【正文】 度， by 為卡簧工作狀態(tài)時上端的位移即桿件的最大撓度。 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。 內(nèi)鎖緊 與解封 機構 的相關設計 （ 1）設計原則： 內(nèi)鎖緊機構 在封隔器的工作中起鎖緊作用，因此其結構設計的合理性關系到封隔器是否能正常 密封，其強度必須達到坐封的要求 ，同 時解封過程簡單，能實現(xiàn)封隔器的重復坐封 。 （ 1） 軌道螺釘材料的選擇 根據(jù)《機械設計手冊》上冊第一分冊 P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并 20 可知該材料的抗拉強度為 315MPa。 （ 2） 防坐螺釘?shù)?半徑 設計 中心管 中心管節(jié)流小孔簡圖 D1 1 2 2 高壓單管封隔器設計 19 根據(jù)公式 ? ?/FA?? （ 615） 只要大于 F 螺釘就能剪斷，從而實現(xiàn)坐封運動。 隔環(huán)的結構設計 隔環(huán)的結構設計參見《采油技術手冊》 ??7 P640，由于膠筒在工作密封時會有向兩端溢出現(xiàn)象，作為三個膠筒的中間分隔件 隔環(huán)，此時為了防止對膠筒端部的損壞，應將隔環(huán)的圓周方向上設計成弧狀，取隔環(huán)厚度為 10mm，則隔環(huán)的圓周方向設計為半徑為 5mm 的半圓狀，從而可延長密封件的壽命。得??S? = MPa，取 系數(shù)為 ， 則 ??? =。 因此 取 CR =53mm。 ? ?22SbaF? ??（R R ） （ 68） 式中 aR中心管內(nèi)半徑 bR 中心管外半徑 ， bR =34mm ? ?S? 極限應力 則 ? ?S? 的取值 由公式 ? ? SS S?? ? 確定，由前述取 S? = MPa， S=。 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《機械設計手冊》 ??10 上冊第一分冊 P4 表 17得： E= oR? 套管內(nèi)徑， oR? =； 1R 膠筒外徑， 1R =。 而丁氰橡膠一般用于溫度低于 120℃，并且因為由于其受結構的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結構受到破壞而導致膠筒失效。 表 61 工作溫度：如 表 62 選取 120℃ 。 故能承受較高的上 壓。 本 次設計的 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。 注水井井身結構： 注水井井身主要由導管、表層套管、技術套管、油層套管等組成。 注水工藝 利用注水井把水注入油層，以補充和保持油層壓力的措施稱為注水。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。七十年代，美國格伯森公司研制成功了能承受雙向壓差的整體卡瓦。近年來為實現(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。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，保護套管的井下工具。正是由于封隔器獨特的密封作用，為油氣水井的正常生產(chǎn)和各種井下工藝措施的順利進行提供了有效的機械手段，因此，封隔器校認為是實現(xiàn)油氣田合理開采的戰(zhàn)略性武器。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150℃ 、型號為 YS 1131520 的壓縮式封隔器膠筒。近年來封隔器的用量越來越大，作用更加明顯，同時 對封隔器的性能要求更加嚴格。據(jù)統(tǒng)計，美國有關產(chǎn)品目錄上的封隔器品種已達 500 種，近幾年來，則大大超過此數(shù)，并涌現(xiàn)出不少結構改進，性能提高 的新型封隔器。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 世紀初開始開發(fā)使用的。 同時，長期以來，對低滲透、深油藏的高壓注水油田沒有合適的分注工具。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 直是一個很重要的問題。 美國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用性方面都有較高 水平，在世界上處于領先地位。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℃。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。從現(xiàn)場的使用效果來看，都能進行有效封堵，工作運行良好，并達到了國 際先進的水平。 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，必要時采用動管柱和其他非破壞性手段解封，并從井下起出以重復使用的封隔器，后 者則指較長時間 (永久性地 )封隔地層，一般不易從井下起出的封隔器。 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。它主要包括水力錨和卡瓦等。 （ 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 )，同時也起初卡作用，便于封隔器坐封。由于封隔器鎖緊機構及動作方式在很大程度上影響封隔器的可取性，因而是設計可取式討隔器應予重視的結構部分。 