【正文】 ........................ 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)設計 ........................... 10 6 計算設計過程 ........................................................ 11 封隔器工作參數(shù)選取 ............................................. 11 各部分的結(jié)構(gòu)尺寸設計 ........................................... 11 效核 ........................................................... 32 7 高壓單管封隔器設計的可行 性分析 ...................................... 37 8 結(jié)論 ................................................................ 38 謝辭 .................................................................. 39 參考文獻 .............................................................. 40 高壓單管封隔器設計 1 1 設計的選題目的、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)。 1951 年 ， 用于多管完井作業(yè)用的雙管封隔器也已經(jīng)問世。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。 對于封隔器本身來說，最關鍵的部件是彈性密封元件，因為它在很大程度上影響并決定著封隔器系統(tǒng)井下工作的成敗?？ㄍ咭彩且环N常用的起錨定作用的機構(gòu)，美國使用最多。 （ 6） 解封部分 解封部分是使油、套管連通，進而使卡瓦收回，膠桶恢復原狀、以利于起封的機構(gòu)。一般采用 4″～ 6″套管。 因此采取 軌道螺釘 4 的機構(gòu)，使封隔器在上移過程中定位銷 29 不承受拉力作用，就不會產(chǎn)生拉斷定位銷 29的誤操作而使封隔器解封 。其 長膠筒和短膠筒的技術規(guī)范如下表 ??7 ： 表 66 膠筒的技術規(guī)范 Ｌ l D d 長膠筒 95 65 115 74 高壓單管封隔器設計 13 短膠筒 80 50 115 74 根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和壓差求坐封 力 大量使用封隔器的經(jīng)驗表明，坐封載荷的大小取決于膠筒的結(jié)構(gòu)，所承受的工作壓差以及其他因數(shù)。 16 （ 3） 液缸的截面尺寸確定 根據(jù)公式 ? ? ? ?221 C SFRR? ??? （ 69） 式 中 1R封隔器最大外徑， 1R =； CR 液缸的內(nèi)徑； ? ?S? 為極限應力，取值同前， ? ?S? = MPa。 （ 4） 確定 壓環(huán)的截面 厚度尺寸 3? 由（ 2）分析可知，壓環(huán)承受壓應力，在塑性材料中，拉應力 =壓應力。 式中參數(shù)說明： 防轉(zhuǎn)螺釘承受剪切力，有前述可知 ? ? SS S?? ? ， S 同前取，則 ? ?S? = ， ? ? ? ? ~ S??? ，取系數(shù)為 ， 則 ??? =。 c．與 襯套的螺紋連接尺寸選?。? 其末端的管 螺紋 參數(shù) 的選取參見 《采油技術手冊》 P679，圓柱管螺紋基本尺寸表，選取 122 ″ TBG 的管螺紋型號 ，長度的選取≥ ，根據(jù)實際情形，選擇長度為 39mm。橫截面寬度為 4mm，總長為 140mm， 這樣的尺寸設計是合理的 ，符合強度要求 。