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1、复合材料桥塞卡瓦模具设计刖S复合材料的桥塞卡瓦模具设计1 HU吞在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要的坏节。油气水井在自 喷、抽油或注水注气过程中，随时会发生故障，造成油井减产或甚至停产。女山油井下沙 堵、井筒内严重结蜡、结盐、油层堵塞、渗透降低、油气水层互相串通、生产油层枯竭等 油井木身的故障；油管断裂、汕管连接脱扌II、套管挤扁、断劣和渗漏等油井结构损坏；抽 汕杆弯曲、断裂或脱扣、抽汕泵工作不正常等井下采汕设备故障。出现故障后，只有通过 井下作业來排除故障。一套完善的修井设备，一般包括下述部分：主机（修井机），具有动力、传动、绞车、 井架、钻台、游动系统。刹车系统以及液压
2、、气动、电气系统；井UT具；井下T具；运 输工具；起吊及发电装置等。其中，井口工具主要包括吊环、吊卡、吊钳、液压动力大 钳、液压套管钳和修井液压动力钳等。国内生产井口工具的公司主要有：江苏如东通用机械有限公司、泰兴石汕机械有限公 司、山东三囚临驹石油机械有限公司、牡丹江石油工具有限责任公司、海城市石油机械制 造有限公司、盐城市特达石油机械有限公司、江苏新彖股份有限公司等公司。在衡量修井设备的性能上，一般有下述指标：修井能力（即绞车功率人小）；井架性能 （强度、刚度、安装性）；移运性；控制是否方便、灵敏；提供操作条件好坏；配套设备 及工具是否完善；T作可靠性；有无特殊的防风、防水、防冻、防尘及防
3、腐蚀措施等。1.1选题背景由于我国人部分油山人都L1进入开发中、后期，采油的难度越來越人，丁艺越來越复 杂，井况也越来越复杂，修井任务也越来越繁重。与修井任务越來越繁重的同时，修井工 人的劳动强十分高修井的坏境条件也十分恶劣，高温酷寒，风天I対天，井场条件差（泄霜 出來的天然气和有毒气体的侵熏和井喷），特别是地处高原的西部地区，第1页（共37 页）复合材料的桥塞卡瓦模具设计油井较深、自然及环境条件十分严酷。所以要提高修井效率、减轻修井工人的劳动强 度，同时恶劣的工作条件也对工作设备提出了更高的要求，克服高温高压的工作环境。与 发达国家相比，我国的钻井设备相对落后，尤其是在卡瓦的使川上，国外人多
4、数使用机械 手、启动卡瓦；而日前国内绝人部分油U （或地质）钻井工程中起下钻作业时，人都采用 双吊卡或单吊卡加手提式卡瓦作业方式，自动化程度低、效率低、劳动强度人安全性能不 高。由于卡瓦是桥塞的关键部位，问题也随之而来，如果我们采川新型复合材料，利用具质 量轻，强度人的特点，來继续强化卡瓦的耐高压特性來满足油山开采的更复杂的地质环境; 研发新的生产工艺來生产卡瓦，节约成木，增加经济效益。2复合桥塞原理与意义2. 1初识复合桥塞在汕气井测试过程中，为正确评价认识日的层，当遇有多层系地层时各汕气水层的层间 存在差异需要进行分层测试，分层进行增产措施，生产井进行多层完井，暂时隔层等，都 需要使用桥堵
5、分层丁具，如桥塞等。但U前常川的金属桥塞存在易卡、钻铳困难等缺点， 特别是用于斜井、水平井的分层压裂、酸化、封堵水等工艺，由于受其特殊井身结构的影 响，这类井在解除金属桥塞桥堵进行磨铳时，易发生卡钻等问题，问题出现后比玄井处理 起來要复杂，为解决这一问题，可使用一种新型工具一复合材料桥塞。利用复合材料制作 桥塞代替金属桥塞，其独特的材料设计容易钻铳，磨掉的碎屑轻小，较易冲岀，防止卡 钻。特别适用于斜井、水平井的分层压裂、酸化、封堵水等作业，克服了金属桥塞易卡、 钻铳困难等缺点。2. 2结构原理复合材料桥塞的主要元件一密封胶筒通过水力或机械作用，使胶筒膨胀密封，达到隔离 井筒液体和压力、隔离产层
6、或非1=1的层，达到改变井筒条件、实现封隔Id的，达到施工要 求。第2页（共37页）复合桥塞原理与意义2.2. 1结构复合桥塞由密封系统、锚定系统、锁紧系统等部件组成，结构示意图如图1所示。密 封系统由胶筒、上下椎体和防突隔坏组成。上下椎体在解放工具作用下剪断销钉，压缩胶 筒形成密封。隔坏的主要作川是压缩时灯先胀开紧贴套管壁，在上下两个防突隔坏中间形 成一定的空间，使得胶筒压缩时在空间内均匀胀人，有效阻止胶筒压缩时“肩部突出”撕 裂。图2-1复合材料桥塞结构示意图锚定系统由上下卡瓦、自锁锁环等组成。上下卡瓦的作用是将复合材料桥塞支撑在套管 闭上，并限制其纵向移动，用于保持其密封性。锁环上的倒齿
