1、精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業目錄目錄精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業1 設計的選題目的、意義設計的選題目的、意義1.1 選題目的選題目的油田廣泛運用封隔器于采油、注水及其它油井特殊作業。國內生產封隔器的廠家也不少，但關于高壓封隔器產品幾乎還沒有，主要靠進口。同時，長期以來，對低滲透、深油藏的高壓注水油田沒有合適的分注工具。為此，選定此項目進行高壓單管封隔器設計。1.2 選題意義選題意義我國的大多數油田屬非均質多油層特點，油田開采的主要矛盾是如何提高各類油層的動用程度和經濟效益，達到可持續發展。在開發過程中，各油層的產量、壓力和吸水能力等存在很大差異，如何合理開發多層油田

2、，提高采收率，又要可持續發展，一直是一個很重要的問題。以封隔器為中心的井下分層工具，對油層實現分采分注是極其重要的，因此對封隔器的研究對油田開發具有重要的意義。對于注水開發的油田，隨著油田開發程度的加深，油井層之間矛盾日益突出，為了保持地層壓力、穩定原油產量，必須采取分層注水、封堵高產水層等調整措施。 2 國內外發展研究現狀國內外發展研究現狀資料顯示，歐美等發達國家在油田開發中采用封隔器已有近百年的歷史，較早精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業的油田封隔器是包裹在油管外面，試圖將不同的液相進行隔離。油田開發初期自噴井較多，封隔器應用相對較少。類似目前所采用的封閉油管與套管間環形空間的封隔

3、器是從 20 世紀初開始開發使用的。有許多的專業制造公司對封隔器的研發測試都非常重視。為了合理地開發多油層非均質油田，避免層間干擾和確保各層有效生產，三十年代末，美國和蘇聯相繼開始了分層開采工藝的研究和其他分層工藝技術(如分層注水、分層測試、分層進行增產措施)的試驗，這導致了適應分層開采工藝技術的各種封隔器的發展。美國的貝克油田工具公司(Backer Oil Tools)，在 1940 年開始介入油田井下工具研究，最早開發出了可回收式封隔器，不論從制造精度上還是實用性方面都有較高水平，在世界上處于領先地位。1942 年，第一次雙層完井使用了美國貝克工具公司制造的封隔器。1951 年，用于多管完

4、井作業用的雙管封隔器也已經問世。近幾十年來，隨著鉆井、完井工藝不斷向高壓、高溫和復雜的深部地層方面發展，對封隔器提出了種種更高的要求，因而促使封隔器研制工作趨向專業化，研制的產品日益豐富。目前、美國參與封隔器研制、銷售的廠商或公司不下于 40 家(還出現了專門從事封隔器研制的貝克封隔器公司)。據統計，美國有關產品目錄上的封隔器品種已達 500 種，近幾年來，則大大超過此數，并涌現出不少結構改進，性能提高的新型封隔器。1994 年，美國初步研制出 2 18in 高效可錨定單級膨脹式封隔器，在比較惡劣的工況下，具有較高的工藝操作可靠性和耐壓、耐溫以及抗腐蝕性能。當溫度大于 150條件下，可承壓 3

5、4 MPa(膨脹率為 2:1 時)或 14 MPa(膨脹率為 3:1 時)。而蘇聯封隔器般最深下至 3000 多米，耐壓 500 多大氣壓，耐溫20-350。我國的封隔器研究也在不斷地發展，大慶采油工藝研究所的科研歷程比較具有代表性。1962 年 4 月為確保獨立開發大慶油田，為油田的發展提供有效工藝技術手段，研制了 475-8 型水力壓差封隔器和 665 型偏心配水器，逐步形成了“六分四清”新工藝，并在油田大面積推廣應用，對認識非均質多油層砂巖油田注水開發特點，充分發揮主力油層作用，為保證油田持續生產提供了有效的技術手段。從 1976年到 1985 年，油田開采方式逐步由自噴轉為機械采油，封

6、隔器的研制基本適應了以限流法壓裂完井技術為代表的機采條件下的分層壓裂、分層堵水、分層測試等作業要求。從 1986 年到 1995 年，機采井數占油井總數的 99.3%，針對地表油層和油田外圍儲量差、油層薄的油田的增效開采和油井的大修，根據“穩油控水”目標的需要，先后為注水、產液、儲采作業研制了配套的封隔器。近年來封隔器的用量越來越大，作用更加明顯，同時對封隔器的性能要求更加嚴格。我國不斷地吸取和引進國外的封隔器研發技術，現已初步形成了一定規模的封隔器研發隊伍，并開發出了很多適合我國油田現狀的新型封隔器。先后研制和使用精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業了從機械式到水力式，從壓差式到自封式

7、的各種類型的封隔器及相應的配套工具。封隔器的密封材料的使用也不再僅限于橡膠，相繼出現了金屬封隔、尼龍封隔，或它們三者之間的組合，密封和耐溫性能都取得了很大的提高。封隔器膠筒是密封的關鍵，密封件仍以膠筒為主。膠筒在液壓推力作用下，通過軸向壓縮作用在封隔器套管壁上，起到密封封隔作用。在中、深油井的分層開采、堵水、壓裂、注水等作業中發揮了不可替代的作用。近年來，油井己進入高含水階段，加上新的熱力采油方法的需要，井況日趨惡化，對膠筒的侵蝕更加嚴重，對耐溫的要求相應提高，我國原有的封隔器膠筒耐溫只有 120，己不能滿足油田鉆采的需要。鐵嶺橡膠工業研究院就選用氫化丁睛膠為主體材料、開發出了耐溫達 150、

8、型號為 YS 113-15-20 的壓縮式封隔器膠筒。2003 年底，新膠筒在 0#柴油、150,20MPa,96 小時實驗條件下檢驗證明各項參數滿足工作要求。科技工作者們致力在封隔器的結構設計與功能設計進行研究，以期達到世界先進水平，近幾十年來經過不懈的努力，研制出了各種適應不同地質條件和工況環境，以及不同功能、材料的封隔器，如：DQY141-114 型封隔器、DQY341-114 型封隔器、ZYY341-114 型封隔器、Z331_114 型封隔器、Y411-115 型可取式雙卡瓦封隔器、90mm 金屬封隔器、Y54l115 靜液壓封隔器等，目前最大工作壓力已達到 75mpa，工作溫度達到

