摘要某卡瓦式井下節(jié)流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u19637摘要 218302第一章諸論 2195081.1現(xiàn)階段井下節(jié)流器技術(shù) 259041.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4171371.3本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 55030第二章水合物生成預(yù)測(cè) 6305742.1水合物形成的影響因素 644942.1.1溫度和壓力對(duì)水合物生成的影響 7238622.1.2產(chǎn)量對(duì)水合物生成的影響 8114772.1.3單組分水合物生成分析 8256352.1.4凝析油對(duì)水合物生成的影響 8209652.2井筒溫度壓力預(yù)測(cè) 9314992.3水合物的生成預(yù)測(cè) 10245862.4本章小結(jié) 1110408第三章卡瓦式節(jié)流器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11238523.1工作原理 12299443.2節(jié)流器的裝配 14113233.3各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15282683.3.1卡定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1510593.3.2密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1612687第四章卡瓦節(jié)流器零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1749344.1芯軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17202554.2中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17234944.3銷釘?shù)脑O(shè)計(jì) 1829854.4活塞的設(shè)計(jì) 1830506第五章關(guān)鍵部位的計(jì)算校核 1933545.1卡瓦與管壁應(yīng)力計(jì)算 1992505.2薄壁筒應(yīng)力計(jì)算與校核 20281465.3節(jié)流嘴嘴徑計(jì)算 22223915.4井下節(jié)流優(yōu)化設(shè)計(jì) 2411003結(jié)論 254456參考文獻(xiàn) 26摘要針對(duì)現(xiàn)有的卡瓦式井下節(jié)流器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更為完善的新型大管柱卡瓦式井下節(jié)流器。本節(jié)流器適用于長(zhǎng)慶油田的氣井之中，結(jié)合了各種卡瓦式井下節(jié)流器后自己重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過對(duì)于關(guān)鍵部位的計(jì)算分析以及對(duì)各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并得到了以下的結(jié)論：現(xiàn)階段卡瓦式節(jié)流器普遍常見，但能適應(yīng)像蘇里格氣田這樣的大尺寸管柱的氣井出現(xiàn)的不是很多。本節(jié)流器適用于深井或超深井中，通過降低井口的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定量產(chǎn)出，溫度可適用于150°C的高溫高壓的工作環(huán)境中。關(guān)鍵詞：卡瓦式節(jié)流器、大管柱、高溫高壓、長(zhǎng)慶油田諸論現(xiàn)階段井下節(jié)流器技術(shù)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和污染問題的日益嚴(yán)重，越來(lái)越重視對(duì)清潔天然氣的能源的開發(fā)。節(jié)流器是天然氣井開發(fā)過程中，要用到的重要設(shè)備，一般節(jié)流器布置在井口位置，雖然也可以起到很大的調(diào)壓和保溫作用，但是無(wú)法有效利用井下的溫度，造成開采過程中水合物較多，不僅對(duì)生產(chǎn)有較大的影響，還容易雖壞開采設(shè)備。一般會(huì)根據(jù)一氣井的實(shí)際情況，將節(jié)流器座布置再井筒的適當(dāng)位置。像這個(gè)大管柱井下節(jié)流器一般適用在井下位置處，并且適用于高溫高壓型的氣井中。井底因?yàn)閴簭?qiáng)和溫度過高，不放置節(jié)流器會(huì)大量噴出，損耗資源、浪費(fèi)資源。通過投放井下節(jié)流器來(lái)控制氣體從井下向上噴出的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需產(chǎn)能。