量泵，利用液体传压原理，将具有一定粘性的液体，以大于油层吸收能力的排量注入油层，在井底造成高压。当液体压力超过油层井壁处的地应力及岩石的抗张强度时，油层就破裂，形成一条或数条水平的或垂直的裂缝。然后继续

3、将带有支撑剂的液体注入缝中，使裂缝不断地扩展与延伸，并在缝内填以支撑剂（如石英砂、核桃壳等），使之沉淀在裂缝中，使裂缝不断地扩展与延伸，这种过程就是压裂。通过压裂，可连通油气储集区。由于地质上的非均质性，地层中有产能的含油储层如碳酸盐岩地层中的裂缝带、砂层中的透镜体、三角洲沉积的砂体等，并不一定与井底相连通。通过压裂所形成的人造裂缝，可以在这些含油储层与生产井之间建立流体渗流通道，从而使油井增加新的产油能力。大型压裂所形成的较长裂缝，可以将几个类似的砂体连通，从而大幅度增加油井的控制储量。通过压裂，可改变储层流体的流动形态。一般油藏生产过程中，如果没有进行人工压裂，储层中的流体是通过径向渗流进

4、入井筒，而压裂后，由于地层中形成了一条从井底延伸到地层深处的高导流能力的填砂裂缝,所以流体首先以储层线性流的形式进入裂缝中，然后在裂缝中以裂缝线性流的形式进入井底，由原来的径向流转变为裂缝和地层之间的双线性流,最终减少了油气从储层进入井筒的阻力，增加了油井的产量。通过压裂，还可消除井底附近地层的污染。油井经过长期生产，由于储层流体的有机质沉积以及储层出砂，必然会堵塞井底附近的储层孔隙，形成一定的污染，造成储层孔隙度和渗透率降低，从而影响油井的产量和控制储量。因此，可以通过小型压裂来解除井底污染，改变低产状况。水力喷砂压裂技术可以大大地改善油气田开发的经济性才是高油气田开发的效果和效益，特别是提

5、高那些非均质的、连通性差的、低渗和薄层等油气藏的开发效果和效益。国内外的水力喷砂压裂技术发展很快，关于水力喷砂压裂的力学问题、设计方案及其影响因素、产能预测及评价等已进行了较深入的研究。近年来，水力喷砂压裂技术在世界范围内得到了迅速发展。中石油水力喷砂压裂施工呈逐年上升趋势。因此，水力喷砂压裂技术具有良好的应用前景。水力喷砂压裂与普通射孔和压裂方式相比较，在水平井分段压裂施工时具有明显的优势。首先，在水平井射孔上，水力喷砂射孔比常规射孔方式更加方便、安全、效果好，射孔深度大，并且孔眼周围没有形成压实带污染，减轻了近井筒地带的应力集中。其次，水力喷砂射孔可以准确把喷射器放到造缝位置，能够准确造缝

6、，并且进行定向射孔，不会造成井筒其它地方的裂缝。再次，整个过程利用水动力学原理实现水力封隔，不需要其他封隔措施，完成水平井的分段压裂，而对于其它普通的水平井压裂方式，需要进行机械或者化学封隔，才能进行下一段压裂。射孔的段位越多，常规压裂所采用的施工方法越复杂，所耗用的时间越长，对地层的污染也要大得多。而且，水力喷砂压裂具有明显的增产效果。现场施工表明，水力喷砂射孔可降低破裂压力510MPa。对于不宜实施普通射孔和压裂的井，可以选择水力喷砂射孔辅助水力压裂的增产措施。特别是对于裸眼水平井来说，水力喷砂压裂可以制造各种复杂的裂缝组合，大大地提高了油井的产能最后，水力喷砂射孔压裂工具结构简单，降低了