9、 300。從現場的使用效果來看，都能進行有效封堵，工作運行良好，并達到了國際先進的水平。封隔器的發展趨勢：向著高性能、多用途、適應性強和更多地采用內密封結構的方向發展。3 封隔器以及注水過程的工作原理封隔器以及注水過程的工作原理3.1 封隔器的工作原理封隔器的工作原理3.1.1 封隔器的介紹封隔器的介紹所謂“封隔器” ，系指具有彈性密封元件，并以此封隔環空，隔絕產層，以控制產(注)液，保護套管的井下工具。也就是說，封隔器所具備的種種功能，主要依靠彈性密封元件的密封作用來實現。這種密封作用，根據密封部位的不同，可分為兩種：一種是油管與套管(或裸眼井壁)之間的密封，即“外密封” ；一種是油管或油管

10、精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業密封短節(也稱密封段)與封隔器內腔(或密封腔容座)之間的密封，即“內密封。正是由于封隔器獨特的密封作用，為油氣水井的正常生產和各種井下工藝措施的順利進行提供了有效的機械手段，因此，封隔器校認為是實現油氣田合理開采的戰略性武器。 通常，封隔器是接在油管上下井的。現場上，往往把這種帶封隔器的油管柱叫做“封隔器管柱” ，也有人稱為“油管封隔器系統。 目前常用的封隔器分為兩大類：可取式封隔器和永久式封隔器，前者指可以用油管(或鉆桿)或電纜下井坐封，必要時采用動管柱和其他非破壞性手段解封，并從井下起出以重復使用的封隔器，后者則指較長時間(永久性地)封隔地層，一般

11、不易從井下起出的封隔器。按其作用原理和結構特點，可分為支撐式、卡瓦式、皮碗式、水力擴張式、水力自封式、水力密閉式和水力壓縮式等多種形式，按封隔器封隔件的工作原理分為：自封式、壓縮式、楔入式、擴張式。對于封隔器本身來說，最關鍵的部件是彈性密封元件，因為它在很大程度上影響并決定著封隔器系統井下工作的成敗。封隔器系統在井下工作的條件主要是溫度和壓力，往往因井的工藝方式的變更而改變，因而引起系統的受力和管柱長度發生變化，導致封隔器過早解封、錯封或竄封，乃至無法取出封隔器及其他更為嚴重的惡性故障。因此，需要從理論上了解和分析溫度、壓力的變化如何影響封隔器系統的的受力情況。所謂“封隔器” ，是指具有彈性密

12、封元件：用于封隔環空，隔絕產層，以控制產(注)液，保護套管的井下工具。封隔器所具備的種種功能，主要依靠彈性密封元件的密封作用來實現。3.1.2 封隔器的作用封隔器的作用（1）隔絕井液和壓力，以保護套管免受影響，從而改善套管工作條件；（2）封隔產層或施工目的層，防止層間流體和壓力互相干擾，以適應各種分層技術措施的需要，或便于進行堵漏、封竄等修井作業；（3）保存并充分利用地層能量（包括溶解氣能量)，以提高油井生產效率，延長其工作時間；（4）使井的控制僅限于地面油管，以確保安全和最大限度地控制地層；（5）便于采用機械采油的方式(如為氣舉和水力油塞泵抽油提供必要的生產通道，或將套管分隔為吸入和排出兩部

13、分，以利于管道進行抽油)；(6）用在氣井中：可以緩和氣井液面過早上升。3.1.3 封隔器使用范圍封隔器使用范圍由于其作用都是用于井下分隔油層等，所以封隔器不僅可以用于自噴井采油，還用于非自噴井采油，在分層注水、分層壓裂酸化及分層測試等作業中，也被廣泛采用。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業3.1.4 封隔器的主要結構以及工作原理封隔器的主要結構以及工作原理主要包括密封、錨定、扶正、坐封、鎖緊、解封六部分。各部分工作原理如1下：（1） 密封部分密封部分是在外力(機械力或液壓力)的作用下，發生動作，最終密封環形間隙，防止流體通過機械，它是封隔器的關鍵部分，主要由彈性密封元件，安裝密 圖 3

14、-1 封隔器膠筒結構示意圖封元件的鋼碗、隔環(擋圈)和各種防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件構成。其中的密封元件是至關重要的核心部件，通常制作成圓筒狀，所以也俗稱膠簡。如圖 3-1 所示。近年來為實現油管與封隔器之間的內密封，密封元件也制成各種形狀(如 V 形)的盤根。自封隔器問世以來，人們花了大量的力氣，對密封元件(尤其是實現外密封的膠筒)進行了多方面的深入研究，進而帶動了整個封隔器的研究工作，因此，封隔器密封元件的研究是一個重點。（2） 錨定部分錨定部分也叫“支撐部分” ，其作用是將封隔器支撐在套管壁上，防止封隔器由于縱向移動而影響密封性能，或引起封隔器過早解封。它主要包括水力錨和卡瓦

15、等。水力錨使用比較廣泛，它通常由許多卡瓦牙或者鋸齒形錨爪構成的，它即可以與封隔器設計成一體，與卡瓦配合使用，也可以單獨接在封隔器上。卡瓦也是一種常用的起錨定作用的機構，美國使用最多。早期的封隔器由于下入深度淺或承壓能力低，一般無需帶卡瓦，或只在膠筒上部用單卡瓦。1934 年才開始在膠筒下部采用下卡瓦。七十年代，美國格伯森公司研制成功了能承受雙向壓差的整體卡瓦。有時，為了使力的分布均勻，在膠筒兩端使用兩個整體卡瓦。為了防止封隔器的縱向移動，特別在深井和高壓作業中，往往采用正、反多級卡瓦，或附加上水力錨，即使是支撐井底的支柱式封隔器，由于怕壓壞尾管，也往往如此。（3） 扶正部分扶正部分主要起扶正密