最近這幾年，在中國(guó)內(nèi)部很多的大氣田，我們的井下節(jié)流技術(shù)已經(jīng)非常的普遍、多樣化，如大興氣田、蘇里格氣田、大慶氣田等，以及國(guó)外的\t"/item/%E6%B0%94%E7%94%B0/_blank"烏連戈伊氣田以及美國(guó)各大氣田均做過大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論的研究，并成熟運(yùn)用。我們的相關(guān)人員對(duì)于不同的井的情況、不同的下沉位置和節(jié)流的需求設(shè)計(jì)了很多很多的井下的節(jié)流工具，以及這些工具的結(jié)構(gòu)。并且逐漸形成了一套完整的體系包括下放、坐封和解封的流程。但是，現(xiàn)如今而言，還有很多很多我們沒法真正解決的問題是現(xiàn)在完整的井下節(jié)流技術(shù)沒法解決的。比如我們?cè)趺锤鼡Q節(jié)流嘴，現(xiàn)在我們節(jié)流的工具下放比較復(fù)雜繁瑣、節(jié)流器到井下可能會(huì)失效等等等等。而且造成這些問題有很多的原因，比如：我們需要很大量的時(shí)間讓井下節(jié)流穩(wěn)定下來(lái)，這就需要我們自己去計(jì)算和收集井下的溫度、壓力、流量的重重?cái)?shù)據(jù)，而采集計(jì)算這些數(shù)據(jù)相當(dāng)麻煩，我們現(xiàn)在有的模型或者是方法還是過于理論了。很難去把井下的情況和變化參數(shù)直觀的、細(xì)節(jié)的表現(xiàn)出來(lái)。而且我們經(jīng)常在投放節(jié)流器之后出現(xiàn)實(shí)際情況無(wú)法達(dá)到我們理論預(yù)期情況的先現(xiàn)象?，F(xiàn)在井下節(jié)流器的工藝特別的繁瑣麻煩，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)于我們下放和上提的操作要求該很高，而且我們也沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)去衡量下放的速度和位置。這些東西還是得靠我們工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)操作。所以在實(shí)際操作中的結(jié)果沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，時(shí)好時(shí)壞。我們井下節(jié)流器的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)還是不夠完整，零零散散，這也就導(dǎo)致了各個(gè)工藝質(zhì)量跟不上去，在現(xiàn)有的節(jié)流器設(shè)計(jì)中其實(shí)都大同小異沒有比較新穎的創(chuàng)作出來(lái)，再有很多結(jié)構(gòu)不完整導(dǎo)致坐封封不住，解封解不開等等等問題。我們?cè)诰嫌^察來(lái)講，在井下的環(huán)境變化多端，很復(fù)雜，通常都是高溫高壓的在工作，容易讓節(jié)流器腐蝕變形，這也就對(duì)節(jié)流器本身的材料和設(shè)計(jì)提出了很高的要求。在一口井中，一個(gè)節(jié)流器一般要工作1到2年，在這段時(shí)間內(nèi)這個(gè)密封機(jī)構(gòu)通常還是使用的橡膠材料做制成，這就使得整個(gè)密封環(huán)節(jié)更加受到了挑戰(zhàn)，很容易出現(xiàn)橡膠斷裂融化，卡瓦抓不牢或者是提不上來(lái)等等等等的事故發(fā)生。我們對(duì)于每個(gè)氣井來(lái)說(shuō)沒有進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)查，每口氣井的情況不同其實(shí)選用的節(jié)流器也不相同。比如對(duì)于造斜點(diǎn)高的井下情況來(lái)說(shuō)，本身我們節(jié)流器投放下去就很有難度；在4000m左右的深井來(lái)說(shuō)，井下形成的是高溫高壓的環(huán)境，或許會(huì)超過本身的節(jié)流壓差，沒有辦法進(jìn)行坐封卡死。所以我們就現(xiàn)在的井下節(jié)流技術(shù)來(lái)說(shuō)我們還不能保證在高溫高壓的環(huán)境下可以正常工作1到2年，我們更不能確保井下的工作成效和質(zhì)量。本文也就在大管柱的井況下設(shè)計(jì)出一款可以在高溫高壓的環(huán)境下工作的井下節(jié)流器。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2007年，我們最早期的井下節(jié)流技術(shù)在我國(guó)蘇里格氣田開始實(shí)施，蘇里格氣田存在井下壓力不夠，滲透量不足、地底的能量快速流失的缺點(diǎn)，本截留技術(shù)主要針對(duì)這些缺點(diǎn)展開。我們對(duì)井下的壓力、溫度和流量進(jìn)行了分析推算，并且建立了關(guān)于井下管道天然氣流動(dòng)模型，節(jié)流器的溫度模型、井下的變化動(dòng)態(tài)模型。