【正文】 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。 (1)正火。 ，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(duì)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 。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。當(dāng)封隔器承受下壓 時(shí)， 封隔器有上行的趨勢(shì)，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(duì)靜止，從而使膠筒能進(jìn)行有效封隔， 并 能延長(zhǎng)封隔器的使用壽命 。 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(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P479，選擇襯套的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為 。 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。 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(duì)其表面淬火，使其強(qiáng)度提高。 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(zhǎng)為 140mm。 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 上冊(cè)第一分冊(cè) 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?? 。 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(chǎng)上常用的油管尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般井場(chǎng)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(jiàn)《采油技術(shù)手冊(cè)》 P838（國(guó)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。 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。 （ 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(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) 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。 截面厚度尺寸 3? =20mm。 ? ?S? 的 取 值 由 公 式 ? ? SS S?? ? 確 定 ， 由 前 述 取 S? = MPa ， S= 。 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。 （ 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。 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(zhǎng)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。 3)耐壓性和耐寒性?xún)?yōu) 于丁氰 橡膠 ，而 其加工性與 丁氰 橡膠相似。 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 11 6 計(jì)算設(shè)計(jì)過(guò)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） 。同時(shí)作用在卡瓦上的力通過(guò) 錐體 2鎖緊瓦 24 作用在中心管上 。 針對(duì)以上失效原理 以及 收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果技術(shù)資料，分析封隔器國(guó)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(duì)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(jiǎn)單，操作方便； （ 2） 解封方式研究， 要求 在工作過(guò)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(duì)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(duì)密封元件的采取形式的研究，從而更好的有效封隔。 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。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(xiāo)釘構(gòu)成。 （ 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)。 1934 年才開(kāi)始在膠筒下部采用下卡瓦。如圖 31 所示。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。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”；一種是油管或油管密封短節(jié) (也稱(chēng)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。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 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(kāi)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。目前、美國(guó)參與封隔器研制、銷(xiāo)售的廠商或公司不下于40 家 (還出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)從事封隔器研制的貝克封隔器公司 )。油田開(kāi)發(fā)初期自噴井較多，封隔器應(yīng)用相對(duì)較少。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(méi)有，主要靠進(jìn)口。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(kāi)發(fā)具有重要的意義。 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。 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。封隔器膠筒是密封的關(guān)鍵，密封件仍以膠筒為主。 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。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。 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 。 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 。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)。它通常由外中心管、銷(xiāo)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。 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(mén)等工具，按分層注水的需要組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。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。 工作過(guò)程 當(dāng)封隔器承受下部液壓時(shí)，作用力 通過(guò)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。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 。 由于 對(duì)熱敏感的雙鍵部分被消除 ， 因 而 耐熱性明顯提高 。 （ 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。 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 。 （ 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。 所以截面厚度 ? =4mm。 （ 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=。 （ 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=。 （ 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。 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。 b． 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 參見(jiàn)《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(guò)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。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。 其中 1) maxy 的求解公式見(jiàn)《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。 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。 （ 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(kāi) 。 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。 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。 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。 經(jīng)計(jì)算得： Qk? = Rk? = Fk? = 對(duì)于作用在卡瓦牙面上的摩擦力 Wk，其主要對(duì)壓根產(chǎn)生彎矩。其 目的是為了使鋼獲得一定強(qiáng)度、塑性、硬度和切性、具有良好的綜合機(jī)械性能。 材料和尺寸選擇 。 (2)調(diào)質(zhì)。； Ly卡瓦牙面長(zhǎng)度， Ly=30mm； h 牙高， h=； r 牙根刀角半徑， r=； n 卡瓦片數(shù)， n=4； ? 摩擦角，取卡瓦與套管壁的摩擦系數(shù) ? =，則 ? =176。同時(shí)解封時(shí) 方便， 不會(huì)損傷套管壁 。 2）彈簧卡圈的工作原理 彈簧卡圈主要用于防止 卡 簧座在封隔器下井過(guò)程中 沿中心管 向上滑， 從而影響卡瓦正常工作。 。 鎖緊瓦 機(jī)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）設(shè)計(jì)原則 鎖緊瓦用于鎖緊卡瓦，防止卡瓦在承受壓力時(shí)收回，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到封隔器卡瓦是否能正常起到錨定作用，強(qiáng)度必須達(dá)到坐封的要求