第一章设计井下工具pdf概论.docx
《第一章设计井下工具pdf概论.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章设计井下工具pdf概论.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第一章设计井下工具pdf概论
第一章设计井下工具
一、学习目标
能根据工具设计的原则及所掌握的井下工具的原理、工艺技术及现场实际落
物情况，设计并绘制出简单合理的修井工具。
二、使用工具
（1）测量工具：
游标卡尺、外径千分尺（螺旋测微器）、外卡钳、内卡钳、钢板
尺、盒尺。
（2）制图工具：
三角板、圆规、丁字尺、绘图仪等。
三、操作步骤
（一）工具设计的基本步骤
（1）根据井下落鱼的具体情况，收集相关的技术数据资料，进行分析计算，
构思井下工具每个动作的工作原理和结构，并绘制草图（方案图）。
（2）进行必要的方案技术论证和有关技术数据的计算。
（3）按有关方案技术数据计算和方案技术论证结果绘制总装图。
（4）按总装图地面模拟事故处理，是否达到技术论证的效果。
（5）按各零部件图的结构尺寸及工艺要求审核井下工具设计的正确性，即工
作原理是否
正确，结构是否合理，加工是否可行。
（6）对各零部件草图进行标准化审核，画出正规的加工图（急需件可不画正规
图）。
（7）技术要求：
①强度计算要准确无误。
②方案论证要可靠。
③图面要清洁，各种线条要符合国标。
（8）工具设计的依据
鱼顶上部有活动落鱼，采用常规打捞工具无效，活动落鱼大体有两种类型：
（1）活动落鱼的形状长大于套管内径，宽大于鱼顶内腔，是金属片状，一般情况
是偏斜形状在套管内，个别的底端插入落鱼同套管的环形空间，呈倾斜状；
（2）
另一种是落鱼小于套管内径，大于鱼顶内腔，呈现的情况不同，有不规则片状，
有扁圆形物并带一定尺寸的中心孔，还有形状各异不规则的物件等。
这样给常规
打捞带来一定的困难，若磨铣又压不住，必须捞出鱼顶上的活动落鱼才能进行下
道工序，往往需设计急需要的简单化工具处理。
（1）活动落鱼鱼长大于套管内径，宽大于鱼顶内腔，于是金属片状的打捞工
具设计主要原则为没计能够靠自然挤压和弹性挤压方法进行打捞的打捞筒类工
具。
（2）落鱼小于套管内径大于鱼顶内腔，是不规则片状，扁圆形带一定尺寸的
中心孔，形状
不规则的物件的打捞工具设计，应优先选择设计带有对前一种孔采用中心弹性收缩打捞筒；
不规则物件采用内弹性挤压打捞筒。
同规格多数量活动落鱼的打捞工具设计。
例如：
管式带衬套的泵在泵底阀上部外筒提断，
泵筒内长150mm衬套22个，落入井内在井下呈斜状、倾斜状、倾斜微立状、下立状、总
体有的接触在套管内。
采用虎口式打捞筒多次打捞无效，根据井下的具体情况设计打捞钩式
工具。
此打捞钩没计可单钩、双钩、多杆长短不齐钩的方向可多向钩。
技术要求钩杆的材质
弹性要好，尤脆性，钩的开口直径等于或略大于衬套的内径，钩长不能大于50mm。
打捞的
效果是比较理想的。
根据落物的几何图形，内外的具体几何尺寸进行设计简单急需不常规用井下打捞工具。
首先画出井下落物的实际现状，根据实物设想构思打捞工具的几何图形，再以落物的几何尺
寸考虑打捞工具的工作原理结构尺寸，并绘制成1：
1的草图。
然后进行强度计算，选好所
需的材料，最后进行草图模拟工作，认真分析上作原理是否正确及每个动作是否符合构思的
理想要求。
在结构合理的情况下，还要考虑加—仁是否可行，达到最佳的打捞工具设计，提
高打捞作业施工效率。
（三）设计效果分析
对异常井下落物打捞工具设计的合理，必须遵照在不成功的前提下不能破坏落鱼的几何
形状，不能使井下工具在实施时交卡，造成较复杂的井下事故。
对于活动落鱼长大于套管内径，宽大于鱼顶内径，是金属片状的打捞工具的设汁分析。
该井为3400m复合套管完井，上部为177．8mm套管、下部为139．7mm套管完井，实施
打捞前该井管柱为负压射孔管柱，下部为73mm油管连接射孔枪身，上部为88．9mm油管。
