偏心配水器投捞器设计--毕业设计(论文).docx

本科毕业设计（论文）题目偏心配水器投捞器设计学生姓名 学号1103030143教学院系机电工程学院专业年级机械工程及自动化2011级指导教师 职称讲师单位西南石油大学辅导教师职 称单位完成日期2015年06月01日Southwest Petroleum University Graduation ThesisDesign of Eccentric Water Distributor Pulling and Running ToolGrade: 2011Name: Du JinyiSpeciality: Mechanical Engineering and AutomationInstructor: Ye ZheweiSchool of Electrical Engineering2015-06摘要偏心配水器投捞器是一种与配水器配套使用的井下工具，用于对偏心配水器中的堵塞器实施投放、打捞的专用工具，是堵塞器更换水嘴必不可少的工具。在投捞器下放过程中，投捞爪能否下放到位，投捞爪能否张开到位是影响投捞器投捞成功率的关键因素。本课题对投捞器投捞爪和凸轮控制装置进行改进设计，在投堵塞器的下入过程中，要确保投捞爪以及堵塞器完全收入投捞器的腔体内，不超过投捞器本身的最大直径，取消了投捞接头处的扭簧结构，提高了投捞的可靠性。对凸轮的外轮廓线进行改进，使得当凸轮转过一定角度后，投捞爪就能被释放，凸轮在下入过程中也要收入投捞器的最大直径内，上提时凸轮顺时针转动，释放投捞爪，导向爪的释放装置与投捞爪处的释放装置相似。把导向和投捞分工化，比传统投捞器导向和投捞都由投捞爪来完成更可靠，提高投捞的合格率。关键词：偏心配水器； 投捞器；堵塞器；AbstractEccentric water and pulling is a down hole tool and supporting the use of water distribution, for eccentric water blockage in the delivery device embodiment, special tools salvage is clogged replacement faucet indispensable tool. Fishing in the investment process is decentralized, and pulling claw can decentralization in place, and pulling open the claw can be a key factor in place and pulling and pulling device success rate impact. The issue of control and pulling and pulling jaws and cam control means to improve the design, in the next vote plugging into the process, to ensure tripping claw and packer are completely within investment income is fishing, not more than tripping device itself The maximum diameter of the abolition of the joints and pulling torsion structure and improve the reliability of tripping. The outer contour of the cam is improved so that when the cam rotated a certain angle, and pulling claw can be released into the maximum diameter of the cam in the next process should revenue