北京機械工業學院（畢業設計）PAGEPAGE85各專業完整優秀畢業論文設計圖紙第一章緒論1.1前言徑向水平井鉆井技術系統由地面設備和井下工具系統兩部分組成。地面設備包括作業機、壓裂成組設備、井口裝置(包括井口密封、進液三通)、數據采集和處理系統及地面運動控制裝置等;井下工具系統包括段銑工具、擴孔工具和徑向水平井鉆井工具。段銑工具和擴孔工具是整個作業工藝中的重要前期準備工具。徑向水平井鉆井工具是整個技術的核心，包括轉向器、高壓管柱、鉆桿、鉆頭和鉆桿運動控制器等。其中轉向器又是整個技術的關鍵。水力水平鉆井射孔深度一般可達到8～20m，井眼尺寸達70mm以上。采用水力水平鉆井技術可實現井筒與地層間的有效連通，形成極小轉向半徑的微型水平井，有效穿透近井帶污染層;一次下井可在不同深度或同一深度的不同方位完成多次鉆孔作業，形成多個水平井眼。運用水力水平井技術的目的是提高油氣藏的采收率以及為油田增產增注服務，但是由于其成本較高，并不是所有的油田都適用。1.2國內外發展狀況1.2.1高壓水射流徑向水平鉆井系統說明高壓水射流徑向水平鉆井系統涉及高壓水射流徑向水平鉆井用的特殊設備,尤其是鉆桿超短半徑轉向和完全高壓水射流破巖的水平鉆井的專用井下器具及其最佳組合。水平鉆井技術是目前鉆井行業的前沿技術。高壓水射流徑向水平鉆井系統又稱超短半徑水平鉆井技術，是用來在井下完成超短半徑水平井眼的特殊器具和作業方法。其基本實現方法是在一口預備的垂直套管井中,用常規磨銑或段銑的方法切去所需長度的井下套管段,接著下入特制的徑向水平鉆井的井下擴孔器,將套管段銑位置擴大到所需尺寸,形成一個擴孔腔中；然后,將高壓水射流徑向水平鉆井系統的專用器具下入套管井眼和這個擴孔腔中,進入工作狀態后,地面高壓泵車向本實用新型的工作管柱中注入高壓鉆井液,高壓鉆井液驅動鉆桿即中空無縫鋼管以極短的彎曲半徑通過鉆桿轉向器而水平進入地層,并從鉆桿前端的鉆頭高速旋轉射出而破碎地層巖石,實現高壓水射流徑向水平鉆井,達到增大油層裸露面積,高效開采地下油礦。高壓水射流徑向水平鉆井技術可在同一垂直井中的多個井下油礦層位進行高壓水射流徑向水平鉆井作業,每個層位可以橫向鉆入多個呈輻射狀的徑向水平井,每個徑向水平井長度達到30~60米,它是老油田增產增收的強有力措施。高壓水射流徑向水平鉆井技術可解決以下問題:1.開發淺油層、薄油層和低滲透油層;2.鉆開垂直裂縫的油氣藏;3.減少或替代打垂直調整井;4.減少或避免氣錐水錐現象的產生；5.用于開采地下堿層、鹽層及其他礦藏。2高壓水射流徑向水平鉆井國內外狀況國外徑向水平鉆井技術研究始于20世紀70年代末,80年代中期投入工業試驗,80年代末期形成“超短半徑徑向井系統”(URRS),進入商業應用。至1992年底,已在加拿大和美國等地鉆了1000多口徑向水平井眼;這些徑向水平井有的是在垂直井的同一油層中鉆入的,有的是在不同油層中鉆入的,每個垂直井中所鉆層位最多達5個,每個層位鉆入的輻射狀徑向水平井最多達20個,實現了在多個層次鉆多個輻射狀徑向井的技術計劃。對于這些徑向井眼,大部分進行了測井和包括裸眼技術、柔性防砂管技術及雙向礫石充填技術完井。徑向井眼的長度一般在8~46m,比垂直井產能提高2~10倍,平均原油增產2~4倍[1]。20世紀90年代以來,徑向水平井鉆井技術有了不斷的發展和完善。2000年以來的有關文獻表明,美國和加拿大等地區還在繼續應用和探索徑向水平并鉆井技術[2]。在我國，徑向水平井鉆井技術是油井增產的一項強有力的措施，特別適合于低滲透油田的開發，對鉆井也有著重要意義。從20世紀90年代初開始,中國石油天然氣集團公司(CNPC)科技發展部組織了江漢機械研究所等科研單位,對“徑向水平井鉆井綜合配套技術”進行了攻關研究。1.3水平鉆井技術系統工作原理水平徑向鉆井系統的工作原理是：先用磨銑工具和擴孔工具完成擴孔腔的施工后，再下入轉向器等井下鉆井工具，并使各工具按規定的技術指標就位固定，然后開始水平徑向鉆井。該系統的地面鉆井泵以9～13L/S的排量提供壓力為55～69MPa的鉆井液，鉆井液經井口進液接頭進入高壓管柱內，再由位于高壓管柱內腔的鉆柱上端開口進入其內腔，流向鉆頭，由鉆頭以244～277m/s的速度旋轉射出破碎巖石，達到鉆井的目的。在這個過程中，水力起到兩個方面的作用：1.噴射切割地層；2.驅動鉆柱運動并使之穿過轉向器實現由垂直向水平方向轉向而進入地層。水平鉆井技術的主要特點和應用徑向水平鉆井技術的主要特點是：鉆桿以極短的彎曲半徑（約0.3m）通過轉向器實現從垂直方向到水平方向的轉向；鉆進為完全的高壓水射流破巖和液壓推動技術；徑向水平井從已下入套管的垂直井眼中鉆入，并可在井下一個層位和多個層位布置多個輻射狀的徑向水平井眼；鉆管為高強度，高韌性的電阻焊接管或無縫鋼管，并可在彈塑料狀態下工作；具有比較特殊的測井和完井技術。水平徑向井可以在以下幾個方面得到應用：開采淺油層和薄油層；橫向鉆開垂直油藏裂縫；高效開發低滲透油藏和壓力竭油藏；與熱采技術結合，開采稠油地層；減少或避免氣錐和水錐現象的產生；替代打調整井，加密井；用于其他礦藏的開發。第二章水平井工具的分析2.1引言超短半徑徑向鉆井系統的基本原理是在一鉆好的垂直井中完成擴孔工藝后，下入徑向水平井鉆井工具系統，地面壓裂車向系統中泵入高壓鉆井液，由此產生的高壓液力驅動鉆桿以極短的彎曲半徑（約0.3米）通過井下轉向器實現從垂直方向到水平方向的轉向，同時，高壓鉆井液由鉆桿前端的鉆頭高速射出，破碎巖石。主要技術參數：鍛銑擴孔尺寸：Φ660mm×2500mm以上工作壓力：55MPa左右排量：9~13L/S徑向水平井噴射鉆井深度：8~20m徑向水平井眼尺寸：Φ70mm以上。鉆桿通過轉向器的受力分析水平徑向鉆井系統的工作原理是：先用磨銑工具和擴孔工具完成擴孔腔的施工后，再下入轉向器等井下鉆井工具，并使各工具按規定的技術指標就位固定，然后開始水平徑向鉆井。該系統的地面鉆井泵以9～13L/S的排量提供壓力為55～69MPa的鉆井液，鉆井液經井口進液接頭進入高壓管柱內，再由位于高壓管柱內腔的鉆柱上端開口進入其內腔，流向鉆頭，由鉆頭以244～277m/s的速度旋轉射出破碎巖石，達到鉆井的目的。在這個過程中，水力起到兩個方面的作用：1.噴射切割地層；2.驅動鉆柱運動并使之穿過轉向器實現由垂直向水平方向轉向而進入地層。水力切割地層主要通過水力噴射鉆頭加速鉆井液和旋轉鉆井液完成的；驅動鉆柱則是依靠作用在鉆柱上端和下端的靜液壓力。上端和下端的靜液壓力可大致地理解為：在鉆柱上端，作用在其內徑和外徑之間的環形面積上的液壓力可產生一個推動鉆柱前進的推力；在鉆柱下端，作用在鉆桿內徑與鉆頭孔徑間的環形面積上的液壓力則產生一個相對上端鉆柱的拉力。一般情況下，拉力的大小約為推力的兩倍。鉆柱受力分析鉆柱受力為：鉆井液作用在鉆柱上端的推力P1和作用在鉆柱下端的拉力P2；鋼絲繩對鉆柱的拉力T；轉向器對鉆柱的總阻力N，它在X方向和Y方向上的分力分別為NX和NY；徑向井眼對鉆柱的阻力為R；井下密封對鉆柱的摩擦阻力R1。將受力模型作進一步簡化，同時不考慮轉向器滾輪對鉆柱的摩擦力，可進一步明確鉆柱各受力之間的關系。鉆柱受三個力的作用：液壓驅動P（P=P1+P2）；轉向器對鉆柱的支反力N（N=NX+NY）；徑向井眼對鉆柱總阻力R。系統平衡時，P=NY，R=NX。