毕业设计（论文）-2in 套管打捞器设计

西安石油大学本科毕业设计（论文）PAGE51/2in套管打捞器设计摘要：在油井的开发过程中，经常遇到井下管柱既不能倒开也无法活动解卡的问题，在这个时候就需要打捞工具来解决。对此类问题，以前大多使用磨铣工具来处理，但是磨铣作业不仅时间长，效率低，而且在经济上很不划算。为此本文设计了一种集套管切割和打捞于一体的套管打捞器，这是一种利用液压驱动的原理来进行套管切割和打捞的一种打捞工具，其不仅可以顺利的对套管进行切割和打捞，而且可以很好的解决磨铣作业中存在的不足之处。本文重点介绍了这种套管打捞工具的工作原理，结构及其方案的具体设计与方法。关键词：套管切割；打捞；一体;

DesignAbstract:Inthedevelopmentprocessofthewell,Weoftenmeettheproblemthatdown-holestringcanneitherpourdrivenorSticking-releasing.atthistime,woneedthefishingtoolstosolvethisproblem.Inthepast,wemostlyusedgrindingmillingtooltosolveit.Butgrindingmillingoperationnotonlyspendaverylongtimebutalsohasalowefficiency.anditisnotworthwhileintheeconomy.thecasingfishingofthispaperdesignsthatmakecasingcuttingandsalvagetogether.Thisisafishingtoolswhichusetheprincipleofhydraulicdrivetocutandsalvagecasing.Itcannotonlycuttingandsalvagecasingsmoothlybutalsosolvetheshortcomingswhichexistsingrindingmillingoperations.Thispaperintroducestheworkingprincipleofcasingfishingtools,structure,thespecificdesignandmethods.Keywards:casingcutting,salvage,togetherPAGEII目录1绪论 11.1研究的意义和目的 11.2国内外打捞器研究状况 11.2.1国内打捞器研究现状 11.2.2国外打捞器研究状况 31.3论文设计的方法 61.4 创新点 72套管切割器的工作原理 82.1套管切割器的结构原理分析 83套管切割器的分析计算 93.1上接头内径中流速的计算 93.2钻井液经过溢流阀时总水头损失的计算 93.2.1溢流阀与下衬套孔槽之间的损失计算 93.2.2溢流阀喷嘴处水头损失的计算 123.3溢流阀两端面压力差的计算 173.4工作时溢流阀受力的计算 184切割器零部件的设计与校核 194.1弹簧的设计与计算 194.1.1小弹簧的设计计算 194.1.2大弹簧的设计计算 214.2弹簧的校核计算 244.2.1小弹簧的强度校核 244.2.2大弹簧的强度校核 254.3剪切销的设计与校核 264.4固定销的设计与校核 275卡瓦打捞器的工作原理 295.1卡瓦打捞器的结构原理分析 296卡瓦打捞器零部件的设计与校核 306.1上接头内径面积及速度的计算 306.2液压缸套受力面积计算 306.3液压缸套的受力计算 316.4剪切销的设计与计算 316.5液压缸套的设计与校核 326.6片弹簧的设计与计算 336.6.1 片弹簧厚度的计算 346.6.2片弹簧宽度的计算 35结论 38参考文献 39致谢 40PAGE71绪论1.1研究的意义和目的石油被称为“黑金”也被称为21世纪工业的“血脉”，石油对于经济的推动作用使世界各国普遍的感到石油的重要，而一些国家的经济腾飞最主要得益于石油的推动。但是不仅在开采石油时要花费大量的金钱，而且随着油田开采时间的延长，油水井套管变形损坏日趋严重，在运营油井时由于产生各种各样的故障轻则要花费大量钱去维修，重则直接不能进行采油，造成了大量的经济损失，因此套管损坏的修理工作是油田开发过程中必须解决的一个重要问题。随着科技的不断发展，各种各样的技术用来维修以及维护井，节约了很多花费。目前最常见的解决故障的方法是通过打捞器。