【文章內(nèi)容簡介】 組合式密封，使用金屬環(huán)保護密封膠心，以保證液缸內(nèi)的壓力能維持較長的時間。密閉式鎖緊機構(gòu)主要存在慢泄壓問題，不能滿足長期密封要求，對于短期試油用的封隔器可考慮使用這種鎖緊機構(gòu)，一般情況下不宜選用。2）卡簧式鎖緊機構(gòu) 這種鎖緊機構(gòu)由卡簧、卡簧座等組成，卡簧可以在卡簧座單方向移動，反方向鎖緊。設(shè)計時，封隔件回彈距可控制在4mm以內(nèi)。這種鎖緊方式機構(gòu)尺寸較長。這種鎖緊機構(gòu)的卡簧數(shù)一般為3個，卡簧座可單方面移動，反方向鎖緊。也可以設(shè)計成卡簧運動，卡簧座固定的形式。 雙面螺紋步進鎖緊機構(gòu)1－鎖環(huán)座 2－鎖環(huán)套 3－鎖環(huán)3）雙面螺紋步進鎖緊機構(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。設(shè)計時，封隔件回彈距可控制在4mm以內(nèi)。這種鎖緊機構(gòu)主要存在問題是加工難度大。這種鎖緊機構(gòu)由于兩面帶有特殊螺紋的鎖環(huán)，開口后要產(chǎn)生一定程度的變形，因此在設(shè)計和加工時應(yīng)特別注意。 單面螺紋步進鎖緊機構(gòu)1－鎖環(huán)座 2－限位套 3－鎖環(huán) 4－鎖環(huán)套4）單面螺紋步進鎖緊機構(gòu) 這種鎖緊機構(gòu)由一面帶有特殊螺紋，一面帶有錐面的鎖環(huán)和鎖環(huán)座等組成。鎖環(huán)可以在鎖環(huán)座上單方向移動，反方向鎖緊。設(shè)計回彈距可控制在4mm以內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊。這種鎖緊機構(gòu)是在雙面螺紋步進鎖緊機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它解決了加工難度大的問題，同時提高了可靠性。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鎖緊機構(gòu)。根據(jù)所設(shè)計的要求，選用卡簧式鎖緊機構(gòu)。 錨定方式的選擇 封隔器承壓能力與解封能力有關(guān)。由于這種封隔器采用中心管與下接頭相連接的結(jié)構(gòu)形式，采用上提解封方式，在承受由上而下的壓差時，封隔器中心管將承受一定的上頂力。這個力可由下式求得：F=?pS式中 F—中心管承壓時的上頂力，N；?p—封隔器上下壓差，MPa； 錨瓦結(jié)構(gòu)示意圖1－卡瓦托 2－卡瓦3－錐體 4－封隔件 5－錨爪S—心管有效承壓面積，mm2封隔器中心管承受的上頂力上頂管柱，使得封隔器產(chǎn)生解封的趨勢，因此，封隔器承壓能力越高，解封力就越大。為此，采用雙向錨定方式。雙向錨定封隔器目前有以下幾種方式可供設(shè)計時選用：1）錨、瓦結(jié)構(gòu)式 是指水力錨和單向卡瓦組合的錨定方式。一般水力錨在封隔器的上部，防止上頂，下部采用單向卡瓦支撐防止封隔器下滑。這種組合錨定方式的封隔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。 雙卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)示意圖5－錐體 4－卡瓦 3－卡瓦由于上下錨定被分開，封隔器整體結(jié)構(gòu)將被拉長（）。這種錨定方式的封隔器一般內(nèi)中心管與下接頭相連，雖然從承壓原理上看存在著解封力與承壓能力有關(guān)的不足之處，但有一個很大的優(yōu)點，即避免了下錐體脫卡問題。 （2）雙卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)式 即兩套單向卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)（）。一般兩套單向卡瓦和雙錐體正反相接。正卡瓦用于防止封隔器上頂，反卡瓦防止封隔器下滑。這種封隔器結(jié)構(gòu)與錨、瓦結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)緊湊，加工容易?，F(xiàn)有的封隔器設(shè)計上還有將兩套卡瓦錨定分別置于封隔件上部和下部的結(jié)構(gòu)形式，這種雙向錨定方式主要存在封隔器解封時的下錐體脫卡問題。 單卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)示意圖3－錐體 2－卡瓦（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),。封隔器的上下錨定點均在這套卡瓦上。承壓時，上錐體下推卡瓦；城下壓時，下錐體下推卡瓦，將力轉(zhuǎn)移到套管上。這種結(jié)構(gòu)是目前雙向錨定封隔器中錨定方式最簡單的一種，加工亦較容易。這種錨定方式同樣也存在封隔器解封時的下錐體脫卡問題。除特殊情況以外，封隔器的錨定機構(gòu)應(yīng)位于封隔件的下部以利于封隔器的解封。雖然雙錐體結(jié)構(gòu)的錨定提高了封隔器的承壓性能，但卻大大降低了封隔器解封的安全可靠性。目前現(xiàn)場上出現(xiàn)的許多卡封事故，大都是由于錨定機構(gòu)引起的。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。而有一些則是由于錨定機構(gòu)本身問題，如雙錐體機構(gòu)的錨定，其本身不可能有下錐體脫卡的功能。雙錐體雙向錨定封隔器上提解封時，上錐體可由主動力拔開，使上部卡瓦失去支撐而脫卡，當(dāng)繼續(xù)上提時，將上拔下部卡瓦，若下錐體沒有脫開時，將不能脫卡，造成卡封事故。下錐體脫卡問題是目前國內(nèi)外雙錐體雙向錨定封隔器解封結(jié)構(gòu)設(shè)計的一大難題?？梢哉f，目前國內(nèi)外設(shè)計的雙錐體雙向錨定封隔器（下工具解封方式除外）一般都利用主動力使下錐體脫卡。因此，為了保證封隔器安全解封器出，應(yīng)考慮下錐體的脫卡問題。在設(shè)計封隔器時，可在下錐體部位設(shè)計以脫卡機構(gòu)，其特點是該機構(gòu)允許封隔器內(nèi)中心管向上運動，當(dāng)內(nèi)中心管向下運動時，該機構(gòu)卡在內(nèi)中心管上帶動下錐體一起向下運動使其脫卡。根據(jù)設(shè)計需要，選用雙錐體錨定方式。 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。這是反映封隔器技術(shù)水平的一項重要技術(shù)指標(biāo)。例如，某一雙向錨定封隔器采用上提管柱解封方式，封隔器坐封后承受上壓差時，若封隔器的內(nèi)中心管受一向上的力將上頂管柱，使封隔器有解封的趨勢。因此，在進行封隔器設(shè)計時，應(yīng)考慮著一問題。一般只要在封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上使內(nèi)中心管向下的有效作用面積大于向上的有效作用面積，就可以解決這一問題。不同結(jié)構(gòu)的封隔器，需要進行不同的承壓平衡分析及設(shè)計。完善的承壓平衡設(shè)計，應(yīng)使封隔器在承壓時，由液壓力產(chǎn)生的力直接通過錨定機構(gòu)作用到套管上，封隔器不會有因液壓力解封的趨勢。目前，封隔器的解封有上提管柱、轉(zhuǎn)管柱、液壓解封、下工具和鉆銑解封等幾種形式。為了操作方便，應(yīng)優(yōu)先考慮使用提放管柱解封方式。所以，在本次設(shè)計中，選用上提管柱的解封方式。 丟手機構(gòu)的設(shè)計石油工程用丟手機構(gòu)是一種常用的井下工具，在鉆井上通常以安全接頭的形式出現(xiàn)，在固井和采油等方面通常叫做丟手工具或自動脫掛結(jié)構(gòu)。按用途來區(qū)分，有主動丟手機構(gòu)和被動丟手機構(gòu)。主動丟手機構(gòu)主要應(yīng)用在固井和采油方面，用來將套管柱和油管柱送入井下，然后自動脫開；被動丟手機構(gòu)主要應(yīng)用在鉆井方面，當(dāng)鉆具在井下發(fā)生事故被卡時，不得已啟動丟手機構(gòu)，以保全丟手機構(gòu)上邊的鉆具，同時便于下入處理事故的工具。因此，主動丟手機構(gòu)一般不需要傳遞動力，其丟手動作的可靠性是第一位的；而被動丟手機構(gòu)需要傳遞動力，往往在井下作旋轉(zhuǎn)運動，其傳遞動力的能力和安全性是第一位的。（1） 不旋轉(zhuǎn)的丟手機構(gòu)1) 液壓式丟手機構(gòu)液壓式丟手機構(gòu)有投球的、盲板的、帶活塞的及不帶活塞的等，但其基本結(jié)構(gòu)都采用鎖塊或鎖環(huán)進行丟手（），這些丟手機構(gòu)主要應(yīng)用于采油作業(yè)中。 