當徑向井眼阻力R增大時，NX必然增大，由于轉向器支反力方向始終為滾輪與鉆柱接觸點輪弧法線方向，故NX的增大必然引起NY增大，從而導致對液壓驅動力P的需求增大。對轉向器入口上段鉆柱進行研究，設其上端受壓力P，作用，下端受阻力N，作用，則P，=P1-T（1）N，=NY+R1-P2（2）鉆柱工作時要求P，=N，<Plj（3）由于徑向水平井轉向器以上一段鉆柱的長度與所設計的徑向井長度基本相等，而鉆柱本身截面積較小，故所討論的壓桿為細長桿。根據歐拉公式，臨界壓力為Plj=（4）式中I截面慣性矩，，d和D分別為鉆柱內徑和外徑；E材料的彈性模量；u長度系數；L桿長?，F以實例說明鉆柱的穩定性。假設系統的液壓力為60MPa，鉆柱為32㎜×3㎜無縫鋼管，設壓桿為一端固定，一端鉸接桿，則u=0.7,取L=5000㎜，E=2.1×105MPa，那么，可計算出Plj=4.91kN,而鉆柱上端推力P1=16.4kN。由式（1）知，若不嚴格控制T的大小，P，很容易超出Plj，導致鉆柱失穩而無法工作。鉆柱L較長時，由式（4）知，臨界壓力Plj會較小，所以應慎重使用推力作動力。若要鉆柱安全地工作，鉆柱應為拉桿。徑向水平井轉向器軌跡優化設計為了降低徑向水平井轉向器對柔性鉆柱的阻力,對轉向器的軌跡參數進行了優化設計。根據經驗公式,建立了轉向器軌跡參數優化設計的數學模型,并采用內點懲罰函數法處理和運算,得出轉向器軌跡最優設計參數:α=25.5°,Ｒ=349.9ｍｍ,δ=-1.4ｍｍ,對應轉向器最小阻力Ｆｚ=6.1975ｋＮ?？紤]到摩擦阻力的存在,對阻力公式進行了修正,修正系數ｋｚ取1.5～1.8,從而預測出優化后的轉向器實際阻力Ｆｓｚ在9.2963～11.1555ｋＮ之間。通過基于ＡＮＳＹＳ5.4的數值模擬試驗方法,對鉆柱通過不同軌跡的轉向器做受力計算,最后由回歸分析法得出了轉向器阻力Ｆｚ與轉向器軌跡參數之間的關系Ｆｚ=11.4231+0.3291ｘ1-3.0638ｘ2+2.0068ｘ3+0.3151ｘ1ｘ2-0.4991ｘ1ｘ3-0.4076ｘ2ｘ3+1.2225ｘ1′+1.5065ｘ2′+2.1703ｘ3(1)其中ｘ1=0.125α-3.5ｘ2=0.01Ｒ-3ｘ3=0.333δ(2)ｘ1′=0.015625α2-0.875α+11.52ｘ2′=0.0001Ｒ2-0.06Ｒ+8.27ｘ3′=0.111111δ2-0.73(3)式中α———轉筒Ⅰ與垂直方向的夾角,取值范圍:20°≤α≤36°;Ｒ——轉向器軌跡最小彎曲半徑,取值范圍:200ｍｍ≤Ｒ≤350ｍｍ;δ———矯直轉筒對鉆柱的矯直偏量,取值范圍:-3ｍｍ≤δ≤3ｍｍ。由經驗公式(1)～(3)可知,轉向器軌跡優化設計數學模型的設計變量有3個:α、Ｒ、δ;目標函數Ｆ(Ｘ)即為轉向器阻力;約束條件來源于3個變量的取值范圍,共有6個。將式(2)、(3)代入式(1),整理后得出下面經驗公式:Ｆｚ=0.0191α2+0.000151Ｒ2+0.2411δ2+0.000394αＲ-0.001357Ｒδ-0.0208αδ-1.1468α-0.132Ｒ+1.6572δ+47.7289(4)根據優化設計[2]要求,建立如下數學模型。設計變量ｘ=ｘ1ｘ2ｘ3=αＲδ目標函數minＦ(Ｘ)=0.0191ｘ12+0.000151ｘ22+0.2411ｘ32+0.000394ｘ1ｘ2-0.001357ｘ2ｘ3-0.0208ｘ1ｘ3-1.1468ｘ1-0.132ｘ2+1.6572ｘ3+47.7289(5)設計約束:ｇ1(Ｘ)=ｘ1-20≥0ｇ2(Ｘ)=36-ｘ1≥0ｇ3(Ｘ)=ｘ2-200≥0ｇ4(Ｘ)=350-ｘ2≥0ｇ5(Ｘ)=ｘ3+3≥0ｇ6(Ｘ)=3-ｘ3≥01優化方法的選擇從式(5)可以看出,目標函數為多變量非線性函數,且為不等式約束,因此選取內點懲罰函數法來求解這個問題。其懲罰函數為Φ(Ｘ,ｒ(ｋ))=Ｆ(Ｘ)+ｒ(ｋ)Σｇｕ(Ｘ)(6)2初始點Ｘ(0)的選擇根據內點法的要求,初始點Ｘ(0)應嚴格滿足設計約束條件。根據轉向器的實際應用情況及設計經驗,選取初始點Ｘ(0)=[28,300,0]Ｔ。取初始懲罰因子ｒ(1)=8;取滿足所有約束條件的初始可行點為Ｘ(0)=[28,300,0]Ｔ;遞減系數ｅ=0.1;收斂精度ε=10-6。(2)用無約束最優化方法求minΦ(Ｘ,ｒ(ｋ))的極值點Ｘ(ｒ(ｋ))。(3)檢驗終止準則。如果滿足‖Ｘ(ｒ(ｋ-1))-Ｘ(ｒ(ｋ))‖≤ε,則停止迭代計算,得最優點Ｘ=Ｘ(ｒ(ｋ)),否則轉入下一步。(4)?。?ｋ+1)=ｃｒ(ｋ),Ｘ(0)=Ｘ(ｒ(ｋ)),ｋ=ｋ+1,轉向第(2)步。（5）優化結果通過用ＶＢ編程運算,得最優解為:Ｘ=[25.5,349.9,-1.4]Ｔ,Ｆ(Ｘ)=6.1975。轉向器阻力公式的修正轉向器的實際阻力要比式(4)計算出的阻力大,這是由于式(4)不包含轉向器與鉆柱間產生的摩擦阻力。設轉向器的實際阻力為Ｆｓｚ,則Ｆｓｚ=Ｆｚ+Ｆｍ(8)式中Ｆｍ———轉向器與鉆柱之間產生的摩擦阻力。為了進一步弄清Ｆｓｚ與Ｆｚ之間的關系,令Ｆｓｚ=ｋｚＦｚ(9)式中ｋｚ———阻力修正系數。經理論分析和反復試驗,可?。耄?1.5～1.8。根據式(8),由于Ｆｚ=6.1975ｋＮ,則轉向器優化后的實際阻力Ｆｓｚ在9.2963～11.1555ｋＮ之間。2.4鉆桿通過轉向器力學分析1.材料特性根據鉆桿出廠性能測試報告，鉆桿材料的屈服值為σｓ=395～400ＭＰａ,σｂ=535～555ＭＰａ,選擇變形體的模型為彈性線性強化模型,取σｓ=400ＭＰａ,σｂ=560ＭＰａ,彈性模量Ｅ=2.1×105ＭＰａ;泊松比μ=0.3;密度ρ=7.8×103kg/ｍ2.實體模型的建立選擇solid45單元(六面體單元)為鉆桿的變形單元,在建模時,還會用到solid42單元(四邊形單元)作為輔助單元。首先按照轉向器的軌跡參數Ｒ1、Ｌ1、Ｒ、Ｒｊ和Ｌ2在ｘｙｚ中創造轉向軌跡線,再在軌跡線上端作出生產管的頂部環形面,選擇solid42單元將環形面劃分成若干平面四邊形單元,再選定solid45單元,設置單元尺寸大小,ｚ=30ｍｍ,用Extrude命令將solid42單元沿轉向軌跡線拉伸,即獲得所要分析鉆桿的實體單元。3.邊界條件的處理將轉向器的各個滾輪轉化為加在鉆桿上的約束,約束的方向為鉆桿上所加結點的法向方向,在鉆桿的豎直段和水平段也加上適當的約束。為防止鉆桿失穩,模擬實際工況,在Ｙ軸方向也加有少量約束。在鉆桿上端平面的邊界上選擇間隔90°的8個節點(既兼顧數據處理量,又不失計算精度)的Ｚ軸方向上施加位移載荷ｄ,并使Ｘ、Ｙ方向的位移載荷為零。為了使問題簡化,實際工況中的鉆桿未加內壓,但所加的位移載荷計算獲得的力則可折合成鉆桿內壓。4.解算在Solution下,選擇Static分析類型,選擇大變形分析模式,打開自動時間控制步長,并設置適當的載荷子步。在非線性分析選項中,選擇合適的收斂準則,選擇最大平衡迭代步為25;打開adaptive幫助收斂,同時采用全量Newton-Raphason迭代法求解。打開StressStiffeningEffects。其它均為缺省狀態,如采用斜坡加載的方式加載,采用FrontalSolver求解。第三章設備設計中的計算3.1兩位四通閥處彈簧的設計計算1．原始資料該處彈簧的作用為控制閥的移動。由要求可知兩位四通閥在大于55MPa時換向。