钻杆阀最后版毕业设计说明书

中国石油大学（华东）毕业设计SMD 系统钻杆阀设计计算学生姓名：赵杨 学 号：04041328专业班级：机械设计制造及其自动化 04-3 班指导教师：陈国明教授2008 年 6 月 20 日SMD 系统钻杆阀设计计算摘 要为解决在深水海洋钻井过程中遇到的主要问题，地层压力和破裂压力曲线非常接近，很难保持井底压力在二者之间的问题，石油工业提出了海洋双梯度钻井技术。本文简单介绍了几种双梯度钻井技术系统及其基本工作原理。并且本文还介绍了海底泥浆举升钻井（SMD ）技术及 SMD 系统工作原理、系统关键设备等。SMD 技术是用于深水和超深水钻井的新技术，采用该技术需要设计研发新的钻井设备。鉴于此，本文着重介绍了 SMD系统关键设备之一钻杆阀（DSV） ，阐述了钻杆阀的工作原理，并给出制造加工的工程图，还对钻杆阀的结构进行了分析并建立了三维模型。本文还给出了钻杆阀的水力计算和强度计算公式，并且对钻杆阀的疲劳寿命进行了分析计算。钻杆阀的设计计算为钻杆阀的制造提供了理论基础。 关键词:双梯度钻井；SMD 系统；U 型管效应；钻杆阀。 Design and Calculation of Drills Stem Valve for SMD SystemABSTRACTFor the solution the subject matter which meets in the deep water offshore drilling process, the formation pressure and the bursting pressure curve is close very much, which is difficult to hold the bottom hole pressure between the formation pressure and the bursting pressure, the oil industry proposed the sea double gradient well drilling technology. This article introduced simply several kind of double gradient well drilling technology system and the key principle of work. And this article introduces the seabed mud lifting well drilling (SMD) technical and the SMD system principle of work, the system key equipment and so on. The SMD technology has be used to in the deep water and the ultra deep water well drilling new technology, which requires design、research and develop the new drilling equipment. In view of this, this article introduces emphatically one of SMD system key equipmentsdrills the stem valve (DSV), elaborates drills stem valves principle of work and gives engineering plat of the manufacture processing, but also to the drilled stem valves structure has carry on analyzed and established the three-dimensional model. This article gave the drilled stem valves water power computation and the strength calculation formula, and to drilled stem valves fatigue life to carry on the analysis computation. Drilled stem valves design calculation to drill stem valves manufacture to provide foundation.Keywords: Double gradient well drilling; SMD system; U tube effect; Drills the stem valve.目 录第 1 章 前 言 .11.1 研究目的意义 .11.2 深水双梯度钻井技术研究进展及现状 .11.3 双梯度钻井基本原理 .21.4 双梯度钻井系统介绍 .41.4.1 Shell 海底泵系统 .41.4.2 Baker、Transocean 的 DeepVision 双梯度钻井系统 .41.4.3 AGR 海底 RMR 系统 .51.4.4 MTI 空心微球双梯度钻井系统 .51.4.5 LSU 隔水管气举双梯度钻井系统 .51.4.6 DGS 隔水管稀释系统 .61.5 研究内容设计任务 .6第 2 章 海底泥浆举升钻井技术 .72.1 SMD 技术原理 .72.1.1 水力学描述 .72.1.2 SMD 理论依据 .72.1.3 SMD 系统工作原理 .82.2 SMD 系统关键设备 .92.3 U-型管效应 .112.3.1 U-型管效应危害 .112.3.2 海底泵的压力增加 .112.3.3U-型管效应理论 .12第 3 章 钻杆阀结构及工作参数设计 .163.1 常见井下设备阀 .163.1.1 井下套管阀 .163.1.2 SMFI 公司的 MVR 弹簧滑阀 .163.1.3 Hydril 公司的 kelleyguard 球阀 .163.1.4 井下设置阀 .163.2 钻杆阀（DSV） .173.3 钻杆阀（DSV）的结构设计与参数计算 .183.3.1 钻杆阀的结构设计 .183.3.2 钻杆阀螺旋压缩弹簧设计计算 .203.3.3 钻杆阀水力学计算 .213.3.4 钻杆阀的开启压力 .27第 4 章 钻杆阀螺纹连接与强度分析计算 .294.1 上扣扭矩引起的钻杆阀螺纹载荷分布 .294.2 钻杆阀与钻杆螺纹连接应力计算 .314.3 钻杆阀的强度校核 .34第 5 章 钻杆阀疲劳寿命计算 .385.1 钻杆阀的疲劳寿命计算方法 .385.2 提高钻杆阀使用寿命的有效途径 .43第 6 章 结论与展望 .45参考文献 .46致谢 .48西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页1第 1 章 前 言1.1 研究目的意义为了解决海底深水钻井面临的，地层压力和破裂压力曲线非常接近，很难保持井底压力在二者之间的主要问题。