液壓投球式丟手機構(gòu) 所示的丟手機構(gòu)是一個動作機構(gòu)內(nèi)置的投球式丟手機構(gòu)，它主要依靠鎖塊掛住連接套和下接頭，從而掛住下部管柱。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。這種丟手機構(gòu)的優(yōu)點是內(nèi)置式動作機構(gòu)，確保在下井過程中不會因井壁摩擦發(fā)生誤操作，不投球不工作，安全可靠。 非投球式丟手機構(gòu)，同樣用鎖塊將上下接頭連接起來。將管柱下到預(yù)定位置時，在管柱內(nèi)加壓，通過傳導(dǎo)孔推動活塞剪斷剪釘下行 ，并帶動整個下滑套下行，在下滑套內(nèi)加工有環(huán)形槽，可以使鎖塊回退到環(huán)形槽內(nèi)，上下接頭脫開，完成丟手操作。這種丟手機構(gòu)與前一種丟手機構(gòu)相比，原理相同。但外置式動作機構(gòu)有可能會隨著管柱的上下活動而與外層管柱的摩擦引起誤操作，提前丟手。因此，在丟手工具的上下必須加裝剛性扶正器，以避免丟手工具與外層管柱相摩擦。2) 螺紋聯(lián)結(jié)式丟手機構(gòu) 螺紋聯(lián)結(jié)式丟手機構(gòu)螺紋聯(lián)結(jié)式丟手機構(gòu)主要應(yīng)用于石油固井套管柱中，其特點是丟手之前必須在螺紋連接處卸去重力載荷。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。丟手機構(gòu)隨套管柱下井，當(dāng)套管柱通過懸掛器掛在外層套管上或坐在井底時，繼續(xù)下放一段管柱，讓卸荷套與套管柱壓緊，卸去丟手螺母上的軸向載荷，然后轉(zhuǎn)動上部鉆具，因丟手螺母加工有反螺紋，隨著鉆具的轉(zhuǎn)動便退入卸荷套內(nèi)，與套管柱脫開。這種丟手機構(gòu)首先是承載能力大，可以承受幾百噸的載荷；其次是卸荷套消除丟手螺母的軸向載荷后，丟手螺母與套管柱之間有相對運動時，減少了摩擦力的影響，確保丟手螺母順利倒螺紋并脫開。3) 自動爪式丟手機構(gòu) 自動爪式丟手機構(gòu)自動式爪型結(jié)構(gòu)是一種常用于油管柱和套管柱的自動丟手機構(gòu)（）它通過爪子將送入工具和管柱聯(lián)接起來。工作時，在管柱下井后，從井口頭膠塞， 通過丟手機構(gòu)，將堵塞剪斷，露出傳壓孔，然后加壓，壓力通過傳壓孔作用在活塞上，推動活塞上行，活塞上設(shè)計有推動環(huán)，推動爪子向內(nèi)收縮，從而將管柱遇下接頭脫開，實現(xiàn)丟手。這種機構(gòu)只要加壓就可以動作，完全自動，但有兩個缺陷，第一是管柱質(zhì)量依靠幾個爪子得尖端來承擔(dān)，額定載荷較小，同時丟手時，摩擦力較大，推動活塞運動的液體壓力較高，丟手較困難；第二是在下管柱過程中，當(dāng)管柱遇阻或上下運動時，爪子前后擺動，有可能造成提前脫掛。4）滾珠式丟手機構(gòu) 滾珠式丟手機構(gòu)這是最簡單的丟手機構(gòu)，主要用于油管柱和套管柱的丟手作業(yè)。內(nèi)外管柱之間完全依靠滾珠聯(lián)接，當(dāng)管柱下放到設(shè)計位置時，從井口投球，然后加壓，球座剪斷銷釘脫落，稍稍活動管柱，滾珠自動脫落，便達到丟手的目的。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。因此，要求滾珠有非常高的強度和良好的質(zhì)量。（2） 可旋轉(zhuǎn)的丟手機構(gòu)1） 摩擦式丟手機構(gòu) 摩擦式丟手機構(gòu)摩擦式丟手機構(gòu)也叫摩擦式安全接頭（），主要用在石油鉆井井下工具中，常用在取心筒上，其關(guān)鍵零件是內(nèi)外筒之間的摩擦環(huán)，在摩擦環(huán)的2個端面上，通過焊接或機加工，變成凹凸不平并帶有尖銳突出物的表面，內(nèi)外筒擰緊后依靠摩擦環(huán)的2個摩擦端面?zhèn)鬟f扭矩。所傳扭矩的大小通過摩擦因數(shù)和上緊力矩來控制。當(dāng)工具在井下遇卡時，扭矩超過摩擦環(huán)鎖承受的設(shè)計扭矩時，反螺紋松開，內(nèi)外筒脫開，內(nèi)筒隨著鉆具一起上來，外筒丟在井下，保證了上部鉆具的安全。這種丟手工具摩擦環(huán)的扭矩不好控制，摩擦力過大，有可能脫不開；摩擦力過小，則導(dǎo)致提前丟手，通用實測法確定摩擦力得大小。