7、与小心管的倒齿相互啮合，坐封后永久固定于坐封状态。所以，这种机构 决定了该桥塞解封方式只能是钻铳。dI与复合材料桥塞配套使川的还冇坐封释放机构，具主要部件炬剪切销钉，川于投送丁具 和复合材料桥塞的连接，完成坐封后被剪断，使投送工具和桥塞脱开。释放销钉安装孔 中心管防坐封销符安装孔自钏环上键体防突隔环 坐封胶皮 防突隔环 下掘体下卡瓦 斜面下按头第3页（共37页）复合材料的桥塞卡瓦模具设计2. 2. 2工作原理复合桥塞使用原理与人多数桥塞的使用原理一样，通过川心管与外套件的相对运动，使 推管运动压缩胶筒和上下卡瓦，胶筒胀开贴近套管舉，达到封隔上下层的LI的，上下卡瓦 在椎体上裂开紧紧啮合套管，当
8、胶筒、卡瓦与套管配合很紧再不可压缩且达到一定值时， 剪断释放销钉，使得投送坐封T具与桥塞脱开，完成释放T作。桥塞小心管与上锥体内锁 环设有倒齿机构，坐封后自锁形成啮合紧锁。使桥塞始终处于坐封状态。2.2.3特点整个复合材料桥塞除锚定卡瓦和极少配件外，均采川类似駛性纳料性质的复合材料制 成，其强度、耐压、耐温与同类型金属桥塞相当或优于金属桥塞，所以可钻型强，且魔铳 后产生的碎屑不会像金属碎屑那样发生沉淀，乂由于密度较小，很容易循环带出地血，克 服了磨铳普通桥塞时的钻铳困难、沉淀卡钻等难题，特别是解决了斜井、水平井的磨铳桥 塞时的困难。可川普通三牙轮或平底磨鞋快速钻出桥塞。复合材料桥塞的体外结构与
9、普通桥塞不同的是底部采川斜而形状，防止钻铳时木体旋 转，使磨铳解除桥塞变得更容易、更快捷，从而可以在井内下入多个桥塞分隔一系列层 系。适用于井内多重桥塞的使用和取出。2. 2. 4技术参数不同型号复合材料桥塞技术参数如表2-1所示表2-1复合材料桥塞技术参数*管外径(mm)适用金!T吃厚 ()量大工具外径 (m)(T)(M)88.9069.8565.0214969114.3099.57- 103.8992.9614969114.3095.35-97.1891.5114969139.70118.62- 125.73)11.0014969177.80154.79-163.98147.3214969
10、244.48216.79209.3514955.2第4页(共37页)复合桥塞原理与意义2. 3分层施工作业程序2. 3.1下入作业稈序复合材料桥塞下入需用投送坐封工具，一般可用威得福HST或威得福AH坐封工具，也 可使用贝克E4、No. 5、NolO坐封工具。采川油管、钻杆、连续油管及电缆等投送下井 均可。其下井程序以贝克E4型投送坐封丁具为例，复合材料桥塞与配套连接结构如图2、图 3所示图2-2桥塞投送工具结构示意图点火头上活塞缓冲延时节洼鬻下活*推力杆推简椎简连掩套张力芯轴第5页（共37页）复合材料的桥塞卡瓦模具设计将连接好的桥塞、投送工具下入井内，到达预定深度后，通电点火引燃火药，燃烧室
11、产 生高压气体，上活塞下行压缩液压油，液压油通过延时缓冲嘴流出，推动下活塞，使下活 塞连杆通过外壳十字连杆推动推筒下行，外推筒下行，推动挤压上卡瓦，与此同时，由于 反作用力使得外推筒与心轴之间发生相对运动，芯轴带动中心拉杆，连接套相对向上运 动，带动桥塞中心管向上挤压下卡瓦，在上行与下行的夹击下，上下椎体各白剪断与中心 管的固定销钉，压缩胶筒使胶筒胀开，达到封隔H的，这时，上下卡乩在椎体上裂开紧紧 啮合套管，当胶筒、卡瓦与套管配合很紧再不可压缩且达到一定值时，剪断稗放销钉，使 得投送坐封工具与桥塞脱开，完成释放T作。由于桥塞中心管与椎体内锁环设有倒齿锁紧 机构，所以坐封后形成自锁，使桥塞始终处
