【正文】 ............7 2. 總體方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....................................9 總體方案設(shè)計 .......................................9 結(jié)構(gòu)組成 .......................................9 工作原理 ......................................10 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..........................................10 鎖緊機構(gòu)的設(shè)計及選擇 ..........................11 錨定方式的選擇 ................................12 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 3 解封方式的選擇 ................................14 丟手機構(gòu)的設(shè)計 ................................14 設(shè)計計算 ..........................................19 膠筒的設(shè)計計算 ................................19 卡瓦的設(shè)計計算 ................................23 活塞的行程計算 ................................26 彈簧的設(shè)計計算 ................................27 剪釘?shù)脑O(shè)計計算 ................................27 封隔器坐封高度計算 ............................30 密封的設(shè)計 ....................................32 3. 強度校核 .............................................35 內(nèi)中心管的校核計算 ................................35 油缸的校核計算 ....................................36 活塞桿的強度校核 ..............................36 缸筒壁厚的校核 ................................37 上接頭凸臺處受力校核 ..............................37 鎖緊機構(gòu)的校核 ....................................37 外中心管上鎖緊機構(gòu)的校核 ......................37 襯管上卡簧片的校核 ............................38 4. 經(jīng)濟性分析 ...........................................39 5. 設(shè)計總結(jié) .............................................40 參考文獻(xiàn) .................................................41 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 4 防中途坐封封隔器 摘要 為了使封隔器在油田能夠得到進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用，在此主要針對常規(guī)封隔器在作業(yè)時存在的中途坐封、丟手失敗、承受雙向壓力能力差導(dǎo)致一次成功率低的問題，進(jìn)行防中途封隔器的設(shè)計。 油田的地下油層往往是多油層和非均質(zhì)（油水等比例及密度不一致）的。 防中途坐封裝置包括防中途坐封束爪、活塞、剪釘、襯管、中心管、上錐體、卡瓦筒、卡瓦、彈簧、下錐體和調(diào)節(jié)螺帽。封隔器大致經(jīng)歷了由無錨定到單向錨定和雙向錨定的發(fā)展過程。開窗側(cè)鉆導(dǎo)斜封隔器開窗側(cè)鉆中，只需一趟就可將封隔器、斜向器和開窗鉆頭送入設(shè)計深度，實現(xiàn)坐封，定向，開窗一次成功。目前應(yīng)用的主要封隔器產(chǎn)品系列包括： Y11 Y2ll、 Y22 Y24 Y34 Y34 Y34Y44 Y44 Y44 Y44 Y54 K33 K34 以上產(chǎn)品基礎(chǔ)上的變形產(chǎn)品較多，通過調(diào)整一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的工況要求，如壓裂、正洗井、反洗井、小直徑堵水、注汽熱采、逐級解封、免釋放可洗井、可取可鉆等，其中 Y341 的變形產(chǎn)品 最多。