而且我們根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，我們節(jié)流技術(shù)在井下成功防止了水合物額生成，在地面上撤銷了保濕和加熱裝置，成本大大減小。除此以外氣井能攜帶液體的能力大大提高，生產(chǎn)時(shí)間得到了延長(zhǎng)，地層上的能量損失減小，提高了總體產(chǎn)量。2010年，在我國(guó)長(zhǎng)慶油田的蘇里格氣田中研發(fā)出來(lái)了一鐘HY-4的新型節(jié)流器設(shè)備，并且在蘇里格氣田中投放使用，在此之前我國(guó)節(jié)流器都是以彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)井下坐封以及密封的工作方式，而這種新型的井下節(jié)流器摒棄了以往的坐封方式并使用了壓差式密封的方法，在節(jié)流器的里賣弄裝有密封腔和活塞，在指定位置下放節(jié)流器后，活塞被觸發(fā)，在高溫高壓的井下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)收縮密封腔，移動(dòng)活塞，實(shí)現(xiàn)了擠壓密封膠筒來(lái)實(shí)現(xiàn)了密封工作。而且這種密封形式還有解封容易的優(yōu)點(diǎn)，在解封時(shí)，平衡井下節(jié)流器的上下部分的壓力差，使密封膠筒不在受井壁的作用力，為節(jié)流器上提提供了足夠的空間，解封率自然提高。并且這個(gè)節(jié)流器在深斜井中也可以作業(yè)，非常滿足蘇里格氣田的井況，在幾十口井中實(shí)現(xiàn)了百分百的成功率，且節(jié)流的效果突出。2013年在伊朗的一家石油公司的研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)波斯油田的很多工作中有關(guān)石油以及天然氣通過節(jié)流器等流動(dòng)，此時(shí)油氣的流量、節(jié)流器前后部分的壓力、節(jié)流口徑的尺寸大小和最終生產(chǎn)的油氣比。這幾個(gè)參數(shù)中其實(shí)任何一個(gè)參數(shù)都可以通過其他三個(gè)參數(shù)可以計(jì)算得來(lái)。在這個(gè)研究發(fā)現(xiàn)中，來(lái)自伊朗波斯油田的十幾個(gè)油田項(xiàng)目的上百個(gè)生產(chǎn)實(shí)際測(cè)試中能提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考，并且進(jìn)行了大量的計(jì)算。最終來(lái)研究新的節(jié)流的性能方程式和其之間的種種關(guān)系。最終得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)有油氣的流量，節(jié)流口徑的大小尺寸、油氣比以及節(jié)流前后部分的壓力。在借助數(shù)學(xué)模型檢驗(yàn)這四個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)之后在經(jīng)過多元化的分析表明，節(jié)流性能和油氣比的關(guān)系關(guān)系小之又小。并且把節(jié)流型能和油氣的流量關(guān)系的方程表達(dá)了出來(lái)。通過節(jié)流前后部分的壓力計(jì)算出了節(jié)流口徑大小尺寸和油氣的比值。對(duì)于波斯油田來(lái)說(shuō)這個(gè)計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)的理論數(shù)據(jù)箱當(dāng)接近并各個(gè)部分吻合。在誤差分析學(xué)上得出這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)于其他油氣田的各個(gè)相關(guān)性參數(shù)的性能。此外，波斯油田還發(fā)現(xiàn)了節(jié)流前后部分和汽油流量之間有線性關(guān)系的存在。這個(gè)研究建立了建立了油流量、節(jié)流前后壓力、節(jié)流嘴尺寸和生產(chǎn)氣油比的數(shù)學(xué)關(guān)系，為節(jié)流技術(shù)的施用和優(yōu)化提供了理論依據(jù)和參考。2017年，在我國(guó)的中國(guó)石化西南油氣公司的研究院做出了對(duì)于西氣田的節(jié)流技術(shù)的研究報(bào)告。成都內(nèi)有一個(gè)川西氣田，那里人口數(shù)量眾多，并且土地的資源非常稀缺，如果在地面建立截留設(shè)備將會(huì)消耗巨大的物資和成本。在我國(guó)的井下節(jié)流技術(shù)的大環(huán)境下使的成都的川西氣田的采集率一并提高了5.22%，并且每年的二氧化碳排放量減少了將近兩萬(wàn)噸。并且對(duì)于提出的兩個(gè)重要難題：一是在部分的斜井中，節(jié)流器的下放深度是一個(gè)問題，與其矛盾。