【正文】 管密封短節(jié) (也稱密封段 )與封隔器內(nèi)腔 (或密封腔容座 )之間的密封，即“內(nèi)密封。 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(shí)采用動(dòng)管柱和其他非破壞性手段解封，并從井下起出以重復(fù)使用的封隔器，后 者則指較長時(shí)間 (永久性地 )封隔地層，一般不易從井下起出的封隔器。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(tǒng)的的受力情況。 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(yè)中，也被廣泛采用。如圖 31 所示。它主要包括水力錨和卡瓦等。 1934 年才開始在膠筒下部采用下卡瓦。 （ 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(shí)也起初卡作用，便于封隔器坐封。 （ 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(jī)構(gòu)。由于封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)及動(dòng)作方式在很大程度上影響封隔器的可取性，因而是設(shè)計(jì)可取式討隔器應(yīng)予重視的結(jié)構(gòu)部分。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。 高壓單管封隔器設(shè)計(jì) 7 分層配注的實(shí)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(qiáng)對中、低滲透層的注入量，而對高滲透層的注入量進(jìn)行控制，以防止注入水單層突進(jìn)，實(shí)現(xiàn)均勻推進(jìn)，提高油田的采收率。 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(diǎn)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(diǎn)法注水，七點(diǎn)法注水，歪七點(diǎn)法注水，四點(diǎn)法注水及九點(diǎn)法注水等。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(jìn)行。 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(diǎn)和 弊端 ，提出本 設(shè) 計(jì) 的研究 內(nèi)容 ； （ 1） 坐封方式 研究 ， 針對高壓確定本設(shè)計(jì)的坐封機(jī)構(gòu)方案，同時(shí)要求坐封可靠，機(jī)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?yàn)檎`動(dòng)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(jìn)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(shí)對密封元件的采取形式的研究，從而更好的有效封隔。 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(jìn)入上 、 下液缸的壓力室， 上、下液缸均有向上移動(dòng)的趨勢，當(dāng)壓力上升至 3～ 4MPa 時(shí)，防坐螺釘 11 被 剪 斷，上下液缸開始上行，推動(dòng)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(shí)下部的液缸下行，推動(dòng)錐體 26 下行，鎖緊瓦 24 具有單向鎖緊功能，此時(shí)錐體只能向下行，撐開卡瓦 33，使其咬在套管內(nèi)壁上。同時(shí)作用在卡瓦上的力通過 錐體 2鎖緊瓦 24 作用在中心管上 。 當(dāng)對管柱 加壓時(shí) 管柱 必然 伸 長 ， 對封 隔 器的作用相當(dāng) 于下放 管柱 ， 此時(shí)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(dòng)，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。 高壓單管封隔器設(shè)計(jì) 11 6 計(jì)算設(shè)計(jì)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） 。 （ 1） 材料選?。簹浠?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(diǎn)： 12 1)耐 油 和耐熱性能好。 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。 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(shí)，其穩(wěn)定性較強(qiáng) ； d、 采用的防突措施：一般采用防突件，在本設(shè)計(jì)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(hù)作用（即限制膠筒） 。 