tripping device, when the lift cam clockwise, release tripping pawl release means and the guide pawl release means and pulling claws at similar. The division of the fishing guide and investment than the traditional cast fishing is fishing guide and cast by cast fishing claw to complete more reliable, improve the passing rate cast fishing.Key words：eccentric water distributor; pulling and running tool ; blanking plug 目 录1前言11.1设计的目的和意义11.2偏心配水器投捞器的发展现状和发展趋势21.2.1国内投捞器的发展状况21.2.2国外投捞器的发展状况42 投捞器的简介及应用72.1投捞器的介绍72.2投捞器的主要结构及工作原理72.3主要研究内容83偏心配水器投捞器总体设计93.1投捞器的投捞过程93.2投捞器方案的确定123.3偏心配水器投捞器的最大外径的确定133.4偏心配水器投捞器总长的确定134偏心配水器投捞器的具体设计134.1装配关系的描述134.2投捞爪释放机构的设计154.3投捞爪的设计164.4投捞接头的设计184.5导向爪的设计194.6导向头的设计204.7绳帽的设计215投捞器的设计与计算225.1投捞爪圆柱压缩弹簧的设计计算225.1.1工作条件的确定225.1.2弹簧的设计算计235.2导向爪圆柱压缩弹簧的设计计算265.2.1工作条件的确定265.2.2弹簧的设计计算275.3凸轮扭簧的设计计算305.3.1扭簧最大工作扭矩的计算305.3.2扭簧的设计计算315.4销轴的选择325.5销轴的强度校核326结论34谢 辞35参考文献36III1前言1.1设计的目的和意义油田在投入生产之后，油田地层能量（地层压力）随之降低，为了让地层压力维持在饱和压力附近，为维持油井的良好的生产能力，需要向地层注水来补充地层流失能量。若没有及时补充能量，靠原有的地层弹性能量，溶解气体能量、边底水能量、气顶能量以及重力能量等进行一次采油，等到地层压力下降到饱和压力以下的时候，溶解在原油中的天然气就会从原油中解析出来，使得原油的粘度急剧增加，原油的流动性会变差，使得绝大部分的原油留在了油层，大幅度地降低了原油的采收率。偏心配水器投捞器是一种与配水器配套使用的井下工具，用于对偏心配水器中的堵塞器实施投放、打捞的专用工具，是堵塞器更换水嘴必不可少的工具。目前，陆地油田进入了油田开发中、后期，造成油水井的套管破坏日益加重，导致许多井停产、停注，原油的产量逐年降低，因此为了提高油田产能，各类水平井、定向井定、大位移井的数量在不断增多，约占油水井的一半。这些井的投产和转注，对斜井的技术要求加大，目前最大井斜角达到65，少数的井还有几个拐点，对井下工艺的要求更高了。经过对2012年和2013年多处的分注井在作业过程中发现的问题进行的统计后，我们发现，显然有腐蚀情况的分注井的比例由原来的12. 7%增加到14.9%，增加了2. 2个百分点；明显有结垢状况的分注井的比例由24 . 3%增加到25.5 %，增加了1.2个百分点；具有层间返吐状况的分注井的比例由12. 2%下降到10.8%，降低1.4个百分点。井筒有结垢返吐的现象，不但影响到封隔器的密封性能，同时还严重影响了投捞调配测试的进行，造成测试过程中，投捞器遇阻和卡在井内而进行再次作业。影响投捞合格率的几个主要原因一是部分井筒有死油与结垢物、泥砂混合物沉积在投捞器与配水器之间的间隙中造成遇阻遇卡，二是偏心配水器和和井筒内结垢导致测试遇阻和遇卡，三是在斜井中钢丝被磨断造成投捞失败。在油水井中，2013年由于投捞问题导致换封26口，占总换封井数的36.9%。尤其是文明寨油田，2013年结垢显现变得十分普遍，占全公司2013年水井作业结垢井的54.3% 。