二是還是對(duì)于節(jié)流器的投放和解封，我們的成功率還是處于一個(gè)偏低值的狀態(tài)。我們的相關(guān)的研究人員通過數(shù)值模型的模擬，對(duì)井下的壓力和溫度、氣流場(chǎng)的變化情況做出了模擬實(shí)驗(yàn)。推測(cè)出了最好的節(jié)流器下放深度范圍。并且開始選用了多膠筒棘刺活動(dòng)式節(jié)流器，大大提高了在四川的川西氣田的節(jié)流器投放成功率和解封成功率。1.3本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容本文通過查閱大量文獻(xiàn)，以及指導(dǎo)老師和學(xué)長(zhǎng)的多重幫助下，完成了對(duì)此節(jié)流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了整個(gè)節(jié)流器的工作原理。利用計(jì)算分析關(guān)鍵部位的應(yīng)力計(jì)算與合理性。進(jìn)行卡爪式節(jié)流器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行投撈工具、卡定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；完成卡瓦、芯軸、密封膠筒、投撈徑、缸筒、活塞、銷釘?shù)汝P(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第二章水合物生成預(yù)測(cè)2.1水合物形成的影響因素我們需要一定的壓力和溫度的條件才能生成氣體水合物，在水合物的影響因素中，當(dāng)管柱中的氣體的成分壓力大于當(dāng)中水合物的分解力是，含有水合物的氣體會(huì)形成水合物。在一個(gè)特定壓力下的水合物系統(tǒng)中，分解時(shí)對(duì)于無(wú)論什么成分的天然氣都會(huì)有一個(gè)能讓水合物形成的溫度，如果小于這個(gè)溫度就會(huì)形成所謂的水合物，如果高于這個(gè)溫度就沒辦法形成所謂的水合物了。反之如果有一個(gè)一定的溫度的話，那么這個(gè)天然氣的水合物就會(huì)有一個(gè)極限的壓力，這個(gè)壓力也會(huì)成為判定的標(biāo)準(zhǔn)，低于這個(gè)壓力就也會(huì)形成所謂的水合物，高于這個(gè)壓力就也沒法形成所謂的水合物。當(dāng)然由此客觀，水合物的形成需要如下四個(gè)條件：當(dāng)氣體處于飽和的水蒸氣態(tài)時(shí)或者存在游離態(tài)的睡才能生成水合物，當(dāng)然他的必要條件時(shí)存在液態(tài)水。天然氣中的液態(tài)水來(lái)源廣泛，在油氣層內(nèi)的地層水和底層條件下的氣態(tài)誰(shuí)都會(huì)形成。而當(dāng)溫度下降，水蒸氣隨著天然氣一起產(chǎn)出時(shí)這些水蒸氣就會(huì)形成液態(tài)水了。低溫條件（300K左右），形成水化物的一個(gè)非常重要的條件就是溫度低。在我們采氣過程中，氣體通過節(jié)流嘴、中心管等等后壓力會(huì)隨之降低，壓力降低后當(dāng)然溫度也會(huì)隨之降低，這溫度降低了就會(huì)給水合物的形成創(chuàng)造了有利的條件。高壓環(huán)境，同樣高壓環(huán)江也是形成水合物的重要條件之一。在一組相同的氣體中來(lái)說(shuō)，壓力升高時(shí)溫度隨之升高，反之壓力降低時(shí)溫度也會(huì)隨之降低。所以壓力的大小也關(guān)乎著溫度的大小，同理也就是說(shuō)壓力越小越容易生成水合物。（4）適合大小的氣體分子，氣體分子直徑D，0.35mm<以下的原因也會(huì)加速和助長(zhǎng)水合物形成：氣流流速過高，或氣流在管道內(nèi)流通過程時(shí)整個(gè)管柱抖動(dòng)幅度偏高；壓力不穩(wěn)定；（3）氣體與水的接觸面積或體積過大；（4）在氣體中存在微小的顆粒物；（5）硫化氫、二氧化碳等氣體的存在，有助于水合物的形成，因?yàn)檫@些氣體太容易融于水中。使含量增大。2.1.1溫度和壓力對(duì)水合物生成的影響對(duì)于各個(gè)成分的天然氣來(lái)說(shuō)，在每一個(gè)壓力面下都會(huì)有相對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)生成水合物，在同一成分的成分的天然氣下，當(dāng)壓力越高時(shí)，水合物的生成溫度也會(huì)相對(duì)提高。；壓力相同時(shí)，天然氣相對(duì)密度越高，生成水的溫度也就越高；當(dāng)環(huán)境溫度保持相同時(shí)，天然氣的成分越大，水合物內(nèi)部的壓力越小。此外，當(dāng)氣體的環(huán)境溫度達(dá)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高度時(shí)，再給多大的壓力也不會(huì)生成相應(yīng)的水合物了，這就叫這個(gè)水合物的臨界溫度。