打捞器是钻井，采油及维修作业过程中打捞和回收井内被卡，折断或脱扣的金属物的主要工具，落鱼一般分为管状物，块状物和绳状物体，包括钻铤，钻杆，套管，油管，钻头以及金属环，片，钳牙和电缆等。因此需要根据井身结构和落鱼的具体情况，选择应用各种不同的打捞工具实施井下落鱼的解卡和打捞作业，近年来，随着工艺技术的不断进步，打捞工具的研制取得了长足的进步，除了不断改进和优化打捞工具的结构域材料之外，还开发与完善了组合打捞工具，并将连续有关作业设施应用于打捞作业。通过对打捞工具的不断研制，不仅可以解决更多的油井故障，使以前由于井下故障而使油井不能正常工作，或者直接报废的油井可以正常工作，继续产生经济效益，而且由于打捞工具的不断发展，进行打捞作业时所花费时间，金钱也越来越少，打捞的成功率也越来越高，可以使每一口油井产生的效益最大化，保证了石油的正常的供应，保证了国家经济的快速发展。本课题的意义就是设计一种新型的集套管切割和打捞于一体的打捞工具，可以在套管打捞过程中以最小的代价取得最大的经济效益，更好的保证石油的正常供应。1.2国内外打捞器研究状况1.2.1国内打捞器研究现状据调查,我国生产打捞工具的制造厂商近几年逐渐增多,初步统计约有10家，其中有贵州高峰机械厂、通化石油工具厂、德州钻探机械厂、华北油田开发作业公司、上海东风机器厂和牡丹江井下工具厂等。打捞工具的品种和规格都较以前增加很多,有些产品已实现规格系列化,除常规的公锥、母锥、打捞矛、打捞筒、打捞篮、打捞环和磁力打捞器外,还开发出各种先进的磨铣工具、震击器、防卡解卡工具和专用打捞器等,大大丰富了我国打捞工具的品种和规格。我国武汉东方大地勘察应用技术研究所近几年生产了很多中比较先进的打捞器，其中有一种叫做HWC系列万向强磁钻孔打捞器，是其最新研制出的效率高、范围广、实用性强，对掉入钻孔内的方套、牙轮、钻头、钢铁物及工具都能方便的打捞出来，是目前最理想钻孔打捞设备。优点：(1)打捞头是钕铁硼材料、体积短、吸力大，又是十字万向连接，吸头可自由倾角找到被打捞物的倾斜面理想吸牢。(2)打捞头又有柔性软钢丝连接，可在孔底大范围内摆动寻找被打捞物件。缺点：打捞头从孔内打捞出的物件，由于吸力强大，不易取下，反而容易打捞头和被吸物之间把手夹伤，千万注意。常规打捞器和万向打捞器的比较：常规打捞器是钻杆丝扣硬性连接没有倾角，打捞头不但较长而且打捞头的直径和钻孔的直径基本一样才能使用，这就显得效率底、范围小，实用性差。它还生产了一种HWD系列电强磁打捞器，通电就有磁，断电就无磁。是其又一新产品，效率高、范围广、实用性强、安全可靠。当打捞器在孔内把钢铁物吸牢后，地面就有信号显示，由于吸头短，又是十字万向加柔性连接，是钻孔内打捞方套、牙轮、钻头、钢铁物件及各类工具的理想打捞设备。我国的宏达石油设备自动化设计公司在打捞器的生产方面也占有很重要的位置，其生产的DLQ型多功能打捞器是集打捞杯、强磁打捞器和一把抓三种功能为一体的新型的碎物、落物组合打捞工具。它具有结构简单、操作方便、安全可靠等优点，能高效、多功能净化井底，是目前清洁井底的最佳工具之一。它还生产了一种机械式内割刀机械式内割刀，它是一种从井下管柱内部切割管子的专用工具，除接箍外可在任意部位切割。在切割作业时，可将可退式卡瓦打捞矛接在内割刀上部，待切割完成后，将上部管柱一次提出。此外我国的扬州荣德石油机械有限公司也生产了多种先进的打捞器比如，TFDLT型提放式倒扣捞筒，是一种既能抓捞又能倒扣的多功能修井工具。而且它比其它类倒扣工具具有提拉负荷大，退出落鱼不须正转，只须提放工具，即可收回工具的优点，减去了退出落鱼需要旋转工具所需的设备。用于打捞、倒扣井下油管、钻杆等规则的柱形落鱼。以及其生产的可退式卡瓦打捞矛是从鱼腔内孔进行打捞的工具。它既可抓捞自由状态的管柱，也可抓遇卡管柱，还可按其不同的作业要求与安全接头，上击器，加速器，管子割刀等组合使用。LLM－S型两用伸缩捞矛是一种规格可打捞两个规格油管的打捞工具。该工具有正、反扣型式，正扣用于打捞，反扣用于打捞倒扣。有利于提高打捞作业的工作效率，是修井的理想内捞工具。