設定工作壓力為55MPa開始換向,在70MPa時完成換向,彈簧的中徑D2=40，則可知彈簧受力為:設定閥端直徑d1=102．設計計算a．選擇材料和許用應力:屬I類彈簧,材料選用4Cr13，由表30.2-4查得EQEQ:Γp=441MPa，G=75.5GPa。b．求彈簧鋼絲直徑:按式30.2-6查圖30.2-4得c=3.8，d=EQ\F(D2,c)=EQ=10.5mmc．求有效圈數:按式(30.2-5)按式(30.2-6).37圈取n=30圈。d．計算其余尺寸參數:總圈數n1=n＋2=30+2=32圈工作載荷下的變形量，壓并載荷及壓并變形量,根據彈簧工作區應在全變形量的20～80%的條件,取f2=0.6fb則fb===155mm，Fb=EQ==9158N其中f1=f2=0.78×0.6fb=0.47fb表明f1、f2均滿足工作區的條件。壓并高度:Hb=(n1-0.5)d=（32-0.5)d=330自由高度:H0=Hb+fb=330+155=485節距:p=EQEQ\F(H0-1.5d,n)=15.6mm螺旋角:tan,γ=7°γ滿足5°～9°的要求展開長度:mm3．驗算:1)強度驗算疲勞強度安全系數由式30.2-10～1.7由表30.2-11取N=10EQ\S(7)，此時，MPa。當C=3.8時，=0.92211.1351.8=1.71Sp=1.7滿足條件靜強度安全系數由式30.2-11～1.7查《機械設計手冊》第三篇第二章MPa則=2.09Sp=1.7滿足條件2)共振驗算按式30.2-14而滿足條件。3.2牙嵌裝置的設計計算1．原始資料牙嵌裝置位于螺母塊的下方，噴射時在壓力作用下螺母塊與固定的牙嵌壓緊，使螺母塊亦固定，從而使絲杠在通過螺母時能形成自轉，達到旋轉噴射的目的。軟管回收時螺母在絲杠的帶動下離開牙嵌，從而使回收的速度加快，節省操作時間。出于對強度的考慮牙嵌的材料選用40Cr。牙嵌裝置的大徑D＝36mm，小徑d＝20mm，中徑Dm=29mm。采用十齒三角形牙。設噴射時牙嵌所受壓力=500N取材料的許用應力2．設計計算a．最大轉距:根據式29.7-1b．牙嵌裝置的結合力和脫開力：一般可取u1=0.15～0.17，p=5°。根據式29.7-2其結合力Fα=273.8N其脫開力Fα=2.7N所以滿足設備所需條件。c．牙嵌裝置的自鎖條件:根據式29.7-3其中P=5°，u=tanP=0.08即tanαα=16.94°所以自鎖的條件為α<16.94°,這里取α＝8°d．牙嵌工作表面的壓力條件計算:根據式29.7-4靜結合時～，取EQ\S(2)=29×8×tan8=32.6所以條件滿足。e．牙嵌根彎曲強度條件計算:設定f．牙嵌根彎曲強度:所以條件滿足。3.3檢測裝置處彈簧的設計計算1．原始資料:檢測裝置位于軟管的端部，當軟管伸出到一定長度時自動泄荷,使地面可知射孔以結束。該處彈簧主要用于控制泄荷塊的移動。未泄荷時彈簧受力為F1=10N，泄荷時彈簧受力為F2=30N，變形長度為H2=10mm，彈簧中徑D2=13mm2．設計計算:選擇材料和許用應力:屬I類彈簧,材料選用4Cr13，由表30.2-4查得EQEQΓp=441MPa，G=75.5GPa。a．求彈簧鋼絲直徑:按式30.2-6查圖30.2-4得c=9.8，d=EQ\F(D2,c)=EQ=1.3mmb．求有效圈數:按式(30.2-5)按式(30.2-6)6.13圈取n=6圈。c．計算其余尺寸參數:總圈數n1=n＋2=6+2=8圈工作載荷下的變形量，壓并載荷及壓并變形量,根據彈簧工作區應在全變形量的20～80%的條件,取f2=0.65fb，則fb=EQ\F(f2,0.65)=EQ=23mm，Fb=EQEQ\F(F2,0.65)==46N其中f1=EQf2=0.33×0.65fb=0.22fb表明f1、f2均滿足工作區的條件。壓并高度:Hb=(n1-0.5)d=（8-0.5)d=9.75自由高度:H0=Hb+fb=9.75+23=32.75mm節距:p=EQEQ\F(H0-1.5d,n)=3.85mm螺旋角:tan,γ=5.39°γ=滿足5°～9°的要求展開長度:mm3．驗算:1)穩定性驗算高徑比=2.5<3.7，滿足要求2)強度驗算疲勞強度安全系數由式30.2-10～1.7由表30.2-11取N=10EQ\S(7)，此時，MPa。當C=9.8時，=0.97146.3438.7=1.35Sp=1.3滿足條件靜強度安全系數由式30.2-11～1.7查《機械設計手冊》第三篇第二章MPa則=1.67Sp=1.3滿足條件3)共振驗算按式30.2-14而滿足條件。第四章徑向水平鉆井綜合技術研究4.1引言從發展現狀、基礎研究、關鍵技術、研究試驗幾個方面介紹了徑向水平鉆井技術的研究狀況。在基礎研究方面,介紹了鉆桿選材、焊接、試驗臺架、試驗型轉向器系統等研究工作；在關鍵技術研究方面,側重介紹了Z5型轉向器系統的研究、YDZ5型轉向器系統的研究、YSZ7型轉向器系統的研究、射流鉆頭研究、其它綜合配套技術研究。以YSZ7型轉向器為例簡單地介紹了地面綜合模擬試驗和現場試驗,并對試驗過程和結果進行了分析,認為YSZ7型轉向器系統及其輔助技術基本成熟,性能優越。文章最后指出，今后應努力提高徑向水平鉆井技術適應性和進行該技術的采油工程技術研究；同時，應該從井下工具技術改進、作業機和壓裂車三個方面解決目前施工成本居高不下的問題。4.2徑向水平鉆井技術基礎研究（1）鉆桿的選材 徑向水平井鉆井用鉆桿是一種特殊鉆桿,它需要經過0.3m的彎曲半徑進行轉向,內部需承受約70MPa高壓,筆者在對國外徑向水平井用ASTM一A606電阻焊接鉆桿進行研究與分析的基礎上,對國產6種不同鋼管進行了廣泛的調研和試驗分析,優選出Ф32*3mm無縫鋼管作為徑向水平井的鉆桿。通過100MPa水壓試驗和在55MPa系統壓力下,通過轉向器7次以上試驗表明,所選鉆桿滿足（2）鉆桿、鉆頭焊接 國產無縫鋼管單根長度5~9m,而徑向水平井鉆井用鉆桿長20~3Om,江漢機械研究所委托西安石油學院開展了鉆桿的對焊接技術研究,采用了鎢極氬弧焊(TIG)方法,單面焊接雙面成型工藝,以及TIG打底、填絲,小線能量多層焊并依次減少熱輸入的焊接工藝,完成管對管的焊接。經性能測試結果表明,焊接鉆桿,內通徑≥95%,焊接接頭彎曲成0.3m半徑,抗內壓大于9OMPa,焊縫的綜合機械性能達到母材鋼管的性能。焊縫反復通過轉向器的次數可達6次。滿足了徑向水平井鉆（3）徑向水平井鉆井試驗臺架研制為了驗證鉆桿轉向、運動控制、鉆桿焊接、水射流破碎巖石等各項技術的可行性,我們在項目初始階段研制了室內試驗臺架。主要包括基礎、底座、轉向器架、扶正機構、液缸總成、柱塞泵、數據采集系統等。針對水射流破碎巖石技術試驗,還研制了水射流破碎巖石的室內臺架。運行結果表明,該試驗臺架滿足了各個單項試驗要求。為了滿足全尺寸條件下的1比1流體運動模擬和相似試驗要求,更加真實反映徑向水平井鉆井工具的試驗情況,我們研制了室外綜合模擬試驗臺架。它可以全尺寸模擬徑向水平井鉆井系統地面和井下各個部件連續協同的工作情況,自動采集各項實驗數據,實時監控各部件的工作情況。該臺架可滿足不同系列轉向器的徑向水平井鉆井系統的試驗要求。實踐證明,該裝置使用效果良好,可使研究取得事半功倍的效果。（4）Z7型試驗用轉向器系統研究為了實現鉆桿由垂直方向向水平方向轉向,我們研制了Z7型試驗用轉向器。