【正文】 的成敗。 4 3 封隔器 以及注水過程 的工作原理 封隔器的工作原理 封隔器的介紹 所謂“封隔器”，系指具有彈性密封元件，并以此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，以控制產(chǎn) (注 )液，保護套管的井下工具。膠筒在液壓推力作用下，通 過軸向壓縮作用在封隔器套管壁上，起到密封封隔作用。 1962 年 4 月為確保獨立開發(fā)大慶油田，為油田的發(fā)展提供有效工藝技術(shù)手段，研制了 4758 型水力壓差封隔 器和 665 型偏心配水器，逐步形成了“六分四清”新工藝，并在油田大面積推廣應(yīng)用，對認識非均質(zhì)多油層砂巖油田注水開發(fā)特點，充分發(fā)揮主力油層作用，為保證油田持續(xù)生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)手段。 1951 年 ， 用于多管完井作業(yè)用的雙管封隔器也已經(jīng)問世。 對于注水開發(fā)的油田，隨著油田開發(fā)程度的加深，油井層之間矛盾日益突出，為了保持地層壓力、穩(wěn)定原油產(chǎn)量，必須采取分層注水、封堵高產(chǎn)水層等調(diào)整措施。 III 目錄 1 設(shè)計的選題目的、意義 ................................................. 1 選題目的 ........................................................ 1 選題意義 ........................................................ 1 2 國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀 ................................................... 2 3 封隔器以及注水過程的工作原理 ......................................... 4 封隔器的工作原理 ................................................ 4 封隔器的介紹 .............................................. 4 封隔器的作用 .............................................. 4 封隔器使用范圍 ............................................ 5 封隔器的主要結(jié)構(gòu)以及工作原理 .............................. 5 注水工藝 ........................................................ 6 4 主要研究內(nèi)容 ......................................................... 8 5 總體方案確定 ......................................................... 8 結(jié)構(gòu) ............................................................ 9 坐封 ............................................................ 9 工作過程 ........................................................ 9 解封 ........................................................... 10 為克服管柱蠕動對封隔器影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ........................... 10 6 計算設(shè)計過程 ........................................................ 11 封隔器工作參數(shù)選取 ............................................. 11 各部分的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 ........................................... 11 效核 ........................................................... 32 7 高壓單管封隔器設(shè)計的可行 性分析 ...................................... 37 8 結(jié)論 ................................................................ 38 謝辭 .................................................................. 39 參考文獻 .............................................................. 40 高壓單管封隔器設(shè)計 1 1 設(shè)計的選題目的、意義 選題目的 油田廣泛運用封隔器于采油、注水及其它油井特殊作業(yè)。 2 2 國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀 資料顯示，歐美等發(fā)達國家在油田開發(fā)中采用封隔器已有近百年的歷史，較早的油田封隔器是包裹在油管外面，試圖將不同的液相進行隔離。 近幾十年來，隨著鉆井、完井工藝不斷向高壓、高溫和復(fù)雜的深部地層方面發(fā)展，對封隔器提出了種種更高的要求，因而促使封隔器研制工作趨向?qū)I(yè)化，研制的產(chǎn)品日益豐富。從 1976 年到 1985 年，油田開采方式逐步由自噴轉(zhuǎn)為機械采油，封隔器的研制基本適應(yīng)了以限流法壓裂完井技術(shù)為代表的機采條件下的分層壓裂、分層堵水、分層測試等作業(yè)要求。在中、深油井的分層開采、堵水、壓裂、注水等作業(yè)中發(fā)揮了不可替代的作用。也就是說，封隔器所具備的種種功能，主要依靠彈性密封元件的密封作用來實現(xiàn)。 