巾于操作不当产生油管落井，造成88．9mm油管接箍卡在139．7mm套管的顶部，在大力
解卡时将下部油管提脱造成油管弹跳，起出油管发现脱开油管下部（外螺纹部分）造成撕裂，
呈条状二块，长420～360mm，宽大于62mm。
铅模打印落实鱼顶为88．9mm油管接箍，
无其他落物印痕，决定下滑块打捞矛倒起管。
起出139．7mm套管以上油管后，再下滑块
打捞矛，经多次作业滑块打捞矛不入鱼腔，进行铅摸打印落实鱼顶，印痕一个为长15nlm宽
为7mm；另一个为长74mm宽为7—9mm，二个印痕较明显的集中在铅模的中心部位，近
似于对顶角的几何图形。
经分析认为二块呈条状金属落在最下根88．9mm油管接箍的外边，
也就是139．7mm和177．8mm套管的连接部位，因该部位是反向喇叭口有一定的环形空
间，同时也证明最末一根88．9mm油管接箍没有完全进入139．7mm套管内。
分析后采用
常规的打捞筒进行打捞不容易引进去，即使引进去也卡不住，反而破坏了鱼顶，给下步打捞
带来较大的困难。
决定设计弹性充填挤压打捞筒，地面模拟效果理想，采用168mm薄壁套
管做工作筒，用ф1.8—ф2．4mm清蜡钢丝做充填物。
因为168mm套管外壁近似于落物直
立时外径，尤其是落物在井内呈对顶角形，当落物接近打捞筒时，首先对顶角部位以进入打
捞筒内的网状充填物内，当打捞筒继续下捞时（在喇叭口环形空间内）将金属片校直，在井下
形成倾斜角，丘提时不产生刮碰，金属片在打捞筒内受钢丝的弹性挤压，下部又无倾斜角不
产生刮碰，打捞一次成功。
在处理井下事故时，对井下落鱼情况不清，不可盲目的进行处理。
对井下落鱼情况搞清
楚后常规的打捞工具又解决不了问题，必须要认真地研究，以设计实用的打捞工具为主。
打
捞工具设计加工后，要制定严密的操作程序，直接操作者必须严格地按操作程序中所提到的
注意事项执行，否则会直接影响打捞施工的成功率，严重的会破坏井下鱼顶造成较复杂的井
下事故。
有些设计的简单打捞工具在使用时做好操作程序的交底工作，这部分打捞工具往往
不需要较
大的钻压。
如弹性充填物挤压打捞筒。
将落物引入后钻压在5—lOkN就可安全满足打捞的
施工要求，但钻压一旦超过lOkN以上往往会将弹性充填物挤坏变形，有的甚至将弹性充填
物破坏起不到弹性挤压的作用。
所以设计出较理想的打捞工具必须要有严格的实施操作程序
和注意事项，否则会出现不应有的麻烦，给下步制定措施带来较大的困难。
四、技术要求
在接到一项设汁任务后，先做以下工作后方可进行打捞工具的设计。
首先应该了解以下几方面的情况：
（1）该井的井况，其中包括井身结构、钻井、完井和套管内径等资料。
（2）调查形成落物原因和有无早期落物，分析落物井下状态及有无砂埋等情况。
（3）在落物井下状态不清楚的情况下，应下铅模打印。
（4）井内管柱状态和结构、井中各层的生产状况（主要包括出砂情况、漏失情况、油气层
压力情况等）。
其次是对落物原因、遇卡原因、落物在井内状况有一定的相对、客观的判断，能够对遇
卡原因或井内落物的状态有一初步的分析和认定。
这样为正确判断和指导处理井内落物或遇
卡管柱提供了客观基础，通过分析、讨论，产生一套完整、切实可行的处理方案。
（1）根据处理方案或处理意见选择打捞工具。
尽可能选用标准的、现成的打捞工具，这
样可为打捞工作节省大量的、宝贵的作业时间和作业成本。
如果无现成的标准打捞工具可选，
则必须设计一些非标准的打捞工具，以满足施工需求。
（2）根据打捞处理方案或处理意见确定打捞方式，即采用软捞还是硬捞。
根据打捞方式
确定打捞工具的连接形式和工具的操作方式，确定打捞工具的连接螺纹或其他连接型式。
在设计打捞工具时，应首先结合打捞处理意见，构思打捞工具所能实现的功能和服务形
式，即打捞工具的工作原理和操作方法。
工具的工作原理和操作方法应符合现场实际设备和
操作环境的要求，且实现的方法越简单越好。
（3）针对形成的打捞工具的工作原理和操作方法进行可行性分析、校正。