所以完善和改进偏配及投捞工艺，来适应现场遇到的问题，增加投捞合格率，同时也应该相应的减少投捞的工作量，以及降低由于投捞问题导致的返工井和多轮次作业井，降低作业的成本，适应油田开发要求。在斜度井中，由于井本生具有一定的斜度，使得传统的偏心配水器投捞器在下入过程中，下入驱动力显得很不足，经常遇阻，加之油田处于开发中后期，伴随着水质和井筒环境的不断恶化，井筒内反吐、结垢、以及死油等显现都会导致投捞器下放困难，投捞合格率低等问题。所以迫切需要一种能在油田开发中后期能高效投捞的偏心配水器投捞器。本课题的主要目的是合理的设计偏心配水器投捞器的结构，使得其能在注水井中下入方便，并且能有较高的打捞合格率，最终提高油田产能。1.2偏心配水器投捞器的发展现状和发展趋势1.2.1国内投捞器的发展状况近年来吉林油田重要的产油田是乾安地区，该油田目前有注水井435口，开井364口。井下分注技术一般采用的是井下偏心三段分注技术。因为其井深，井眼轨迹也很复杂，造成了给井下分注井测调试和修井的过程中都遇到不少困难。为了解决之前分层测试遇到测试周期长、测试难度大和测试效率低等问题，吉林油田的采油工艺研究院在2010年研发了一种名为新型投捞流量一体化投捞器。该新型投捞器在投堵塞器的同时还可以测出分层流量，也就是说投1次堵塞器少拉1次水量。上述中的三段测试调配技术已经成功调配次数18次，采用新型投捞器就可少下9次，节约14 h，相当于2.2个工作日，提高工作效率35%左右。如果是4层分注，则调配次数为20次，可节约时间25 h，相当于5个下作日，可以提高效率45%左右。投捞器在井下经常遇到投捞爪和导向爪不能够完全张开到位等问题，因此现在对投捞器做以下改进。首先把爪子下部的压缩弹簧从原来的一个改为现在的两个；其次在投捞接头处把原有的单一压簧改进为复合压簧(见图2.1)，以解决投捞器的导向爪、投捞头和投捞爪在大斜度井中由于自身的重力作用不能完全张开到位的问题，提高导向和投捞成功率。图2.1 投捞器改进部分示意图Fig.2.1 Diagram of the improved part of the fishing tool1投捞爪双压簧；2投捞头复合压簧传统的提挂式投捞器都存在如下缺点:（1）投送成功率较低，约60%，其主要原因是下井过程中因为不断的震荡，销钉蓉易被剪断，导致堵塞器掉入井内；（2）易导致堵塞器的虚投(由于堵塞器的控制凸轮转动不到位，虽到达配水器的偏置孔中，但不能成功的把堵塞器固定在偏置空中，以致于在测试过程中堵塞器外跑把测试工具和仪器卡死。针对上述问题，通过多年的研究，成功发明了一种双作用投捞器（见图2.2）。现场应用表明，此技术大大提高了测试投捞的可靠性和效率，降低了测试操作工人的劳动强度，减少了测试的费用。图2.2 多功能提挂式投捞器在注水井分层测试中，原投捞器在投或投时经常被卡在井筒中，为此名为小直径双作用投捞器的井下工具被发明了，不但解决了遇卡问题，又可以一次进行捞和投的两个工序。它是由绳帽、投捞器主体、定向芯子外套、定向爪、快速压送头、主捞接头、副压送头、拉杆、定位滑块、减振器、主捞爪、销块、拉杆弹簧、压帽、接头、滑块、主定向芯子、定位滑块拉线组成。投捞器撞击头在井下与工作筒冲撞时，主捞爪被释放，再次下放时主捞爪被收入投捞器主体内，卡瓦卡住堵塞器头，然后上提堵塞器，上提堵塞器就会产生一个向下的反作用力，使定位滑块上的钢丝拉线产生一个向上拉力，拉开副压送头，然后继续下放投捞器，副压送头会把连接好的堵塞器投入到偏心配水器的偏心孔内，这时该投捞器已完成一捞一投的操作。注水井由注聚或长期注污水在水嘴调配时按常规选择水嘴直径已不适合经常出现水嘴或滤罩被聚合物或脏物堵死而达不到配注要求只有采取加大水嘴或将滤罩底部扩大在一些特殊井只能采取不投堵塞器的措施这样有可能造成封隔器失效或者封隔器效果不好导致层间窜通达不到分层定量注水的目的针对上述问题通过改进和完善注水井投捞工艺从而提高投捞成功率和注水合格率减少作业量在对注水井投捞测试时经常因管柱内油污、管柱结垢、堵塞器凸轮失灵、配水器工作筒锈蚀偏孔或偏堵不规格或有毛刺等原因造成投捞器遇卡只能采取关闭井口注水闸门手摇绞车或机械慢慢上起投捞器当钢丝张力达到300hN左右时停止上起撑一会后缓慢下放反复多次直到解卡为止如不能解卡只能使用吊车硬拔钢丝绳解卡在打捞过程中遇卡上提6t就能拔断打捞器安全销子造成事故若打捞失败则需要上作业起出井内管柱将投捞器取出油田注水长期采取含油污水回注注水井井下管柱极易结垢造成井下管柱缩径在测试投捞时一般用科4mm投捞器进行投捞时易遇阻此后只能通井若通井不成功只能上作业1.2.2国外投捞器的发展状况国外油田如美国、俄罗斯在注水尤其是分注技术发面研究较早，目前处于世界的前列。