由于 鎖緊瓦的 外 側(cè)表面采用錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)為小齒與中心管 外周的小齒 相嚙合，當 彈簧推動鎖緊瓦前進時，由于彈簧的彈性作用可以使鎖緊瓦有緩沖的前進，當鎖緊瓦受到相反作用力時，由于錐面具有自動鎖緊功能，其內(nèi)側(cè)小齒的結(jié)構(gòu)也能使其鎖緊，從而使錐體只能前進不能后退。 1）卡瓦的材料選擇 根據(jù)《機械設計手冊》上冊第一分冊 P480，選擇 卡瓦 的材料為 40CrMnMo，應考慮到卡瓦靠卡齒與套管壁接觸，并且承受 50MPa 的高壓差，因此需要對卡瓦材料進行淬火處理，提高其強度以能安全的在井下工作， 經(jīng)查《機械設計手冊》知該材料淬火前的強度極限 為 ? ? 980S MPa? ? ，經(jīng)淬火處理后 ，其強度極限應遠大于 980MPa 。 也即是 在卡瓦牙根部，相當應力取得最大值 ??26 ，公式見《井下工具零件應力分析》式（ 5） ： 4 221 2 1 2wk R? ? ? ? ?? ? ? （ 635） 式中 ? ? ? ?21. 06 5 0. 02 2 0. 13 7 / 13 5 1U O UR R R R???? ? ? ??? （ 636） ? ?1 2 3 423/ ( / ) ( / )U C C CR R R h R R h R R h R? ? ? ? （ 637） 1 0. 93 5 1. 92 2 / 0. 00 4 /R h r h r? ? ? （ 638） 2 0 .5 3 7 3 .7 0 8 / 0 .0 4 0 /R h r h r? ? ? （ 639） 3 2. 53 8 3. 43 8 / 0. 01 2 /R h r h r? ? ? ? （ 640） 4 2. 06 6 1. 65 2 / 0. 03 1 /R h r h r? ? ? （ 641） ? ?221 ( 4 8 ) c o s 4 2 s i n 2 / 4 s i n t a n ( ) ( s i n c o s )Z C KyW a a a a n R L a a a a? ? ?? ? ? ? ? ?? ?22c o s ( 4 8 ) c o s 4 2 s i n 2 / 2 ( s i n t a n c o s ) ( s i n c o s )Z yW a a a a a n B L a a a a a???? ? ? ? ? ??? （ 642） ? ?? ? 22 ta n c o s / ( s in ta n c o s ) 1 /( 2 ) 3 2 / s in 2Z C KyyW a n B L a a n R L c tg a a? ? ? ?? ? ? ? （ 643） ? ?1sin /(2 )KCBR? ?? （ 644） 帶入數(shù)據(jù)，得： 1R =， 2R =， 3R =， 4R =， UR =， R = 1? =， 2? = 30 K? = 則 4wk? = MPa 而經(jīng)過淬火后的牙齒材料強度可 達到 1000 MPa，因此卡瓦牙齒工作是安全的。為了保持表 面 高硬度 ， 穩(wěn)定組織 ， 消除應力 ， 在高頻表 面 淬火后應及時進行低溫回火 ， 其工藝是加熱到 200℃ 保溫 2 小時后空冷。 經(jīng)靜力分析，在軸向力（ 坐封力） Wz 作用下，作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk 及摩擦力 Wk，公式見《井下工具零件應力分析》： /KZW W n? （ 628） ? ?/ ( )KZQ W ntg a ??? （ 629） 作用在卡瓦斜面上的壓緊力 Rk 及摩擦力 Fk ? ?/ ( s i n t a n c o s )KZR W n a a??? （ 630） ? ?t a n / ( s i n t a n c o s )KZF W n a a?? （ 631） 其中 Wz軸向力，即坐封力， Wz=； Rc套管內(nèi)半徑， Rc=； a 錐體的楔形角， a =20176。 （ 4）卡瓦機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及尺寸設計 1）卡圈的材料選擇 根據(jù)《機械設計手冊》上冊第一分冊 P495，選擇 彈簧卡圈 的材料為 3Cr13，高壓單管封隔器設計 27 并可知該材料的屈服強度為 ? ?? ≥ 。 