20 世纪 90 年代在国外发展起来了双梯度钻井技术，Conoco 公司领导的工业联合项目组研发了海底泥浆举升钻井（简称 SMD）技术。采用该技术进行深水钻井时，隔水管内充满海水，泥浆用小直径管线从海底返回，在返回环空中形成两个压力梯度，实现双梯度控压钻井。采用该技术还需要设计研发新的钻井设备，从技术适用性、经济性、装备以及可能存在的风险等方面对该技术在使用中的可行性进行研究，去更好解决深水钻井问题。1.2 深水双梯度钻井技术研究进展及现状所谓双梯度钻井技术，就是采取一定的措施使隔水管内的流体密度与海水密度接近，使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大，从而解决了深水钻井引起的相关问题。双梯度钻井实现方法及工业项目进展：当前业界实现双梯度钻井的方法主要分为无隔水管钻井、海底泵举升钻井液和双密度钻井 3 类。双密度钻井按照注入流体的不同又分为：注空心微球、注气和注低密度流体 3 种方法。其中，海底泵举升钻井液方法中使用的海底泵按类型和动力可以分为 3 种，即海水驱动隔膜泵、电力驱动离心泵、电潜泵。在海底泵举升钻井液双梯度钻井中可以使用隔水管，也可以不使用隔水管。而双密度钻井方法需要隔水管，无需使用海底泵，大大减少海底装置的数量。目前国外已发展了多个双梯度钻井系统：Conoco 领导的工业联合项目组研究的海底钻井液举升钻井（简称 SMD）系统， Baker Hughes 和Transocean Sedco Forex 公司研究 Deep Vision 双梯度钻井海底泵系统，西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页2Shell 的海底泵系统（简称 SSPS)，Maurer Technology Inc.的空心微球（简称 HGS)双梯度钻井系统，AGR Subsea 公司的无隔水管钻井液回收系统（简称 RMR)，路易斯安那大学的隔水管气举、稀释双梯度钻井系统等。与常规钻井比较双梯度钻井优势明显，它能以更低廉的成本、更短的建井时间、更安全的作业、更高的产量实现深水油气勘探开发，因此，双梯度钻井技术在深水油气开发中具有显著的优势和巨大的潜力。从我国的实际发展水平来看 1，我国深水钻井基本上还处于准备、调研阶段。尽管随着我国能源战略思想的提出，一些深水钻井船正在建造之中，但由于缺乏深水钻井的经验，对深水钻井的许多相关技术和设备尚缺乏系统的了解与认识，仍需要在充分调研与分析国外深水钻井作业及相应的设备与技术，在国外的基础上开展深水双梯度钻井技术，尤其是海底钻井液举升钻井系统以及关键设备的研究。我们拟从技术适用性、经济性、装备以及可能存在的风险等方面对该技术在中国海洋钻井中使用的可行性进行研究。1.3 双梯度钻井基本原理常规海洋钻井技术在同尺寸的井眼中只有 1 个液柱梯度，地层压力和破裂压力之间的余量较小，而隔水管中钻井液柱质量很大，给钻井工艺带来一系列问题。如果深水钻井所用的钻井液密度太小，钻井液柱压力小于地层孔隙压力，将导致地层流体侵人井眼，带来一系列的井控问题；如果钻井液密度太大，钻井液柱压力超过地层破裂压力，将导致地层流体断裂、坍塌，从而出现卡钻、井径扩大、钻井液漏失、洗井困难等问题，使钻井作业十分困难。常规钻井技术（左）与双梯度钻井技术（右）对比如图 1-1所示。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页3图 1-1 常规钻井技术（左）与双梯度钻井技术（右）对比双梯度钻井是一种控制压力钻井技术 2-4，该技术的主要思想是：隔水管内充满海水（或不使用隔水管） ，采用海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井液；或在隔水管中注入低密度介质（空心微球、低密度流体、气体） ，降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力、井底压力，克服深水钻井中遇到的问题，实现安全、经济的钻井。双梯度的主要是采取一定的措施，使得同尺寸的井眼中产生两个液柱压力梯度，从水面到海底为密度较小的泥浆或者是海水，而海底到井底为泥浆，这样，从水面到井底就存在两个压力梯度。一方面可以减小隔水管的余量：另一方面，海底以上隔水管内流体密度与海水密度相同，所有的压力以海底为参考点，就象陆地钻井一样，破裂压力和孔隙压力之间区域就相对变宽。这将减少套管柱使用数量、能够应用小的钻井船进行钻进，大大降低钻井费用 5。常规钻井技术（左）与双梯度钻井技术（右）原理对比如图 1-2 所示。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页4图 1-2 常规钻井技术（左）与双梯度钻井技术（右）原理对比1.4 双梯度钻井系统介绍1.4.1 Shell 海底泵系统SSPS 实现双梯度钻井的原理与 SMD 和 DeepVision 类似，不同的是SSPS 采用电潜泵，用 6 台串联水下电潜泵系统把钻井液回输到地面，所用的电潜泵为油田常用电潜泵。系统把钻井液回输到地面，所用的电潜泵为油田常用电潜泵。系统同时包括水下固相处理装置，这套设备一方面将大的钻屑分离留在海底，另一方面，在钻井液进人海底电潜泵前破碎钻井液中外径大于 6mm 的钻屑，使返回海面的钻井液中岩屑含量少于 1%，增加了系统的可靠性。由于该系统将大的岩屑排放至海底，破坏海底生态环境，自从在海洋钻井作业中提出“零排放”概念后，限制了该系统的使用。1.4.2 Baker、Transocean 的 DeepVision 双梯度钻井系统DeepVision 系统实现双梯度钻井的原理与 SMD 技术相似，不同点是DeepVision 系统应用了连续管钻井技术，海底使用国民油井公司制造的电西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页5动离心泵，离心泵叶片粉碎岩屑、水泥、橡胶等，保证海底泵不被损坏。系统通过自动调节离心泵的速率控制井底压力。钻井液和钻屑通过隔水管外的回流管线返回海面。在 DeepVision 系统中，采用