2) 液壓爪式丟手機構(gòu) 液壓爪式丟手機構(gòu)液壓爪式丟手機構(gòu)主要用于采油作業(yè)中，當(dāng)需要機械坐封封隔器時，常用這種結(jié)構(gòu)。該丟手機構(gòu)主要通過爪式機構(gòu)來傳遞重力和扭矩（），在上接頭設(shè)計有卡爪，卡爪頂端加工有凸起的端部，在下接頭上加工有花鍵與卡爪相配合用來傳遞扭矩，花鍵的另一端有環(huán)形槽，與卡爪凸起的端部相配合用來傳遞重力，外面有控制液缸。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。這種工具的缺點主要是傳遞重力小，當(dāng)下部管柱的質(zhì)量較大時，有一定的危險性；控制液缸設(shè)計在外部，在下放管柱中外力摩擦可能誤操作，提前丟手。（3） 其它丟手機構(gòu)1) 牙嵌式丟手機構(gòu) 牙嵌式丟手機構(gòu)牙嵌式丟手機構(gòu)式一種用來傳遞大扭矩和重載荷的可旋轉(zhuǎn)丟手機構(gòu)，可用于石油鉆井的井下工具中，作為安全接頭使用（），在上接頭和滑套之間設(shè)計有相互嚙合的牙嵌；滑套和下接頭之間設(shè)計有花鍵聯(lián)接。正常鉆井時，通過牙嵌和花鍵傳遞扭矩，而軸向載荷依靠梯形反螺紋來傳遞。當(dāng)鉆具再井下遇卡時，從井口投入一個膠塞，膠塞下行剪斷堵塞，液壓孔貫通。此時加壓，推動滑套剪斷銷釘下行，牙嵌脫開，正轉(zhuǎn)鉆具，由于梯形反螺紋自行脫開，確保上部鉆具能夠順利起出井口。2) 內(nèi)爪式丟手機構(gòu) 內(nèi)爪式丟手機構(gòu)內(nèi)爪式丟手機構(gòu)主要用于油管柱和套管柱的丟手作業(yè)中。丟手工具上接頭的前端加工有內(nèi)爪，內(nèi)爪端部有突出端，進入下接頭的環(huán)形槽內(nèi)，有張緊套撐住，防止內(nèi)爪向內(nèi)收縮而丟手。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。然后投球加壓，推動張緊套剪斷剪釘向下運動，當(dāng)張緊套越過內(nèi)爪之間的長槽時，上下管柱相通泄壓，內(nèi)爪端部就可以退入張緊套上的環(huán)形槽內(nèi)，上提管柱，便自動脫開，完成丟手。這種丟手機構(gòu)的特點是運動機構(gòu)均設(shè)計在管柱內(nèi)，不會因管柱與井壁的摩擦而引起操作；二是張緊套、球及內(nèi)爪等所有零件均隨上部管柱的提出而起出，不會給管柱端部留下阻礙。缺點是承載能力小。如果用于可回收管柱的作業(yè)中，在下接頭內(nèi)部加工一個內(nèi)錐螺紋即可實現(xiàn)。（4）結(jié)論各種丟手機構(gòu)千差萬別，因此，根據(jù)使用目的和條件的不同，設(shè)計的側(cè)重點也各不相同，但是丟手動作的可靠性和安全性永遠是丟手機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。將幾種不同結(jié)構(gòu)的丟手機構(gòu)組合在一起，也是一種提高可靠性的辦法，但會增加成本和加工難度?？傊瑏G手機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)遵循可靠、安全、簡單這3項原則。為此，選用內(nèi)爪式丟手機構(gòu)。在此設(shè)計一個丟手束爪，工作原理基本與內(nèi)爪式丟手機構(gòu)相同。當(dāng)液壓力達到一定值后，剪斷丟手剪釘，丟手短節(jié)下移，被防脫環(huán)擋住，液體從束爪上的縫隙中流出，實現(xiàn)泄壓。這種丟手機構(gòu)相對來說，結(jié)構(gòu)比較簡單。 設(shè)計計算 膠筒的設(shè)計計算 膠筒的材料及性能壓縮式膠筒（以下簡稱膠筒）是壓縮式封隔器的心臟，當(dāng)封隔器膠筒承受軸向載荷時，封隔器膠筒將產(chǎn)生較大變形，使膠筒與套管之間產(chǎn)生接觸壓力，借此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，保護套管。膠筒的耐溫、耐壓能力是衡量封隔器好壞的技術(shù)指標(biāo)。膠筒的耐溫性能與材質(zhì)密切相關(guān)。膠筒耐壓能力與是否采用“防突”裝置及該裝置結(jié)構(gòu)是否合理關(guān)系甚大。所謂“防突”，就是在膠筒端部安放某種阻擋