2.1.2產(chǎn)量對(duì)水合物生成的影響各種水體的存在時(shí)生成水合物的必要條件，為了查明這些水體對(duì)天然氣中水合物生成有什么影響時(shí)，預(yù)測(cè)了在不同水體比的條件下水合物生成情況的預(yù)測(cè)。當(dāng)m＞0.0003時(shí)，及摩爾比大于0.0003。也就是說(shuō)在10000方的氣體產(chǎn)量下液體含有25方的時(shí)候，各種水體的增加或者減少對(duì)水合物的生成沒什么太大的影響。表單組分水合物生成分析為了研究各個(gè)成分對(duì)于天然氣水合物生成的影響，應(yīng)用了相應(yīng)的軟件對(duì)井內(nèi)C1、C2、C3、C4在足夠水合物的情況下的壓力曲線。在低壓下（小于5Mpa），C2>CO2>C3>C4>N2，在此當(dāng)中，CH3CH3時(shí)最容易生成水合物的一種；在高壓下（大于15MPa），C1>C2>CO2>C3>C4>N2，在以CH3為主要?dú)怏w的天然氣中，高壓下的水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)比較大，所以降低井下的壓力可以有效的防止在節(jié)流過程中形成水合物。2.1.4凝析油對(duì)水合物生成的影響我們都知道油與水不能相互溶解，這個(gè)油不能與水互溶，當(dāng)然油對(duì)于天然氣和水可以起到一個(gè)隔離的作用，能相對(duì)減慢下水合物的形成，可以抑制水合物的相應(yīng)形成。在這個(gè)理論角度里愛看這個(gè)油氣對(duì)于水合物的影響似乎時(shí)好的一方面的，不過任何東西都是一把雙刃劍，這個(gè)油一般也會(huì)帶有C2C3的成分，C2C3在低壓（小于10MPa）下對(duì)水合物的生成具有促進(jìn)作用，所以我們還是要考慮到所有事情的影響。2.2井筒溫度壓力預(yù)測(cè)自由水和低溫高壓會(huì)讓天然氣水合物形成，也是天然氣水合物形成的必要條件；對(duì)于氣井來(lái)說(shuō)，水合物的預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是對(duì)井筒的溫度和壓力的預(yù)測(cè)。如果我們能夠提高井筒壓力溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也就能降低氣體中水合物的形成了。我們應(yīng)用了相應(yīng)的軟件進(jìn)行模擬分析，設(shè)計(jì)除了氣井實(shí)際情況的壓力計(jì)算模型。我們通過軟件測(cè)出來(lái)的結(jié)果分析來(lái)看，預(yù)測(cè)了各種深長(zhǎng)井的溫度和壓力大小，在去現(xiàn)場(chǎng)勘察是發(fā)現(xiàn)與預(yù)測(cè)的壓力溫度所差無(wú)幾，得出結(jié)論我們的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際符合良好，成果可靠性高。圖2.2井深溫度壓力預(yù)測(cè)圖圖2.3井深對(duì)溫度的影響圖2.4井深對(duì)壓力的影響2.3水合物的生成預(yù)測(cè)為了提高水合物的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，在上述方程中進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)校核，使預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度再一次提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。下面是生產(chǎn)初期的水合物預(yù)測(cè)：因?yàn)槌跗趬毫Ρ容^大，氣體產(chǎn)量較低，在井口出300米左右會(huì)生成水合物，而且在100m左右會(huì)形成堵止。與預(yù)期基本相符。生產(chǎn)的進(jìn)行推進(jìn)會(huì)使壓力不斷降低，尤其在夏天的時(shí)候，地表溫度過高，井口的堵水現(xiàn)象也會(huì)隨之降低。為了再一次的不斷提升水合物的生成預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，我們對(duì)天然氣進(jìn)行專業(yè)的計(jì)算，使用PVT的計(jì)算公式確定了水合物的生成所需要的環(huán)境條件為進(jìn)一步提高井筒水合物的預(yù)測(cè)精度，對(duì)天然氣進(jìn)行PVT計(jì)算，進(jìn)一步明確水合物生成條件在進(jìn)一步證明了我們水合物生成的確認(rèn)性和可靠性。2.4本章小結(jié)水合物的生成條件從一開始就著手深入，在理論和時(shí)間之中不斷磨合測(cè)試，分析了影響水合物的生成條件等等等等。得出了四條目前所有的生成條件，這些條件為之后的研究做了保障，明確了各個(gè)因素之間的關(guān)系，也明確了研究的方向。之后通過實(shí)踐的操作和理論相比較后肯定了預(yù)測(cè)，確定了各個(gè)氣井之間的壓力和溫度的表格和模型。