16、封元件的作用(尤其在井身質量不好的井中)，同時也起初卡作用，便于封隔器坐封。這種作用，通常由一些扶正彈簧和狀如燈籠的扶正器精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業承擔。在轉動管柱坐封封隔器時，扶正彈簧片對套管壁產生足夠的摩擦力，防止封隔器殼體隨管柱轉動。扶正器一般由鐵正彈簧罩、彈簧座和彈簧構成，其作用靠外端呈圓柱面的扶正塊來實現。（4） 坐封部分坐封部分是使封隔器坐于目的層段后保持密封狀態(即工作狀態)的機構。通常，它包括坐封活塞，中心管(或開有軌跡換向槽的軌跡管)，上、下接頭，滑環套等。坐封部分動作時，能起兩個作用：1）推動錐體，使卡瓦張開(對于帶卡瓦的封隔器來說)，并貼在套管壁上；2）壓

17、縮彈性密封元件，使之脹大而密封。（5） 鎖緊部分鎖緊部分是封隔器旦坐封后，使之固定于坐封狀態(使密封元件密封后保持不變)的機構。由于封隔器鎖緊機構及動作方式在很大程度上影響封隔器的可取性，因而是設計可取式討隔器應予重視的結構部分。它通常由外中心管、銷釘，各種內鎖緊機構(如錐環、鎖環、鎖扣或鎖扣指以及棘輪機構)構成。（6） 解封部分解封部分是使油、套管連通，進而使卡瓦收回，膠桶恢復原狀、以利于起封的機構。對于丟手式封隔器，則需另行配備專用的坐封和解封工具。它通常由平衡活塞、平衡閥(循環閥)、循環孔(連通孔)、缸套或解封套、解封銷釘構成。3.2 注水工藝注水工藝利用注水井把水注入油層，以補充和保持

18、油層壓力的措施稱為注水。油田投入開發后，隨著開采時間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產量大大減少，甚至會停噴停產，造成地下殘留大量死油采不出來。為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現油田高產穩產，并獲得較高的采收率，必須對油田進行注水。分層配注的實質是在注水井中下入封隔器，將各油層分隔，在井口保持同一壓力的情況下，加強對中、低滲透層的注入量，而對高滲透層的注入量進行控制，以防止注入水單層突進，實現均勻推進，提高油田的采收率。 分層配注共有四種方法：第一種是油、套 2管兩層分注，用封隔器分隔上下兩層，油管注下層，套

19、管注上層，各層的注入量可以在地面進行控制和計量；第二種是單管多層配注，這種方式是由多級水力封隔器、配水器、底部閥門等工具，精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業按分層注水的需要組裝來實現的。根據各油層需要的注水量安裝不同直徑的配水嘴，利用配水嘴的節流損失，降低注水壓力，實現分層定量注水；第三種是自動調節配水器，該配水器是通過配水嘴使活塞前后產生節流壓差，這個壓差作用在活塞上使之控制側孔過流面積，從而使流量趨于恒定不變。在需 圖 3-2 注水管柱要改變配注量而更換水嘴時，不動管柱，不用鋼絲繩，以反洗井方式，從油套環空內注入高壓水，將中間芯子返到井口防噴管內，被裝于井口防噴管上的捕捉器抓住，取

20、出芯子，進行水嘴更換；第四種是多油管分注，一般有同心管和并列管兩種方式，國內現已不采用。油田注水方式：注水方式即是注采系統，其指注水井在油藏所處的部位和注水井與生產井之間的排列關系，可根據油田特點選擇以下注水方式：邊緣注水，其分為緣外注水、緣上注水和邊內注水三種；切割注水；面積注水，可分五點法注水，七點法注水，歪七點法注水，四點法注水及九點法注水等。注水井井身結構： 注水井井身主要由導管、表層套管、技術套管、油層套管等組成。導管用來保護井口附近的地層，一般采用螺紋管，周圍用混凝土固定。表層套管用以封隔上部不穩定的松軟地層和水層。技術套管用以封隔難以控制的復雜地層，保證鉆井工作順利進行。油層套管

21、的作用是保護井壁，造成油氣通路，隔絕油、氣、水層，下人深度視生產層層位和完井的方法來決定。一般采用 46套管。4 主要研究內容主要研究內容對收集資料的整理并加以分析，以及現場使用封隔器信息的反饋，目前封隔器失效的主要原因是:（1）內膠筒彈性橡膠性能和加工制造質量差，膠筒破裂；（2）密封性能不可靠，密封元件使用壽命短，提高了鉆采成本；（3）承受壓力低；（4）坐封困難（尤其在中深井、深井工作中） ；（5）解封不可靠，外膠筒設置不合理，取出困難。針對以上失效原理以及收集國內外相關研究成果技術資料，分析封隔器國內外研制的封隔器特點和弊端，提出本設計的研究內容；（1）坐封方式研究，針對高壓確定本設計的坐

22、封機構方案，同時要求坐封可靠，機構簡單，操作方便；精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業（2）解封方式研究，要求在工作過程中不能因為誤動作而使封隔器解封，或者解封不可靠，不能順利取出而造成卡封現象，引發井下事故（3）對密封元件的材料進行研究，尋求可以更好的承受高壓，耐高溫的材料，滿足工況要求，同時對密封元件的采取形式的研究，從而更好的有效封隔。本次設計的封隔器適用工況條件：（1）適用的分層配注方式：油、套管兩層分注，封隔器分隔上、下兩層，油管注下層，套管注上層；（2）適用于注水井排液、洗井后；（3）適用的工作溫度為 120以下；（4）適用于高壓注水，壓差為 50MPa。5 總體方案確定總體