這種轉向器按照178mm(7英寸)套管所能提供的井眼空間進行設計。多次試驗證明:鉆桿在一定壓力作用下可以通過轉向器實現900的鉆桿轉向,經測試和計算,所需動力可在系統中得到滿足。通過對關鍵基礎技術的研究和多個總體技術方案論證表明,徑向水平井鉆井技術的研究是可行的。4.3關鍵井下工具技術研究（1）Z5型轉向器系統研究轉向器是徑向水平鉆井系統關鍵部件，其作用是：在系統液動力驅動下使鋼質鉆桿由垂直方向向水平方向轉向，轉向曲率半徑僅為0.3m；使鉆桿通過它作連續彎曲和伸出運動。針對我國大部分油井采用139.7mm（51/2英寸）套管固井的情況，我們研制了適合于這種套管尺寸的Z5型轉向器，這種轉向器具有以下幾個特點：1．采用雙向彎曲掛鉤形的轉筒組合結構，適合于大直徑圓周擴孔工藝技術，它所需擴孔直徑同國外第一代轉向器相比減少了一半，施工成本大大降低了。2．在豎起機構上，有機械豎起機構和液壓豎起機構，二者在結構上各有優點，在整體結構上，可實現在井下多次定向，且操作方便。3．可以重復使用。這種Z5型轉向器于1994年在中原油田地面綜合模擬試驗。試驗表明：鉆桿運動阻力較小，并在地面多次成功噴射5m的水泥試件（所鉆水泥試件抗壓強度一般為20MPa，成孔直徑Φ70～110㎜），達到設計要求。1996～1999年多次在遼河油田，吉林油田，南陽油田下井試驗，并取得較好的試驗結果。（2）YDZ5型轉向器系統研究為了在低滲透、裂縫比較發育、裂縫方向有一定規律，而且油層埋藏深度較淺、單井產量較低的吉林油田應用徑向水平井鉆井技術，CNPC科技發展部組織對套管單側水力開窗的徑向水平鉆井技術開展研究。為此，我們在總結了多年鉆桿轉向技術研究基礎上，研制出了適合于吉林油田應用的套管水力開窗為特點的徑向水平井鉆井用的YDZ5型轉向器。YDZ5型轉向器是單向彎曲的，改進了滾輪結構，優化了轉向軌跡，整體結構小巧?，F場試驗表明，與套管圓周整體開窗和擴孔工藝相比，擴孔空間降低約300倍，總施工成本可減低40%～50%。具有施工周期短、不占用鉆機、套管破壞小等優點。（3）YSZ7型轉向器系統研究針對遼河油田提供的178mm（7英寸）套管試驗井，我們采用了多年來積累的徑向水平井鉆桿轉向技術試驗成果和ANSYS有限元力學分析優化計算結果以及較先進的設計理念，又設計和研究了YSZ7型轉向器。該轉向器轉筒組合為雙向彎曲結構。測試結果表明：1．系統總阻力與雙彎的Z5型轉向器系統相比減小了約40%，鉆桿伸出轉向器后，系統平穩工作阻力一般為12～15kN；2．持續工作性能提高5倍以上；3．既可以機械豎起也可以液壓豎起；4．鉆桿可兩次筆直伸出轉向器（以往僅一次）；5．剛度和強度提高2倍以上。操作簡單可靠，定位、豎起、收攏簡單可靠、運動自如；6．適應惡劣工況能力強。（4）其他配套技術研究在徑向水平井鉆井綜合配套技術的研究當中，為了配合轉向器系統的工作和滿足不同油井施工工藝的需要，開展的其他配套研究工作主要包括：1．井下液壓運動控制器和機械運動控制器的研制；2．地面試驗送進控制系統的研制；3．139.7mm（51/2英寸）和178mm（7英寸）套管2種規格，3種不同類型的錨定器的研制；4．70MPa高壓井口裝置和井口密封的研制；5．70MPa井底密封的研制；6．送進光桿和各類附件的研制；7．壓力，張力等數據采集系統的建設；8．地面高壓過濾管匯研制；9．施工工藝技術的研究。4.4地面綜合模擬試驗和現場試驗地面綜合模擬試驗在徑向水平井鉆井技術的研究中，我們以上述3種型號的轉向器為基礎做了大量的地面綜合模擬試驗。以YSZ7型轉向器為例，說明地面綜合模擬試驗的情況。試驗主要目的是檢驗YSZ7型轉向器在徑向水平井鉆井中各項技術參數和工藝流程。試驗主要設備包括壓裂車組、徑向水平井綜合試驗臺架、送進控制系統、高壓井口和井口密封裝置、送進光桿、鉆桿、鉆頭、YSZ7型轉向器系統、工作油管、傳感器和數據采集系統等。整個操作過程除定方位外，均模擬井下操作工況進行。水泥試件采用預制水泥試件，抗壓強度為20～30MPa。試驗結果：水平噴進5.4m；成孔直徑Φ110mm以上；鉆桿回拉力小于25kN；鋼絲繩張力參數變化為18～22kN?，F場試驗徑向水平井鉆井技術先后進行了6次現場工業性試驗。下述為2002年3月29日在遼河油田錦45-檢1井的工業試驗進行現場試驗的基本情況。1．試驗井況錦45-檢1井位于錦45塊錦90斷塊中部，構造上處于半背構造高部，地層由北向南傾斜，地層傾角80，錦45-檢1井于Ⅱ組構造頂部埋深1000m左右。根據遼河油田工程院的油藏工程設計，錦45-檢1井高壓水射流徑向水平鉆井基本設計參數如下。套管段銑位置：999～1009.1m；徑向噴射點深度（水平段A支和B支）：1005.8m；A支方位角：390；B支方位角：2670。2．試驗主要設備包括65B型車裝鉆機、壓裂車及輔助車輛、測井車、徑向水平鉆井工具（包括段銑工具、擴孔工具、轉向器、鉆桿、鉆頭、送進系統、焊接設備、數據采集系統）等。3．實驗結果總進尺：10.9m（完成了試驗大綱規定的進尺8～20m要求）張力：正常送進時一般為44kN；鉆桿通過轉向器參數：最高壓力32.4MPa,維持張力為44kN；鉆桿回拉阻力：67.5kN時最大，45kN時平穩；工作壓力階段用時間：3.8h（純鉆進時間2.8h）；所鉆巖層：砂巖——泥巖夾層。4.5試驗分析地面試驗結果表明地面實驗表明，YSZ7型轉向器系統各項性能優越，系統總阻力與雙彎的Z5型轉向器相比減小了約40%，鉆桿伸出轉向器后，平穩工作阻力為12～15kN，持續工作性能提高了5倍以上；轉向器機構運作簡單可靠，機動靈活，抗惡劣工況能力強。井下工業試驗結果表明1．YSZ7型轉向器轉向系統及其輔助系統具有較強的轉向噴射和送進能力。經過改進后的滾輪結構耐磨性、滾動性良好。改進后的軌跡系統比較成功。YSZ7型轉向器安全性能、抗摔打能力較強。但是，系統在泥巖夾層地段噴射送進效率較低。井筒中的懸浮砂粒對YSZ7型轉向器的執行機構會造成影響；同時，轉向機構中的石塊會降低了YSZ7型轉向器工作能力。2．井底密封裝置在高低壓力下和在井下浮砂較重的情況下，連續工作時間達到5h，雖然有些時段存在泄漏，但是未影響泵車壓力提升，井底密封具有較強的工作能力。3．井口密封裝置在A支的噴射試驗中發揮了應有的作用，超過3h的高壓噴射無一次泄漏。井口密封性能可靠。由于井口偏心和鉆桿反復回拉發生過泄漏，說明還需要里套井口密封其適應性。4．井口裝置中的進液三通、傳感器接口性能優越，結構小巧，工作性能良好。5．從試驗現象推測，鉆桿軌跡存在不很筆直的可能。原因是鉆遇泥巖夾層時，鉆桿會自動往軟的方向偏離，對井眼軌跡有較大的影響，同時可能導致井眼截面尺寸不規則。6．試驗中采用的張力傳感器、張力記錄儀、無紙記錄儀等數據采集系統，運行情況良好，特別是無紙記錄儀實時記錄了現場所采集到的數據，使得試驗數據采集真實可靠。7．試驗系統配置充分，完全滿足了徑向水平井噴射鉆井和鉆前預備工作的需要，但是施工成本比較高。4.6小結及建議1．工業試驗結論工業試驗表明，以YSZ7型轉向器為代表的徑向水平井鉆井系統具有以下優點：YSZ7型轉向器具有較強的轉向噴射能力和一定的事故處理能力；以YSZ7型轉向器為代表的徑向水平井鉆井系統操作簡單、方便實用；以YSZ7型轉向器為代表的徑向水平井輔助系統工作性能可靠，井底密封、井口密封、井口裝置、送進光桿、數據采集系統、鉆桿等工作性能可靠，鉆桿伸出轉向器后矯直較好；噴射鉆井工藝制定合理，基本指導了試驗的全過程。