LLM－S型两用伸缩捞矛HLM－D(S)单(双)滑块打捞矛由上接头、矛杆、卡瓦、锁块等组成。既可打捞具有内孔的落物，又可对遇卡落物进行倒扣作业，还可配合其它工具使用。其特点是：结构简单，操作方便，加工容易，可以倒扣便于维修保养。目前国内还生产有一种新型的油井作业滚动滑牙打捞器，包括：大小头、上接头、本体、滑牙孔、滑牙、轴、引锥；其特征在于：所述的滚动滑牙打捞器为圆柱体结构，大小头上端为内管螺纹，下端外螺纹与上接头内螺纹连接，圆柱形本体上端外螺纹与上接头内螺纹连接，本体中间设有轴向间开且周向相差120°分布的三个滑牙孔，滑牙通过轴固定于滑牙孔内。本实用新型结构简单，容易制造，操作方便，打捞冲管安全可靠，缩短油井作业周期，减少作业设备磨损，延长设备使用寿命，节约油料，减轻了工人劳动强度，提高油井生产时率，增加原油产量。尽管我国近些年在打捞器这方面通过引进-仿制-吸收-消化-创新的方法取得了不小的进步，但笔者认为我国在该技术领域与国外相比仍存在较大的差距,具体表现在以下几个方面。(1)国内打捞工具的品种不齐全,而在美国仅一个制造厂商就能生产30～40甚至50多种产品,而且全部实现规格系列化。(2)国内部分制造厂商欲向专业化生产发展,但技术力量尚嫌不足。一些密封件和防腐、耐高温材料等不过关,使用寿命短。(3)国内一些打捞工具是早期引进仿制的,其结构、材质和制造工艺多年来改进不大,易损件寿命和耐温性不高,总的技术水平相当于美国80年代初中期水平。美国的产品尽管多年来名称和规格未变,但其内部结构、材料应用及制造工艺均在不断改进,因此产品仍畅销国际市场,受到各国用户的青睐和好评。鉴于以上认识,对国内的发展提出以下建议：(1)从事钻井和大修作业的科技人员应密切关注国内外井下打捞工具的发展动态,以便根据生产、作业中遇到的问题,有的放矢地选择适宜的工具,提高作业效率,降低作业成本。(2)国内井下打捞工具制造厂商应借鉴国外先进的管理模式,开展跨行业厂际间的技术合作,走专业化道路。例如,当某种新产品设计定型后,厂家可根据自身的技术实际,将工作重点放在主体工件和关键零部件以及组装调试等方面,而对于诸如密封件、易损件和部分对制造技术要求过高的部件,可通过跨行业厂际间的技术合作方式生产,制造出质量上乘的产品。1.2.2国外打捞器研究状况1.2.2.1国外井下打捞工具的发展有如下特点。(1)打捞公锥、母锥仍在生产。过去国内有些文献报道,美国已不再生产公锥、母锥,将其列为淘汰产品。但从新近出版的CompositeCatalogofOilFieldE2quipmentandServices及部分厂商的产品样本可以看出,美国厂商仍将它们列为“保留”产品继续生产。如Bowen公司仅公锥一项就有«1519～16813mm共计24种尺寸。RedBaron公司生产的公锥有«6013～19317mm6种尺寸,长度最长者有115m。产品特点是结构简单而坚固,造扣力强,螺纹啮合长度长,还可配上安全接头、震击器和钻铤,打捞油管、钻杆、封隔器等物,且价格较低廉;缺点是不能卸下,在操作时难以测算出所需的力矩。(2)重视打捞工具配套使用。国外将打捞作业分为在裸眼井打捞和在套管井打捞两大类,并将落鱼分成管状、块状和绳状。据此,可为不同落鱼和井况配备不同尺寸工具。德国一钻井公司在配备打捞工具方面有一定经验,而且应用也成熟。这从表1中可看出。(3)工具结构各具特点,材料质量过关。以震击器为例,美国Bowen公司采用摩擦卡瓦式,Dailen公司采用强扭力弹簧和滚柱卡槽式,工作稳定可靠。再如Houston公司为震击器配备自动温度补偿机构,过载保护,使工作性能稳定安全,震击器使用寿命最长可达3个月。在材料方面采用新密封材料、防腐材料和耐高温材料,如Bowen公司的密封技术享有专利权,其密封使用寿命长。(4)继续开发组合式打捞工具。为便于井场打捞作业,美国多家制造厂商在研制新产品时尽量做到一机双用。如Baker公司与合作伙伴共同开发出一种称为“井下真空清洁器”的反循环工具,可用装在管柱内的打捞篮捞捕随钻井液循环返出的金属落物和碎屑,同时允许磨铣、打捞和套铣作业继续进行。工具外径为14113mm,装在«11718mm或更大尺寸套管内,由打捞和磨铣管柱组成,内装打捞篮和旋转铣鞋。工作时,钻井液从地面泵入套管柱,转入环空,再往下到达工具底部,然后由底部反循环而上进入管柱,回到地面,落物和碎屑就在钻井液反循环时被捕获。这种工具可用于直井和定向井,还可用于钻井液漏失层或已损坏套管的下部解除普通打捞工具无法捞获落物和碎屑造成的问题。一钻井承包商曾用该种工具在5100m井深处磨铣«11718mm封隔器,捕获所有落鱼和封隔器,还回收114m长的下部油管总成。Bowen公司开发和生产的液压机械震击器就是由上击器和下击器组合而成,现主要有«10418～22816mm共7种尺寸。为便于井场打捞作业,美国多家制造厂商在研制新产品时尽量做到一机双用。如Baker公司与合作伙伴共同开发出一种称为“井下真空清洁器”的反循环工具,可用装在管柱内的打捞篮捞捕随钻井液循环返出的金属落物和碎屑,同时允许磨铣、打捞和套铣作业继续进行。