23、方案確定確定本次設計的封隔器的型號為：Y241-115。以下是高壓封隔器的總體結構圖： 圖 5-1 高壓單管封隔器裝配圖5.1 結構結構本封隔器的上下接頭 1、32 與油井油管相接，中心管的內徑為50，襯套 5 與中心管 1 的配合為間隙配合，襯套不會隨著中心管的軸向移動而移動，卡簧座 13 與精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業襯套 5 采用管螺紋連接，坐封狀態的鎖緊元件是卡簧 14，卡簧 14 與卡簧座 13 也采用螺紋連接，卡簧 14 在下入注水井之前應使其張開處于工作狀態，其張開靠鎖塊15 的支撐作用，同時采用兩級液缸結構，在工作中能使密封裝置迅速達到坐封狀態，下端的卡瓦 33

24、靠錐體 26 支撐，錐體 26 的鎖緊元件是鎖緊瓦 24。5.2 坐封坐封當封隔器下到預定位置后，從油管內施加液壓，經中心管 1 上的小孔及液缸活塞與中心管形成的特定流道進入上、下液缸的壓力室，上、下液缸均有向上移動的趨勢，當壓力上升至 34MPa 時，防坐螺釘 11 被剪斷，上下液缸開始上行，推動由膠筒壓環 10、卡簧座 13 等組成的外工作筒上行，當壓縮密封膠筒使其徑向尺寸變大，密封環空，由于卡簧 14 具有鎖緊功能，使膠筒保持壓縮狀態，同時下部的液缸下行，推動錐體 26 下行，鎖緊瓦 24 具有單向鎖緊功能，此時錐體只能向下行，撐開卡瓦 33，使其咬在套管內壁上。5.3 工作過程工作過程

25、 當封隔器承受下部液壓時，作用力通過膠筒、襯套 5 作用在油管上，有推動油管上行的趨勢，只要與封隔器相連接處的油管固定不上移，封隔器承受下壓的能力就很大。當封隔器承受上部液壓時，作用力主要由軌道螺釘 4 承擔，有推動油管下行的趨勢。為了緩解軌道螺釘 4 的工作負載，在封隔器尾部設計了卡瓦 33，工作時卡瓦齒咬合在套管內壁，其與套管內壁產生的軸向摩擦力能平衡掉一部分來自上部的液壓，從而防止了封隔器的軸向移動，保護了膠筒，減輕了軌道螺釘 4 的工作負載。同時作用在卡瓦上的力通過錐體 26、鎖緊瓦 24 作用在中心管上。故能承受較高的上壓。5.4 解封解封右轉油管 500800N，防轉剪釘 3 被剪

26、斷，上接頭 1 相對襯套 5 右轉，軌道螺釘 4 從上接頭圓周方向的槽滑入與軸線平行的直槽內，上提油管剪斷定位銷 29，帶動上接頭、中心管上行，同時卡瓦收回，而密封膠筒、膠筒壓環 10 和卡簧座 13 等組成的外工作筒依靠膠筒與套管的摩擦力保持不動，當鎖塊 15 滑動到中心管的小徑槽中時，使卡簧 14 失去其支承力，在膠筒的反彈力及自身的回收力作用下回收，膠筒靠彈性推動液缸下行，膠筒恢復原狀，封隔器完成解封。5.5 為克服管柱蠕動對封隔器影響的結構設計為克服管柱蠕動對封隔器影響的結構設計 為克服管柱蠕動對封隔器正常工作的影響，特在封隔器尾部設計了單向卡瓦結構。當對管柱加壓時管柱必然伸長，對封隔

27、器的作用相當于下放管柱，此時依靠封隔器卡瓦的單向承力作用，其卡齒與套管的摩擦力很好的克服管柱的縱向移動，從而固定住封隔器，不會引起封隔器的提早解封，并且封隔器下部的液缸也起到了一定的壓力平衡作用。當停泵或洗井時，油管內液壓下降，管柱收縮，對封隔段的作用相當于上提管柱。因此采取軌道螺釘 4 的機構，使封隔器在上移過程中定位銷 29精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業不承受拉力作用，就不會產生拉斷定位銷 29 的誤操作而使封隔器解封。另外，可以使用與該型封隔器配套的錨定工藝管柱，可減緩管柱蠕動，有利于提高分注管柱的使用壽命。6 計算設計過程計算設計過程6.1 封隔器工作參數選取封隔器工作參數

28、選取工作壓力：如表 6-1 壓力選取 50mpa（高壓） 。表 6-1工作溫度：如表 6-2 選取 120。表 6-2剛體最大外徑:如表 6-3 取115mm表 6-3精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業剛體內通徑：如表 6-4 取50mm 表 6-4適用套管139.7mm，套管內徑根據采油技術手冊P748 選取為121.7mm。6.2 各部分的結構尺寸設計各部分的結構尺寸設計6.2.16.2.1 膠筒結構參數設計膠筒結構參數設計對于密封元件的設計，應滿足以下三個條件：a、能使封隔器順利下井；b、在工作介質中能密封可靠，并且壽命長；c、在需要時能便于起出。（1）材料選取：氫化丁氰橡膠 3

29、4氫化丁氰橡膠是國外 80 年代中期開發并投入批量生產的一種新型橡膠，其具有以下特點： 1)耐油和耐熱性能好。由于對熱敏感的雙鍵部分被消除，因而耐熱性明顯提高。加之保留了氰側基(-CN)，仍具有丁氰橡膠的耐油性能； 2)強伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氫化丁氰橡膠的抗張強度達 30M Pa 以上，有特別要求的，可達 60MPa；;3)耐壓性和耐寒性優于丁氰橡膠，而其加工性與丁氰橡膠相似。而丁氰橡膠一般用于溫度低于 120，并且因為由于其受結構的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結構受到破壞而導致膠筒失效。綜上選擇材料為氫化丁氰橡膠，適合本次設計的高溫高壓要求，只是其存在永久變形大