据有关技术文献报道，他们的注水在工艺技术上形成了一套适合不同油田特点的系列分注工艺，在分注配套工具上，分注封隔器、配水器等配套工具都已经标准化、规格化、系列化。总体上已经由原来的定压注水向定量注水转化定量注水技术已经非常成熟，现场也取得了比较高的技术水平和经济收益。国外对的注水井的水质处理技术也比较先进，注入水一般不会堵塞地层，洗井解堵的工作时间也比较短，注水过程不会要求在不动管住的情况下洗井，所以注水井中的封隔器没有设置洗井通道，结构较为简单，降低了繁琐的定期洗井成本，极大的增加了管住的使用寿命。分层注水工艺比较简单，主要包含分层注水的完井技术，配水大多运用井口流量调节仪和井下流量调节仪来定量配水，基本不会对井下流量进行测试，因此不需要配套独有的井下流量测试工艺，管住的使用寿命可达到2年以上。国外已经研制出在大斜度井中打捞成功率较高的偏心配水器投捞器。还能一次进行多项作业，可以把下入和投捞一体化，大大提高了投捞效率，例如注水井的堵塞器多级打捞工具（如图2.3所示） 图 2.3 注水井堵塞器多级打捞工具针对大斜度注水井中，投捞器下入困难的问题，研制出了投捞减阻器。其主要由主体、销轴、轴承和滚轮等组成，结构如图2.4所示。 应用时，把投捞减阻器连接到投捞器的上下端，在起下时，滚轮不但能够扶正好，还能把投捞器与油管内壁的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大减小摩擦力，解决起下时阻力过大的问题。图2.4 投捞减阻器结构示意图Fig.2-4 Structural diagram of fishing resistance absorber1主体；2滚轮；3销轴；4垫片；5轴承国内各大油田注水井主要运用偏心配水器来进行分层注水，此工艺运用投捞器来投捞偏心配水器偏置孔内的堵塞器，来更换堵塞器内不同直径的水嘴，对高渗透层进行控制的定量注水；低渗透层要进行加强注水，以求实现油田稳产的目标。不过在投捞堵塞器时，因为堵塞器打捞杆的断裂，压盖螺纹因为震动而松脱，投捞头与压送头在打捞堵塞器的过程中因为螺纹被锈蚀而脱开，在投堵塞器时堵塞器的压送头掉落，已经投捞器主体整个被卡在直径为63. 5 mm油管内等问题，导致了堵塞器可能无法实现调配。为此发明了几种新型的投捞器，在生产应用中，取得了良好的效果。内置三爪打捞筒堵塞器的打捞杆的直径为8 mm，锯齿形螺纹的长度16mm,螺纹底直径很薄弱。在打捞堵塞器的过程中，有时会遇到打捞杆锯齿形螺纹断掉1节或部分甚至全部断裂的现象。现有的普通卡瓦式打捞筒有时无法打捞住鱼顶，所以为解决打捞杆断裂等现象研发了内置三爪打捞筒。铰接打捞器由上活接头、下活接头、弹簧、连杆、半园型打捞头等组成，2组活接头与连杆之间由弹簧支撑，确保连杆下部的半园形打捞头始终紧贴油管内壁，便于从遇卡的月牙形空间下行打捞。其使用方法是上接振击器，连接试井钢丝下井，2组活接头在弹簧力的作用下，迫使最下部的半园形打捞头始终紧贴油管内壁，遇到卡死落物后反复上提下放，在试井钢丝扭力的作用下，半园形打捞头每一趟起下都处于不同的方向，当其下行的方向与外跑堵塞器卡死测试工具后所形成的月牙形空间一致时，半园形打捞头便能够从月牙形空间继续下行，抓住外跑的堵塞器。当打捞器捞住外跑的堵塞器后，再下入打捞筒打捞出被卡的测试工具。该工具打捞成功率达到85%以上。母螺纹打捞锥、公螺纹打捞筒分别由连接头、外筒、防脱杆、涨开杆、三爪、压送弹簧组成。其特点是，通过防脱杆、涨开杆收紧或涨大，咬合力大，鱼顶不宜脱掉，成功率达到100 %。其工艺是将流程倒成反洗井流程，短时间冲洗一下，然后将母螺纹打捞锥或公螺纹打捞筒与投捞器主爪连接，下入井内打捞落鱼，具有捕捉率高的特点。 