【文章內容簡介】 （ 1）坐封 封隔器下到設計位置后，投入鋼球，待鋼球落到封隔器球座上，從井口的油管加液壓，液壓力經(jīng)油管傳到封隔器，壓力達到 57MPa 時，坐封剪釘被剪斷，坐封活塞下移，推動鎖緊機構、卡簧片、上下膠筒，補償膠筒、擋環(huán)和上錐體下行，撐 開卡瓦，同時，鎖緊機構鎖緊，繼續(xù)加壓，則剪斷膠筒處剪釘， 活塞推行膠筒下移，待壓力達到 1113MPa 時，膠筒壓縮到最大值，密封油套環(huán)形空間，彈簧片卡入襯管中鎖緊膠筒。泄壓后，由于鎖緊機構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)。 （ 2）驗封 坐封完成后，泄壓，緩慢下放管柱，懸重下降 12t 后，將管柱上提到原坐封位置，說明封隔器懸掛良好；然后，從套管加壓 15MPa， 15min 后壓降在 以內，說明膠筒密封完好。 （ 3）丟手 從井口油管加液壓至 18MPa 左右，丟手剪釘被剪斷，丟手 短節(jié)下行，由于防脫塊的作用，丟手短節(jié)被防脫塊擋住，液體從丟手束爪上的縫隙流出，實現(xiàn)丟手泄壓。 （ 4）解封 上提管柱，外中心管將隨管柱一起上移，剪斷解封銷釘，下錐體向下移，卡瓦收回，膠筒也向下移動收回，實現(xiàn)解封，提出封隔器及其攜帶的管柱。如遇封隔器下面的管柱被卡，可加力上提，剪斷懸掛銷釘，此時，下錐體掉入井中，可保證封隔器被安全起出。 結構設計 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 16 結構設計的任務就是依據(jù)所確定的原理方案，在總體設計的基礎上繪制出具體的結構圖案，以實現(xiàn)所要求的功能。在選擇零件的材料、確定零件的形狀、尺寸時，必須考慮其 加工工藝、強度、剛度、精度以及與其他零件的相互關系等問題。所以，結構設計是此設計中涉及問題最多、工作量最大的一個重要步驟。 鎖緊機構的設計及選擇 液壓封隔器坐封泄壓后，一般都采用鎖緊機構鎖緊以防封隔件回彈，目前封隔器鎖緊機構大致有以下幾種可供選擇： （ 1）密閉式鎖緊機構 封隔器坐封時，液體進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），泄壓后密閉機構使液體只能進不能出，一直保持坐封壓力。密閉機構可以采用針閥或球閥、單流閥結構，也可以采用膠體密封。采用這種鎖緊方式，封隔件回彈距極小， 結構非常緊湊。 液壓封隔器坐封泄壓后，一般都采用鎖緊機構鎖緊以防坐封件回彈，目前封隔器的鎖緊機構大致有以下幾種可供選擇： 1） 密封式鎖緊機構 封隔器坐封時，液體進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），泄壓后密閉機構使液體只能進不能出，一直保持坐封壓力。密閉機構可以采用針閥或球閥、單流閥結構，也可采用膠件密封。采用這種鎖緊方式，封隔件回彈距極小，結構非常緊湊。圖 是使用膠件的密閉式鎖緊機構示意圖 。 由圖看出，液體可通過傳壓孔進入液缸內，產(chǎn)生液壓力壓縮封隔件，泄壓后由于密 封膠心的單向作用，進入液缸內的液體不能泄出，一直保持坐封時的液壓力。在設計這種機構時，可采用組合式密封，使用金屬環(huán)保護密封膠心，以保證液缸內的壓力能維持較長的時間。密閉式鎖緊機構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，一般情況下不宜選用。 2）卡簧式鎖緊機構 這種鎖緊機構由卡簧、卡簧座等組成，卡簧可以在卡簧座單方向移動，反方向鎖緊。設計時，封隔件回彈距可控制在 4mm 以內。這種鎖緊方式機構尺寸較長。圖 是卡簧式鎖緊機構示意圖。這種鎖緊機構的卡簧數(shù)一般為 3 個 ，卡圖 用膠件的密閉式鎖緊機構示意圖 1心管 2－密封圈 3－鋼套 4－密封膠心 圖 卡簧式鎖緊機構 1卡簧體 2－承壓環(huán) 3－卡簧 4－卡簧座 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 17 簧座可單方面移動，反方向鎖緊。也可以設計成卡簧運動，卡簧座固定的形式。 3）雙面螺紋步進鎖緊機構 這種鎖緊機構由雙面帶有特殊螺紋的鎖環(huán)和鎖環(huán)套等組成，其結構如圖 所示。設計時，封隔件回彈距可控制在 4mm以內。這種鎖緊機構主要存在問題是加工難度大。這種鎖緊機構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，因此在設計和加工時應特別注意。 4）單面螺紋步進鎖緊機構 這種鎖緊機構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，其結構如圖 所示。鎖環(huán)可以在鎖環(huán)座上單方向移動，反方向 鎖緊。設計回彈距可控制在 4mm 以內，結構緊湊。這種鎖緊機構是在雙面螺紋步進鎖緊機構的基礎上發(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，應優(yōu)先選用單面螺紋步進鎖緊機構。 根據(jù)所設計的要求，選用卡簧式鎖緊機構。 錨定方式的選擇 封隔器承壓能力與解封能力有關。由于這種封隔器采用中心管與下接頭相連接的結構形式，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； 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計時選用： 1）錨、瓦結構式 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圖 錨瓦結構示意圖 1－卡瓦托 2－卡瓦 3－錐體 4－封隔件 5－錨 爪 圖 單面螺紋步進鎖緊機構 1－鎖環(huán)座 2－限位套 3－鎖環(huán) 4－鎖環(huán)套 圖 雙 面螺紋步進鎖緊機構 1－鎖環(huán)座 2－鎖環(huán)套 3－鎖環(huán) 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 18 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構復雜，加工難度大。 由于上下錨定被分開，封隔器整體結構將被拉長（參見圖 ）。這種錨定方式的封隔器一般 內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、雙錐體結構式 即兩套單向卡瓦、雙錐體結構（見圖 ）。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。這種封隔器結構與錨、瓦結構相比，結構緊湊，加工容易?