【正文】 作用下的應(yīng)力值相加，即可得到卡瓦類零件的應(yīng)力。 卡瓦周向上采用四瓣， 卡瓦的齒型根據(jù)《封隔器卡瓦接觸應(yīng)力研究》中選擇齒型為 60176。解封時(shí)，卡瓦不受錐體的作用力，當(dāng)定位銷拉斷，上提中心管過程中，受到與套管的摩擦力自動(dòng)收回，而不損傷套管壁。 因?yàn)槠渲饕饔糜糜诜乐狗飧羝飨戮醒刂行墓芟蛏弦疲?由于 該力很小，因此其強(qiáng)度是足夠的，能安全工作。 （ 3）組成部分 卡瓦機(jī)構(gòu)由卡瓦、卡瓦座 、錐體、彈簧卡圈、定位銷五部分組成。 由此可得材料的許用切應(yīng)力 ??? =80 2/kg mm ，許用彎曲應(yīng)力 ??? =100 2/kg mm ，G=8000 2/kg mm ， E=21000 2/kg mm 2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2D =82mm ：端部并緊，磨平，支承圈為 1 n=6,自由高度 H=45mm。 2） 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) 鎖緊瓦外側(cè)采用錐形結(jié)構(gòu) ，錐度為 18176。 （ 3） 工作原理 當(dāng)液壓進(jìn)入下活塞腔，推動(dòng)下活塞２下行，同時(shí)壓縮彈簧， 彈簧另一端推動(dòng)鎖緊瓦帶動(dòng) 錐體向下運(yùn)動(dòng)， 從而使卡瓦張開 。 5）壓緊 螺母的連接強(qiáng)度 根據(jù)公式 j cr pP A U?? 其中 jP 最小連接強(qiáng)度 ； crA 內(nèi)螺紋的臨界橫截面積 crA =（ 22Dd? ） ， 2in ； D 螺紋外徑 ， in ； d 螺紋內(nèi)徑 ， in ； pU 材料的最小抗拉強(qiáng)度， pU =； 。 4）鎖塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ： 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P519 選取材料為 HT200，其抗拉強(qiáng)度b?? 180MPa，如《工程力學(xué)》 P134 所述，材料壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限 b? 高于拉伸時(shí)數(shù)值的 2～ 4 倍。 內(nèi)齒位于液缸內(nèi)側(cè)周向上，其設(shè) 計(jì)方法與卡簧的設(shè)計(jì)方法一樣，采用試算法。 其中 1) maxy 的求解公式見《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P110，表 163： ? ?? ?33m a x 22s i n 23 8 .1 9 7 R r ayR r a??? （ 621） 式中 R卡簧的外徑， R =46mm； r 卡簧的內(nèi)徑， r =42mm； a 一瓣卡簧的半角， a =30 經(jīng)計(jì)算可得： maxy = 2) maxyM =P c= 310 60= 105 （ 622） 從而可計(jì)算出： max max????? = 由卡簧材料 70Mn，可知 S?? ，取安全系數(shù) S =，則? ? SS S?? ? = 24 而 max max????? ﹤ ? ?S? 可知 卡簧采用四瓣結(jié)構(gòu)，每瓣為 60176。 如 下 圖 62 所示， A 點(diǎn)為卡簧端部， C 點(diǎn)為鎖塊作用位置， AB=140mm 為卡簧的長(zhǎng)度， by 為卡簧工作狀態(tài)時(shí)上端的位移即桿件的最大撓度。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)能比一般的注水封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力大一些，并且能實(shí)現(xiàn)重復(fù)坐封。 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(dāng)液缸上行，其內(nèi)壁的 內(nèi) 齒 與卡簧嚙合，從而 鎖住 上行的液缸，以防止液缸的后 22 退，因此 卡簧 起著單向鎖緊的作用。 b． 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 參見《軟卡瓦注水封隔器的研制與應(yīng)用》的結(jié)構(gòu) ，其具有扶正作用，連接方式采用管螺紋連接與 襯套連接，在坐封過程中起支撐卡簧作用，同時(shí)與中心管的配合為松配合，但同時(shí)要保持一定的同軸度， 因?yàn)樵诮夥鈩?dòng)作中，中心管向上運(yùn)動(dòng)，而卡簧體保持不動(dòng)，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(dá)到解封的要求。 內(nèi)鎖緊 與解封 機(jī)構(gòu) 的相關(guān)設(shè)計(jì) （ 1）設(shè)計(jì)原則： 內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu) 在封隔器的工作中起鎖緊作用，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到封隔器是否能正常 密封，其強(qiáng)度必須達(dá)到坐封的要求 ，同 時(shí)解封過程簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)封隔器的重復(fù)坐封 。 