研制的内置三爪打捞筒、母螺纹打捞锥公螺纹打捞筒和铰接打捞器，在河南油田80多口井上应用后先后打捞了76口井，成功率达到95%以上，减少了作业成本近300万元，取得了很好的经济效益，具有使用推广价值。总之，现在国内的投捞器主要向自动化、高效率等方向发展，现在已经有较成熟的技术。2 投捞器的简介及应用2.1投捞器的介绍所谓“偏心配水器投捞器”，是一种与偏心配水器配套使用的井下工具，用于对偏心配水器中的堵塞器实施投放、打捞的专用工具，是堵塞器更换水嘴必不可少的工具。投捞器应用于分层注水工艺，包括有垂直井、斜度井和大位移井，其中，在斜度井和大位移井中必须安装有摩擦减阻装置，减小下行阻力。投捞器的投放和打捞都是通过投捞爪来完成的，上部与投捞器主体相连，下部与堵塞器相连，投捞爪可以收拢锁紧与投捞器主体内，不凸出投捞器的最大外径，到达井下一定位置时，投捞器的投捞爪张开，旋转半径略大于偏心配水器偏置孔到中心轴向的距离。投捞接头连接于投捞爪下部和堵塞器中间，且投捞接头能相对投捞爪转动，以保证堵塞器能以与偏心配水器轴线平行的状态下放或者打捞。现如今的投捞器主要差别是投捞爪的释放装置的不同，有锁杆机构，也有凸轮机构，还有电磁释放器，不同结构有不同的特点，应根据实际情况选取。投捞器主要分为双作用投捞器和单作用投捞器，双作用投捞器指的是下井一次能完成投和捞两个动作，单做用投捞器下井一次只能或投或捞，座开式投捞器和提挂式投捞器两种投捞器都是单作用投捞器，效率相比双作用投捞器较低，但工作的可靠性要比双作用投捞器高。2.2投捞器的主要结构及工作原理投捞器主要由绳帽、投捞器主体、投捞爪、投捞接头、导向爪，导向头和加重杆等组成，针对井下容易结构的井况，部分投捞器在最前端还配有除垢器。各部分工作原理如下：（1）绳帽绳帽是连接钢丝绳和投捞器主体的，要能保证连接方便迅速，可靠性高，钢丝在下放投捞器或者打捞堵塞器的过程中不易脱落。一般采用钢丝穿过绳帽，在绳帽了的腔体内连接一个钢丝扣，卡紧钢丝，拉紧钢丝，使钢丝扣卡紧在绳帽内。绳帽与投捞器主体采用螺纹连接，并用密封圈进行密封。（2）投捞器主体投捞器的主体就是安装各个零件的壳体，分别与各个机构相配合。投捞器的壳体很长，一般有1000mm左右。壳体可以做成一体式，也可以做成组合式，一体式结构可靠，但加工难度大；组合式加工相比一体式简单，但需要组装，较为繁琐且可靠性较低。（3）投捞爪与投捞接头投捞器的根本任务是下放和打捞堵塞器，而投捞爪就是直接对堵塞器进行投捞的。投捞爪中部钻有弹簧孔，里面装有压缩弹簧，弹簧给投捞爪一个向外的推力，使得当投捞爪失去约束时就会被释放。下部与投捞接头相连，投捞接头能相对投捞爪转动，能够让投捞接头与偏心配水器偏置孔壁紧密贴合，保证投捞头能准确无误的抓住堵塞器的打捞杆。有些投捞器的投捞爪还兼有其他功能，比如装流量测量仪，双作用投捞器对投捞爪还有更高的要求，投捞爪在完成第一次投捞作业后，投捞爪必须完全收回投捞器的最大外径内，以确保投捞器能够毫无阻碍的继续进行下一次投捞。（4）导向爪投捞器在下放过程中，投捞器无法避免的会发生自传，这就使得投捞爪可能无法正对偏心配水器的偏置孔，而导向爪可以完美的解决这个问题。偏心配水器有导向带，到投捞器下入到井下一定位置后，然后上提投捞器，导向爪就会被释放，导向爪受到向下的压力，带动整个投捞器向下旋转运动，当到达导向带的最低端，投捞头就会刚好捞住堵塞器的打捞杆。（5）加重杆加重杆主要是为了增加整个投捞器的的重量，进而增加投捞器下行的驱动力，根据相关资料，现有投捞器一般都没有加重杆，这是由于现有投捞器自身重量已经能满足投捞器下行所需的驱动力，或者可以理解为加重杆已经和投捞器主体已经做成一体了。（6）导向头导向头位于整个投捞器的最前端，对于投捞器来说起导向和开路的作用，导向头一般做成圆锥状，可以一定程度上清除井内的油垢，在斜度井和大位移井内可以起到导向的作用，带领整个投捞器下入到井中一定位置。导向头应该选用耐腐蚀、耐高温、萘摩擦的材料，可以保证导向头的使用寿命。