7、施工风险，施工程序简单，缩短了施工周期，降低了成本，提高了经济效益。综上，为了适应油田的生产，喷砂器在不断的改进中产生，喷砂器在油田增产中运用非常广泛，主要用于分层压裂。其作用主要有两个：一是通过喷砂器向地层喷出高压液体（含高含沙液体）；二是通过喷砂器造成节流压差，使接于其下部的封隔器有足够的做封力，确保封隔器密封可靠。国内外研究现状分析21水射流技术的发展以及在石油中的应用19世纪中叶（1870年前后），美国在加利福尼亚州的金矿中第一次用增压后的水射流开采非固结的矿床。20世纪50年代初前苏联和我国在煤炭上利用3050MPa的水射流进行水力采煤。随着水力采煤技术的逐渐推广，人们认识到提高水的

8、压力和适当减小喷嘴直径可以明显地提高水力采煤的效率,因而不少专家学者着手研究较高压力的压力源。20世纪60年代制造出了大批高压柱塞泵和增压器，日本研制出了脉冲射流发生器，这些高压设备的问世大大推动了水射流技术的研究工作。到20世纪70年代末期/水射流技术出现了一个新的动向/即从单一提高水射流压力转向研究如何提高水射流的冲击力。水射流介质已由普遍的工业用水发展为磨料和水的两相介质，于是出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流。水射流技术的应用范围也由单纯的采矿工业扩大到冶金、石化、航空、建筑、建材、交通运输、化工、机械、轻工业及医学等领域。20世纪40年代末喷射钻井技术的出现是石油钻井技术的一场革

9、命，吏钻井速度上了一个台阶。1949年美国首次在钻头体上试用小喷嘴，1955年在钻头设计时采用喷嘴组合系统，从此，贲射式钻头与钻头水力学应运而生，人们认识到钻头水力参数是影响机械钻速的主要因素。1973年美国Exxon公司开展了高压水射流用于深井钻井的可行性试验，实验发现当喷嘴压降为104MPa时，连续性射流可以冲击破碎70%80%所钻岩石，机械钻速提高23倍。20世纪80年代末，美国FlowDfill公司研制了双通道管柱超高压射流辅助钻井系统，22口井的钻井试验表明，机械钻速比常规钻井提高1.2-2.1倍。1993年以来,FlowDfill公司和天然气研究院联合开展了井下增压泵超高压钻井的研

10、究，用井下增压器将l/71/10的钻井液增压至240MPa辅助切割，经5口井现场试验，机械钻速是普通钻井的1.1-3.5倍。进入20世纪80年代，研究人员将水射流应用领域由钻井拓展到开发、采油。美国、中国等国家研制高压水射流钻径向水平井系统和水射流深穿透射孔系统，用于老井改造和增产，提高采收率。水力喷砂射孔、水力深穿透射孔以及水力喷砂压裂都是水射流在石油应用中的新技术。22水力喷砂压裂的发展及研究现状1998年，Hiburton公司的Suoaatmadia等人首先提出了水力喷砂压裂的思想，该技术结合水力喷砂射孔和水力压裂的优点，无需机械封隔，定向射孔。水力喷砂压裂是水力压裂方面的一项新技术，直

11、到2001年才实现了水力喷砂压裂技术上的突破，首先由哈里伯顿公司成功应用，现在接受这项新技术的油田越来越多。目前，水力喷砂压裂技术已经在全世界范围内实施了几百口水平井,100多口直井。在水力喷射压裂初期，主要使用普通油管将喷射器送入压裂位置进行压裂，但其作业时间长，劳动强度大，井口密封装置要求高。后来，连续油管与水力喷射压裂技术相结合应用于油田增产作业中，大大提高了操作的速度和效率。水力喷砂压裂工艺是国外应用数量最多、效果较好的水平井分段压裂工艺。目前，水力喷射技术在美国、加拿大等国家应用较为广泛。截止到2003年5月，美国路易斯安那州西部的JannesLime地层使用水力喷射压裂技术处理了8

12、0多口井，平均每口井造缝8条，共造缝600多条；加拿大道森县的白云岩地层，垂直深度4900fi，水平井段2900fi，采用水力喷射加砂压裂技术，27/8压裂管柱，沿裸眼井段分5段压裂，裂缝间距550fi，施工排量16桶/min，前置液120009M,携砂液分4段，每段液量20009M，支撑剂浓度从IIb/gal.41b/gal(100kg/m3.400kg/m3)，支撑剂为20-40目砂，压后产量从压前4-6桶/d提高到110-120桶/d。国内水力喷砂压裂的研究主要集中于水力射孔技术，主要是石油大学和石油研究院所开始了关于水射流技术的研究。中石化石油勘探开发研究院进行了携砂液水力射孔射穿套管