并且可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣井口出的堵水位置和溫度壓力的大小排布，并用實(shí)踐數(shù)據(jù)做了保障。提出了一種可以預(yù)測(cè)水合物的合理方法，準(zhǔn)確度高、方便、快捷，適應(yīng)與各個(gè)井口之中。滿足大部分的氣田要求。第三章卡瓦式節(jié)流器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過查閱大量的文獻(xiàn)與資料后設(shè)計(jì)出大管柱卡瓦式節(jié)流器的工作任務(wù)，本章節(jié)著重對(duì)其工作原理及各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的講解。3.1工作原理井下節(jié)流器的主要工作原理是利用井下節(jié)流工具在油管內(nèi)固定一個(gè)節(jié)流嘴，從而實(shí)現(xiàn)在井下油管內(nèi)節(jié)流降壓的技術(shù)，這樣就使得氣流在到達(dá)井口之前在井下充分地受到地溫的熱量，使得氣流在節(jié)流后溫度高于節(jié)流后壓力條件下天然氣水合物生成的初始溫度。如圖3.1以及圖3.2所示的長(zhǎng)慶某氣井在采用井下節(jié)流前后井下壓力溫度的分布，我們可以看出，在采用井下節(jié)流技術(shù)后，井口到節(jié)流位置之間的壓力明顯較地面節(jié)流更低，從而水合物生成溫度隨之降低，而且在節(jié)流位置處出現(xiàn)了溫度降低，但隨著氣流上升，地溫加熱，節(jié)流后的氣體溫度會(huì)逐漸回升至節(jié)流前的溫度。圖3.1井下節(jié)流器與地面節(jié)流器壓力對(duì)比圖3.2井下節(jié)流與地面節(jié)流溫度對(duì)比本節(jié)流器如圖3.3所示；中心管9，且包括在所述中心管9兩側(cè)分別設(shè)有坐封機(jī)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)。坐封機(jī)構(gòu)包括卡瓦托4、卡瓦5、卡瓦座6、膠筒10?？ㄍ弑凰鎏淄?固定，所述套筒3不被中心管所限制。當(dāng)下放時(shí)，下放一段連接到下放頭處，以一個(gè)初速度下降，當(dāng)節(jié)流器到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，緊提下放端，使中心管連接的整個(gè)節(jié)流器瞬間停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，由于卡瓦機(jī)構(gòu)不被節(jié)流器本體限制，所以仍保有原來(lái)的速度下落?？ㄍ哂捎谒俣汝P(guān)系順著卡瓦座向兩側(cè)張開，從而與井壁接觸，當(dāng)接觸力達(dá)到一定大小時(shí)卡瓦機(jī)構(gòu)不再繼續(xù)下落，此時(shí)完成了第一次卡定。此時(shí)上提下放頭，所述芯軸7與上所述筒帽2帶動(dòng)的所述下套管12上提，壓縮所述膠筒10使所述膠筒10受擠壓變形。變形過程中所述膠筒10與井壁緊貼形成密封系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)第二次坐封。當(dāng)上提力達(dá)到一定大小后剪切銷釘斷裂，芯軸隨之抽出，完成坐封作業(yè)。解封時(shí)下放打撈器，以一定的速度下放到節(jié)流器時(shí)，抓進(jìn)所述套筒3的梯形臺(tái)階下并鎖定。不斷震擊打撈器使剪切銷釘斷裂使卡瓦松動(dòng)，不斷上提使卡瓦解封。使卡瓦鉤住鎖環(huán)，繼續(xù)上提，將膠筒緩慢復(fù)原成原來(lái)的樣子直至完全解封。此時(shí)上提鋼絲繩將整個(gè)節(jié)流器提出井口完成解封打撈作業(yè)。圖3.3節(jié)流器示意圖1.下放頭2.上筒帽3.套筒4.卡瓦托5.卡瓦座6.連接塊7.芯軸8.中心套管9.中心管10.膠筒11.下管柱12.下套管13.下座筒14.防塵罩3.2節(jié)流器的裝配本申請(qǐng)的井下節(jié)流器的裝配過程為：將所述套管從下端套在所述提掛管外周面上，再將上筒帽按裝配方向套裝在所述套管中部的外周面上，在所述中心管安裝密封圈并涂好密封脂，將所述中心管穿過所述套管的下端內(nèi)周面與所述提掛管的螺紋相連接并使密封面配合密封；將所述托管的下端(帶鎖扣的一端)從卡瓦托的上端插入并使所述托管的徑向通孔對(duì)準(zhǔn)卡瓦托中部的環(huán)狀鎖球凹槽，用密封脂將鎖球限制在卡瓦托的環(huán)狀鎖球凹槽內(nèi)，將卡瓦托、托管和鎖球的組合件從中心管的下端整體套入，調(diào)整好套入位置使卡瓦托上的徑向剪釘螺紋孔對(duì)準(zhǔn)所述掛環(huán)上的剪釘環(huán)槽，安裝解封剪釘，將所述掛帽外螺紋與卡瓦托的內(nèi)螺紋相連接；將所述卡瓦、楔形體和密封膠筒依次配套安裝在所述托管的外周面；將所述鎖環(huán)套裝在鎖環(huán)托內(nèi)并將所述鎖環(huán)托放入鎖環(huán)托套的第一托套內(nèi)，將所述膠筒托的內(nèi)螺紋與所述鎖環(huán)托套的外螺紋相連接后的整體套裝在膠所述托管的下端，將所述鎖環(huán)托套的底部的內(nèi)螺紋與所述中心管底部的內(nèi)螺紋相連接，并調(diào)節(jié)位置使所述膠筒托頂部與密封膠筒的低端相抵接，在所述中心管的底部裝入所述氣嘴(氣嘴所述內(nèi)孔的大小根據(jù)氣井的需求可更換調(diào)整)，將所述濾網(wǎng)罩從所述連接帽的頂部穿過并掛在連接帽底部的連接部處，將所述連接帽上端的內(nèi)螺紋與所述環(huán)托套下端的外螺紋相連接并安裝所述調(diào)節(jié)穩(wěn)銷，最后將所述接頭下端插入所述提掛管上端的內(nèi)孔上段301處并安裝所述剪切銷釘從而完成本申請(qǐng)的井下井下節(jié)流器的組裝。