2.3主要研究内容对国内外的资料进行整理和分析，以及来自现场投捞器的实际信息的反馈，现在影响分注井投捞合格率的主要原因是：（1）井筒结垢物是影响投捞合格率的主要因素；（2）井筒内有脏物是影响投捞合格率的另一个重要因素；（3）井斜大容易磨断钢丝；（4）投捞爪张开不到位；（5）打捞堵塞器时，由于震动造成堵塞器掉入井内。针对以上影响投捞合格率的因素以及收集的国内外资料，分析了国内外投捞器的特点和弊端，提出本设计的研究内容：(1)对偏心配水器投捞器投捞方式的研究。针对投捞爪张开不到位、堵塞器掉落等问题，对投捞器的投捞方式进行设计，同时要求投捞爪张开时，动作灵敏、可靠，机构简单，操作方便。（2）对投捞爪释放方式的研究。本设计将采用凸轮机构来控制投捞爪的锁紧与释放。凸轮的曲线必须要满足凸轮向上转动时，投捞爪保持原有的收拢锁紧状态；到达一定位置后，上提投捞器，凸轮向下偏转，投捞爪被释放。（3）偏心配水器的投捞器的力学分析。进行必要的计算（比如所需销钉的横截面积、投捞爪开口角度等）,完善整个投捞器的结构设计，同时进行材料的选择。3偏心配水器投捞器总体设计3.1投捞器的投捞过程本课题设计的投捞器是与KPX-114偏心配水器配套使用的提挂式投捞器，配水器的结构如下图所示：结构：见图3.1：图3.11工作筒；2堵塞器工作原理：注水：处于正在注水的状态时，堵塞器(图3-3)用靠它的主体5（见图3-3）的直径为22 mm台阶放置到工作筒主体5的偏置孔上，凸轮8卡于偏孔上部的扩孔处（因为凸轮8在打捞杆1的下端和扭簧6的作用下，可向上来回转动，因此堵塞器能下入到工作筒，被主体5的偏孔卡住而不会飞出），堵塞器主体5上面有两组 “O”型圈来封住偏孔上的出液孔，注入水相继从堵塞器滤罩13、水嘴11、堵塞器主体5的出液槽和工作筒主体5的偏孔，然后进入油套环形空间内最后注入地层。KPX-114偏心配水器主要技术参数如表3.1所示：表3.1 技术参数总长最大外径最小通径偏孔直径工作压力堵塞器最大外径995mm114mm46mm20mm25MPa22mm偏心配水器的工作筒的结构如图3.2所示：图 3.2 KPX-114偏心配水器工作筒1上接头；2上连接头；3扶正体；4、7、10螺钉；5主体；6下连接套；7螺钉； 8支架；9导向体；10螺钉；11“O”型圈；12下接头图3.3 堵塞器1打捞杆； 2压盖 ；3、9、10、12“O”型圈； 4弹簧 ；5主体； 6扭簧；7轴；8凸轮； 11水嘴 ；13滤罩(1)打捞堵塞器。预先把投捞器的投捞头接于投捞爪3（图3.4）的下部。投捞爪是可以绕投捞爪上端的销轴转动。在下井之前，用凸轮1（图3.4）将投捞爪收拢并锁紧。用钢丝绳将投捞器下放到注水管柱内，直到进入偏心配水器的工作筒下部23米后，然后上提投捞器到配水器工作筒上部，投捞器上的凸轮经过工作筒时遇到阻碍，从而向下转动，于是解除凸轮对投捞爪的约束，投捞爪在压簧的推动下，绕轴转动而张开如（图3.5），并且导向爪3同样也被释放张开。然后再次下放投捞器，导向爪沿偏心配水器工作筒导向主体的螺旋面运动，顺着开槽向下，当下放遇到阻碍时，投捞头已经卡住堵塞器的打捞杆，然后上提打捞器，堵塞器就被成功打捞到地面了。（2）投堵塞器。将投捞器的投捞头接于投捞爪3（图3.4）的下部。将堵塞器的打捞杆插入投捞器的投捞头，当投捞器和堵塞器连接好后，与打捞堵塞器过程相似，首先把堵塞器下放到配水器的偏置孔内，上提投捞器，由于堵塞器的凸轮已经卡住在偏置孔上部的扩孔，最后销钉被剪断，堵塞器的打捞杆和投捞爪相分离，堵塞器被留在了配水器的工作筒内，投捞器被起出。图3.4 图3.51控制凸轮；2投捞爪 1控制凸轮；2投捞爪3导向爪 3导向爪3.2投捞器方案的确定本课题设计的投捞器是与KPX-114偏心配水器配套使用的提挂式投捞器，其结构如图3.6所示：图3.6 KPX-114配水器提挂式投捞器装配图投捞器的整体方案采用导向头导向和定位，投捞爪对堵塞器进行投捞。投捞器本身较长，本身的重力已经足够牵引投捞器下放到井中，加之该投捞器最大外径比传统的投捞器的外径小，在井中遇卡的几率较低，即使遇卡，也很容易解卡，所以在本设计中我不设置加重杆。导向头和投捞爪的释放都靠弹簧和凸轮机构来实现，弹簧在投捞爪和导向爪收拢时，处于压缩状态，会给投捞爪和导向爪一个向外的推力，凸轮在常态下，能用外轮廓线挡住爪部的上端，使其不能向外弹出。