經(jīng)計算 crA = 2in 則 jP == 而壓緊螺母受到的最大壓強為 50MPa ，因此該結(jié)構(gòu)設計合理。卡簧的內(nèi)徑為42mm，外徑為 46mm，即卡簧的截面厚度為 4mm，根據(jù)液缸的內(nèi)徑為 53mm，定出卡簧工作狀態(tài)下的位移即撓度為 5mm。 （ 2）組成部分： 內(nèi)鎖緊及坐封與解封機構(gòu)由中心管，襯套、卡簧座、卡簧體、卡簧總成以及高壓單管封隔器設計 21 鎖塊組成 （ 3） 工作原理： 卡簧結(jié)構(gòu)的設計是根據(jù)《 軟卡瓦注水封隔器的研制與應用 》 進行改進， 在入井前組裝時利用鎖塊撐起卡簧使其處于工作狀態(tài)；在坐封過程中 ??25 ，液缸上行推動卡簧座上行，當卡簧座上行時其內(nèi)赤與卡簧嚙合，并且單向 鎖緊，封隔器坐封；在解封過程中，中心管上行使鎖塊落入其上的小徑槽中，卡簧在其本身的結(jié)構(gòu)作用力下收回，封隔器解封 。 式中 ?? SS S??? ， S 的取值同前 S =，則 ??S? =； ??? =～ ? ?S? ，取系數(shù)為 ，則 ??? =； F 為當 在 坐封力作用 下能剪斷坐封螺釘?shù)牧Γ?F 為 3～ 4KN 由計算 可得： A≤ 2mm ，即 2R? ≤ 2mm ，從而可得： R ≤ ，取 R = 查《機械制圖》 ??15 P329 附表 6，選取 M5 的開槽盤頭螺釘 ， 其長度取為9mm。 高壓單管封隔器設計 17 根據(jù)公式 ??FA??，以及 22 eAR??? 式中 eR為危險截面處的半徑，取 eR =38mm 則 2? ≥ ，根據(jù)其工作條件的復雜性，取 2? =10mm。 可得 ： ? ?S? = MPa，從而可得中心管的內(nèi)徑 aR ≤ 由于考慮到 中心管在工作中還存在其 他的因數(shù)力的影響，比如液體壓力等，所以中心管的內(nèi)徑盡量取小一點，再根據(jù)中心管上端與上接頭的連接是標準油管螺紋連接，查標準只有 2″ 的螺紋連接符合，同時根據(jù)封隔器的最小內(nèi)徑選擇范圍，選取中心管內(nèi)徑為 50mm，即 aR =25mm，這樣中心管管壁厚為 9mm，對于其結(jié)構(gòu)強度來講應該是比較符合要求的。 綜上選擇材料為氫化丁氰橡膠，適合本次設計的高溫高壓要求，只是其存在永久變形大和價格較貴等問題 。 解封 右轉(zhuǎn)油管 500～ 800N，防轉(zhuǎn)剪釘 3 被剪斷，上接頭 1 相對襯套 5 右轉(zhuǎn)，軌道螺釘 4 從上接頭 圓 周方向的槽滑入與軸線平行的直槽內(nèi)，上提油管剪斷 定位銷29，帶動上接頭、中心管上行，同時卡瓦收回，而密封膠筒、膠筒壓環(huán) 10 和卡簧座 13 等組成的外工作筒依靠膠筒與套管的摩擦力保持不動，當鎖塊 15 滑動到中心管的小徑槽中時，使卡簧 14 失去其支承力，在膠筒的反彈力及自身的回收力作用下回收， 膠筒靠彈性推動液缸下行，膠筒恢復原狀， 封隔器 完成 解封。導管用來保護井口附近的地層，一般采用螺紋管，周圍用混凝土固定。 坐封部分動作時，能起兩個作用： 1） 推動錐體，使卡瓦張開 (對于帶卡瓦的封隔器來說 )，并貼在套 管壁上； 2） 壓縮彈性密封元件，使之脹大而密封。 自封隔器問世以來，人們花了大量的力氣，對密封元件 (尤其是實現(xiàn)外密封的膠筒 )進行了多方面的深入研究，進而帶動了整個封隔器的研究工作，因此，封隔器密封元件的研究是一個重點。 通常，封隔器是接在油管上下井的。 我國不斷地吸取和引進國外的封隔器研發(fā)技術，現(xiàn)已初步形成了一定規(guī)模的封隔器研發(fā)隊伍，并開發(fā)出了很多適合我國油田現(xiàn)狀的新型封隔器。有許多的專業(yè)制造公司對封隔器的研發(fā)測試都非常重視 。 選題意義 我國的大多數(shù)油田屬非均質(zhì)多油層特點，油田開采的主要矛盾是如何提高各類油層的動用程度和經(jīng)濟效益，達到可持續(xù)發(fā)展。當溫度大于 150℃條件下，可承壓 34 MPa(膨脹率為2:1 時 )或 14 MPa(膨脹率為 3:1 時 )。 科技工作者們致力在封隔器的結(jié)構(gòu)設計與功能設計進行研究，以期達到