工業試驗也暴露出以下問題：以YSZ7型轉向器為代表的徑向水平井鉆井系統在泥巖夾層地段噴射送進效率較低；試驗施工成本較高。2．建議進一步改進與完善徑向水平技術。針對本次試驗暴露的技術問題，應該繼續努力改進和完善徑向水平井鉆井技術，提高其對地層適應性，開展徑向水平井油藏工程技術研究。開展降低成本的研究。從美國和加拿大一些油田的使用情況來看，在同一垂直套管井眼中布置4個水平徑向井眼，其平均施工成本約為12.5～20萬美元，但是我們的施工成本已遠遠高于這個數字。因此，今后應該從作業機、壓裂車組和技術改進3個方面解決成本居高不下的問題。第五章水平井產能計算方法及影響因素分析5.1引言水力水平鉆井射孔深度一般可達到8～20m，井眼尺寸達70mm以上。采用水力水平鉆井技術可實現井筒與地層間的有效連通，形成極小轉向半徑的微型水平井，有效穿透井帶污染層；一次下井可在不同深度或同一深度的不同方位完成多次鉆孔作業，形成多個水平井眼。運用水力水平井技術的目的是提高油氣藏的采收率以及為油田增產增收服務，但是由于其成本較高，并不是所有的油田都適用。通過油藏工程的方法，以產能為主線，利用水力水平井與直井的產能比具體分析了徑向水平井產能影響因素分析及其適應的地質條件。5.2評價方法對于常規的垂直井，其產量計算公式為：（1）式中，k0=kh0對于井底壓力和瀉油半徑為常數的穩定單相流來說，可以用下面的公式計算出水平井的產量。（2）式中，；。水平井與常規井的產油量的比值：（3）取re=500m,rw=0.1m,計算結果為：（4）式中，q0為垂直井產能，m3/d；qoh為水平井產能，m3/d；為生產壓差，MPa；Kh為水平方向滲透率，um2；Kv為垂直方向滲透率，um2；re為泄油半徑，m；rw為井筒半徑，m；rh為水平井筒半徑，m；L為水平井水平段長度，m；B0為地層原油體積系數，無因次；U0為地下原油粘度，mPa.s。5.3影響水力水平井產能的因素分析利用式（4），對徑向水平鉆井技術所產生的水平井水平孔的產能進行分析。因為水力水平井長度一般在8～20m，水平井眼直徑一般在70mm以上，因此在計算時，L一般在8～20m之間取值，而rh一般在0.03～0.06m之間取值，地層厚度一般取1～20m5.4地層厚度的影響參數L，rh,,s,h中，若4個參數確定，就可得剩下一個參數對水力水平井與直井產能比的影響程度。在，s=10,rh=0.03m,L分別取為8m,12m,16m,20m的條件下，計算出不同地層厚度下水力水平井與直井的產能比，并繪制成地層厚度與水力水平井和直井產能的關系曲線。由產量計算公式知道，地層厚度是影響井產能的重要因素，一般地層厚度越厚，井的產能越大。但是由圖1可以看出，在同等條件下，不論水平井段長度如何變化，水力水平井與直井的產能比都隨著厚度的變薄而變大。而且水力水平井的長度越長，水力水平井產能提高的幅度越大。這說明水力水平鉆井技術對薄油層的開發效果更明顯，如果在薄油層中實施水力水平鉆井，能夠達到更好的增產增注效果。5.5各向異性的影響取L=10m，s=0,rh=0.04m,h=5m,計算出不同下水力水平井與直井的產能比，并作出各向異性與水力水平井與直井產能比的關系曲線。儲層各向異性是影響油藏滲率的重要因素，對于直井，一般認為其滲透率（即有效滲透率）就是地層的水平方向的滲透率，但對于水力水平井而言，其有效滲透率則認為是水平滲透率和垂直滲透率的函數，即水平滲透率和垂直滲透率都影響其產量。由圖2和圖3可以看出，水力水平井的產能和Kv/Kh的關系與地層厚度有很大的相關性。當地層厚度很薄且L/h比1大得多時，儲層中的流體以水平面上的滲流為主，在垂向上的滲透很微弱，此時水力水平井與直井的產能比隨著Kv/Kh的增大而變??；當地層厚度中等而且L/h大于1或者近似為1時，即水平井的深度比地層厚度大得不太多時，水力水平井與直井的產能比在Kv/Kh值為0.5～1之間最大。此時儲層中流體雖以平面上滲流為主，但是在垂向上流體的滲流對水力水平井的產量已經產生了很大的影響；當地層厚度較厚，而L/h小于1時，水力水平井與直井的產能比隨著Kv/Kh值的變大而變大，此時儲層中流體在平面上和垂向上的滲流同等重要。也就是說，對于各向同性油藏，水力水平井能產生良好的增產效果，但是對于各向異性嚴重的油藏，特別是對于垂向滲透率差的油藏，水力水平井增產的效果不太明顯，特別是當地層厚度很厚而且垂向上基本處于不滲透的狀態下，水力水平井的產能相比直井的產能基本沒有太大的變化，但是對于垂向滲透性很好的中等厚到巨厚油藏，水力水平井增產效果明顯。5.6水平井段長度的影響取h=8m,s=0,rh=0.04m,Kv/Kh=1,0,0.5,0.2,0.1,計算出不同水平段長度下的水力水平井與直井的產能比，并作出水平段長度與水力水平井與直井產能比的關系曲線。由水力水平井的產量公式可以看出，水力水平井的產量與水平井段的長度成正比，而直井沒有水平井段，所以直井的產量不受水平井長度的影響，因此理論上水平井段越長，水力水平井的產能越大，水力水平井與直井的產能比也越大。由圖4也可以看出，在其它條件不不變的情況下，水平井段越長，水力水平井與直井的產能比越大。所以在實際施工中，在工藝上和經濟效益允許的條件下，應該盡可能使水力水平井的水平段長度更長。5.7水力水平井井眼半徑的影響取,s=0,L=12m,h=1,3,6,10m,計算出不同水力水平井井眼半徑下的水力水平井與直井的產能比，并作出關系曲線。對于水力水平井來說，井徑越大，其產能也越大。由圖5可以看出，當水力水平井井徑變大時，水力水平井的產能與直井的產能比也隨著變大。因此在施工時應該盡量增大水力水平井的半徑。5.8表皮系數的影響取，h=8m,rh=0.04m,L=8,12,16,20m,計算出不同表皮系數下的水力水平井與直井的產能比，并作出關系曲線。表皮系數即指地層的污染程度，當表皮系數大時，表示地層污染程度高；表皮系數小時，地層污染程度低。由圖6看出，水力水平井與直井的產能比隨著表皮系數增大而變大。因此，水力水平井對于污染嚴重的地層其效果非常明顯，可以有效穿透近井污染帶。5.9小結在其他參數相同的條件下，地層厚度對水平井的產能有非常重要的影響。地層越薄，水平井的產能越大；地層越厚，水平井的產能越小。因此，在地層厚度比較薄的油藏中實施徑向水平鉆井可產生比較好的效果，能夠很好地提高油氣井的產能。在其他參數相同的條件下，儲層各向異性是影響水平井產能的重要參數。當儲層表現為各向同性時，水平井有很好的產能；當儲層表現為各向異性時，在薄油層中，儲層垂向滲透性越好，水平井與直井的產能比越小；在厚油層中，垂向滲透率越大，水平井與直井的產能比越大。因此，徑向水平鉆井技術適用于儲層各向同性的油藏（尤其是薄油藏）及垂向滲透性好的厚油藏。不管其他條件如何變化，水平井段的長度越長，水平井的產能越大，因此在采用徑向水平鉆井時，應該在考慮經濟效益的前提下，盡量使水平井段的長度更長，以期產生更好的開發效果。在其他參數相同的條件下，徑向水平井井徑對水平井的產能有影響，但是井徑對產能的影響并不十分明顯。在其他參數相同的條件下，地層污染程度越高，水平井與直井的產能比越大。因此，在地層污染嚴重的地層中采用徑向水平井技術能夠產生良好的效果。