30、和價格較貴等問題。（2）氫化丁氰橡膠的性能參數 34表 6-5 氫化丁氰橡膠的性能參數性能中膠筒端膠筒抗拉強度2726.7伸長率（%）280210硬度（邵爾 A）7886精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業永久變形2118（3）結構優化設計對于壓縮式密封元件，在承受載荷變形時，要求應力分布均勻，應避免和減少膠筒上的應力集中現象，經過有關實驗表明，一般出現裂痕和殘余變形的部位主要發生在邊緣應力集中，因此需要對膠筒的結構進行優化設計，如下：1a、端面形狀：采用外斜角為 3040的膠筒，容易坐封；b、側面形狀：采用筒形，采用此結構能使應力分布均勻，且壽命長；c、套管間隙：通常取與套管壁間隙為

31、26mm 時，其穩定性較強；d、采用的防突措施：一般采用防突件，在本設計中采用三膠筒結構，中段膠筒起密封作用（即工作膠筒） ，端部膠筒對中段膠筒起限制保護作用（即限制膠筒） 。（4）結構參數根據采油技術手冊p640 表 8-41，以及封隔器的最大外徑參數為115mm，選擇封隔器型號：玉 757。其長膠筒和短膠筒的技術規范如下表： 7表 6-6 膠筒的技術規范lDd長膠筒956511574短膠筒8050115746.2.26.2.2 根據結構特征和壓差求坐封力根據結構特征和壓差求坐封力大量使用封隔器的經驗表明，坐封載荷的大小取決于膠筒的結構，所承受的工作壓差以及其他因數。（1）計算封隔器膠筒的軸

32、向相對變形1 （6-1）1222oozooRRRRR 式中 -套管內徑，=60.85mm；oRoR-膠筒外徑，=57.5mm；1R1R -膠筒內徑，=37mm。oRoR 可得=0.1747z（2）膠筒的軸向壓縮距離 h h=H （6-2）z式中：=0.1747z H-為三膠筒的總長度，H=270mm由上可得，膠筒的軸向壓縮距離 h=47.17mm（3） 保證密封元件密封所需的總壓縮力為1 F=Fe+Fp （6-3）精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業式中 Fe-將密封元件壓貼在接觸套管所需的壓縮力；Fp-在壓差p 的作用下，為達到密封所要求的壓縮力。1）求解將密封元件壓貼在接觸套管所需的

33、壓縮力Fe （6-4）11ooERRRFe=-2式中 E-膠筒彈性模數，由機械設計手冊上冊第一分冊 P4 表 1-7 得： 10E=7.84MPa-套管內徑，=60.85mm；oRoR-膠筒外徑，=57.5mm。1R1R-泊松比，參見壓縮式縮徑井封隔器膠筒的結構優化研究 ，取：=0.5根據計算可得：=6.69KNFe2）求解在壓差p 的作用下，為達到密封所要求的壓縮力 Fp （6-5）2222141PoooozP RRRRFfR h=式中 -套管內徑，=60.85mm；oRoR-膠筒外徑，=57.5mm；1R1R -膠筒內徑，=37mm；oRoR -工作壓差，=50MPa；PP -膠筒與套管內

34、壁的摩擦系數，參見封隔器理論基礎與應用P41f1取：=0.3；f -工作膠筒的長度，=80mm。hh根據計算可得：=243.13KNPF由此可得出保證密封元件密封所需的總壓縮力為：F=249.82KN6.2.36.2.3 計算膠筒與套管間的接觸應力計算膠筒與套管間的接觸應力 膠筒能夠承受壓力的多少取決于接觸應力,工作膠筒一般處于穩定變形階段，rPw其接觸應力的計算公式由壓縮式封隔器膠筒耐溫耐壓淺析式（12）可得：rPw 27 （6-6）r122222P1()(1)()wzOOOOOOERRRTPRRRR式中 = F=249.82KNT -泊松比，參見壓縮式縮徑井封隔器膠筒的結構優化研究取：精選

35、優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業=0.5E-膠筒彈性模數，由機械設計手冊上冊第一分冊 P4 表 1-7 得：E=7.84MPa-膠筒承受壓差時高壓端壓力：=50MPazPzP、取值同前oRoR1R由此可得： =27.7MParPw查機械設計手冊上冊第一分冊 P600 可得，橡膠的扯斷強度為 29.4MPa，由此可看出：29.4MParPw所以膠筒能在井下正常工作。6.2.46.2.4 確定膠筒與套管內壁的最大許用間隙確定膠筒與套管內壁的最大許用間隙 由封隔器理論基礎與應用式 2-58 可得： （6-7） max112()2(100)oORuRR式中 -為彈性體許用相對軸向變形，取=300

36、 由此可得=25.27mm，而本設計中的=-=3.35mm,選取膠筒尺寸合理。maxououoR1Rmaxou6.2.56.2.5 確定中心管截面尺寸確定中心管截面尺寸（1）中心管材料的選擇根據機械設計手冊上冊第一分冊 P479，選擇中心管的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強度為 539.2MPa。（2）安全系數的選擇根據機械設計教科書366，對用于材料均勻，載荷與應力計算精確時 18S=1.31.5，由于封隔器的工作條件較惡劣，因此選取 S=1.5。（3）中心管的外徑選擇由于在與封隔器膠筒重合的部分間有襯套，膠筒內徑為 74mm，則取中心管的外徑為 68mm，即。bR（4）中心管內徑

37、的選擇根據中心管所受的軸向力和材料的屈服強度進行選擇。 （6-8） 22SbaF（R-R）式中-中心管內半徑aR-中心管外半徑，=34mmbRbR精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業-極限應力 S則的取值由公式確定，由前述取=539.2 MPa，S=1.5。 S SSSS可得：=359.47 MPa，從而可得中心管的內徑 S30.59mmaR由于考慮到中心管在工作中還存在其他的因數力的影響，比如液體壓力等，所以中心管的內徑盡量取小一點，再根據中心管上端與上接頭的連接是標準油管螺紋連接，查標準只有 2的螺紋連接符合，同時根據封隔器的最小內徑選擇范圍，選取中心管內徑為 50mm，即=25mm