即根据具体实
际井况分析，确定打捞工具和打捞处理意见对打捞工具的要求之间的差别和改进措施。
（4）依据打捞工具的工作原理和连接方式确定打捞工具的总装图（或工作原理图）。
在设
计总装图时，应使工具实现的功能尽量满足打捞处理意见的要求。
现场操作尽可能简单和适
应现场设备的实际情况。
但对于打捞处理意见所要求的关键性的功能不能实现的，则必须重
新修改打捞工具的设计构想和工具的设计结构，使之满足打捞处理意见的要求。
根据实际的井身结构、打捞工具的工作原理图（或总装图），确定打捞工具的外形尺寸（包
括最大外径、最小内径、连接螺纹等）。
（5）拆画打捞工具的零件图，确定零件具体尺寸、材料，进行零件强度的校核，若零件
的强度不能满足要求，则需修改零件的尺寸或选用强度更高的材料，使之满足打捞强度要求。
同时，还必须修改与其相关的零件的尺寸，防止零件尺寸间的冲突。
在完成所有的零件图后，要求重新按比例画出打捞工具的总装图，在画总装图的过程中，
可以校验各零件尺寸的相关性和合理性。
工具总装图完成后，分析其运动原理和操作方法是
否满足打捞处理方案或打捞处理意见的要求。
（6）工具的设计完成后，交相关部门、领导审核、审批，待得到批准后，送机械厂进行
加工生产。
加工前，与机械厂加工工艺人员讨论零件工艺的合理性。
必要时，可修改零件的
结构形式，以满足加工工艺的要求。
加工完成后，将各零件组装在一起，在地面进行模拟打
捞试验，检
验工具的各项性能指标和操作的灵活性。
如果有问题，必须进行整改，满足设计要求。
否则，
坚决不能下井，避免造成事故的复杂化。
（7）组织现场实施，工具入井前，对修井队技术员、作业工交底，说明工具的工作原理
和操作方法及其注意事项。
同时井口要有相应的防喷措施、防掉落物的措施。
根据实际情况，
备足相应的修井工作液。
接近鱼顶，指挥协调打捞工作。
针对打捞结果和捞出的落鱼，分析井内残余落鱼的情况，
根据情况，选择适当的打捞工具。
若无合适的工具，则需重新设计打捞工具以适合打捞工作
的要求。
总之，针对不同的鱼头选择不同的打捞工具，若无现成的打捞工具可用，则必须设计相
应功能的工具，以满足打捞工作的需求，直至将落鱼处理完毕。
设计打捞工具时，应考虑如下几个问题：
（1）打捞工具下人方法（工具的连接方式）；
（1）打捞工具的可退性（工具使用的安全性，避免事故复杂化）；
（3）打捞工具操作的安全性（工具的强度问题）；
（4）打捞工具的可操作性（操作应简单可靠，便于现场应用）；
（5）打捞工具尽可能设计有循环通道（便于洗、压井作业）；
（6）打捞工具与现有工具的匹配性（便于工具的相互组合）；
（7）打捞作业不改变原井身结构。
五、相关知识
井下工具的设计是生产准备工作的重要组成部分，主要内容包括：
确定井下工具的用途、
结构、规格、工具加工所需要的材料，以及工具应达到的技术经济指标等。
（一）井下工具设计的原则
设计井下工具是井下工具开发的一个重要环节，对井下工具的质量有重大影响，据统计，
井下作业约有三分之一的质量事故是由于井下工具设计不合理造成的。
所以进行井下工具设
计必须遵守以下原则：
1．满足需要的原则
设计的井下工具应是今后生产技术需要的，工具的性能应能最大限度地满足生产技术要
求，应在调查、分析和生产需求的基础上确定是否应进行该井下工具的设计，怎样进行设计，
设计的井下工具应具备哪些性能等。
2．经济合理性
经济合理是指所设计的井下工具应成本低，质量好，使用方便。
3．可靠性原则
指的是在规定的条件和规定的时间内，设计的工具能完成规定所需求的能力。
4．最优化原则
指定设计目标后，用优化设计方法，从若干可行方案中找到尽可能完善的方案。
5．标准化原则
是指设计的工具（产品）的规格、参数应尽量符合国家标准（行业标准）的指标，主要零部
件应能最大限度的与同类工具的零部件通用、互换，成系列发展，以便用较少的品种、规格、
满足生产技术（用户）的需要。
6．安全性原则
安全性原则有三方面的含义：