高壓單管封隔器設計 7 分層配注的實質(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， 加強對中、低滲透層的注入量，而對高滲透層的注入量進行控制，以防止注入水單層突進，實現(xiàn)均勻推進，提高油田的采收率。技術套管用以封隔難以控制的復雜地層，保證鉆井工作順利進行。 坐封 當封隔器下到預定位置后， 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入上 、 下液缸的壓力室， 上、下液缸均有向上移動的趨勢，當壓力上升至 3～ 4MPa 時，防坐螺釘 11 被 剪 斷，上下液缸開始上行，推動由 膠筒壓環(huán) 卡簧座 13 等組成的外工作筒上行， 當 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) ， 同時下部的液缸下行，推動錐體 26 下行，鎖緊瓦 24 具有單向鎖緊功能，此時錐體只能向下行，撐開卡瓦 33，使其咬在套管內(nèi)壁上。 當對管柱 加壓時 管柱 必然 伸 長 ， 對封 隔 器的作用相當 于下放 管柱 ， 此時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，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。 （ 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： 12 1)耐 油 和耐熱性能好。 的膠筒，容易坐封 ； b、側(cè)面形狀：采用筒形，采用此結構能使應力分布均勻，且壽命長 ； c、套管間隙：通常取與套管壁間隙為 2～ 6mm 時，其穩(wěn)定性較強 ； d、 采用的防突措施：一般采用防突件，在本設計中采用三膠筒結構，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作用（即限制膠筒） 。 確定 膠筒與套管內(nèi)壁的 最大許用間隙 由《封隔器理論基礎與應用》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 =，而本設計中的 ou = oR? 1R = maxou ,選 取膠筒尺寸合高壓單管封隔器設計 15 理。 液缸的缸壁厚度設計計算 （ 1）液缸材料的選取 根據(jù)《機械設計手冊》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度為 。 （ 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。 （ 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)承受壓應力。 由上可得 2V =則液缸要求的流量為： 22qV? A， 由計算可得 2q = 310? m/s。 （ 1） 防轉(zhuǎn)螺釘?shù)牟牧线x取 根據(jù)根據(jù)《機械設計手冊》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度為 315MPa。 則 A? 2mm ， 即 2R? ? 2mm ， 求得 R ? 3mm 查《機械制圖》 P330 附表 7，選取 M6 的開槽沉頭螺釘，其長度取為 l＝20mm。 （ 5）內(nèi)鎖機構的結構設計 1） 卡簧體的結構設計 a．材料選取： 根據(jù)《機械設計手冊》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度為 。結構上：將 70Mn 材料的管材，中間制造成通孔，同時在周向上開四個小槽，使其在結構上分成四瓣，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，四瓣狀向外張開。 I 的計算根 根據(jù)《機械設計手冊》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)計算可得： I = 105mm4 假設 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 的強度分析： 由上圖可知 卡簧端部 A 處為危險截面 ，此時 m a x m a xm a x m a x yyMyI?????? （ 620） 式中 maxy 重心到相應邊的距離； maxyM 卡簧在 P 點所受到的力矩； I 極慣性矩。 經(jīng)計算可得： ? ?22FRr? ? =＜ ? ?S? = MPa，所以該結構設計合理。 （ 2） 組成部分 鎖緊瓦機構由 下活塞２、彈簧 、鎖緊瓦組成。 1） 材料選取 根據(jù)《機械設計手冊》 中冊 P977，選擇 彈簧 的材料為 260SiMnA 。 3）彈簧卡圈的尺寸設計 彈簧卡圈的內(nèi)徑為 ，外徑為 ， 厚度為 3mm，兩端的倒角為30176。 4）卡瓦的尺寸設計 卡瓦的結構尺寸選擇根據(jù)以往的經(jīng)驗進行選擇，然后通過對卡瓦受力分析，強度效核從而確定其是否合理。 經(jīng)計算 ： KW = KQ = KR = KF = 計算在 Qk、 Rk、 Fk 單獨作用下，楔形體內(nèi)的應力分布 ： 高壓單管封隔器設計 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 。在粗車后進行調(diào)質(zhì)處理 ， 其工藝是加熱到 860℃保溫 2 小時 ，油冷 ， 再加熱到 600℃保溫 1. 5 小時 ， 空冷至 400℃保溫 1 小時 ， 然后 油 冷