38、，這樣中心管管壁厚為 9mm，對于其結構強度來aR講應該是比較符合要求的。所以取=25mm。aR6.2.66.2.6 液缸的缸壁厚度設計計算液缸的缸壁厚度設計計算（1）液缸材料的選取根據機械設計手冊上冊第一分冊 P479，選擇液缸的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強度為 539.2MPa。（2）液缸井下受力分析根據液缸在井下的受力情況，液缸主要承受軸向壓力，以及液壓對缸壁的剪切力，一般情況下取軸向壓應力等于軸向拉應力。（3）液缸的截面尺寸確定根據公式 （6-9） 221CSFRR式中-封隔器最大外徑，=57.5mm；1R1R-液缸的內徑；CR-為極限應力，取值同前，=359.47 MP

39、a。 S S從而求得液缸的內徑55.5mm。CR由于考慮液缸的其他工作條件因數，以及環境因數，應在不浪費材料和不影CR響封隔器正常工作的條件下盡量取小值，因此選取=53mm，這樣液缸的壁厚為CR4.5mm，同時是比較合理的。因此取=53mm。CR6.2.76.2.7 襯套的尺寸確定襯套的尺寸確定（1）襯套的材料選取根據機械設計手冊上冊第一分冊 P479，選擇襯套的材料為 35CrMo，并可知精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業該材料的屈服強度為 539.2MPa。（2）襯套的受力分析由于襯套在封隔器中只起定位作用，主要作用是為解封方式提供了一個軌道，因此基本上不受力，只是在與上接頭接觸處

40、承受一部分力。（3）襯套在與膠筒接觸處的截面厚度1由于膠筒內徑和中心管外徑都已確定，則襯套在與膠筒接觸處的截面厚度也隨即確定為ObRR式中-膠筒內徑，=37mm（ 由于膠筒裝入襯套中要撐大內徑，所以取襯OROR套外徑為 38mm） ；-中心管外徑，=34mm。bRbR所以截面厚度=4mm。（4）襯套在轉折處的截面厚度2此處的截面厚度根據膠筒所受的坐封力來確定，由于襯套在軸向上受到的坐封力 F=249.82KN，此作用力在該截面上產生剪力，因此根據剪應力計算公式來確定轉折處截面厚度。根據工程力學教科書 P149：。 19 0.6 0.8的取值由公式確定，由前述取=539.2 MPa，S=1.5。

41、得=359.47 S SSSS SMPa，取系數為 0.6，則 =215.68MPa。 根據公式，以及 FA22eAR 式中-為危險截面處的半徑，取=38mmeReR則4.85mm，根據其工作條件的復雜性，取=10mm。226.2.86.2.8 膠筒壓環的尺寸確定膠筒壓環的尺寸確定（1）膠筒壓環的材料選取根據機械設計手冊上冊第一分冊 P479，選擇襯套的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強度為 539.2MPa。（2）壓環的受力分析壓環主要受到來自軸向液缸施加的壓力，因此壓環承受壓應力。（3）確定壓環的尺寸由于壓環是安裝在襯套上，所以其內徑 R=38mm，外徑為封隔器的最大外徑，取R=5

42、7.5mm。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業（4）確定壓環的截面厚度尺寸3由（2）分析可知，壓環承受壓應力，在塑性材料中，拉應力=壓應力。效核其強度，根據公式： （6-10） 221SoFRR式中-膠筒外徑，=57.5mm；1R1R -膠筒內徑，=37mm；oRoR -坐封力，=249.82KN；FF -為極限應力，取值同前，=359.47 MPa S S因此可得=41.07MPa=359.47 MPa，結構合理，能在高壓下正221oFRR S常工作。截面厚度尺寸=20mm。36.2.96.2.9 隔環的結構設計隔環的結構設計隔環的結構設計參見采油技術手冊P640，由于膠筒在工作密封

43、時會有向 7兩端溢出現象，作為三個膠筒的中間分隔件-隔環，此時為了防止對膠筒端部的損壞，應將隔環的圓周方向上設計成弧狀，取隔環厚度為 10mm，則隔環的圓周方向設計為半徑為 5mm 的半圓狀，從而可延長密封件的壽命。6.2.106.2.10 中心管上節流小孔的尺寸設計中心管上節流小孔的尺寸設計（1）根據伯努利方程 （6-11）22112222fPVPVgh中心管節流小孔簡圖如下：由于 P1 是來自外部的上壓，相對而言，中心管長度D1孔口直徑，則斷面 1-1 流速 孔口1V處流速，可忽略不計。不計管路損失，2V1V則有（公式見液壓傳動氣壓傳動P40 16（2-53） ）： （6-12） 22/V

44、VCP其中 11( /)VaooiCld根據該書 P35 取均為 0.1，=9mm， ol圖 6-1 節流小孔簡圖則=0.9。 VC中心管中心管節流小孔簡圖D1122精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業由上可得=0.285m/s 2V則液缸要求的流量為：A，由計算可得=1.3 m/s。22qV2q310（2）負載要求液缸內的壓力為： （6-13）/PF A其中 F=249.82KN；A=4521.622(5337 )2mm則 P=55.25MPa。 （3）地面提供壓力的泵采用水力活塞泵，參見采油技術手冊P245 表 2- 745，選取類型為 SHB，其額定沖數時理論排量為 60（/日）

45、，以每天43433m工作 8 小時計算，其泵的流量為=2m/sq310（4）通過小孔的流量為： =-=2m/s-1.3 m/s=0.7 m/sTqq2q310310310通過小孔的流量由式（2-54）可得： （6-14）2/TgOqC AP所以小孔開口面積為=7.59，由此可得出節流口的半徑為 1.5mm。OA2mm6.2.116.2.11 防坐螺釘的尺寸設計防坐螺釘的尺寸設計防坐螺釘主要為了防止在坐封前的誤動作而使液缸運動，為此專門設計防坐螺釘，當作用力達到 34KN，剪斷螺釘，從而液缸開始上移壓縮膠筒，完成坐封。（1）防坐螺釘的材料選取根據根據機械設計手冊上冊第一分冊 P464，選擇螺釘的