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(nèi)徑 時(shí)是根據(jù)《采油技術(shù)手冊(cè)》 P685（牙型角 55176。 （ 1） 軌道螺釘材料的選擇 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并 20 可知該材料的抗拉強(qiáng)度為 315MPa。 （ 2） 防 轉(zhuǎn) 螺釘?shù)陌霃皆O(shè)計(jì) 根據(jù)公式 ? ?/FA?? （ 616） 只要 F 足夠大，防轉(zhuǎn)螺釘即可剪斷，從而實(shí)現(xiàn)解封。 （ 2） 防坐螺釘?shù)?半徑 設(shè)計(jì) 中心管 中心管節(jié)流小孔簡(jiǎn)圖 D1 1 2 2 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 19 根據(jù)公式 ? ?/FA?? （ 615） 只要大于 F 螺釘就能剪斷，從而實(shí)現(xiàn)坐封運(yùn)動(dòng)。 （ 2） 負(fù)載要求液缸內(nèi)的壓力為： /P F A? （ 613） 其中 F=； A= 22(53 37 )? ? = 2mm 則 P=。 隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見《采油技術(shù)手冊(cè)》 ??7 P640，由于膠筒在工作密封時(shí)會(huì)有向兩端溢出現(xiàn)象，作為三個(gè)膠筒的中間分隔件 隔環(huán)，此時(shí)為了防止對(duì)膠筒端部的損壞，應(yīng)將隔環(huán)的圓周方向上設(shè)計(jì)成弧狀，取隔環(huán)厚度為 10mm，則隔環(huán)的圓周方向設(shè)計(jì)為半徑為 5mm 的半圓狀，從而可延長(zhǎng)密封件的壽命。 （ 3）確定壓環(huán)的尺寸 由于壓環(huán)是安裝在襯套上，所以其內(nèi)徑 R=38mm，外徑為封隔器的最大外徑，取 R=。得??S? = MPa，取 系數(shù)為 ， 則 ??? =。 所以截面厚度 ? =4mm。 因此 取 CR =53mm。 （ 2）液缸井下受力分析 根據(jù)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(duì)缸壁的剪切力，一般情況下取軸向壓應(yīng)力等于軸向拉應(yīng)力。 ? ?22SbaF? ??（R R ） （ 68） 式中 aR中心管內(nèi)半徑 bR 中心管外半徑 ， bR =34mm ? ?S? 極限應(yīng)力 則 ? ?S? 的取值 由公式 ? ? SS S?? ? 確定，由前述取 S? = MPa， S=。 確定中心管截面尺寸 （ 1）中心管材料的選擇 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P479，選擇中心管的材料為 35CrMo，并 可知該材料的屈服強(qiáng)度為 。 1） 求解將密封元件壓貼在接觸套管所需的壓縮力 Fe ? ?11 o oER RR? ?? ? ??Fe=2 （ 64） 式中 E膠筒彈性模數(shù)， 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ??10 上冊(cè)第一分冊(cè) P4 表 17得： E= oR? 套管內(nèi)徑， oR? =； 1R 膠筒外徑， 1R =。 （ 4） 結(jié)構(gòu)參數(shù) 根據(jù)《采油技術(shù)手冊(cè)》 p640 表 841，以及封隔器的最大外徑參數(shù)為∮115mm，選擇封隔器型號(hào)：玉 757。 而丁氰橡膠一般用于溫度低于 120℃，并且因?yàn)橛捎谄涫芙Y(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。 由于 對(duì)熱敏感的雙鍵部分被消除 ， 因 而 耐熱性明顯提高 。 表 61 工作溫度：如 表 62 選取 120℃ 。當(dāng)停泵或洗井時(shí) ， 油管 內(nèi)液壓 下 降 ， 管柱收縮 ， 對(duì)封隔段的作用相當(dāng) 于 上提管柱 。 故能承受較高的上 壓。 工作過程 當(dāng)封隔器承受下部液壓時(shí)，作用力 通過膠筒、襯套 5 作用在油管上，有推動(dòng) 油管上行的趨勢(shì)， 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。 本 次設(shè)計(jì)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。油層套管的作用是保護(hù)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(lái)決定。 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。 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(jìn)行控制和計(jì)量；第二種是單管多層配注，這種方式是由多級(jí)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。 注水工藝 利用注水井把水注入油層，以補(bǔ)充和保持油層壓力的措施稱為注水。它通常由外中心管、銷釘，各種內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu) (如錐環(huán)、鎖環(huán)、鎖扣或鎖扣指以及棘輪機(jī)構(gòu) )構(gòu)成。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。