一是保证产品使用者的安全；二是保证产品本身的安全；
三是要保证其对周围环境无危害，应考虑以下4个方面的问题：
（1）技术上要采取安全措施；
（2）最大限度地减少工人操作时的体力消耗；
（3）努力改善操作者的工作环境；
（4）规定严格的使用条件和特定的使用程序。
7．人机工程学原则
（1）人如何与系统的主要环节协调；
（2）怎样充分发挥操作者的主观能动性；
（3）按操作者和设备（工具）的自然联系合理地选择信息，显示装置和操纵机构。
8．提高价值原则
指在产品（工具）的使用寿命周期内，用最低的成本实现产品（工具）的必要功能。
（1）产品成品保持不变，功能提高；
（2）产品功能不变，成本降低；
（3）既提高产品（工具）的功能，又降低产品成本；
（4）产品成本略有提高，但产品功能大为改善；
（5）产品功能略有下降，但产品成本大幅度下降。
（二）急需临时（一次性）井下工具设计原则
在实际生产实践中，井下作业施工在处理事故时，往往意想不到的井下情况随时发生，
使用常规的井下工具处理是难以解决的。
这就需要针对井下发生的实际情况，设计出有针对
性处理事故的工具。
所以，井下工具设计基本分两种形式，一种是通用常规稳定型，另一种
是井下事故处理急需临时型（针对井下实际情况加工工具只能使用一次）。
对于井下工具的设
计是对症下药方式，对这样简单化的工具设计必须遵照以下原则：
（1）搞清该井各项地质、工程完井及近期井下施工作业资料数据。
（2）落实井下产生事故的基本原因，对有关施工数据进行技术数理分析。
（3）落实井下事故的具体现状或物件的名称，及形状，进行详细分析，检查核对有关图
纸及技术数据（零部件的材料，产生的几何图形，内外尺寸，目前在井下处的位置形状等）。
（4）确定工具的设计方案，根据掌握的井下具体现状，要求采用l：
I的比例画法，针对
井下落物及设计的工具进行地面模拟处理，是否达到井下处理事故处理的可靠性，安全性。
（5）制定该工具的规定使用条件和特定使用程序，同时制定操作时的安全注意事项。
（三）工具设计相关计算方法
1．管体抗拉载荷计算
金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为强度。
金属材料的强度是通过屈服极
限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度指标来反映的。
在外力作用下工作的零件或构件，强度
是选用金属材料的重要依据。
管体抗拉强度是使管体钢材在达到最小屈服强度时，在拉断前所承受的最大拉力，称为
抗拉载荷。
它表示金属材料在拉力作用下抵抗大量塑性变形和破坏的能力。
油管的抗拉载荷计算以屈服极限作为主要依据。
危险断面的选择：
平式油管在螺纹处，
加
厚油管在本体。
计算公式如下：
（1）平式油管抗拉载荷的计算公式：
平式油管的薄弱环节是螺纹根部，于是计算最后一完整螺纹根部的抗拉载荷为平式油管
抗拉载荷，为螺纹根部的截面积乘以管体的屈服强度。
最后一完整螺纹根部截面积=π[（D−2h）2−d2]
4
π
4[（D2−2h2）−d2]σ
于是
Pr平=
（8—l—1）
（2）加厚油管抗拉强度汁算公式：
Pr加=π（D2−d2）σ
（8—1
—2）
4
两式中：
Pr平---平式油管抗拉载荷，kN；
Pr加——加厚油管抗拉载荷，kN；
D--油管的外径，cm；
d--油管的内径，om；
σs~钢材的屈服强度（取最小值），kN／cm’；
h——油管螺纹高度（10牙／in=1．412mm=0．1412cm）。
计算平式油管抗拉载荷时（屈服强度最好选两个值，最小值和平均值），分别计算螺纹根
部和管体两个值综合性考虑（处理事故时）。
例题：
某井井深2872．18m，探得落鱼的鱼顶深度为2493．28m，为井下工具卡。
采
用原井
2）《in平式油管打捞，油管材质为J55，J55材质最小屈服极限为37．90kN／cm2（平均屈服
极限为
44．79kN／cm2）。
试训‘算在什么安全范围内进行活动打捞?