工具外径为14113mm,装在«11718mm或更大尺寸套管内,由打捞和磨铣管柱组成,内装打捞篮和旋转铣鞋。工作时,钻井液从地面泵入套管柱,转入环空,再往下到达工具底部,然后由底部反循环而上进入管柱,回到地面,落物和碎屑就在钻井液反循环时被捕获。这种工具可用于直井和定向井,还可用于钻井液漏失层或已损坏套管的下部解除普通打捞工具无法捞获落物和碎屑造成的问题。一钻井承包商曾用该种工具在5100m井深处磨铣«11718mm封隔器,捕获所有落鱼和封隔器,还回收114m长的下部油管总成。Bowen公司开发和生产的液压机械震击器就是由上击器和下击器组合而成,现主要有«10418～22816mm共7种尺寸。90年代，国外为更有效地实施打捞作业，积极开发新型打捞工具。下面介绍几种典型的产品。1.2.2.2典型产品介绍（1）回收抽油杆的四爪套打捞器美国油井作业服务公司研制推出一种四爪套打捞器，可用于打捞深井中的抽油杆。这种工具配备有打捞套筒，其上端联接分片式接头。套筒上有四个面的扳手平面。作用是打捞被卡于井下的抽油杆。当套筒打捞抽油杆时，套管上的四个扳手平面同抽油杆的四个扳手平面形成一个正方体，其对角距离等于或大于套管上构成扳手平面的距离。打捞方法是，将工具下入后，先打捞抽油杆，接着继续下入工具管柱，直到分片接头与被打捞抽油杆处于同一水平面上。此时转动四爪套，直到与套筒上的四个扳手面对中。提起打捞器，使四爪与扳手平面接合，从而抓住落鱼。此后提升打捞器，便可回收井下抽油杆。、（2）机械振荡器美国Pod-Resotek公司研制成机械振荡器，利用共振原理可以回收井下被卡的射管，油管和钻杆，其打捞成功率最高位62%，特别适用于水平井侧钻。凡用普通方法无法打捞的落鱼，用此振荡器就可打捞回收。其最深钻杆回收深度为2340m，最深油管回收深度为270m。振荡器上的共振系统有3个基本部件：1）机械振荡器，它带有悬挂装置，使其与钻具结构隔开；2）用于传递振动功能的工作管柱；3）回收落鱼的回收装置.（3）新型切割工具美国Baker-Hughes公司研制成的一种新型切割工具，有一个细长的轴，其上端连接在工作管柱上，悬于井内。心轴可以绕其纵轴旋转，在心轴上有多个向下向外的斜道。在心轴外装有同心滑动的中心柱形刀架，刀架与心轴之间形成液压室。心轴上有一环形法兰形成雅丽室的上表面，钻井液经过心轴孔，并经横向通道向压力室流动，驱动刀架向下运动。刀片用销钉装在刀架下端，刀架对准斜槽，以接触点位支点，使刀尖旋出，刀架向下时，刀架和支点之间的第一力臂比支点和刀架之间的第二力臂大。这种工具的优点是切割套管柱时切割速度快，切屑易随钻井液带出，有的切割工具结构可以回收套管而不用附加机构。此外，美国Weatherford公司也研制成功切割管状物的工具，由心轴，切割刀和沿径向外推力的推出件组成，可解决切割质量差，刀片磨损不均和切速慢等问题。（4）流通式金属打捞器金属打捞器原有磁力式和液力式两种，前者在钻井时不能使用，后者易产生泥糊。为此，前苏联的全苏钻井科技研究院与乌克兰石油联合公司共同研制成一种新式打捞器，即流通式金属打捞器。她包括壳体，外套，加强筋，径向栅格和导流帽。在径向栅格和导流帽之间有轴向射流缝隙，外套内表面与壳体外表面以及径向栅格之间构成了收集室。打捞器装在钻头上，由于它与管外环空相通，在起下和转动时，收集室为纵向和径向的液流所冲洗，能有效的清除细粒岩屑，只收集大块的岩屑和金属屑，从而提高每个行程的工作效率。打捞器容积范围0.7-6L，能打捞5mm*6mm*3mm硬合金齿和37mm*89mm*13mm的牙轮，打捞效率达95%。与磁力式和液力式打捞器相比，可以提高钻头进尺25%，机械钻速11%，还可以减少用于处理钻头事故的无效起下钻次数。1.2.2.3国外井下打捞工具主要朝下面几个方向发展(1)开发组合式打捞工具,向一机多能方向发展。常用打捞工具往往组合成一套使用,如割刀与打捞矛组合,打捞筒与铣鞋组合,打捞矛与套铣管组合。美国鲍恩公司的液压机械震击器也是一种组合装置。(2)开发液压技术,消除机械操作缺点。过去采用机械倒扣器,需要管柱旋转。现在新设计的液压倒扣器利用液压活塞产生的旋转作用倒扣,非常方便。液压控制刀比机械割刀割位准确,又不损坏刀片。又如鲍恩公司的上击器由机械式改为液压式,下击器由机械式改为油浴式。(3)开发辅助打捞工具,提高井下事故处理能力。