封隔器系統(tǒng)在井下工作的條件 —— 主要是溫度和壓力，往往因井的工藝方式的變更而改變，因而引起系統(tǒng)的受力和管柱長度發(fā)生變化，導(dǎo)致封隔器過早解封、錯封或竄封，乃至無法取出封隔 器及其他更為嚴重的惡性故障。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 。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。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)。對于丟手式封隔器，則需另行配備專用的坐封和解封工具。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。 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。 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 。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。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； 。 （ 1）計算封隔器膠筒的軸向相對變形 ??1 ? ?1222 oozooR R RRR?????? ? （ 61） 式中 oR? 套管內(nèi)徑， oR? =； 1R 膠筒外徑， 1R =； oR 膠筒內(nèi)徑， oR =37mm。 （ 3）中心管的外徑選擇 由于在與封隔器膠筒重合的部分間有襯套， 膠筒內(nèi)徑為 74mm，則取中心管的外徑為 68mm，即 bR 。 從而求得液缸的內(nèi)徑 CR ≤ 。 根據(jù)《工程力學(xué)》 ??19 教科書 P149： ? ? ? ? ~ ??? 。 效核其強度，根據(jù)公式： ? ? ? ?221 SoFRR ?? ?? （ 610） 式中 1R膠筒外徑， 1R =； oR 膠筒內(nèi)徑， oR =37mm； F 坐封力， F =； ? ?S? 為極限應(yīng)力，取值同前， ? ?S? = MPa 因此可得 ? ?221 oFRR? ? =＜ ? ?S? = MPa，結(jié)構(gòu)合理，能在高壓下正常工作。 防坐螺釘?shù)某叽缭O(shè)計 防坐螺釘主要為了防止在坐封前的誤動作而使液缸運動，為此專門設(shè)計防坐螺釘，當(dāng)作用力達到 3～ 4KN，剪斷螺釘，從而液缸開始上移壓縮膠筒，完成坐封 。 取 F 為 500～ 800N，由計算可得： A≤ 2mm ，即 2R? ≤ 2mm ，從而可得： R ≤ mm，取 R = 查《機械制圖》 P329 附表 6，選取 的 開槽盤頭螺釘，其長度取為6mm。圓錐管螺紋連接尺寸表。 2）卡簧的尺寸 與結(jié)構(gòu) 設(shè)計 由于卡簧起主要的鎖緊作用，需承載很大的作用力，因此對卡簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。 卡簧的結(jié)構(gòu)采用四瓣結(jié)構(gòu)，每瓣為 60176。 確 定卡簧在 P 點處產(chǎn)生的撓度 y ? ?2 36Pxy c xEI?? （ 623） 當(dāng) x =c =60mm 時， y=。每塊鎖塊的周向尺寸確定根據(jù)下式： ? ?bPA ?? （ 625） 高壓單管封隔器設(shè)計 25 式中 P卡簧對鎖塊的作用力 ，其值同前， P = A 鎖塊與卡簧的接觸面積； A Dh?? /6 （ 626） 式中 D 鎖塊外徑，其取值為 88mm； h 鎖塊厚度， h =5mm。 （ 4） 特點 鎖緊瓦結(jié)構(gòu)能使錐體單向前進并鎖緊，從而使卡瓦能正常工作，而不能受力收回。 （ 2）工作原理 當(dāng)錐體下行推動卡瓦時 ，四塊卡瓦沿徑向撐開，咬住 套管 。 2）卡瓦的工作原理 卡瓦工作時，依靠錐體 的作用力，將周向上的四瓣卡瓦 撐開卡在套管壁上，同時產(chǎn)生足夠大的作用力防止封隔器的軸向移動。不可大于 20176。 將 Wk、 Qk、 Rk、 Fk 單獨作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布計算后；再根據(jù)彈性疊加原理，將上述 4 個外力單獨作用下的應(yīng)力值 4wk? 、 Qk? 、 Rk? 、 Fk? 相 疊 加 ，得卡瓦的總應(yīng)力值 ? ： ? = 因經(jīng)淬火處理后，其強度極限應(yīng)遠大于 980MPa ，所以卡瓦的總體結(jié)構(gòu)尺寸合理，在工況條件下使用安全，能起到 單向錨定作用 5） 卡瓦 熱處理工藝 ??33 的確定 根據(jù) 40 CrMnMo 鋼性能及卡瓦的使用要求 ，確定 如 下 熱處理工藝 ： 正火 、 調(diào)質(zhì) 、 高頻表 面 淬火 、 低溫回火?？ㄍ叩难例X要求有較高的硬度 ， 故采用高頻表 面 淬火。 (4)低溫回火。在鍛造后進行正火處理 ， 工藝是加熱 860℃保溫 2 小時后空冷。 卡瓦的受力分析圖如下： 28 圖 63 卡瓦受力簡圖 由圖可見，卡瓦類零件在彈性力學(xué)中屬于楔形體，利用極坐標(biāo)下的相容方程和平衡方程，采用應(yīng)力函數(shù)法，可以分別求出在 Wk、 Qk、 Rk、 Fk 單獨作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布；在根據(jù)彈性疊加原理，將上述 4 個外力單獨作用下的應(yīng)力值相加，即可得到卡瓦類零件的應(yīng)力。解封時，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收回，而不損傷套管壁。 （ 3）組成部分 卡瓦機構(gòu)由卡瓦、卡瓦座 、錐體、彈簧卡圈、定位銷五部分組成。 2） 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 鎖緊瓦外側(cè)采用錐形結(jié)構(gòu) ，錐度為 18176。 5）壓緊 螺母的連接強度 根據(jù)公式 j cr pP A U?? 其中 jP 最小連接強度 ； 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 材料的最小抗拉強度， pU =； 。 內(nèi)齒位于液缸內(nèi)側(cè)周向上，其設(shè) 計方法與卡簧的設(shè)計方法一樣，采用試算法。 如 下 圖 62 所示， A 點為卡簧端部， C 點為鎖塊作用位置， AB=140mm 為卡簧的長