油井封隔器是分隔油層實行分層開采的主要井下工具。 雖然這個最終原因是相對簡單的，但是，完成這些動作的方法以及后來封隔器的解封和取出，對各種類型來說彼此有明顯差別。 （ 2）壓縮式：靠軸向壓縮封隔件使其直徑變大來實現(xiàn)密封的封隔器。 表 坐封方式代號 坐封方式名稱 提放管柱 轉(zhuǎn)管柱 自封 液壓 下工具 代號 1 2 3 4 5 （ 4）解封方式代號：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，方式應(yīng)符合表 規(guī)定。 （ 5）坐封載荷 —— 封隔器坐封時，所需的外加載荷。單位 /mm 剛體內(nèi)通徑 38 40 46 50 55 62 76 85 95 100 105 主要設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計技術(shù)參數(shù) 適用套管內(nèi)徑：Φ — Φ 剛體最大外徑： 150mm 剛體最小通徑： 75mm 坐封壓力： 11— 13MPa 丟手壓力： 17— 19MPa 工作壓差：≤ 15MPa 懸掛能力：≤ 250kN 解封力： 60— 80kN 工作溫度：≤ 120℃ 結(jié)構(gòu)及性能特點 本次設(shè)計的防中途坐封安全處理封隔器，其主要特點如下： 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 13 （ 1）設(shè)計防中途坐封裝置，封隔器在下井過程中所受的力都作用在中心管上，無論怎樣碰撞，都不會中途坐封； （ 2）丟手泄壓互為一體，只有丟手時才可以泄壓，完全避免了泄壓后不能丟手的問題； （ 3）設(shè)計了后處理安全裝置，下井安全，后處理方便； （ 4）設(shè)計了防上滑裝置，有效地防止了封隔器上滑問題，提高了封隔器的雙 向承受能力； （ 5）留井部分通徑大，可做橋塞使用； （ 6）設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)緊湊、綜合性能優(yōu)越。該型封隔器設(shè)計了防中途坐封裝置、后處理安全裝置和分壓裝置。 鎖緊部分主要由卡簧、卡簧座 16 等組成，其主要作用是防止卡瓦、封隔件回彈，保證封隔器的長期密封。泄壓后，由于鎖緊機構(gòu)和彈簧片的縮緊作用，卡瓦仍處于擴張狀態(tài)，膠筒也處于密封狀態(tài)。 鎖緊機構(gòu) 的設(shè)計及選擇 液壓封隔器坐封泄壓后，一般都采用鎖緊機構(gòu)鎖緊以防封隔件回彈，目前封隔器鎖緊機構(gòu)大致有以下幾種可供選擇： （ 1）密閉式鎖緊機構(gòu) 封隔器坐封時，液體進(jìn)入封隔器液缸由液壓力推動活塞壓縮封隔件（或擴張封隔件），泄壓后密閉機構(gòu)使液體只能進(jìn)不能出，一直保持坐封壓力。在設(shè)計這種機構(gòu)時，可采用組合式密封，使用金屬環(huán)保護(hù)密封膠心，以保證液缸內(nèi)的壓力 能維持較長的時間。 3）雙面螺紋步進(jìn)鎖緊機構(gòu) 這種鎖緊機構(gòu)由雙面帶有特殊螺紋的鎖環(huán)和鎖 環(huán)套等組成，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 從我國機械加工能力及使用可靠性等方面考慮，應(yīng)優(yōu)先選用單面螺紋步進(jìn)鎖緊機構(gòu)。這種組合錨定方式的封隔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。 （ 3）單卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)式 即采用一套卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu) ,如圖 。這主要是設(shè)計問題或加工問題，如單向卡瓦和燕尾槽配合時，若卡瓦在封隔器坐封時前部懸空，則在較大的坐封載荷下懸空部分將產(chǎn)生一定程度的彎曲變形，嚴(yán)重時卡瓦無法收回，造成卡封。 解封方式的選擇 還應(yīng)考慮封隔器坐封后的承壓平衡，使封隔器不會因液壓力而產(chǎn)生使其解封的力。為了操作方便，應(yīng)優(yōu)先考慮使用提放管柱解封方式。將管柱下井到位后，投球加壓，推動剪切活塞剪斷銷釘下行，在剪切活塞上加工有環(huán)形槽，允許鎖塊退入環(huán)形槽內(nèi)，此時鎖塊便于連接套脫開，實現(xiàn)丟手。丟手機構(gòu)通過丟手螺母與套管柱相連，丟手螺母和下接頭之間通過花鍵或八方傳遞扭矩，上接頭與上部鉆具相連接。 這種丟手機構(gòu)雖然簡單，但管柱的全部質(zhì)量完 全依靠滾珠來承擔(dān)，一旦由于管柱在下放過程中震動而壓碎滾珠，丟不開手的情況就可能發(fā)生。當(dāng)封隔器坐封完畢需要丟手時，從管柱內(nèi)加壓，控制液缸剪釘剪斷，液體壓力推動控制液缸下行，當(dāng)控制液缸與卡爪完全脫開后，上提管柱，卡爪因斜面作用張開， 上下接頭脫開，實現(xiàn)丟手。整個丟手機構(gòu)隨著管柱下入井中，到位后再下壓一點距離，使內(nèi)爪處于環(huán)形槽的中部，避免內(nèi)爪斜面與環(huán)形槽斜面相接觸而擠壓張緊套，使張緊套因自鎖而難下行。