为了缩短事故处理时间,提高打捞作业经济效益,美国制造厂商除继续改进和开发打捞工具外,还很重视辅助打捞工具的开发,如井下视频电视测卡仪、爆炸松扣、化学割刀、聚能喷射割刀、随钻震击器、键槽扩大器、钻头保护器和开口防掉器等,都是近年来及今后重点开发的产品。1.3论文设计的方法（1）首先了解套管打捞器的工作原理、结构特点，并进行套管打捞器的结构设计方案；（2）在了解套管打捞器的原理基础上，进行水力损失、受力分析，计算受力大小，进行载荷分析、进行强度校核；（3）设计套管切割器的结构；（4）设计套管切割器的零部件；（5）设计套管打捞器的结构；（6）设计套管打捞器的零部件；创新点国内目前普遍使用的机械式内割刀切割套管。这种工具有许多不足之处:(1)在沾满油污的套管内坐卡成功率不高，切断套管只有40%左右；（2）对司钻操作技术要求甚高，很难保证每次下放1-2rrma的切割量，下放过多会破坏刀具，过小则不能形成切削力；(3)由于受工具结构原理及刀具形状的限制，刃具材料只能采用工具钢，切割优质钢套管时，刀具磨损严重，有时不但割不断，反被套管磨损而损坏；（4）下钻时易发生中途坐卡，有时解卡十分困难；（5）根据扭矩大小判断是否割断套管，不是十分准确，难免发生误判。而本设计的这种内割刀，他是采用水力学原理，从井下套管柱内部切割套管的专用工具。它可在任意井深位置切割取套，而且操作过程十分简单方便，工具下到预定切割取套位置后，启动转盘和泵，当泵压达到工作压强时，开始工作，套管切断时，泵压下降明显，切割刀具采用镶焊硬质合金新工艺，切削性能大大改善，切削速度和使用寿命提高，并且解决了高钢级套管不易切削的难题，切断套管成功率可达100%。PAGE192套管切割器的工作原理2.1套管切割器的结构原理分析本文所设计的是一种水力式套管切割器，其结构如图2-1所示图2-1套管切割器由上接头，溢流阀，上衬套，下衬套，o型密封圈，剪销，小弹簧，大弹簧，推块，切割器本体，销，割刀组成。上接头上端联接钻具，下接头联接切割器本体，本体内装溢流阀及推块总成，溢流阀与上衬套之间有o型密封圈，密封性良好，其中心水眼可通过钻井液，下端有坚硬的推块。大弹簧和小弹簧在工作过程中起平衡力的作用，使溢流阀和推块顺利复位以及顺利回收刀具。剪销可锁定推块，在下钻过程中起到回收锁紧割刀，使割刀不能伸出本体的作用。切割作业时，将工具下到切割位置，向钻柱内投球使溢流阀关闭，刹死刹把，启动转盘，向钻柱内泵入钻井液，钻柱内憋压，溢流阀向下移动，当移动到下衬套的时候，钻井液通过溢流阀和下衬套之间的孔槽，并经过溢流阀上的泄流孔进入中心水眼，此时钻井液在通过溢流阀的过程中，由于水头的损失，在溢流阀上下形成压力差，推块在压力差的作用下向下移动，并且推动割刀向外并完成切割套管作业。套管切割完成后关泵，压力差消失，推块和溢流阀靠弹簧的推动复位并且上提钻柱，割刀收缩到本体内，起钻取出割刀，继续下一步作业。3套管切割器的分析计算初定开泵时钻柱内泵压为，钻柱内钻井液的流量为,也就是，上接头内径为。3.1上接头内径中流速的计算设上接头内径面积为A则其内径面积(3-1)设钻井液在上接头内径中的流速为则其流速（3-2）3.2钻井液经过溢流阀时总水头损失的计算开泵向钻柱内投球后，溢流阀关闭，钻井液通过溢流阀与下衬套之间的孔槽经过溢流阀，而此时会造成水头损失。这里的总水头损失包括沿程阻力损失和局部阻力损失。3.2.1溢流阀与下衬套孔槽之间的损失计算3.2.1.1溢流阀与下衬套孔槽之间速度的计算本设计将孔槽的个数设计为6个，其横截面如图3-1所示由图示3-1可知，钻井液经过溢流阀与下衬套之间的孔槽时总横截面积等于6个孔槽面积之和，设每个孔槽的面积为则又于是孔槽总横截面积图3-1由于钻井液在上接头内径的流量与其在经过溢流阀与下衬套孔槽之间的流量相同，即由流量与速度.面积之间的关系可知则由可知即速度 (3-3)3.2.1.2水头损失的计算由上面计算可知钻井液通过溢流阀与下衬套孔槽之间速度很大，所以在这里局部损失可以忽略不计，在这里主要计算钻井液通过时的沿程损失在这里孔槽可以近似的看做是矩形，由《水力学与水力机械》中公式5-6可知矩形孔槽的水力直径(3-4)式中A—过流断面的面积即矩形的面积过流断面上的湿周过流断面的湿周则水力直径由《水力学与水利机械》中公式可知孔槽的雷诺数 (3-5)式中v—为孔槽中的速度—为水的运动粘度，为则孔槽的雷诺数由于孔槽的雷诺数,则可知其在光滑管紊流区，而由于雷诺数，这时用拉休斯公式计算计算会产生较大的误差，在这里用尼古拉兹光滑管试验公式：当时则 (3-6)那么钻井液通过溢流阀与下衬套孔槽时的沿程阻力损失由《水力学与水利机械》中公式5-12可知 (3-7)式中—上面已经求出—孔槽的长度—孔槽的湿周—钻井液在孔槽中的速度则沿程阻力损失3.2.2溢流阀喷嘴处水头损失的计算本设计在溢流阀喷嘴处设计有4个喷嘴，每个喷嘴的直径为6mm，其横截面如图3-2所示图3-23.2.2.1喷嘴处速度的计算每个喷嘴的横截面积,其中则那么4个喷嘴的面积之和由于4个喷嘴处的流量之和与上接头内径的流量相等，设喷嘴处总流量为那么则(3-8)3.2.2.2水头损失分析由图示可知在喷嘴处既有沿程损失又有局部损失，则其水头损失就等于沿程损失和局部损失之和。