46、材料為 35鋼，并可知該材料的抗拉強度為 315MPa。（2）防坐螺釘的半徑設計根據公式 （6-15） /F A只要大于 F 螺釘就能剪斷，從而實現坐封運動。式中，的取值同前=1.3，則=242.3MPa； SSSSS S=0.60.8，取系數為 0.8，則=193.85MPa； S F 為當在坐封力作用下能剪斷坐封螺釘的力，取 F 為 34KN由計算可得：A20.6，即20.6，從而可得：2mm2R2mm2.56mm，取=2.5mmRR查機械制圖P329 附表 6，選取 M5 的開槽盤頭螺釘，其長度取為 9mm。 156.2.126.2.12 防轉螺釘的尺寸設計防轉螺釘的尺寸設計精選優質文檔

47、-傾情為你奉上專心-專注-專業防轉螺釘的作用是為了防止在工作過程中轉動油管而引起解封的誤動作，只有當右轉油管 500800N 時，防轉螺釘被剪斷，從而實現解封。（1）防轉螺釘的材料選取根據根據機械設計手冊上冊第一分冊 P464，選擇螺釘的材料為 35鋼，并可知該材料的抗拉強度為 315MPa。（2）防轉螺釘的半徑設計 根據公式 （6-16） /F A只要 F 足夠大，防轉螺釘即可剪斷，從而實現解封。式中參數說明：防轉螺釘承受剪切力，有前述可知，同前取 1.3， SSSS則=242.3MPa ，取系數為 0.8，則=193.85MPa。 S 0.6 0.8S 取 F 為 500800N，由計算可

48、得：A4.13，即4.13，從而可得：2mm2R2mm 1.25 mm，取=1.25mmRR查機械制圖P329 附表 6，選取 M2.5 的開槽盤頭螺釘，其長度取為 6mm。6.2.136.2.13 軌道螺釘的尺寸設計軌道螺釘的尺寸設計軌道螺釘的主要作用是當防轉螺釘剪斷后，右轉油管，當軌道螺釘從上接頭圓周方向的槽內滑入與軸線平行的直槽內，上提油管，從而就能解封封隔器，因此軌道螺釘的設計強度就必須大。（1）軌道螺釘材料的選擇 根據機械設計手冊上冊第一分冊 P464，選擇螺釘的材料為 35鋼，并可知該材料的抗拉強度為 315MPa。（2）軌道螺釘的受力分析在軸線方向上，當承受上壓的時候，有一部分的

49、作用力是通過襯套傳遞到軌道螺釘，在傳遞給上接頭，因此軌道螺釘必須有足夠的強度，螺釘需經淬火處理使其強度大大提高，經淬火后的螺釘其強度可達到 8001000MPa，取為 800MPa。因為在承受上壓時，封隔器的主要承力件為軌道螺釘，因此其受壓力為50MPa，取 F=100KN，根據公式 （6-17）式 /SF A中 ， 同前取 1.3，則=615.4MPa ； SSSS S精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業 F-為承受的一部分力，取 F=100KN。 則 A 16.2，即 16.2，2mm2R2mm求得3mmR查機械制圖P330 附表 7，選取 M6 的開槽沉頭螺釘，其長度取為 l20m

50、m。6.2.146.2.14 確定中心管與上接頭的螺紋連接尺寸確定中心管與上接頭的螺紋連接尺寸由于在確定中心管的內徑時是根據采油技術手冊P685（牙型角 55圓錐管螺紋連接尺寸表）的公扣內徑最大為 51mm，以及封隔器最小尺寸只有 50mm 符合要求，因此，選擇中心管與上接頭的連接采用 2TBG 的接頭，其相關的結構尺寸參見牙型角 55圓錐管螺紋連接尺寸表。6.2.156.2.15 確定封隔器與油管連接的接頭尺寸確定封隔器與油管連接的接頭尺寸本設計在設計最初就根據目前井場上常用的油管尺寸進行設計，一般井場上常用的油管，因此本設計也選用該油管，封隔器與上下油管相連接的公扣與母扣122相關尺寸參見

51、采油技術手冊P838（國產平式、外加厚油管接頭規范表） ，選用外加厚油管，其表達為加厚 TBG。1226.2.166.2.16 內鎖緊與解封機構的相關設計內鎖緊與解封機構的相關設計（1）設計原則：內鎖緊機構在封隔器的工作中起鎖緊作用，因此其結構設計的合理性關系到封隔器是否能正常密封，其強度必須達到坐封的要求，同時解封過程簡單，能實現封隔器的重復坐封。（2）組成部分：內鎖緊及坐封與解封機構由中心管，襯套、卡簧座、卡簧體、卡簧總成以及鎖塊組成（3）工作原理：卡簧結構的設計是根據軟卡瓦注水封隔器的研制與應用進行改進，在入井前組裝時利用鎖塊撐起卡簧使其處于工作狀態；在坐封過程中，液缸上行推動卡 25簧

52、座上行，當卡簧座上行時其內赤與卡簧嚙合，并且單向鎖緊，封隔器坐封；在解封過程中，中心管上行使鎖塊落入其上的小徑槽中，卡簧在其本身的結構作用力下收回，封隔器解封。（4）內鎖緊機構的特點： 采用內鎖緊機構，可以使封隔器的坐封和解封過程中始終保持密封和卡簧的重復動作，實現了封隔器愛井下能重復坐封。（5）內鎖機構的結構設計1）卡簧體的結構設計精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業a材料選取：根據機械設計手冊上冊第一分冊 P479，選擇液缸的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強度為 539.2MPa。b結構設計：參見軟卡瓦注水封隔器的研制與應用的結構，其具有扶正作用，連接方式采用管螺紋連接與襯