，F(xiàn)有的封隔器設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構形式，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。 （ 3）單卡瓦、雙錐體結構式 即采用一套卡瓦、雙 錐體結構 ,如圖 。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，將力轉移到套管上。這種結構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，封隔器的錨定機構應位于封隔件的下部以利于封隔器的解封。 雖然雙錐體結構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引起的。這主要是設計問題或加工問題，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，嚴重時卡瓦無法收回，造成卡封。 而有一些則是由于錨定機構本身問題，如雙錐體機構的錨定，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外雙錐體雙向錨定封隔器解封結構設計的一大難題?？梢哉f，目前國內外設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，應考慮下錐體的脫卡問題。在設計封隔器時，可在圖 雙卡瓦、雙錐體結構示意圖 5－錐體 4－卡瓦 3－卡瓦 圖 單卡瓦、雙錐體結構示意圖 3－錐體 2－卡瓦 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 19 下錐體部位設計以脫卡機構，其特點是該機構允許封隔器內中心管向上運動，當內中心管向下運動時，該機構卡在內中心管上帶動下錐體一起向下運動使其脫卡。 根據(jù)設計需要，選用雙錐體錨定方式。 解封方式的選擇 還應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水平的一項重要技術指標。 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，在進行封隔器設計時，應考慮著一問題。一般只要在封隔器的結構設計上使內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。不同結構的封隔器，需要進行不同的承壓平衡分析及設計。完善的承壓平衡設計，應使封隔器在承壓時，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，應優(yōu)先考慮使用提放管柱解封方式。所以，在本次設計中，選用上提管柱的解封 方式。 丟手機構的設計 石油工程用丟手機構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構。按用途來區(qū)分，有主動丟手機構和被動丟手機構。 主動丟手機構主要應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；被動丟手機構主要應用在鉆井方面，當鉆具在井下發(fā)生事故被卡時，不得已啟動丟手機構，以保全丟手機構上邊的鉆具，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；而被動丟手機構需要 傳遞動力，往往在井下作旋轉運動，其傳遞動力的能力和安全性是第一位的。 （ 1） 不旋轉的丟手機構 1) 液壓式丟手機構 液壓式丟手機構有投球的、盲板的、帶活塞的及不帶活塞的等，但其基本結構都采用鎖塊或鎖環(huán)進行丟手（如圖 和圖 所示），這些丟手機構主要應用于采油作業(yè)中。 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 20 圖 液壓投球式丟手機構 圖 所示的丟手機構是一個動作機構內置的投球式丟手機構，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，此時鎖塊便于連接套脫開，實現(xiàn)丟手。 這種丟手機構的優(yōu)點是內置式動作機構，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。 圖 為一個動作機構外置的非投球式丟手機構，同樣用鎖塊將上下接頭連接起來。將管柱下到預定位置時，在管柱內加壓，通過傳導孔推動活塞剪斷剪釘下行 ，并帶動整個下滑套下行，在下滑套內加工有環(huán)形槽，可以使鎖塊回退到環(huán)形槽內，上 下接頭脫開，完成丟手操作。 這種丟手機構與前一種丟手機構相比，原理相同。但外置式動作機構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)結式丟手機構 圖 非投球式丟手機構 圖 3. 10 液壓非投球式丟手機構 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 21 螺紋聯(lián)結式丟手機構主要應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，其結構如圖 。丟手機構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。丟手機構隨套管柱下井，當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，然后轉動上部鉆具，因丟手螺母加工 有反螺紋，隨著鉆具的轉動便退入卸荷套內，與套管柱脫開。 這種丟手機構首先是承載能力大，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 圖 自動爪式丟手機構 自動式爪型結構是一種常用于油管柱和套管柱的自動丟手機構（如圖 ） 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，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，活塞上設計有推動環(huán)，推動爪子向內收縮，從而將管柱遇下接頭脫開，實現(xiàn)丟手。 這種機構只要加壓就可以動作，完全自動，但有兩個缺陷，第一是管柱質量依靠幾個爪子得尖端來承擔，額定載荷較小，同時丟手時，摩擦力較大，推動活圖 螺紋聯(lián)結式丟手機構 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 22 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 圖 滾珠式丟手機構 這是最簡單的丟手機構，主要用于油管柱和套管柱的丟手