3.3各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)整體裝配完成后下面進(jìn)行各個(gè)部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的講解，其中包括井下節(jié)流器的卡定機(jī)構(gòu)和井下節(jié)流器的密封機(jī)構(gòu)。3.3.1卡定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本卡瓦式節(jié)流器通過中心管周圍的三個(gè)卡瓦所固定，如圖3.4。圖中只標(biāo)出一扇的卡瓦；圖3.4卡瓦示意圖本節(jié)流器設(shè)計(jì)了3個(gè)卡瓦數(shù)量的節(jié)流器，整個(gè)卡瓦的長(zhǎng)度為80毫米，共11個(gè)牙型角?？ㄍ吲c中心管外管相連，并于楔形快形成了一定的夾角，通過計(jì)算算定本節(jié)流器可以完成卡定要求。3.3.2密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)本卡瓦式節(jié)流器的密封機(jī)構(gòu)采用了環(huán)形膠筒，如圖3.5所示；圖3.5密封膠筒示意圖本密封膠筒采用了氫化丁腈的材料制作；氫化丁腈橡膠具有良好耐油\t"/item/%E6%B0%A2%E5%8C%96%E4%B8%81%E8%85%88%E6%A9%A1%E8%83%B6/_blank"性能（對(duì)燃料油、潤(rùn)滑油、芳香系溶劑耐抗性良好）；并且由于其高度飽和的結(jié)構(gòu)，使其具良好的耐熱性能，優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能（對(duì)氟利昂、酸、堿的具有良好的抗耐性），優(yōu)異的耐臭氧性能，較高的抗\t"/item/%E6%B0%A2%E5%8C%96%E4%B8%81%E8%85%88%E6%A9%A1%E8%83%B6/_blank"壓縮永久變形性能；同時(shí)氫化丁腈橡膠還具有高強(qiáng)度，高撕裂性能、耐磨性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是綜合性能極為出色的橡膠之一。這也是可以使其作用到高溫高壓的環(huán)境中去，使其在深井環(huán)境中可以正常作業(yè)。本密封機(jī)構(gòu)通過上提芯軸擠壓密封圈使其壓縮擴(kuò)張，密封膠筒與管壁持續(xù)接合至剪切銷釘斷裂，此時(shí)節(jié)流器與管道之間形成了一個(gè)密封結(jié)構(gòu)，達(dá)成了密封的要求。第四章卡瓦節(jié)流器零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)上一章節(jié)所示，對(duì)節(jié)流器的總體進(jìn)行了詳細(xì)的解說(shuō)，本章節(jié)則對(duì)節(jié)流器的各個(gè)零件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。4.1芯軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)芯軸是本節(jié)流器最中心的零件結(jié)構(gòu)，關(guān)系的坐封與上提的重要環(huán)節(jié)。整體設(shè)計(jì)圖如圖4.1所示；圖4.1芯軸示意圖本芯軸總長(zhǎng)540mm，其中在中心管經(jīng)內(nèi)456mm，下放頭共84mm。最上端為外螺紋，中間配有放置剪切銷釘?shù)目?。與中心管之間形成間隙配合。4.2中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中心管是氣體通過的管徑，也是包裹芯軸的重要零件。中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4.2所示；圖4.2中心管示意圖中心管柱總長(zhǎng)552mm，其中壁厚9mm，上面的臺(tái)階端總長(zhǎng)30mm，與上鎖環(huán)形成間隙配合。