当投捞器下入到井下预定位置时，上提投捞器，凸轮向下偏转，凸轮外轮廓线旋转到不能挡住爪部上端的位置，完成投捞爪和导向爪的释放。3.3偏心配水器投捞器的最大外径的确定根据偏心配水器的最小通经为46mm，投捞器的最大外径不能超过46mm。油田注水时常采用含油污水回注，注水井井下管住很容易结垢，造成井下管住缩径，配水器的实际最小通经将会有所减小，一般用的投捞器44mm进行投劳作业时易遇阻，通过对现场遇阻井的分析，由于部分井管柱内部结垢厚度较厚或结垢呈颗粒状分布，直径在5mm左右，为提高投捞器的通过能力需适当缩小投捞器外径为38一40mm 。所以为了投捞器在下入过程中，不因为管径过小而遇卡，我把投捞器的最大外径定位40mm，这样将大大提高投捞器的通过性。3.4偏心配水器投捞器总长的确定由于偏心配水器投捞器的结构复杂，结构方案较多，在设计的前期我还不能确定投捞器的具体的长度，但是可以根据偏心配水器的结构初步把总长控制在1000mm到1200mm之间，具体值将会根据实际结构工艺的需要而确定。4偏心配水器投捞器的具体设计4.1装配关系的描述为了便于对各个机构进行更好的描述，我给出一些必要零件之间的装配关系如图4.1所示：图4.1 投捞器部分机构装配图凸轮模块；投捞爪模块；投捞接头模块4.2投捞爪释放机构的设计凸轮与投捞爪的装配关系如图4.1的模块。根据投捞器的工作原理：投捞器在下入偏心配水器的指定位置后，上提投捞器，就能释放投捞爪。我刚开始觉得这个功能实实现起来应该很简单，后来当我设计到这一步的时候，就发现这个很不容易实现的，主要有以下几大问题：一、井下空间狭小，给机构的空间有限；二、只能通过上提来对投捞爪的释放进行控制。三、触发装置必须灵敏可靠。面对这些问题，我发现用凸轮装置，来实现投捞爪的释放是比较可行的。释放装置由凸轮主体、外螺纹铰链轴和扭簧组成。凸轮的结构和扭簧的安装是我要设计的主要内容。凸轮主体如图4.2所示：图4.2 凸轮当投捞器处于下放过程中时，凸轮在上图最右边的位置时，会顺时针旋转，收拢于投捞器的腔体内，投捞爪保持原有状态。当投捞器下放到指定位置时，凸轮在扭簧的作用下产生你逆时针的扭矩，使得凸轮发生逆时针转动，凸轮的外伸部分超过投捞器最大外径6mm，然后上提投捞器，凸轮外伸部分被配水器轮廓挡住，凸轮被迫再次发生逆时针转动。投捞爪的上端原本被凸轮的外轮廓线挡住，凸轮逆时针转动后，凸轮和投捞爪的接触部分变为掏空部分，投捞爪失去了来自于凸轮的束缚，在压缩弹簧的作用下投捞爪便被释放了。为了让读者更清楚的理解凸轮的结构，其三维模型如图4.3所示：图4.3 凸轮三维模型4.3投捞爪的设计投捞爪与凸轮和投捞接头之间的装配关系见图4.1的模块。根据偏心配水器的结构参数，可以得到投捞器的技术参数必须满足投捞爪收拢锁紧后，在投捞器最大外径以内；张开后旋转直径大于80 mm。投捞爪的总体长度定位97.5mm，投捞爪在张开时需要绕轴旋转，把轴的的位置定为偏离投捞器中心线11mm处，距离投捞爪最左端12.5mm，为了使投捞爪在张开时能贴合偏心配水器的管壁，接头和投捞爪处有一定的斜度，其与投捞器中心线的夹角同投捞爪与张开最大时的偏转角度相同。投捞爪要张开，就需要一定的推力，这里采用压缩弹簧，投捞爪在收拢时，弹簧处于压缩状态，将给与投捞爪逆时针旋转的推力。弹簧孔的位置距离投捞爪最右端为35.5mm，孔径初步定为7mm，采用外径6mm的压簧。后面进行相关的计算在做相应的调整，具体结构如图4.4所示，其三维模型如图4.5所示： 图4.4 投捞器的投捞爪图4.5 投捞爪三维模型我考虑到当投捞爪处于最大张角时，压缩弹簧会发生较大的弯曲，我就使得投捞爪的弹簧槽很深，而且在弹簧槽的最外面做出一定的倒圆台结构，这样能大大减小弹簧的弯曲度。4.4投捞接头的设计投捞接头与投捞爪的装配关系见图4.1的模块。由于投捞接头的设计对于本课题，至关重要，也是能否保证投捞成功率的关键和改进的重要部分，所以我花了很多时间在设计投捞接头的结构上面，以下便是我的设计思路：堵塞器的打捞头的外形较多，打捞形式繁多，为了提高该投捞器的通用性，我觉得把投捞接头加工成内螺纹，可以接上需要的打捞头，减小投捞器的种类，节约油田开发成本。