熱應力補償器設計和研究

在稠油熱注熱采井中,熱應力的存在使得套管使用壽命大大縮短可以說是目前熱采施工中的一大難題,而熱應力的難以補償就意味著安全隱患的難以消除,這在安全第一的工程中,是絕對不允許存在的.根據套管損壞機理的研究和理論計算及大量的實物實驗,得出熱采時產生的軸向熱應力過大是套管損壞的主要原因之一,本文充分調研了國內外熱應力補償器的研發現狀,分析其優缺點,根據工藝流程特點進行優化設計.論文所介紹的工具正是基于上述背景下新型設計研發的熱敏環鍵式熱應力補償器,該工具的熱應力補償結構能夠有效的解決因油管,套管和采油樹在受熱時而產生的熱應力,有效延長套管串的使用壽命,因而可以較好地緩解這一工程問題. 本文基于對國內外大量資料的調研,綜合國內外現有的理論及固井施工中的具體情況,盡可能地采用與現場接近的數據作為參考依據,設計中還參考了稠油熱采井固井作業規程,以及機械設計標準,對于裝置中的零部件進行逐個分析,繪畫,模擬,通過有限元分析軟件反復計算校核,最終形成較為理想的設計思路,并繪制出了裝置各部分的零件圖和整體裝配圖.設計而成的新型熱應力補償器具有針對性,易操作性以及可靠性,應該能很好的應用于稠油熱采熱注中. 稠油井中,補償器在注熱蒸汽開采時,高溫對其的使用壽命產生了極不利的影響,而螺紋接頭又是套管上極為薄弱的環節.由于蒸汽吞吐過程中套管要承受高溫載荷,軸向載荷,徑向載荷以及螺紋各部分之間的相互約束,套管受熱膨脹將不能自由地伸長和收縮,補償器主要靠螺紋的接觸壓力來實現連接.注蒸汽過程中,由于溫度變化引起螺紋間接觸壓力的改變,當井筒內的蒸汽壓力或流體壓力低于螺紋間的接觸壓力時,套管接頭的密封性將無法保證.同時,在井筒溫度降低時,會在螺紋接頭上產生一定的殘余應力,隨著注蒸汽周期量的增加,此殘余應力會逐漸累加,直至螺紋接頭被拉斷失效.因此應設計一種可伸縮的熱應力補償結構來避免套管的擠毀.國內外現在研發有多種熱應力補償器,最主要的有波紋式,銷釘剪切式,鎖爪式,以及最新的熱敏材料式,通過應用情況來看,熱敏式熱應力補償器具有更好的功能性和穩定性.但是常規的熱敏式熱應力補償器在結構上比較復雜,實現熱應力補償功能的機械動作過多,使得應用的效果大打折扣. 為此,本文設計一種結構簡單,機械動作簡練,功能性突出的新型熱敏式熱應力補償器,通過熱敏材料的膨脹和內,外筒在熱應力下產生的位移就能實現環鍵的解鎖實現熱應力補償.并采用ABAQUS有限元方法,分析補償器在受載荷工況下的力學特性,對補償器薄弱環節進行強度校核,反復模擬演算來最終確定尺寸的合理性,完成了7寸套管熱應力補償器的設計.設計而成的熱應力補償器長1760mm,最大外徑214mm,內徑157mmm,符合相關國家標準和施工條件.該補償器由內筒,外筒帽,外筒,環鍵,0型密封圈(8個),內筒,缸筒,熱敏材料,活塞,內筒帽,變扣,接箍12個零件組成,金屬材料鋼級為P-110,熱敏材料為石蠟和松香的混合物,密封圈材料為橡膠. 在整個裝置的設計模擬中,對于鉆井和機械方面的知識是一個全面的提升和檢驗的過程,同時設計的工具理論上有一定的可行性,最終有待實際工況中的檢驗與實踐.