3.2.2.3局部损失的计算在计算喷嘴处的局部损失时由于使用常规方法无法阻尼系数，所以在这里采用一种近似的计算方法。如图3-3所示图3-3在计算局部阻尼系数的时候，可以将其看作是突然扩大（如表3-1所示）及突然缩小（如表3-1所示）两种形式突然缩小形式阻尼系数的计算进口处可以看作是管路的突然缩小，其计算公式及简图由《水力学与水力机械》表5-4可知，见下表3-1由表3-1可知，突然缩小形式的阻尼系数(3-9)式中—为每个喷嘴的面积，即等于—这里的面积采用的是一种近似算法，用外围周长与的乘积除以喷嘴的个数（n=4）外围周长(3-10)有图示可知设计，表3-1名称简图局部阻力系数突然扩大突然缩小那么面积则阻尼系数同理有表可知，突然扩大形式的阻尼系数(3-11)式中—这里的面积采用的是一种近似算法用外围周长与的乘积除以喷嘴的个数（n=4）外围周长(3-12)由图示3-3可知设计那么面积(3-14)则阻尼系数由于上接头内径的流量与溢流阀中心水眼内的流量相同，即则(3-15)由《水力学与水力机械》中公式5-47可知局部水头损失的通用公式(3-16)式中—为阻尼系数—如表3-1所示速度则喷嘴处的局部阻力损失(3-17)3.2.2.4沿程损失的计算由上面可知喷嘴内的钻井液速度，则在喷嘴内的雷诺数(3-18)式中v—喷嘴内的的速度—为水的运动粘度，为则喷嘴内的雷诺数由于喷嘴内的雷诺数,则可知其在光滑管紊流区，而由于雷诺数，这时用拉休斯公式计算计算会产生较大的误差，在这里用尼古拉兹光滑管经验公式：当时(3-19)则则喷嘴处的沿程阻力损失由《水力学与水利机械》中公式5-12可知(3-20)式中—上面已经求出—喷嘴的的长度—喷嘴的直径—钻井液在喷嘴中的速度则沿程阻力损失总水头损失的计算由上面计算可知，总水头损失等于各个水头损失之和。即(3-21)而，那么由喷嘴的个数及溢流阀与下衬套之间的孔槽的个数可知：总损失由上面计算可知，，将其代入式3-21可得总损失3.3溢流阀两端面压力差的计算对溢流阀的两端面分别取为0—0和1—1断面，如图3-4所示并且选取基准为过1—1断面的水平面，对0—0断面及1—1断面列伯努利方程，则有（3-22）图3-4式中—为液体的中度—表示单位重量液体在0—0断面的位能—表示液体在0—0断面的压强—表示液体在0—0断面的速度—表示单位重量液体在1—1断面的位能—表示液体在1—1断面的压强—表示液体在1—1断面的速度—表示从0—0断面到1—1断面的总水头损失有以上计算及图示3-4可知，为0—0断面的压强，，在本设计中钻井液为水，那么水的重度取将上面计算得到各值代入0—0断面及1—1断面列伯努利方程式3-22，则由计算上式可知在这里设溢流阀两端面0—0和1—1断面的压力差为则可得压力差将及代入上式中可得3.4工作时溢流阀受力的计算溢流阀受力面为0—0断面，因为投球后使溢流阀关闭，则其受到压力差的作用力，面积取投球后在0—0断面投影面的面积，即其受力面积为一个直径是的圆面。如图3-5所示由面积，压强和力的关系可知溢流阀上受得力（3-23）式中—为溢流阀上所受的压强—为溢流阀的受力面积由于受力面可以看成是一个圆面，而这个圆面的直径是由面积，压强和力的关系可知溢流阀上受得力图3-5由面积，压强和力的关系可知溢流阀上受得力（3-23）式中—为溢流阀上所受的压强—为溢流阀的受力面积由于受力面可以看成是一个圆面，而这个圆面的直径是由圆的面积公式可知受力面积其由于则溢流阀上受力PAGE364切割器零部件的设计与校核4.1弹簧的设计与计算本文设计的弹簧是两个串联的弹簧，当溢流阀两端的压力差产生的压力与两个串联弹簧的反作用力平衡时，即在正常切割时载荷最大。