可得 z? = （ 2）膠筒的軸向壓縮距離 h h=z? H （ 62） 式中： z? = 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= （ 3） 保證密封元件密封所需的總壓縮力為 ??1 F=Fe+F△ p （ 63） 式中 Fe將密封元件壓貼在接觸套管所需的壓縮力 ； F△ p在壓差△ p 的作用下，為達(dá)到密封所要求的壓縮力。 確定 膠筒與套管內(nèi)壁的 最大許用間隙 由《封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用》式 258 可得： ? ? ? ?m a x 112()2 (1 0 0 )o ORuR R? ???? （ 67） 式中 ??? 為彈性體許用相對軸向變形，取 ??? =300 由此可得 maxou =，而本設(shè)計(jì)中的 ou = oR? 1R = maxou ,選 取膠筒尺寸合高壓單管封隔器設(shè)計(jì) 15 理。 （ 4）中心管內(nèi)徑的選擇 根據(jù)中心管所受的軸向力和材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行選擇。 液缸的缸壁厚度設(shè)計(jì)計(jì)算 （ 1）液缸材料的選取 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)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(qiáng)度為 。 由于考慮液缸的其他工作條件因數(shù)，以及環(huán)境因數(shù)， CR 應(yīng)在不浪費(fèi)材料和不影響封隔器正常工作的條件下盡量取小值 ，因此選取 CR =53mm，這樣液缸的壁厚為 ，同時(shí)是比較合理的。 （ 3）襯套在 與膠筒接觸 處 的 截面 厚度 1? 由于膠筒內(nèi)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 OR膠筒內(nèi)徑， OR =37mm（ 由于膠筒裝入襯套中要撐大內(nèi)徑，所以取襯套外徑為 38mm）； bR 中心管外徑， bR =34mm。 ? ?S? 的 取 值 由 公 式 ? ? SS S?? ? 確 定 ， 由 前 述 取 S? = MPa ， S= 。 （ 2）壓環(huán)的受力分析 壓環(huán)主要受到來自軸向液缸施加的壓力，因此壓環(huán)承受壓應(yīng)力。 截面厚度尺寸 3? =20mm。 由上可得 2V =則液缸要求的流量為： 22qV? A， 由計(jì)算可得 2q = 310? m/s。 （ 1） 防坐螺釘?shù)牟牧线x取 根據(jù)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并可知該材料的 抗拉 強(qiáng)度為 315MPa。 （ 1） 防轉(zhuǎn)螺釘?shù)牟牧线x取 根據(jù)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并可知該材料的抗拉強(qiáng)度為 315MPa。 軌道螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì) 軌道螺釘?shù)闹饕饔檬钱?dāng)防轉(zhuǎn)螺釘剪斷后，右轉(zhuǎn)油管，當(dāng)軌道螺釘從上接頭圓周方向的槽內(nèi)滑入 與軸線平行的直槽內(nèi)，上提油管，從而就能解封封隔器，因此軌道螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度就必須大。 則 A? 2mm ， 即 2R? ? 2mm ， 求得 R ? 3mm 查《機(jī)械制圖》 P330 附表 7，選取 M6 的開槽沉頭螺釘，其長度取為 l＝20mm。 確定封隔器與油管連接的接頭尺寸 本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)最初就根據(jù) 目前井場上常用的油管尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般井場上常用 122 ″ 的油管，因此本設(shè)計(jì)也選用該油管，封隔器與上下油管相連接的公扣與母扣相關(guān)尺寸參見《采油技術(shù)手冊》 P838（國產(chǎn)平式、外加厚油管接頭規(guī)范表） ，選用外加厚油管，其表達(dá)為 122 ″ 加厚 TBG。 （ 5）內(nèi)鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1） 卡簧體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) a．材料選?。? 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)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(qiáng)度為 。 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 上冊第一分冊 P467，選取 卡簧的 材料為 70Mn，并可知該材料的拉伸極限強(qiáng)度 S?? 。