為此，選用內(nèi)爪式丟手機構(gòu)。所謂“防突”，就是在膠筒端部安放某種阻擋環(huán)、支撐環(huán)，限制裝置和保護(hù)件等，用以阻止和限制封隔器坐封時膠筒朝油套環(huán)形空間“突出”或“流動”，從而提高和保持接觸壓力，以獲得良好的密封性。上海橡膠制品研究所新進(jìn)研制的 701 型橡膠，在 150℃下基本上能耐壓 35MPa，最終因受結(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。 4） 氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠性能對比 氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠的性能對比見表 。 膠筒的計算 1）膠筒的選擇 選擇壓縮式膠筒即壓縮膠筒長度 ,從而使直徑變大 ,以達(dá)到封隔油、套筒環(huán)形空間的目的。為了使卡瓦牙受力均勻，并且盡可能小地?fù)p壞套管壁和卡瓦牙，把它設(shè)計成兩面都是錐體，具體結(jié)構(gòu)如下圖： 材料的選擇 材料選擇 40Cr, 因為卡瓦在井內(nèi)套管中靠卡瓦牙固定封隔器，對材料的硬度和韌度要求較高。 活塞的行程計算 在坐封過程中，活塞的行程等于上錐體與膠筒的行程之和，所以活塞必須有一定的行程空間，以滿足上錐體與膠筒的下移距離。 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 33 彈簧的尺寸計算 由于選擇的材料為碳素彈簧鋼，根據(jù)上表可知 ? ? ???? B?? MPa 2790008 3 4324 ??? ???? nDGdk pN/mm ???? ?pkp N 52102 ??? dDc 14 ???? ??????? ccck ? ? ?????? ?pk cd mm 取 d=2mm. 表 彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù) 參數(shù)名稱及代號 計算公式 結(jié)果 中徑 D2 D2=cd=5 2=10 10 內(nèi)徑 D1 D1=D2d=102=8 8 外徑 D D=D2+d=10+2=12 12 旋繞比 c c=D2/d=10/2=5 5 自由高度 H0 H0=nd+鉤環(huán)軸向長度 =30 2+40=100 100 螺旋角 α ????????????? 2 ??? ar c t gDpar c t g 取 4186。 丟手剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1) 材料選擇：剪釘材料選用 20CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]=295Mpa。在管柱受拉與受壓間，處于既不受拉，也不受壓時的點 O，叫中性點。外泄還會造成工作環(huán)境污染、浪費油料等一系列弊病。 以前這些具有重要作用的密封元件主要是用皮、革、麻、石棉等纖維質(zhì)的材料，所以不能完全防止泄漏。因為漏油、漏水、漏氣會使機械工作不穩(wěn)定、效率下降、污染環(huán)境、影響產(chǎn)品質(zhì)量，有時還會造成設(shè)備和人身事故。 5in（指公稱直徑）膠筒為 60～ 70mm左右。 封隔器坐封高度計算 為了加壓一定管柱重量，以保證封隔器坐封時所需要的坐封載荷，封隔器就必須要有一定的坐封高度（油管柱距頂絲法蘭的高度），這個高度取決于封隔器的下入深度、坐封 載荷和套管內(nèi)徑大小等因素。 根據(jù)上述公式， 當(dāng) p=11MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 當(dāng) p=13MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 取 d=6mm。為了使彈簧能夠可靠的工作，彈簧材料必須具有高的彈 性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。 通過對相當(dāng)應(yīng)力進(jìn)行分析和大量數(shù)值計算，可以看出，要想降低卡 瓦類零件的應(yīng)力，可在設(shè)計和施工時采取下列措施： （ 1）增加卡瓦片數(shù)； （ 2）增加卡瓦寬度； （ 3）增加卡瓦牙面長度； （ 4）適當(dāng)增大 α 角（但不宜超過 20?）； （ 5）增加卡瓦牙根部加工刀角半徑； （ 6）增加卡瓦與套管壁的摩擦角 φ。 表 物理機械性能 配方編號 501號 29號 強度 （公斤 /平方厘米） 伸長（％） 變形 （％ ) 硬度（邵氏 ) 130 155 0 89 252 250 3 82 卡瓦的設(shè)計計算 卡瓦的結(jié) 構(gòu)設(shè)計 卡瓦的工作原理是卡瓦軸向張開后，是卡瓦牙咬在套管壁上。 Ft?膠筒的抗剪切力， N； Δp?膠筒承受的工作壓差， Pa； R2?套管內(nèi)半徑， m； R1?膠筒座外半徑， m。由于對熱敏感的雙鍵部