由上面的计算可知，载荷最大时溢流阀的压力差产生的载荷对弹簧的作用力最大为在设计之前将载荷最大时溢流阀的压力差产生的载荷对弹簧的作用力分别分配给大弹簧和小弹簧，在这里初定大弹簧受载荷，小弹簧受载荷4.1.1小弹簧的设计计算由于设计需要将小弹簧的中径初定为，直径初定为查《机械工程手册》中册表9-8根据需要初选弹簧指数,再由弹簧指数选定曲度系数4.1.1.1小弹簧材料的选择查《机械工程手册》中册的表9-2选定弹簧的材料小弹簧的材料初步选定为65硅2锰钨高（）材料的许用切应力初步选定为则材料的许用去切应力.1.2小弹簧变形量的计算设计在安装弹簧时小弹簧的预紧变形量为由下图可知，小弹簧在工作时工作行程由《机械工程手册》中册表9-6中可知圆柱螺旋压缩弹簧计算公式工作行程h=弹簧最大变形量-弹簧的最小变形量在本设计中，对于小弹簧来说弹簧的最小变形量=在安装弹簧时小弹簧的预紧变形量为图4-1则变形量.1.3小弹簧工作圈数的计算由《机械工程手册》中册表9-6中可得工作圈数的计算公式设小弹簧的工作圈数为n则（4-1）式中G—材料的剪切弹性模数D—选定的弹簧的中径F—弹簧的弹性变形量P—弹簧受到的载荷C—弹簧的弹簧指数查《机械工程手册》中册的表9-2，根据材料选取材料的剪切弹性模数由以上计算可知，，，将上面的数据代入小弹簧的工作圈数计算公式4-1中可得查《机械工程手册》中册，圆柱螺旋压缩弹簧有关参数的选取，即表9-8将小弹簧的工作圈数圆整为由于设计的需要，在弹簧的两端各多取半圈弹簧则小弹簧的总圈数4.1.2大弹簧的设计计算推杆行程的计算在设计零件时，如图4-2所示图4-2设计，，则(4-2)那么将其化为角度由图4-2可以得到(4-3)由于，则(4-4)由于那么由上图可知，，成勾股定理即（4-5）将参数的数值代入式4-5中得又由上图可知（4-6）代入数值得从图示可以看出推杆的行程4.1.2.2大弹簧材料的选择查《机械工程手册》中册的表9-2选定弹簧的材料大弹簧的材料初步选定为65硅2锰钨高（）材料的许用切应力初步选定为则材料的许用去切应力大弹簧行程的计算由上面的计算可知当推杆运动长度时，割刀恰好完成切割任务初步设计大弹簧在安装时的安装预紧力为由于设计需要将大弹簧的中径初定为，直径初定为查《机械工程手册》中册表9-8根据需要初选弹簧指数,再由弹簧指数选定曲度系数查《机械工程手册》选得弹簧的弹性刚度为由胡克定理可得弹簧的预紧变形量的胡克定理(4-7)式中k—是弹簧的弹性刚度，单位x—弹簧的预紧变形量—大弹簧在安装时的安装预紧力则大弹簧的预紧变形量由图示及弹簧的运动分析可知大弹簧的行程等于推杆的行程与大弹簧的预紧变形量之和在这里大弹簧的行程用表示则可得大弹簧的行程这里取为那么大弹簧的变形量大弹簧工作圈数的计算由《机械工程手册》中册表9-6中可得工作圈数的计算公式设大弹簧的工作圈数为则（4-8）式中G—材料的剪切弹性模数D—选定的弹簧的中径F—大弹簧的弹性变形量P—大弹簧受到的载荷C—大弹簧的弹簧指数查《机械工程手册》中册的表9-2根据材料选取材料的剪切弹性模数由以上计算可知，，，将上面的数据代入大弹簧的工作圈数计算公式4-8中可得大弹簧的工作圈数查《机械工程手册》中册圆柱螺旋压缩弹簧有关参数的选取即表9-8将小弹簧的工作圈数圆整为由于设计的需要，在大弹簧的两端各多取半圈弹簧则大弹簧的总圈数4.2弹簧的校核计算4.2.1小弹簧的强度校核由上面的设计计算可知，小弹簧受到的载荷为同时也知道小弹簧的中径，直径由《材料力学》中公式3-22可得弹簧的最大切应力的修正公式（4-9）式中—是弹簧受到的载荷—是弹簧的中径—是弹簧的曲度系数由上面可知将这些参数的数值代入最大切应力的修正公式4-9中得查《机械设计手册》中册可得小弹簧材料的许用切应力将其转化为国际单位制为由于则弹簧满足强度条件。4.2.2大弹簧的强度校核由上面的设计计算可知，大弹簧受到的载荷为同时也知道大弹簧的中径，大弹簧的直径由《材料力学》中公式3-22可得弹簧的最大切应力的修正公式（4-10）式中—是弹簧受到的载荷—是弹簧的中径—是弹簧的曲度系数由上面可知将这些参数的数值代入最大切应力的修正公式4-10中得查《机械设计手册》中册可得大弹簧材料的许用切应力将其转化为国际单位制为由于则弹簧满足强度条件。4.3剪切销的设计与校核根据设计的需要剪切销的直径初步定位，材料初选为初步设计剪切销个数为4个由于4个剪切销总受力为那么每一个剪切销的受力为（4-11）对剪切销进行受力分析，受力图示4-3如下所示图示4-3由上图列平衡方程可知剪切销受到的最大剪切力由面积公式可以求得剪切销的横截面积由《材料力学》中公式2-22可得剪切销切应力公式（4-12）式中—为剪切面上受到的剪力—为剪切销的横截面的面积将数据代入公式4-12求得剪切销的切应力查《材料力学》可知，的许用切应力那么则剪切销不满足强度条件，符合本设计要求4.4固定销的设计与校核根据设计需要初步设计固定销的直径为，材料初选为由于割刀的数目只有3个，那么固定销的数目也为3由推杆行程的计算中可知当完成切割时，割刀绕固定销转动的角度为。