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)。七十年代，美國(guó)格伯森公司研制成功了能承受雙向壓差的整體卡瓦。 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(jì)成一體，與卡瓦配合使用，也可以單獨(dú)接在封隔器上 。近年來(lái)為實(shí)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。 封隔器的主要結(jié)構(gòu)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 ??1 。所謂“封隔器”，是指具有彈性密封元件：用于封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，以控制產(chǎn) (注 )液，保護(hù)套管的井下工具。按其作用原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為支撐式、卡瓦式、皮碗式、水力擴(kuò)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(kuò)張式。正是由于封隔器獨(dú)特的密封作用，為油氣水井的正常生產(chǎn)和各種井下工藝措施的順利進(jìn)行提供了有效的機(jī)械手段，因此，封隔器校認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)油氣田合理開采的戰(zhàn)略性武器。 封隔器的發(fā)展趨勢(shì)：向著高性能、多用途、適應(yīng)性強(qiáng)和更多地采用內(nèi)密封結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。鐵嶺橡膠工業(yè)研究院就選用氫化丁睛膠為主體材料、開發(fā)出了耐溫達(dá)150℃ 、型號(hào)為 YS 1131520 的壓縮式封隔器膠筒。封隔器膠筒是密封的關(guān)鍵，密封件仍以膠筒為主。近年來(lái)封隔器的用量越來(lái)越大，作用更加明顯，同時(shí) 對(duì)封隔器的性能要求更加嚴(yán)格。 我國(guó)的封隔器研究也在不斷地發(fā)展，大慶采油工藝研究所的科研歷程比較具有代表性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有關(guān)產(chǎn)品目錄上的封隔器品種已達(dá) 500 種，近幾年來(lái)，則大大超過此數(shù)，并涌現(xiàn)出不少結(jié)構(gòu)改進(jìn)，性能提高 的新型封隔器。 1942 年，第一次雙層完井使用了美國(guó)貝克工具公司制造的封隔器。類似目前所采 用的封閉油管與套管間環(huán)形空間的封隔器是從 20 世紀(jì)初開始開發(fā)使用的。以封隔器為中心的井下分層工具，對(duì)油層實(shí)現(xiàn)分采分注是極其重要的，因此對(duì)封隔器的研究對(duì)油田開發(fā)具有重要的意義。 同時(shí)，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)低滲透、深油藏的高壓注水油田沒有合適的分注工具。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)封隔器的廠家也不少，但關(guān)于高壓封隔器產(chǎn)品幾乎還沒有，主要靠進(jìn)口。在開發(fā)過程中，各油層的產(chǎn)量、壓力和吸水能力等存在很大差異，如何合理開發(fā)多層油田，提高采收率，又要可持續(xù)發(fā)展，一 直是一個(gè)很重要的問題。油田開發(fā)初期自噴井較多，封隔器應(yīng)用相對(duì)較少。 美國(guó)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(fā)出了可回收式封隔器，不論從制造精度上還是實(shí)用性方面都有較高 水平，在世界上處于領(lǐng)先地位。目前、美國(guó)參與封隔器研制、銷售的廠商或公司不下于40 家 (還出現(xiàn)了專門從事封隔器研制的貝克封隔器公司 )。而蘇聯(lián)封隔器 — 般最深下至 3000 多米，耐壓 500 多大氣壓，耐溫 20350℃。從 1986 年到 1995 年，機(jī)采井?dāng)?shù)占油井總數(shù)的%，針對(duì)地表油層和油田外圍儲(chǔ)量差、油層薄的油田的增效開采和油井的大修，根據(jù)“穩(wěn)油控水”目標(biāo)的需要，先后為注水、產(chǎn)液 、儲(chǔ)采作業(yè)研制了配套的高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 3 封隔器。封隔器的密封材料的使用也不再僅限于橡膠，相繼出現(xiàn)了金屬封隔、尼龍封隔，或它們?nèi)咧g的組合，密封和耐溫性能都取得了很大的提高。近年來(lái)，油井己進(jìn)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(duì)膠筒的侵蝕更加嚴(yán)重，對(duì)耐溫的要求相應(yīng)提高，我國(guó)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。從現(xiàn)場(chǎng)的使用效果來(lái)看，都能進(jìn)行有效封堵，工作運(yùn)行良好，并達(dá)到了國(guó) 際先進(jìn)的水平。這種密封作用，根據(jù)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