13、和水泥环室内试验研究:中石化胜利油田采油工艺研究院主要进行了固定式多孔水力射孔现场试验研究:西安石油大学开展了对低渗透水平井压裂改造基础与配套技术进行研究,主要针对油井水力喷砂压裂的关键技术进行研究.西安石油大学的刘永亮等介绍了水力喷砂压裂技术的原理、工艺过程和技术特点，分析了该技术中起关键性作用的因素。倪红坚等对高压水射流射孔过程及机理进行了模拟研究，结果认为高压水射流具有很强的破岩能力，卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏是水射流破岩的主要形式，从定量层面揭示了水力射孔比现有聚能射孔有优势。2005年12月，由长庆油田分公司与Haliburton能源服务公司合作，在靖安油田靖平1井和庄平3井顺利

14、完成增产作业，这是该工艺在国内首次试验。2006年到2007年首先由西南油气田分公司自主研制成功，最先在四川气田成功实施BQII0井，然后陆续在四川广安气田、新疆吐哈油田获得成功应用。由中国石油勘探开发研究院廊坊分院提供井下工具和设计、新疆油田公司组织实施的BJHW601井，分3次进行了分段水力喷砂压裂，获得日产37.2m3高产油流。BJHW601井是我国第一口首次采用自主开发工具、自主设计和组织施工的水力喷射压裂工艺井，也是新疆油田第一口水平井分段压裂井ll引。水力喷砂压裂通过一百多年的发展，其相关技术和配套产品已经相对成熟。总体设计方案确定已知油藏开发井网井距400X400m，压裂井深度H

15、=2500m,岩石弹性模量E=25000MPa，泊松比V=0.15,破裂压力梯度a=0.018MPa/m；油层有效厚度Hf=10m，渗透率k=2.0X10沖m2，孔隙度少=20%，地层温度80oC，地层流体压力pS=25.0MPa，地层流体粘度|Jr=2mPa.s，流体压缩系数cf=6X10-3/MPa；射孔孔眼密度10孔/m，孔径少10,生产流压P=15MPa，套管直径少127，油管直径少62,，兰州石英砂粒径WfdP=0.4-0.8mm，颗粒密度pr=2650kg/m3。牛顿型压裂液粘度p=0.03Pa.s,密度pf=1000kg/皿，初滤失系数SP=0，造壁性滤失系数c=8.62X10-

16、4。施工排量Q=2.0m3/min。假设采用油管注液工艺，压裂液在油管中的为摩阻0.6MPa/100m。（资料来源：西南石油大学采油工程课件）31设备功能要求或作用此处设计的喷砂器的实际应用条件（油井参数）为：油层深度2500米以下的中深井和浅井套管内径127mm上图是各种岩石的弹性模量和泊松比，此处以砂岩为例：弹性模量2.5x104Mpa泊松比0.15渗透率k=2.0 x10-3pm2破裂梯度aa小于0.15-0.18多形成垂直裂缝，而大于0.23的则是水平裂缝。深地层出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率多。这是由于浅地层的垂向应力相对小些，且近地表地层中的构造运动也较多，使水平应力

17、大于垂直应力的几率也多。a=0.18Kpa/m牛顿型压裂液:粘度=0.03Pa.s,密度Pf=1000kg/m3,初滤失系数SP=0,造壁性滤失系数c=8.62x10-4。施工排量Q=2.0m3/min压裂液在油管中的为摩阻0.6MPa/100m地层温度80oC32结构方案确定根据该水力喷砂压裂的实际使用的油田条件参数，考录到喷砂器在进下工作时的效率，选择将喷砂器连接封隔器一起起下。本设计采用花套喷砂器原理。3.3结构组成、工作原理及使用范围结构组成-L工作原理工作时，从油管内投入钢球或球杆，使其坐于滑套芯子顶部的密封锥面上，从地面泵入的高压液体作用于球上，并通过作用在滑套芯子上，结果剪断销钉