結(jié)構(gòu)上：將 70Mn 材料的管材，中間制造成通孔，同時(shí)在周向上開四個(gè)小槽，使其在結(jié)構(gòu)上分成四瓣，在一端端部的內(nèi)壁加工成螺紋， 從而使其與卡簧體連接，工作時(shí)，四瓣?duì)钕蛲鈴堥_。 根據(jù)卡簧在鎖塊的作用下發(fā)生 彎曲，從 而產(chǎn)生位移，初步定一片卡簧橫截面寬度為 4mm，總長為 140mm。 I 的計(jì)算根 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P110，表 163 可得： 44 sin 28 9 0Rr aIa?????????? （ 619） 式中 R 卡簧的外徑， R =46mm； r 卡簧的內(nèi)徑， r =42mm； a 瓣卡簧的半角， a =30 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得： I = 105mm4 假設(shè) 鎖塊到卡簧固定端的距離 c 為 60mm，極慣性矩 I = 105 mm4 ，帶入（ 18）式 ，可求得 鎖塊對卡簧的作用力 P ： P = 因此 對僅有鎖塊對卡簧的作用力時(shí) 的強(qiáng)度分析： 由上圖可知 卡簧端部 A 處為危險(xiǎn)截面 ，此時(shí) m a x m a xm a x m a x yyMyI?????? （ 620） 式中 maxy 重心到相應(yīng)邊的距離； maxyM 卡簧在 P 點(diǎn)所受到的力矩； I 極慣性矩。 3）卡簧座內(nèi)齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 材料選取 因內(nèi)齒 結(jié)構(gòu)承受卡簧施加的軸向作用力， 其內(nèi)齒材料和本體液缸材料一致，采用 35CrMo，因?yàn)槠涔δ埽瑧?yīng)對其表面淬火，使其強(qiáng)度提高。 經(jīng)計(jì)算可得： ? ?22FRr? ? =＜ ? ?S? = MPa，所以該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。 經(jīng)計(jì)算可得 A =230 2mm 因此 PA =＜ ??b? ，該鎖塊設(shè)計(jì)合理，能滿足強(qiáng)度要求。 （ 2） 組成部分 鎖緊瓦機(jī)構(gòu)由 下活塞２、彈簧 、鎖緊瓦組成。 26 （ 5） 鎖緊瓦機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 構(gòu)設(shè)計(jì) 1） 材料選取 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)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(qiáng)度為 。 1） 材料選取 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 中冊 P977，選擇 彈簧 的材料為 260SiMnA 。當(dāng)封隔器承受下壓 時(shí)， 封隔器有上行的趨勢，此時(shí)卡瓦與套管壁產(chǎn)生的摩擦力 可以使封隔器保持相對靜止，從而使膠筒能進(jìn)行有效封隔， 并 能延長封隔器的使用壽命 。 3）彈簧卡圈的尺寸設(shè)計(jì) 彈簧卡圈的內(nèi)徑為 ，外徑為 ， 厚度為 3mm，兩端的倒角為30176。當(dāng)承受下壓差時(shí) ，其與套管壁產(chǎn)生摩擦力與壓差產(chǎn)生的壓力平衡。 4）卡瓦的尺寸設(shè)計(jì) 卡瓦的結(jié)構(gòu)尺寸選擇根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，然后通過對卡瓦受力分析，強(qiáng)度效核從而確定其是否合理。 ，牙高經(jīng)計(jì)算取 ，牙根刀角半徑取 ，為了增大卡瓦與套管的摩擦力，同時(shí)減少對套管的磨損，根據(jù)《 封隔器卡瓦接觸應(yīng)力研究 》 選擇 牙尖 尖角的曲率 半徑 為 。 經(jīng)計(jì)算 ： KW = KQ = KR = KF = 計(jì)算在 Qk、 Rk、 Fk 單獨(dú)作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布 ： 高壓單管封隔器設(shè)計(jì) 29 1/Qk KQA? ? （ 632） 2/Rk KRA? ? （ 633） 3/Fk KFA? ? （ 634） 式中 1A 作 用 在 卡 瓦 牙 面 上 的 壓 緊 力 Qk 的 受 力 面 積 ， 2A =Ly=2355 2mm ； 2A 作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk 的受力面積， 3A = 2mm ； 3A 摩擦力 Wk 的受力面積， 4A = 2mm 。 (1)正火。在粗車后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理 ， 其工藝是加熱到 860℃保溫 2 小時(shí) ，油冷 ， 再加熱到 600℃保溫 1. 5 小時(shí) ， 空冷至 400℃保溫 1 小時(shí) ， 然后 油 冷。感應(yīng)圈是根據(jù)卡瓦形狀和局部淬火的特 點(diǎn)而 設(shè)計(jì)的