热应力补偿器设计和研究

在稠油热注热采井中,热应力的存在使得套管使用寿命大大缩短可以说是目前热采施工中的一大难题,而热应力的难以补偿就意味着安全隐患的难以消除,这在安全第一的工程中,是绝对不允许存在的.根据套管损坏机理的研究和理论计算及大量的实物实验,得出热采时产生的轴向热应力过大是套管损坏的主要原因之一,本文充分调研了国内外热应力补偿器的研发现状,分析其优缺点,根据工艺流程特点进行优化设计.论文所介绍的工具正是基于上述背景下新型设计研发的热敏环键式热应力补偿器,该工具的热应力补偿结构能够有效的解决因油管,套管和采油树在受热时而产生的热应力,有效延长套管串的使用寿命,因而可以较好地缓解这一工程问题. 本文基于对国内外大量资料的调研,综合国内外现有的理论及固井施工中的具体情况,尽可能地采用与现场接近的数据作为参考依据,设计中还参考了稠油热采井固井作业规程,以及机械设计标准,对于装置中的零部件进行逐个分析,绘画,模拟,通过有限元分析软件反复计算校核,最终形成较为理想的设计思路,并绘制出了装置各部分的零件图和整体装配图.设计而成的新型热应力补偿器具有针对性,易操作性以及可靠性,应该能很好的应用于稠油热采热注中. 稠油井中,补偿器在注热蒸汽开采时,高温对其的使用寿命产生了极不利的影响,而螺纹接头又是套管上极为薄弱的环节.由于蒸汽吞吐过程中套管要承受高温载荷,轴向载荷,径向载荷以及螺纹各部分之间的相互约束,套管受热膨胀将不能自由地伸长和收缩,补偿器主要靠螺纹的接触压力来实现连接.注蒸汽过程中,由于温度变化引起螺纹间接触压力的改变,当井筒内的蒸汽压力或流体压力低于螺纹间的接触压力时,套管接头的密封性将无法保证.同时,在井筒温度降低时,会在螺纹接头上产生一定的残余应力,随着注蒸汽周期量的增加,此残余应力会逐渐累加,直至螺纹接头被拉断失效.因此应设计一种可伸缩的热应力补偿结构来避免套管的挤毁.国内外现在研发有多种热应力补偿器,最主要的有波纹式,销钉剪切式,锁爪式,以及最新的热敏材料式,通过应用情况来看,热敏式热应力补偿器具有更好的功能性和稳定性.但是常规的热敏式热应力补偿器在结构上比较复杂,实现热应力补偿功能的机械动作过多,使得应用的效果大打折扣. 为此,本文设计一种结构简单,机械动作简练,功能性突出的新型热敏式热应力补偿器,通过热敏材料的膨胀和内,外筒在热应力下产生的位移就能实现环键的解锁实现热应力补偿.并采用ABAQUS有限元方法,分析补偿器在受载荷工况下的力学特性,对补偿器薄弱环节进行强度校核,反复模拟演算来最终确定尺寸的合理性,完成了7寸套管热应力补偿器的设计.设计而成的热应力补偿器长1760mm,最大外径214mm,内径157mmm,符合相关国家标准和施工条件.该补偿器由内筒,外筒帽,外筒,环键,0型密封圈(8个),内筒,缸筒,热敏材料,活塞,内筒帽,变扣,接箍12个零件组成,金属材料钢级为P-110,热敏材料为石蜡和松香的混合物,密封圈材料为橡胶. 在整个装置的设计模拟中,对于钻井和机械方面的知识是一个全面的提升和检验的过程,同时设计的工具理论上有一定的可行性,最终有待实际工况中的检验与实践.