技術經濟分析6.1技術分析徑向水平井是指曲率半徑遠比常規鉆井曲率半徑更短的一種水平井，也稱之為“超短半徑水平井”。徑向井技術是利用高壓水射流在油層水平方向輻射鉆出一個長8~20m,直徑124mm的井眼，這樣可以在井眼周圍形成一個很大的泄油范圍，充分動用油層儲量。它是油田開發后期提高采收率的一種重要手段。鉆井過程中，首先把要鉆徑向水平井的生產層位磨銑掉一段套管，并擴大井徑，然后下入轉向器使轉向器在曲率為0.3m內水平轉向，對準生產層位水平方向用高壓水射流輻射鉆孔，最后進行完井。根據徑向水平井的特點、調研資料及目前國內水平井工藝要求，選擇油層時應考慮以下參數：油藏埋深小于2000m；單層厚度大于6m的油層；水平滲透率值大于50；單井控制剩余地質儲量大于1；地層傾角小于100；參數小于100m，該參數一是限制油層厚度不能太大；二是限制垂直滲透率不能太小；直井千米井深日產油大于1.0t；0.2P/Pi1.2。通過以上參數的研究，可以確定出適合徑向水平井開采的油藏。徑向水平井的鉆井方位與注水井和老井眼連線的垂直方向最好。徑向水平井的長度越長，產能就越大，但鉆井成本也越高。因此，應根據具體地區的鉆井成本把長度優化控制在一個合理的范圍內。但由于目前國內鉆井技術不過關，因此長度要求盡量長。徑向水平井的位置位于油層中部時產能最大。另外，井眼越多，開采狀況越好，但成本也不斷增加，因此，設計徑向水平井應根據具體地址情況盡量控制住老井眼周圍的死油區。6.2經濟分析研究表明：不論什么條件下，徑向水平井均比垂直井采出程度高，但采收率僅提高0.5%左右，沒有發展意義；注水開發時，在水平井段長60m的情況下，油藏最終采收率可提高27%，達到60%以上，具有較高的開采價值和經濟效益。從此意義上講，可以暫定徑向水平井單井鉆進最小長度為30m,且能在同一層上相反方向鉆出2個以上徑向水平井眼。試驗表明：鉆一口徑向水平井比直井多投資150萬元，評價期為10a，徑向水平井比直井多產3637t，按目前扣稅后油價計算，原油商品率取97%，徑向水平井比直井凈收益增加215萬元，因此，鉆徑向水平井在經濟上是可行的。6.3小結通過研究徑向水平井所需地質條件，論證了徑向水平井技術在鉆井領域是成功的。在油藏描述及剩余油分布研究的基礎上，設計徑向水平井較好的控制老井眼周圍的死油區。徑向水平井的位置位于油層中部時產能最大。同時確定出徑向水平井單井鉆進的最小長度為30m，且能在同一層上相反方向鉆出2個以上徑向水平井眼。經濟評估表明徑向水平井投資少，經濟效益比直井好，經濟上是可行的結論。參考文獻1中國機械設計大典編委會.中國機械設計大典.南昌：江西科學技術出版社，20022M.F.Spotts，T.E.Shoup.DesignofMachineElements.英文版3數字化手冊編委會編.機械設計手冊軟件版（R2.0）.北京：機械工業出版社，2003年1月4JosephE.Shigley，CharlesR.Mischke.MechanicaiEngineeringDesign.英文版.原書第6版.北京：機械工業出版社，20025RobertL.Mott.MachineElementsinMechanicalDesign.英文版.原書第3版.北京：機械工業出版社，20036M.F.Spotts，T.E.Shoup.DesignofMachineElements.英文版7成大先.機械設計手冊.第4版.北京：化學工業出版社，20028徐灝主編.機械設計手冊.第2版.北京：機械工業出版社，20009吳宗澤主編.機械設計師手冊.北京：機械工業出版社，2002年7月10吳宗澤主編.機械結構設計.北京：機械工業出版社，1988.1103239019.X高壓水射流徑向水平鉆井系統E21B70601251187.0徑向井雙速鉆探絞車B66D10013劉小年.機械設計制圖簡明手冊.北京：機械工業出版社.200114孫江宏.Pro/Engineer2001中文版入門與提高.北京：清華大學出版社，200315孫江宏.Pro/Engineer2001高級功能應用與編程處理.北京：清華大學出版社，200316龔曙光.ANSYS工程應用實例解析.北京：機械工業出版社，2003.17鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術及提高.北京：機械工業出版社，2002.18李軍.ADAMS實例教程.北京理工大學出版社，2002李春景.基于PRO/E的產品結構圖設計及動態仿真.安徽電子信息職業技術學院學報，2003，2（6）：69?70美國石油工程師學會編.美石油工程師學會轉載叢書（38）連續油管技術.北京：石油工業出版社,2000萬仁博編.中國不同類型油藏水平井開采技術（精）.北京：石油工業出版社,2003吳奇編.井下作業工程師手冊.北京：石油工業出版社,2002石油學會石油工程學會編.石油工程學會2001年度技術文集.北京：石油工業出版社,2002王德民著.走向新世紀的大慶油田開發--王德民院士報告論文集.北京：石油工業出版社,2001董世民編.水平井有桿抽油系統設計.北京：石油工業出版社,1996致謝本次畢業設計是在王科社老師的細心指導和大力幫助下，通過導師豐富的知識和高度的責任心，以及一絲不茍的治學作風，使我完成了本次畢業設計的相關工作。王老師寬厚待人，科學態度嚴謹，具有很強的責任心，對我在學習和工作中給予了細心的指導和督促。通過這次畢業設計，使我從王老師身上學到了很多受益匪淺的東西。在此謹向王科社教授表示衷心的感謝！同時感謝姚文席教授和其他老師在本次畢業設計中給予本人的指導和幫助！感謝本組同學給予我的幫助，他們是于聯衛、何金宇、鄭雅敏、王爍和黃柯，他們幫助我解決了設計過程中的一些困難。同時感謝機0105班同學給予我的幫助和支持！北京機械工業學院畢業設計(論文)任務書題目：超短半徑水力水平井工具設計系別：機械工程系專業、班級：機械設計制造及自動化、機0105班姓名：陳志勇指導教師：王科社起止日期：2005-02-21～2005-06-24

設計（論文）要求水力水平鉆井射孔深度一般可達到8～20m，井眼尺寸達70mm以上。采用水力水平鉆井技術可實現井筒與地層間的有效連通，形成極小轉向半徑的微型水平井，有效穿透近井帶污染層;一次下井可在不同深度或同一深度的不同方位完成多次鉆孔作業，形成多個水平井眼。運用水力水平井技術的目的是提高油氣藏的采收率以及為油田增產增注服務，但是由于其成本較高，并不是所有的油田都適用。作為畢業設計對超短半徑水力水平井工具的設計，要求同學在了解國內超短半徑水力水平井工具的基礎上，設計出可靠性高，制造容易，安裝調試簡單，價格低的超短半徑水力水平井工具。同時對新機構的應用，可靠性能的提高等方面有所研究和突破，特別能通過先進的仿真技術考核設計的先進性和運轉情況。設計（論文）的數據及來源五臺三柱塞泵高壓系統70MPa，100l/min五臺柴油發動機250HP過濾水儲罐2000空壓機、發電機等車裝操作間（地面控制和調節作業輸出壓力和流量，及實時監控和軟件記錄）射孔深度8～20m設計（論文）應包括的內容超短半徑水力水平井工具裝配圖；零件圖、工作原理圖，原理動畫演示等；(以上圖量不小于5A0)設計說明書約兩萬字；外文翻譯不小于5千漢字；寫一篇論文，題目自定；6．