【正文】 ”部件構(gòu)成。其中的密封元件是至關(guān)重要的核心部 件，通常制作成圓筒狀，所以也俗稱膠簡 。如圖 31 所示。近年來為實現(xiàn)油管與封隔器之 間的內(nèi)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(xiàn)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(gòu)成的，它即可以與封隔器設(shè)計成一體，與卡瓦配合使用，也可以單獨接在封隔器上 ?？ㄍ咭彩且环N常用的起錨定作用的機構(gòu)，美國使用最多。早期的封隔器由于下入深度 6 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(yè)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 主要起扶正密封元件的作用 (尤其在井身質(zhì)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承擔(dān)。在轉(zhuǎn)動管柱坐封封隔器時，扶正彈簧片對套管壁產(chǎn)生足夠的摩擦力，防止封隔器殼體隨管柱轉(zhuǎn)動。扶正器一般由鐵正彈簧罩、彈簧座和彈簧構(gòu)成，其作用靠外端呈圓柱面的扶正塊來實現(xiàn)。 （ 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(tài) (即工作狀態(tài) )的機構(gòu)。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(huán)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(tài) (使密封元件密封后保持不變 )的機構(gòu)。由于封隔器鎖緊機構(gòu)及動作方式在很大程度上影響封隔器的可取性，因而是設(shè)計可取式討隔器應(yīng)予重視的結(jié)構(gòu)部分。它通常由外中心管、銷釘，各種內(nèi)鎖緊機構(gòu) (如錐環(huán)、鎖環(huán)、鎖扣或鎖扣指以及棘輪機構(gòu) )構(gòu)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(fù)原狀、以利于起封的機構(gòu)。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(huán)閥 )、循環(huán)孔 (連通孔 )、缸套或解封套、解封銷釘構(gòu)成。 注水工藝 利用注水井把水注入油層，以補充和保持油層壓力的措施稱為注水。油田投入開發(fā)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(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，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(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對油田進行注水。 高壓單管封隔器設(shè)計 7 分層配注的實質(zhì)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(xiàn)均勻推進，提高油田的采收率。 分層配注共有四種方法 ??2 ：第一種是油、套管兩層分注，用封隔器分隔上下兩層，油管注下層，套管注上層，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，按分層注水的需要組裝來實現(xiàn)的。根據(jù)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(jié)流損失，降 低 注水壓力，實現(xiàn)分層定量注水；第三種是 自動調(diào)節(jié)配水器，該配水器是通過配水嘴使活塞前后產(chǎn)生節(jié)流壓差，這個壓差作用在活塞上使之控制側(cè)孔過流面積，從而使流量趨于恒定不變。在需 圖 32 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(huán)空內(nèi)注入高壓水，將中間芯子返到井口防噴管內(nèi)，被裝于井口防噴管上的捕捉器抓住，取出芯子，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(nèi)現(xiàn)已不采用。 油田注水方式 ： 注水方式即是注采系統(tǒng)，其指注水井在油藏所處的部位和注水井與生產(chǎn)井之間的排列關(guān)系， 可根據(jù)油田特點選擇以下注水方式： ① 邊緣注水，其分為緣外注水、緣上注水和邊內(nèi)注水三種； ② 切割注水； ③ 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(jié)構(gòu)： 注水井井身主要由導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管、油層套管等組成。導(dǎo)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(wěn)定的松軟地層和水層。技術(shù)套管用以封隔難以控制的復(fù)雜地層，保證鉆井工作順利進行。油層套管的作用是保護井壁，造成油氣通路，隔絕油、氣、 水層，下人深度視生產(chǎn)層層位和完井的方法來決定。一般采用 4″～ 6″套管。 8 4 主要研究內(nèi)容 對收集資料的整理并加以分析，以及現(xiàn)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(nèi)膠筒彈性橡膠性能和加工制造質(zhì)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(shè)置不合理，取出困難。 針對以上失效原理 以及 收集國內(nèi)外相關(guān)研究成果技術(shù)資料，分析封隔器國內(nèi)外 研制的封隔器特點和 弊端 ，提出本 設(shè) 計 的研究 內(nèi)容 ； （ 1） 坐封方式 研究 ， 針對高壓確定本設(shè)計的坐封機構(gòu)方案，同時要求坐封可靠，機構(gòu)簡單，操作方便； （ 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(xiàn)象，引發(fā)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(shè)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。 高壓單管封隔器設(shè)計 9 5 總體方案確定 確定本次設(shè)計的封隔器的型號為： Y241115。 