（油管螺纹齿高A二0．141cm）
根据题意需求二个数值供我们处理事故参考，第一求出油管螺纹和最后一个完整螺纹根
部的截面积，它是受力的危险点，先把危险点受抗拉力求出；第二求出油管本体的受抗拉力。
解：
已知油管的外径D=73mm=7．3cm；内径d=62mm=6．2cm
J5材质屈服限值σs=37．90kN／cm2
（平均屈服极限是44．79kN／cm2），h=0．141cm。
Pj管体=π（D
−d
）σ
2
2
4
π
（1）
（2）
Pj体=37.9×（7.32−6.22）
4
=441.81kN
Pj平=44.79×π（7.3
−6.2
）
2
2
4
=518.89kN
利用公式：
Pj扣=π
[（D−2h2）−d2]σ
2
4
Pj扣=37.9π[（7.3−2×0.141）2−6.2
]
2
4
=322.49kN
Pj扣平=44.79π[（7.3−2×0.141）2−6.2
]
2
4
=381.13kN
打捞活动范围在380450kN比较安全，但可根据现场具体情况，逐步地增加拉力活动，
控制在500kN以内为佳。
N=KH
2．钻杆允许扭转圈数计算K=100×0.5×σs
πGSD
式中
N--允许扭转圈数，圈；
K--扭转系数，圈／m；
H--卡点深度，叫
σs—钢材屈服强度，kN／cm
2
；
G--钢材剪切弹性系数（=8x103kN／cm2）；
S--安全系数（=1．5）；
D--钻杆外径，cm。
例：
某井用国家D55（DZ55）级钢品27/8in钻杆处理解卡，卡点深度1810m，决定倒扣套
铣，求倒扣时允许扭转圈数。
钻杆扭转系数见表8—1—1所示。
解：
已知：
D55的K=0．00999，H=1810m
根据公式：
N=KH=O．00999x1810=18．0819圈≈18圈
3．抗扭强度的计算
（1）管体抗扭强度计算公式：
Ms=10−2σtωp
⎛
⎜
⎜
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
ωp=π
D2−d2
16
D
式中
Ms——管材的抗扭强度，kN·m；
σt——钢材抗扭屈服强度（=0．57730σt）kN／cm
2
；
ϖp--管体极切面模数，cm
3
；
D--管的外径，cm；
d——管的内径，cm。
例：
某井采用原井管柱（国产DZ55级钢的中73mm油管）处理解卡，卡点的深度为1576m，
处理事故时管的抗扭力控制在多少?