12、于坐推筒张力芯轴定位机构适配杆释放销钉桥塞中心管图3桥塞投送适配舉结构示意图封状态。第6页（共37页）复合材料的基本特性2. 3. 2解除桥堵作业程序磨铳复合桥塞的磨铳鞋最好是非刀刃切削式的，这种类型的磨鞋能在磨饶过程小减少对 套管损害的可能性。适合的磨铳鞋尺寸应该是套管内径的92%95%推荐使用钻铤和扶正 器，加装碎屑打捞杯，以收集在磨铳时人的碎块，防止落在桥塞上。磨铳转速为 50150r/min 为宜。磨铳程序是首先川磨铳钻具探桥塞位置，开泵循坏出桥塞顶部松散的堆积物，建议循坏 排量500L/min以上，然后上提钻具30cm ff泵循坏，缓缓下放加压0. 254t磨铳。加压吨 位和排量的人
13、小决定磨铳时间。保持钻压玄至钻掉桥塞。当有多个桥塞时，尽量在钻头附 近多下儿个打捞杯。3复合材料的基木特性3.1复合材料的结构复合材料的结构通常是一个相为连续相，成为基体；而另外一相是以独立的形态分布在 整个连续相小的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强体。在多数情况下，分散 相较基体硬，刚度和强度较基体人。分散相可以是纤维及编织物，也可以是颗粒状或弥散 的填料。基体和增强体之间存在着界而。因此，复合材料是由两种以上组分以及它们之间 的界血构成组分材料主要指增强体和基体，它们被称为复合材料的增强相和基体相。增强相和基体 相Z间界血区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的相，即界血相。
14、增强相和基 体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。其中i个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较强的强度、模量、破 度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，成为增强相或增强体。增强相或增 强体在复合材料中呈分散形武，被集体相隔离包I韦I,因此也称作分散相；复合材料中的另 个组分是包I韦I增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。复合材料的各种形态如 示意图4：第7页（共37页）复合材料的桥塞卡瓦模具设计图3-1复合材料各种形态图3. 2复合材料的特性复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。例如，纤维增强的 树脂基复合材料，
15、具有质量轻、强度高、可设性好、耐化学腐蚀、介电性好、耐烧蚀及容 易成型加工等优点。3.2.1轻质高强，比强度和比刚度高增强剂或者基体是比重小的物体，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；增强剂 多是强度很高的纤维，比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类材料中最高 的。例如，普通碳钢的密度为7.8g/ cm3,玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为 1. 52. Og/cm3,只有普通碳钢的1 /41/5，比需洽金还要轻1/3左右，而机械强度却能超 过普通碳钢的水平。若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过碳钢，而且可以超过某些特 殊合金钢。碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料史低颗粒状层状纤维状片状填充状的密度和史高的强度，因此具育更高的比强度。第8页（共37页）复合材料的基本特性3. 2. 2可设性好复合材料可以根据不同的用途要求，灵活的进行产品设计，具有很好的可设性。对于构 件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达到节约材料、减轻质量的口的。对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计吋可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料； 对于其他一些性