以下是高壓封隔器的總體結(jié)構(gòu)圖 ： 圖 51 高壓單管封隔器裝配圖 結(jié)構(gòu) 本封隔器的上下接頭 32 與油井油管相接，中心管的內(nèi)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 與襯套 5 采 用管螺紋連接 ，坐封狀態(tài)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(yīng)使其張開處于工作狀態(tài)， 其張開靠鎖塊 15 的支撐作用，同時采用兩級液缸結(jié)構(gòu)，在工作中能使密封裝置迅速達到坐封狀態(tài)，下端的卡瓦 33 靠錐體 26 支撐，錐體 26 的鎖緊元件是鎖緊瓦24。 坐封 當(dāng)封隔器下到預(yù)定位置后， 從油管內(nèi)施加液壓，經(jīng)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(dāng)壓力上升至 3～ 4MPa 時，防坐螺釘 11 被 剪 斷，上下液缸開始上行，推動由 膠筒壓環(huán) 卡簧座 13 等組成的外工作筒上行， 當(dāng) 壓縮密封膠筒使其徑向尺寸變大，密封環(huán)空 ，由于卡簧 14 具有鎖緊功能，使膠筒保持壓縮狀態(tài) ， 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(nèi)壁上。 工作過程 當(dāng)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(dāng)封隔器承受上部液壓時，作用力主要由軌道螺釘 4 承擔(dān)， 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(shè)計了卡瓦 33，工作時 卡瓦齒咬合在套管內(nèi)壁，其與套管內(nèi)壁產(chǎn)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 10 軌道螺釘 4 的工作負載 。同時作用在卡瓦上的力通過 錐體 2鎖緊瓦 24 作用在中心管上 。 故能承受較高的上 壓。 解封 右轉(zhuǎn)油管 500～ 800N，防轉(zhuǎn)剪釘 3 被剪斷，上接頭 1 相對襯套 5 右轉(zhuǎn)，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(nèi)，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(huán) 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(dāng)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(fù)原狀， 封隔器 完成 解封。 為克服管柱蠕動對封隔器 影響 的結(jié)構(gòu) 設(shè)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(shè)計了單向卡瓦結(jié)構(gòu)。 當(dāng)對管柱 加壓時 管柱 必然 伸 長 ， 對封 隔 器的作用相當(dāng) 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(dāng)停泵或洗井時 ， 油管 內(nèi)液壓 下 降 ， 管柱收縮 ， 對封隔段的作用相當(dāng) 于 上提管柱 。 因此采取 軌道螺釘 4 的機構(gòu)，使封隔器在上移過程中定位銷 29 不承受拉力作用，就不會產(chǎn)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。 高壓單管封隔器設(shè)計 11 6 計算設(shè)計過程 封隔器工作參數(shù)選取 工作壓力：如表 61 壓力選取 50mpa（高壓） 。 表 61 工作溫度：如 表 62 選取 120℃ 。 表 62 剛體最大外徑 :如表 63 取 ? 115mm 表 63 剛體內(nèi)通徑：如 表 64 取 ? 50mm 表 64 適用 套管 ? ，套 管內(nèi) 徑 根據(jù) 《采 油 技術(shù) 手冊 》 P748 選取為?。 各部分的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 對于密封元件的設(shè)計，應(yīng)滿足以下三 個條件： a、能使封隔器順利下井 ； b、在工作介質(zhì)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 ??34 氫化丁氰橡膠 是國外 80 年代中期開發(fā)并投入批量生產(chǎn)的一種新型橡膠，其具有以下特點： 12 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(cè)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(yōu) 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(jié)構(gòu)的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致膠筒失效。 綜上選擇材料為氫化丁氰橡膠，適合本次設(shè)計的高溫高壓要求，只是其存在永久變形大和價格較貴等問題 。 （ 2） 氫化丁氰橡膠的性能參數(shù) ??34 表 65 氫化丁氰橡膠的性能參數(shù) 性能 中膠筒 端膠筒 抗拉強度 27 伸 長 率（ %） 280 210 硬度 （邵爾 A） 78 86 永久變形 21 18 （ 3） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計 對于壓縮式密封元件，在承受載荷變形時，要求應(yīng)力分布均勻，應(yīng)避免和減少膠筒上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)過有關(guān)實驗表明，一般出現(xiàn)裂痕和殘余變形的部位主要發(fā)生在邊緣應(yīng)力集中，因此需要對膠筒的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計 ??1 ，如下： a、端面形狀：采用外斜角為 30～ 40176。 的膠筒，容易坐封 ； b、側(cè)面形狀：采用筒形，采用此結(jié)構(gòu)能使應(yīng)力分布均勻，且壽命長 ； c、套管間隙：通常取與套管壁間隙為 2～ 6mm 時，其穩(wěn)定性較強 ； d、 采用的防突措施：一般采用防突件，在本設(shè)計中采用三膠筒結(jié)構(gòu)，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