σt=0.5773×55.00=31.7515kN/cm
2
π⎛
D2−d
2
⎞
解：
已知：
ωp=16
⎜
⎜
⎟=
⎟
0.196×186.6014=36.574cm3
D
⎝
⎠
D=7.3cm
d=6.2cm
根据公式：
Ms=10−2σtωp=10−2×31.7515×36.574
≈11.61279kN⋅cm=1161.279kN⋅m
M=10−2σtωp
⎛
⎜
⎜
⎝
D2−d2
⎞
⎟
⎟
⎠
π
（2）接箍的抗扭强度计算：
ωp=
16
D
D0=DG−h−Z
式中
Do--外螺纹基面根部直径，cm；
DG——基面节径，cm；
h——螺纹高度，cm；
Z--螺纹配合间隙，cm。
钻采管材钢级的物理机械性能对照如表8—1-2、表8—1-3所示。
4．设计简单的井下工具要求
（1）功能满足要求，效率高；
（2）便于使用，维护和修理；
（3）容易制造，维护和修理；
（4）结构简单，工作可靠，寿命长；
（5）减轻体力劳动，操作安全，对环境不产生污染及影响：
（6）总体布置匀称紧凑。
（四）井下完井工程的技术工艺发展趋势
井下的技术工艺，是井下维修作业保证不污染油层的重要环节之一。
目前投人的开发井
完井方式有多种类型，但都有其各自的适用条件和局限性，只有根据油气藏类型和油气层的
特性去选择最合适的完井方式，才能有效的开发油气田，延长油气井的开采寿命和提高经济
效益。
合理的开采完井方式应该力求满足以下要求：
（1）油气层和井筒之间保持最佳的连通条件，油气层所受的损害最小。
（2）油气层和井筒之间应具有尽可能大的渗流面积，油、气人井的阻力最小。
（3）应能有效地封隔油、气、水层，防止气窜或水窜，防止层间干扰。
（4）应能有效地控制油层出砂，防止井壁坍塌，确保油井长期生产。
（5）应具备分层注水、注气、分层压裂、酸化等分层措施以及便于人工举升和井下作业
等条件。
（6）稠油开采能达到注蒸气热采的要求。
（7）油田开发后期具备侧钻的条件。
（8）施工工艺简便，成本较低。
近年来石油工作者在不少领域中应用了新工艺，新技术，为此加深丁油气层层内的微观
认识，而采取了保护油层的措施。
与此同时，采用丁不同方式完井，从而提高了油气井完善
程度。
由于这两个方面的技术进步，其结果是提高了油气井的产量。
完井工程不仅仅是下套
管注水泥固井，而是与油气井产能的提高很有关系，这是现代完井工程的新概念，从而拓宽
了完井范畴。
1．完井工程定义
完井工程是衔接钻井和采油工程而又相对独立的工程，是从钻开油层开始，到下套管、
注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液、直至投产的一项系统工程。
2．完井工程的理论基础
（1）通过对汕、气、层的研究以及对油、气层潜在伤害的评价，要求从钻开油层开始到
投产每一道工序都要保护油、气层，尽可能减少对储层的伤害，形成油、气层与井筒之间的
良好的连通；以保证油、气层发挥其最大产能。
（2）通过节点分析，充分利用油、气层能量，优化压力系统，并根据油藏工程和油田开
发全过程特点以及开发过程中所采取的各项措施，来选择完井方式及方法和选定套管直径，
为科学地开发油田提供必要的条件。
3．完井工程的内容
（1）岩心分析及敏感性分析。
（2）钻开油层的钻井液。
（3）完井方式及方法。
（4）油管及生产套管的选定尺寸。
（5）生产套管设计。
（6）注水泥设计。
（7）固井质量评价。
（8）射{L完井液选择。
（9）完井的试井评价。
（10）完井生产管柱。
（11）投产措施。
从油田开发的宏观出发，立足油藏工程，近远期结合，按完井工程系统的要求，将钻井、
完井、采油工程有机地联系起来，而不是用完井工程去代替钻井和采油工程，还需要钻井、
完井、采油工程搞好各自的工作。
在高科技时代的今天，各项工程都是互相渗透而又共同发
展的。
当前提出完井工程概念和形成完井工程系统，其目的如下：
（1）尽可能减少对油气层的损害，使油气层自然产能能更好地发挥。
（2）提供必要条件来调节生产压差，从而提高单井产量。
（3）有利于提高储量的动用程度。
{4）为采用不同的采油工艺技术措施提供必要的条件。
（5）有利于保护套管、油管，减少井下作业工作量，延长油气井寿命。
（6）近期与远期相结合，尽可能做到最低的投资和最少的操作费用，有利于提高综合经
济效益。
4．完井工艺技术管柱研究
油井套管射井后，下人完井管柱使生产井或注入井开始正常生产是完井工程的最后一个
环节。
生产管柱设计的合理性直接关系到生产
升级会员 