投捞接头在工作平面内要能够绕轴转动，而且要保证在投捞爪主体张开到最大位置时，投捞接头要能够竖直向下，并能传递一定的向下的压力，这个压力必须要能够把投捞爪的卡子卡入堵塞器的打捞头。我在最起初的时候考虑采用弹簧结构，来保证投捞接头始终能够贴合配水器的偏置孔的内壁，但是由于该机构稳定性极差，加之弹簧的可靠性很低，也容易掉落，没有足够的空间安装大型弹簧来带动，加上堵塞器时整个投捞接头的负载，再三思索后，最后放弃了这个设计方案。经过再三思考，取消了弹簧，直接依靠投捞爪本身的机构，来满足投捞工艺的工艺要求我最后把方案确定为如图4.6所示：图4.6 投捞接头该结构能有效解决投捞接头会逆时针转动的烦恼，如果投捞接头在投劳过程中发生了逆时针的转动，极易造成投捞接头的卡子不能正对堵塞器的打捞头，从根本上影响投捞的合格率，所以投捞过程中，投捞接头是绝对不能绕轴逆时针转动的。而且当投捞爪处于最大张开的位置时，投捞接头的左下部分能和投捞爪的轮廓线贴合，这样，投捞爪就能很容易把竖直向下的力传给投捞接头了，该结构，原理简单，加工方便，可靠性高。投捞接头和投捞爪用铰链轴连接，初步选用4mm的外螺纹铰链轴。根据投捞器实际的工作情况，在配上堵塞器时，加上整个投捞接头的质量很小，不到0.5Kg，所以选用4mm的轴，强度能否满足要求还需要进行校核。投捞器在下放的过程中，要绕着自身的轴线发生自转，所以当投捞器到达指定位置时，不能保证投捞爪正对着偏心配水器的偏置孔，因此必须有导向装置。传统的投捞器，都是由投捞爪当导向爪，这样不仅对投捞爪本身的结构要求较高，且这样分工不明确，很难保证投捞的成功率。4.5导向爪的设计我这次决定把投捞爪的投捞和导向功能分离出来，类似于投捞爪释放机构，只是导向爪处于最大张开位置时，旋转半径超过投捞器最大外径6mm左右。独立的导向爪由于比较短小，导向能力得到极大的提高，可靠性高。导向爪的外形设计的主要难题是要使导向爪在张开角度最大位置时，导向爪的头部要与偏心配水器的导向壁有一定的贴合面积，最后的设计的结构如图4.7所示，投捞爪的三维模型如图4.8所示：图4.7 导向爪图4.8 导向爪的三维模型4.6导向头的设计在投捞器下入过程中，井筒结垢、反吐和死油都造成投捞器下放困难，时常在下入过程中遇卡，为了提高整个投捞器的通过性，我们在投捞器的最前端安装一个导向头，导向头设计为尖端有过圆角的圆锥。就像火车头的作用，导向头将引导整个投捞器到达偏心配水器的指定位置，导向头与投捞器主体采用螺纹连接，用“O”型橡胶圈密封，其结构如图4.9所示，导向头如4.10所示：图4.9 导向头图4.10 导向头三维模型4.7绳帽的设计提拉式偏心配水器投捞器都是用钢丝牵引的，而钢丝到投捞器需要用绳帽连接的。根据投捞器的实际工作情况，投捞器会在下入或者提升的过程中发生轻微的转动，但是圈数不会太多，所以这里绳帽的设计主要考虑到连接方便可靠就行，不用考虑投捞器转动圈数过多而扭断钢丝的情况。投捞器的牵引钢丝，选用直径为2.4mm钢丝，绳帽的小圆孔的直径为3mm，钢丝只需穿过绳帽的小孔，在从绳帽中部的大圆孔把钢丝的一头拉出来连接到一个钢丝扣上，连接好后拉紧即可。我设计的结构如下图4.11所示，绳帽的三维模型如图4.12所示：图4.11 绳帽图4.12 绳帽三维模型5投捞器的设计与计算5.1投捞爪圆柱压缩弹簧的设计计算5.1.1工作条件的确定查阅资料得堵塞器的重量：0.25 kg，由creo2.0建的投捞爪模型的质量分析可得投捞爪的质量为0.17kg。经过分析得出，投捞爪在安装有堵塞器且处于投堵塞器时时的受力示意图如图5.1所示：图5.1 受力示意图已知：投捞爪最大张开角=23；a=23mm ；b=20mm ；c=34mm ；Fc=1.66N ；Fd=2.45N ；如图5.1所示，以Fax为X轴，Fay为Y轴，建立直角坐标系，对A点求力矩。列出平衡方程： （5.1）由上述方程解出： （5.2）由该结果可知，投捞爪的弹簧处于投捞爪最大张开角的状态时，弹簧必须产生不小于4.41N的弹力。5.1.2弹簧的设计算计由于本处弹簧设计条件特殊，首先要确定弹簧的自由长度,弹簧处于投捞爪最大张开角时，弹簧的长度，以及投捞爪处于收拢锁死状态下的长度。根据投捞器本身的结构得弹簧自由高度为