調研報告（2000字左右）；7．文獻綜述報告（4000～8000字）（參考文獻25篇（包括至少5篇外文資料）以上）；8．開題報告；9．超短半徑水力水平井工具的使用說明書10．答辨提綱；實習場地及目的要求場地：資料室、圖書館、情報所、專利局、研究所、書店、工廠、設備的應用場所等。目的：了解本課題的國內外技術現狀和水平，以便正確估計自己的項目，同時也使所做的項目具有一定的先進性。五、調研提綱1)了解課題機械結構原理及其使用性能，通過現場觀察和閱讀圖紙、說明書等技術資料，對其主要技術性能指標、總體布局、傳動原理、結構原理及主要裝配結構關系有詳盡的了解。2)了解機械裝配全過程。裝配是機械生產的最后一環，決定產品的性能與質量，要著重掌握和了解裝配工藝過程及其特點，同類產品的裝配要求，工裝夾具，裝配、檢驗、調整的方法和手段。3)了解工裝設備的設計原及其應用。不但要了解工裝設備的現狀及生產手段要能從設計的觀點和原則來分析，尋求可行的設計思路和改進方法。4)了解國內外同類設備。參觀先進設備，收集同類產品的資料屯掌握同類產品科技發展的前沿信息，以使設計有超前意識，并收集產品圖紙、設計資料等主要參考資料。5)對設計課題進行初步探討，或進行適當可行的試驗或驗證，自學有關參考資料。6）液壓元件等產品的樣本及性能了解。參考文獻1中國機械設計大典編委會.中國機械設計大典.南昌：江西科學技術出版社，20022M.F.Spotts，T.E.Shoup.DesignofMachineElements.英文版3數字化手冊編委會編.機械設計手冊軟件版（R2.0）.北京：機械工業出版社，2003年1月4JosephE.Shigley，CharlesR.Mischke.MechanicaiEngineeringDesign.英文版.原書第6版.北京：機械工業出版社，20025RobertL.Mott.MachineElementsinMechanicalDesign.英文版.原書第3版.北京：機械工業出版社，20036M.F.Spotts，T.E.Shoup.DesignofMachineElements.英文版7成大先.機械設計手冊.第4版.北京：化學工業出版社，20028徐灝主編.機械設計手冊.第2版.北京：機械工業出版社，20009吳宗澤主編.機械設計師手冊.北京：機械工業出版社，2002年7月10吳宗澤主編.機械結構設計.北京：機械工業出版社，1988.1103239019.X高壓水射流徑向水平鉆井系統E21B70601251187.0徑向井雙速鉆探絞車B66D10013劉小年.機械設計制圖簡明手冊.北京：機械工業出版社.200114孫江宏.Pro/Engineer2001中文版入門與提高.北京：清華大學出版社，200315孫江宏.Pro/Engineer2001高級功能應用與編程處理.北京：清華大學出版社，200316龔曙光.ANSYS工程應用實例解析.北京：機械工業出版社，2003.17鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術及提高.北京：機械工業出版社，2002.18李軍.ADAMS實例教程.北京理工大學出版社，2002李春景.基于PRO/E的產品結構圖設計及動態仿真.安徽電子信息職業技術學院學報，2003，2（6）：69?70美國石油工程師學會編.美石油工程師學會轉載叢書（38）連續油管技術.北京：石油工業出版社,2000萬仁博編.中國不同類型油藏水平井開采技術（精）.北京：石油工業出版社,2003吳奇編.井下作業工程師手冊.北京：石油工業出版社,2002石油學會石油工程學會編.石油工程學會2001年度技術文集.北京：石油工業出版社,2002王德民著.走向新世紀的大慶油田開發--王德民院士報告論文集.北京：石油工業出版社,2001董世民編.水平井有桿抽油系統設計.北京：石油工業出版社,1996專業教研室主任簽字：200開題報告一論文題目超短半徑水力水平井工具設計二高壓水射流徑向水平鉆井系統說明及國內外狀況1高壓水射流徑向水平鉆井系統說明1.1技術領域高壓水射流徑向水平鉆井系統涉及高壓水射流徑向水平鉆井用的特殊設備,尤其是鉆桿超短半徑轉向和完全高壓水射流破巖的水平鉆井的專用井下器具及其最佳組合。1.2背景技術水平鉆井技術是目前鉆井行業的前沿技術。高壓水射流徑向水平鉆井系統又稱超短半徑水平鉆井技術，是用來在井下完成超短半徑水平井眼的特殊器具和作業方法。其基本實現方法是在一口預備的垂直套管井中,用常規磨銑或段銑的方法切去所需長度的井下套管段,接著下入特制的徑向水平鉆井的井下擴孔器,將套管段銑位置擴大到所需尺寸,形成一個擴孔腔中；然后,將高壓水射流徑向水平鉆井系統的專用器具下入套管井眼和這個擴孔腔中,進入工作狀態后,地面高壓泵車向本實用新型的工作管柱中注入高壓鉆井液,高壓鉆井液驅動鉆桿即中空無縫鋼管以極短的彎曲半徑通過鉆桿轉向器而水平進入地層,并從鉆桿前端的鉆頭高速旋轉射出而破碎地層巖石,實現高壓水射流徑向水平鉆井,達到增大油層裸露面積,高效開采地下油礦。高壓水射流徑向水平鉆井技術可在同一垂直井中的多個井下油礦層位進行高壓水射流徑向水平鉆井作業,每個層位可以橫向鉆入多個呈輻射狀的徑向水平井,每個徑向水平井長度達到30~60米,它是老油田增產增收的強有力措施。高壓水射流徑向水平鉆井技術可解決以下問題:1.開發淺油層、薄油層和低滲透油層;2.鉆開垂直裂縫的油氣藏;3.減少或替代打垂直調整井;4.減少或避免氣錐水錐現象的產生；5.用于開采地下堿層、鹽層及其他礦藏。2高壓水射流徑向水平鉆井國內外狀況在現有技術中,英國專利GB2124278A介紹了幾種井下轉向裝置,其結構較復雜,存在很多不適用的問題；美國專利US4693327A和US4763734A分別介紹了一種井下轉向裝置和一種液力尾端式結構,亦都存在著不同的缺點;我國石油大學申請的專利CN2128666Y和CN2137563Y分別介紹了一種轉向裝置和一種井下鉆頭,本所申請的專利CN2388337Y介紹了一種徑向水平井轉向裝置,這幾項專利所介紹的井下轉向裝置都存在著不同的缺陷，而且缺乏實現徑向水平鉆井的完整的井下工具系統。這些技術水平遠不能滿足油氣田開發的實際需要,不但井下轉向裝置需要改進,而且構成徑向水平鉆井技術的工具也不僅僅是轉向裝置,它需要諸多井下器具的最佳組合和協調一致地工作,才能實現徑向水平鉆井技術。三軟件及開發平臺操作系統WindowsXP軟件平臺PRO/EANSYS8.0AutoCAD2004編程語言VisualBasic6.0四設計內容及準備解決的主要問題設計內容一種高壓水射流徑向水平鉆井系統涉及鉆桿超短半徑轉向和完全高壓水射流破巖的水平鉆井的專用井下器具及其最佳組合；本系統解決超短半徑的水平鉆井問題,其技術方案是由井口密封裝置(11)、井口三通(12)、錨定器(13)、定向接頭(l4)和轉向器(2)串接在工作管柱(15)上組成外管總成(I),由鉆頭(3)、鉆桿(4)、抽油桿柱(5)和送進光桿(7)組成內管總成(II),外管總成{I}下部的轉向器(2)上段呈多層管狀,下段的轉筒總成(214)工作時可形成一由垂直轉向水平的鉆軒通道,高壓鉆井液{8}驅動鉆桿(4)和鉆頭(3)穿過鉆桿通道并水平地伸入地層,同時高壓鉆井液(8)經鉆頭(3)高速旋轉射出破碎地層巖石,鉆出徑向水平井眼(V)；本系統可用于油田增產、增收。