53、套連接，在坐封過程中起支撐卡簧作用，同時與中心管的配合為松配合，但同時要保持一定的同軸度，因為在解封動作中，中心管向上運動，而卡簧體保持不動，所以就要求他們之間必須有一定的同軸度，防止中途卡死而不能達到解封的要求。c與襯套的螺紋連接尺寸選取：其末端的管螺紋參數的選取參見采油技術手冊P679，圓柱管螺紋基本尺寸表，選取TBG 的管螺紋型號，長度的選取26.7mm，根據實際情形，選擇長度122為 39mm。2）卡簧的尺寸與結構設計由于卡簧起主要的鎖緊作用，需承載很大的作用力，因此對卡簧的結構設計非常重要。a.材料選取根據機械設計手冊上冊第一分冊 P467，選取卡簧的材料為 70Mn，并可知該材料的

54、拉伸極限強度784.3MPa。Sb.工作原理利用卡簧的材料為彈簧鋼，具有一定彈性，從而使在在工作中利用其彈性，當液缸上行，其內壁的內齒與卡簧嚙合，從而鎖住上行的液缸，以防止液缸的后退，因此卡簧起著單向鎖緊的作用。在下井前的組裝中應先使其處于工作張開狀態，坐封過程中就可以直接進行單向鎖緊作用，解封時，上提油管柱，當中心管處的小環槽向上移動到鎖塊的位置，鎖塊退入環槽內，卡簧的壓縮力取消，則此時卡簧收回，變回初始狀態。c.結構設計 設計的結構參見軟卡瓦注水封隔器的研制與應用的結構，并在其基礎上進行改進。結構上：將 70Mn 材料的管材，中間制造成通孔，同時在周向上開四個小槽，使其在結構上分成四瓣，在

55、一端端部的內壁加工成螺紋，從而使其與卡簧體連接，工作時，四瓣狀向外張開。該設計的特點能比一般的注水封隔器鎖緊機構鎖緊力大一些，并且能實現重復坐封。d.卡簧的尺寸設計方法：卡簧的尺寸設計采用假設試算的方法。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業卡簧的結構采用四瓣結構，每瓣為 60，根據卡簧在鎖塊的作用下發生彎曲，從而產生位移，初步定一片卡簧橫截面寬度為 4mm，總長為 140mm。如下圖 6-2 所示，A 點為卡簧端部，C 點為鎖塊作用位置，AB=140mm 為卡簧的長度，為卡簧工作狀態時上端的位移即桿件的最大撓度。卡簧的內徑為 42mm，外by徑為 46mm，即卡簧的截面厚度為 4mm，根

56、據液缸的內徑為 53mm，定出卡簧工作狀態下的位移即撓度為 5mm。根據公式，見工程力學P385 附錄，簡單載荷作用下梁的變形，序號 3 圖 6-2 卡簧工作前受力圖 （6-18）236BPcylcEI式中-絕對值最大撓度，=5mm；ByBy-鎖塊對卡簧的作用力；P-鋼材的彈性模量，=200GPa；EE-極慣性矩；I-卡簧的總長度， =140mm；ll-鎖塊到卡簧固定端的距離。c的計算根根據機械設計手冊上冊第一分冊 P110，表 1-63 可得：I （6-19）44sin2890RraIa式中 -卡簧的外徑，=46mm；RR-卡簧的內徑， =42mm；rr -瓣卡簧的半角，=30aa帶入數據計

57、算可得：=3.2710 mmI54假設-鎖塊到卡簧固定端的距離 為 60mm，極慣性矩=3.2710 mm ，帶入cI54精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業（18）式，可求得鎖塊對卡簧的作用力：P=4.09KNP因此對僅有鎖塊對卡簧的作用力時的強度分析：由上圖可知卡簧端部 A 處為危險截面，此時 （6-20）maxmaxmaxmaxyyMyI式中-重心到相應邊的距離；maxy-卡簧在 P 點所受到的力矩；maxyM-極慣性矩。I其中 1)的求解公式見機械設計手冊上冊第一分冊 P110，表 1-63： maxy （6-21）33max22sin238.197RrayRra式中-卡簧的外徑

58、，=46mm；RR -卡簧的內徑， =42mm；rr -一瓣卡簧的半角，=30aa經計算可得：=42.05mmmaxy2) =c=4.0960=2.4510 （6-22）maxyMP3105從而可計算出：=31.59MPamaxmax由卡簧材料 70Mn，可知784.3MPa，取安全系數=1.3，則SS=603.3MPa SSS而 maxmax S可知卡簧采用四瓣結構，每瓣為 60橫截面寬度為 4mm，總長為 140mm，這樣的尺寸設計是合理的，符合強度要求。確定卡簧在 P 點處產生的撓度 y （6-23）236PxycxEI當= =60mm 時，y=1.7mm。xc3）卡簧座內齒的結構設計a

59、.卡簧座內齒材料選取精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業因內齒結構承受卡簧施加的軸向作用力，其內齒材料和本體液缸材料一致，采用 35CrMo，因為其功能，應對其表面淬火，使其強度提高。b.內齒的結構尺寸設計內齒位于液缸內側周向上，其設計方法與卡簧的設計方法一樣，采用試算法。假定每截內齒寬度為 5mm，高度為 3mm，其加工的位置應根據膠筒壓縮的距離確定。c.內齒的結構強度效核根據公式： （6-24） 22SFRr式中-卡簧施加給內齒的作用力，=249.82KN；FF -液缸內徑，=53mm；RR -卡簧內齒齒徑， =50mm；rr -為極限應力，取值同前，=359.47 MPa。 S S

60、經計算可得：=257.48MPa=359.47 MPa，所以該結構設計合理。22FRr S4）鎖塊的結構設計a.鎖塊材料：根據機械設計手冊上冊第一分冊 P519 選取材料為 HT200，其抗拉強度180MPa，如工程力學P134 所述，材料壓縮時的強度極限高于拉伸時數值bb的 24 倍。b.鎖塊尺寸設計：由于卡簧有四塊，所以設計鎖塊的個數為 4 個，每塊形狀為環狀。每塊鎖塊的周向尺寸確定根據下式： （6-25） bPA式中-卡簧對鎖塊的作用力，其值同前，=4.09KNPP-鎖塊與卡簧的接觸面積；A/6 （6-26）ADh式中 -鎖塊外徑，其取值為 88mm；D-鎖塊厚度，=5mm。hh經計算可