那么可以得知割刀绕固定销转动的角度为时固定销受到的力最大，此时对固定销进行受力分析，分析如下图4-4所示由分析图示可知（4-13）已知，那么图4-4查《材料力学》可知的许用切应力为对固定销进行受力分析，受力图示如下所示图4-5由上图列平衡方程可知固定销受到的最大剪切力由面积公式求得固定销的横截面面积由《材料力学》中公式2-22可得固定销切应力公式 （4-14）式中—为剪切面上受到的剪力—为固定销的横截面的面积代入数据求得固定销的切应力由于的许用切应力为那么则固定销满足强度要求5卡瓦打捞器的工作原理5.1卡瓦打捞器的结构原理分析本文设计的是集切打捞于一体的套管打捞器，现在介绍卡瓦打捞器，其结构如图5-1所以图5-1套管打捞器主要由上接头（1），剪切销（2），液压缸套（3），O型密封圈（4），螺钉（6），片弹簧（7），打捞器主体（8），卡瓦（10）组成。当套管在用套管切割器被割开后，就进入打捞阶段，投球，使打捞器主体内径中不能通过钻井液，开泵，液缸套受到钻井液的压力，当压力达到剪切销的强度时，剪切销被剪断，压力推动液缸套向下运动，并且带动卡瓦运动，当卡瓦到达打捞位置时，卡瓦把切断的套管卡主，然后进行打捞工作。6卡瓦打捞器零部件的设计与校核初定开泵工作时，钻柱内的泵压为，钻柱内钻井液的流量为也就是，上接头内径为6.1上接头内径面积及速度的计算由计算面积公式可得上接头内径的面积由速度计算公式可得开泵工作时上接头内钻井液的流速6.2液压缸套受力面积计算初步设计液压缸套的内径初步设计打捞器主体的外径液压缸套内径的面积由面积公式可得打捞器主体外径的横截面面积由面积公式可得那么液压缸套与打捞器主体之间的环形面积（6-1）将数据代入上式得到液压缸套与打捞器主体之间的环形面积即液压缸套的受力面积为6.3液压缸套的受力计算上面求得液压缸套的受力面积为，在设计之初初定卡瓦打捞器的工作压强为那么由力，压强和受力面积之间的关系可得液压缸套的工作时受到的力为（6-2）6.4剪切销的设计与计算根据设计的需要，设计有剪切销的个数为4初步设计剪切销的直径为，材料初选为那么每个剪切销的受力大小为代入数值计算每个剪切销的受力为对剪切销进行受力分析，受力图示6-1如下所示图6-1由上图列平衡方程可知剪切销受到的最大剪切力

由面积公式可以求得剪切销的横截面积（6-3）由《材料力学》中公式2-22可得剪切销切应力公式（6-4）式中—为剪切面上受到的剪力—为剪切销的横截面的面积将数据代入公式6-4求得剪切销的切应力查《材料力学》可知，的许用切应力为那么则剪切销不满足强度条件，符合本设计要求6.5液压缸套的设计与校核液压缸套的内径尺寸由前面可以知道初定为初步选定液缸套的壁厚，材料查《机械零件手册》初选为缸筒壁厚在校核时分为薄壁和厚壁两种情况在本设计中，由于则由《液压与气压传动》可知本设计为薄壁那么壁厚用《液压与气压传动》中公式4-23进行校核即（6-5）式中—缸筒的直径—缸筒的试验压力，当缸的额定压力时，；而当时，。—缸筒材料的许用压力，，为缸筒材料的抗拉强度为安全系数，一般取。在本设计中，由于那么取即查《机械设计手册》可得材料的许用压力为，由于那么可以求得缸筒材料的许用压力将上面求得的数值代入缸筒的校核公式中得由于那么液压缸套壁厚满足要求6.6片弹簧的设计与计算有设计可知，当片弹簧正常工作时即在打捞物体时，片弹簧的变形量最大，且其最大变形量分析片弹簧的工作过程，可以将其工作过程看作是一个悬臂片弹簧的形式，如下图6-2与图6-3所示由图示6-2可知，片弹簧的悬臂长为图6-2图6-3查《机械设计手册》中册由表9-39初步选定片弹簧的材料为硅（）其许用应力静载荷为片弹簧厚度的计算查《机械设计手册》中册，由表9-40片弹簧的计算公式则片弹簧的厚度计算公式为（6-6）式中—片弹簧的悬臂长—片弹簧材料的许用应力—片弹簧材料的弹性模数—片弹簧的变形量已知,，查《机械设计手册》中册表9-39得片弹簧的弹性模数把上面的数值代入片弹簧的厚度计算公式6-6得取片弹簧的厚度为6.6.2片弹簧宽度的计算对片弹簧进行工作时的分析，根据其工作前和工作后的位置有如下三角函数关系，如图6-4所示图6-4图中为片弹簧工作时垂直变形量，为片弹簧的总长度由上图可知那么角度为将数值代入公式计算得的角度为又由片弹簧正常工作时