見附圖五日程安排第一周：明確課程設計題目，經導師介紹去專利局查閱相關外文資料；第二、三周：翻譯英文資料，去圖書館調研；第四周：完成文獻綜述、調研報告和開題報告，同時準備開題答辯；第五、六周：閱讀相關課題資料，確定計算過程，完成某一項目的設計；第七—十五周：通過對PRO/E，ANSYS8.0軟件的學習，利用VB編程語言以及CAD畫圖工具，分析計算各個零件參數，設計零件結構，并畫出示意圖。有必要對某些特殊零件的工作原理進行動畫演示。第十六—十七周：完成畢業設計說明書，寫一篇論文；第十八周：準備畢業設計答辯。調研報告前言徑向水平井鉆井技術系統由地面設備和并下工具系統兩部分組成。地面設備包括作業機、壓裂成組設備、井口裝置(包括井口密封、進液三通)、數據采集和處理系統及地面運動控制裝置等;井下工具系統包括段銑工具、擴孔工具和徑向水平井鉆井工具。段銑工具和擴孔工具是整個作業工藝中的重要前期準備工具。徑向水平井鉆井工具是整個技術的核心，包括轉向器、高壓管柱、鉆桿、鉆頭和鉆桿運動控制器等。其中轉向器又是整個技術的關鍵。二調研的對象徑向水平井鉆井轉向器鉆桿鉆頭射流焊接三課題調研資料國內外現狀國外徑向水平鉆井技術研究始于20世紀70年代末,80年代中期投入工業試驗,80年代末期形成“超短半徑徑向井系統”(URRS),進入商業應用。至1992年底,已在加拿大和美國等地鉆了1000多口徑向水平井眼;這些徑向水平井有的是在垂直井的同一油層中鉆入的,有的是在不同油層中鉆入的,每個垂直井中所鉆層位最多達5個,每個層位鉆入的輻射狀徑向水平井最多達20個,實現了在多個層次鉆多個輻射狀徑向井的技術計劃。對于這些徑向井眼,大部分進行了測井和包括裸眼技術、柔性防砂管技術及雙向礫石充填技術完井。徑向井眼的長度一般在8~46m,比垂直井產能提高2~10倍,平均原油增產2~4倍[1]。20世紀90年代以來,徑向水平井鉆井技術有了不斷的發展和完善。2000年以來的有關文獻表明,美國和加拿大等地區還在繼續應用和探索徑向水平并鉆井技術[2]。在我國，從20世紀90年代初開始,中國石油天然氣集團公司(CNPC)科技發展部組織了江漢機械研究所等科研單位,對“徑向水平井鉆井綜合配套技術”進行了攻關研究。2徑向水平井鉆井技術基礎研究2.1鉆桿的選材 徑向水平井鉆井用鉆桿是一種特殊鉆桿,它需要經過0.3m的彎曲半徑進行轉向,內部需承受約70MPa高壓,筆者在對國外徑向水平井用ASTM一A606電阻焊接鉆桿進行研究與分析的基礎上,對國產6種不同鋼管進行了廣泛的調研和試驗分析,優選出Ф32*3mm無縫鋼管作為徑向水平井的鉆桿。通過100MPa水壓試驗和在55MPa系統壓力下,通過轉向器7次以上試驗表明,所選鉆桿滿足2.2鉆桿、鉆頭焊接 國產無縫鋼管單根長度5~9m,而徑向水平井鉆井用鉆桿長20~3Om,江漢機械研究所委托西安石油學院開展了鉆桿的對焊接技術研究,采用了鎢極氬弧焊(TIG)方法,單面焊接雙面成型工藝,以及TIG打底、填絲,小線能量多層焊并依次減少熱輸入的焊接工藝,完成管對管的焊接。經性能測試結果表明,焊接鉆桿,內通徑≥95%,焊接接頭彎曲成0.3m半徑,抗內壓大于9OMPa,焊縫的綜合機械性能達到母材鋼管的性能。焊縫反復通過轉向器的次數可達6次。滿足了徑向水平井鉆3徑向水平井鉆井試驗臺架研制3.1室內試驗臺架研制為了驗證鉆桿轉向、運動控制、鉆桿焊接、水射流破碎巖石等各項技術的可行性,我們在項目初始階段研制了室內試驗臺架。主要包括基礎、底座、轉向器架、扶正機構、液缸總成、柱塞泵、數據采集系統等。針對水射流破碎巖石技術試驗,還研制了水射流破碎巖石的室內臺架。運行結果表明,該試驗臺架滿足了各個單項試驗要求。室外試驗臺架研制為了滿足全尺寸條件下的1比1流體運動模擬和相似試驗要求,更加真實反映徑向水平井鉆井工具的試驗情況,我們研制了室外綜合模擬試驗臺架。它可以全尺寸模擬徑向水平井鉆井系統地面和井下各個部件連續協同的工作情況,自動采集各項實驗數據,實時監控各部件的工作情況。該臺架可滿足不同系列轉向器的徑向水平井鉆井系統的試驗要求。實踐證明,該裝置使用效果良好,可使研究取得事半功倍的效果。4Z7型試驗用轉向器系統研究為了實現鉆桿由垂直方向向水平方向轉向,我們研制了Z7型試驗用轉向器。這種轉向器按照178mm(7英寸)套管所能提供的井眼空間進行設計。多次試驗證明:鉆桿在一定壓力作用下可以通過轉向器實現900的鉆桿轉向,經測試和計算,所需動力可在系統中得到滿足。通過對關鍵基礎技術的研究和多個總體技術方案論證表明,徑向水平井鉆井技術的研究是可行的。四結論(1)進一步改進與完善徑向水平技術。針對本次試驗暴露的技術問題,應該繼續努力改進和完善徑向水平井鉆井技術,提高其對地層適應性,開展徑向水平井油藏工程技術研究。（2）開展降低成本的研究。從美國和加拿大一些油田的使用情況看,在同一垂直套管井眼中布置4個水平徑向井眼,其平均施工成本約為12.5~20萬美元,但是我們的施工成本已高于這個數字。因此,今后應該從作業機、壓裂車組和技術改進3個方面解決成本居高不下的問題。五參考文獻DickinsonW.Coiled-tubingradialspalacedbywater-jetdrilling:fieldresults,Theoryandpractice.SPE26438SilvermanS.Drillingequipmenttoshrink.Hart’sE&P,2000,73(1):31~47易松林。鉆桿通過轉向器的阻力與轉向軌跡的關系研究。石油機械，2000，28（增刊）：1~3任建民，易松林。超短半徑水平鉆井鉆拄運動控制分析//中國石油學會石油工程學會。第一屆石油裝備學術交流年會論文集（上）。石油機械，1996，24（增刊）：116~120文獻綜述報告前言回顧石油鉆井技術50年來的發展,著重對近20年發展起來的隨鉆井下測量與評價技術,井下鉆井動態數據實時采集、處理與應用技術,閉環鉆井技術,水平井鉆井技術,大位移井鉆井技術,多分支井及重入井鉆井技術等給予了介紹,分析了其技術優勢和潛力。明確指出了鉆井技術今后的發展趨勢是以有利于發現新油氣藏和提高油氣采收率為目標,向信息化、智能化、自動化方向發展。1超短半徑水平井工具1.1提出問題20世紀50年代初,石油鉆井技術由經驗鉆井步入科學化鉆井時期。20世紀50年代初～20世紀80年代初為科學化鉆井前期階段,在這一階段的主要技術就是發展了噴射鉆井技術、優選參數鉆井技術、平衡壓力鉆井技術、叢式井鉆井技術及高效鉆頭技術、井控技術、保護油氣層技術等先進技術。但這些技術多為單項技術。20世紀80年代中至目前為科學化鉆井后期階段,這一階段的主要特征是以鉆井信息化、智能化為特點向自動化鉆井邁進時期。這一階段主要技術成就有[1]:(1)發展了井下信息實時檢測技術,如隨鉆測量、隨鉆測井、隨鉆地震、隨鉆地層評價和鉆井動態數據實時測量,使鉆井過程中井下地質參數、鉆井參數和井眼參數能夠實時測量、傳輸、分析和控制。(2)開發了井下導向和井下閉環鉆井系統。(3)發展了有利于發現新油氣層和提高油田采收率新鉆井技術和方法,如欠平衡壓力鉆井、水平井鉆井、多分支井鉆井及連續油管鉆井等。1.2歷史發展20世紀80年代中,第1次在鉆定向井中使用ＭＷＤ,它與近鉆頭測斜器(ＭＮＢ)配合使用,可以隨鉆測得井斜角和