4.3銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)根據(jù)本節(jié)流器的放置銷釘?shù)目讖絹?lái)看，需要φ4×7、φ4.4活塞的設(shè)計(jì)活塞是連接各個(gè)管柱的重要零件，而且在井下工作環(huán)境中溫度過高，需要使用良好的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖4.3活塞示意圖我們采用鋁合金的材料來(lái)制作活塞，并且活塞直徑D為14mm，高h(yuǎn)為10mm的標(biāo)注活塞件。本節(jié)流器設(shè)計(jì)一共需要活塞件，均裝在下管柱套和中心管與楔形快的連接上。第五章關(guān)鍵部位的計(jì)算校核5.1卡瓦與管壁應(yīng)力計(jì)算如圖所示，卡瓦節(jié)流器結(jié)構(gòu)在于卡定使的整體受力分析，由平面坐標(biāo)系分析受力分析，可列平衡方程為：Sacosα-Sbcosα=0Sasinα+Sbsinα-p=0Sa、Sb卡瓦對(duì)楔形快的力節(jié)流器壓差α錐面角度推導(dǎo)得：Sa=Sb=p/(2sinα)我們假設(shè)α=15°，節(jié)流壓差為25Mpa，則：P=30·(r/2)2Sa=p/(2sin15°)=137KNF=Sa·cosα=132KNF油管對(duì)卡瓦的力經(jīng)計(jì)算后我們發(fā)現(xiàn)，這種卡定方式會(huì)使卡瓦對(duì)油管內(nèi)壁產(chǎn)生F=132kN的徑向作用力，可以保證這種大管柱井下節(jié)流器可以在井下完成正常的作業(yè)。5.2薄壁筒應(yīng)力計(jì)算與校核由于當(dāng)節(jié)流器工作時(shí)氣體在節(jié)流器管筒內(nèi)流通并產(chǎn)生向中心管各個(gè)部位的應(yīng)力，那么需要計(jì)算中心管壁是否能承受氣體向管壁四周產(chǎn)生的應(yīng)力。經(jīng)檢驗(yàn)已知筒壁周圍因氣體產(chǎn)生的均勻應(yīng)力為120Mpa。如圖5.1所示，橫與縱截面上均存在正應(yīng)力，對(duì)于薄壁圓筒，可認(rèn)為沿壁厚均勻分布?！ぽS向應(yīng)力FR=p·πCσX=圖5.1從設(shè)計(jì)已知δ=2.5，所以：σX=120圖5.2·周向應(yīng)力2σσt=所以周向應(yīng)力等于：σt=120圖5.3·徑向應(yīng)力σσδ≤D/20σ圖5.45.3節(jié)流嘴嘴徑計(jì)算根據(jù)本節(jié)流器設(shè)計(jì)原理，需要根據(jù)需求生產(chǎn)量來(lái)設(shè)計(jì)節(jié)流嘴的面積大小。氣井的合理嘴徑確定主要根據(jù)氣井合理產(chǎn)量、節(jié)流前壓降、節(jié)流嘴前的上游溫度確定。流體經(jīng)過節(jié)流油嘴時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生較大壓降，當(dāng)節(jié)流后的壓力與節(jié)流前的壓力之比達(dá)到0.55時(shí)，即達(dá)到臨界限流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)任何壓力波不會(huì)通過節(jié)流油嘴傳遞到節(jié)流嘴前（產(chǎn)層至節(jié)流油嘴），產(chǎn)量不會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)氣井產(chǎn)量只與節(jié)流油嘴直徑有關(guān)，可以通過氣井配產(chǎn)來(lái)合理確定節(jié)流油嘴直徑。根據(jù)天然氣流經(jīng)過節(jié)流油嘴的流動(dòng)規(guī)律，在臨界流動(dòng)狀態(tài)下，其產(chǎn)量和節(jié)流嘴徑存在如下關(guān)系：對(duì)于天然氣單相一維流動(dòng)k＝1.27~1.3之間，取k＝1.29上式可以簡(jiǎn)化為：變化形式可得合理嘴徑計(jì)算公式：初步算得d=12mm。5.4井下節(jié)流優(yōu)化設(shè)計(jì)常規(guī)井下節(jié)流工藝設(shè)計(jì)方法單純針對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)情況開展參數(shù)設(shè)計(jì)，首先根據(jù)天然氣組分情況預(yù)測(cè)穩(wěn)定生產(chǎn)狀況下水合物生成情況，根據(jù)集氣壓力等參數(shù)確定井下節(jié)流氣井的生產(chǎn)條件，對(duì)井筒溫度壓力和水合生成情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而計(jì)算配產(chǎn)下的氣嘴大小，最終確定節(jié)流嘴的下深，主要設(shè)計(jì)技術(shù)路線如下圖：針對(duì)常規(guī)井下節(jié)流工藝設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在氣井穩(wěn)定生產(chǎn)期的問題，致密砂巖等產(chǎn)能不穩(wěn)定或者產(chǎn)能下降較快的氣藏應(yīng)用有效期短，頻繁作業(yè)不僅影響氣井正常生產(chǎn)，施工成本和管理難度均升高。針對(duì)以上問題開展了井下