18、，滑套芯子下行，露出中心管上的孔眼。高压液体便经中心管上的孔眼作用在阀上，推动阀压缩弹簧，阀被打开，高压液体经孔眼流入油套环形空间，并流进地层。3.4主要设计参数确定1由于工作环境是62mm内径的油管中，所以喷砂器内径为62mm，夕卜径取112mm2对于多级使用时，要安装滑套芯子，其外径为62mm，内径为41mm,钢球直径为44mm1L_*-D*E9y心上厶TBG油管及接箍螺纹各部尺寸代弓牙数/25.4度接直外径D小端壕紋大径血小雄蛭皱小轻出GGid外冷Dm端面蝮敛大轻di端而媒纹出轻d2扩孔邯分LlLBdoLo1.050TBG磁&了&25.727&22.90327.7923.50&21.0M

19、3.4&27.298&24.474&28.340.581.01.61.315TBG朗生4矽40S磁9.58428.5824.2B&26.6&42.2朗4一029矽L205&35.041.SS2.62.4&422&44973&3生14931.7527.46&版1&52.2&4乂792型9968&43.844.488.93.2l.ytXJTBG10&4乩3&4&870&44.04634.9230.品&40.9&55.9&.48.888&4&064&49.97.947-195.21.623/8TBG1:16&6Q.3&58.539ASS.71541.2836.38&47.4&73.0幽讹953&58

20、.129&J61.954.01XJ&027/HTBG&T3.0&7U.544&67.72052.4048-11&57.4M3.9&73L653&-70.829&74.665-1130.231/2TBG购&02219858.7554_46&69.9&108.0矽9528剧&704&90.571.4142.9484TEG8&101.6&9S.622&95.00260.3254-36&yo.1&12CL6&102-148528&HJ乱29.570146.0il/ATBG&1143&ML024&1C7.40465.1059.13&100.5&132.1&11JL848&111.228&115.977.

21、8155.6由于直接和油管连接，接头螺纹采用27/8TBG,小端螺纹大径70.544mm小端螺纹小径67.720mm螺纹长度52.4mm3.5所设计设备的主要结构、性能特点该喷砂器的主要结构有：1上接头2、调节环3、隔环4、弹簧5、中心管6、凡尔7、下接头8、9、密封圈10、剪断销钉11、滑套性能特点：滑套芯子用销钉固定在中心管内，用于控制阀的开和关，下接头的护罩内壁嵌有高硬度的钨钢套，其作用是承受从孔眼喷出的高压（含沙）流体的冲击，并使液流减速并改变流动方向，以保护套管，调节环用于调节弹簧的预紧力，从而调节阀的开启压力。完成全部设计需要完成的主要研究内容及技术难点主要研究内容：1喷砂器的基本

22、结构参数，尺寸2喷砂器的工作压力3喷砂器弹簧等结构的选择4销钉的剪断时的压力技术难点：1根据油层及井下情况确定方案2对于一些关键结构的力学等的计算完成全部设计拟采用的研究思路1确定喷砂器的整体结构;2确定喷砂器的组装方式，多级使用，采用滑套和钢球憋压;3确定喷砂器和油管、封隔器等的连接方式;4根据油井参数，设计销钉、弹簧，使其满足强度要求;5组装整体部件，确定各连接部位的密封结构与尺寸;6画出整体装配图，并找出出现的错误并修改;7完成装配图的绘制和结构参数的确定。方案设计基本计算6.1井底相关压力的计算根据井底压裂经验公式F-Ha取0.018Mpa/mPf=0.018X2500=45Mpa井筒液柱压力为Ph=pgH=10-6x1000 x9.8x2500=24.5Mpa管柱摩阻pf=0.6x2500/100=13Mpa62销钉的剪切强度计算销钉采用45钢抗剪强度t=480Mpa=4896Kg/cm2=47980N/cm2销钉的个数为3销钉的截面积S二兀d2/4作用在销钉上的力F=10.2xPfgS内径=10.2x9.8x45x兀x3.12=102963.8N由t=F/SS=F/t=102963.8/47980=2.146cm2则销钉直径d=;fS30.96