【文章內(nèi)容簡介】 （ 1）坐封 封隔器下到設(shè)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(gòu)、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(gòu)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(gòu)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(nèi)，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(jié)構(gòu)設(shè)計 西安石油大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 （本科論文） 16 結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是依據(jù)所確定的原理方案，在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上繪制出具體的結(jié)構(gòu)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(guān)系等問題。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計是此設(shè)計中涉及問題最多、工作量最大的一個重要步驟。 鎖緊機構(gòu)的設(shè)計及選擇 液壓封隔器坐封泄壓后，一般都采用鎖緊機構(gòu)鎖緊以防封隔件回彈，目前封隔器鎖緊機構(gòu)大致有以下幾種可供選擇： （ 1）密閉式鎖緊機構(gòu) 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(gòu)使液體只能進不能出，一直保持坐封壓力。密閉機構(gòu)可以采用針閥或球閥、單流閥結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)非常緊湊。 液壓封隔器坐封泄壓后，一般都采用鎖緊機構(gòu)鎖緊以防坐封件回彈，目前封隔器的鎖緊機構(gòu)大致有以下幾種可供選擇： 1） 密封式鎖緊機構(gòu) 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(gòu)使液體只能進不能出，一直保持坐封壓力。密閉機構(gòu)可以采用針閥或球閥、單流閥結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)非常緊湊。圖 是使用膠件的密閉式鎖緊機構(gòu)示意圖 。 由圖看出，液體可通過傳壓孔進入液缸內(nèi)，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(nèi)的液體不能泄出，一直保持坐封時的液壓力。在設(shè)計這種機構(gòu)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(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。圖 是卡簧式鎖緊機構(gòu)示意圖。這種鎖緊機構(gòu)的卡簧數(shù)一般為 3 個 ，卡圖 用膠件的密閉式鎖緊機構(gòu)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(gòu) 1卡簧體 2－承壓環(huán) 3－卡簧 4－卡簧座 西安石油大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 （本科論文） 17 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。 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，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。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。 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，其結(jié)構(gòu)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(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； 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圖 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 圖 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 圖 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) 西安石油大學(xué)畢業(yè) 設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。 由于上下錨定被分開，封隔器整體結(jié)構(gòu)將被拉長（參見圖 ）。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)（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(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。 （ 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) ,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(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，可在圖 雙卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)示意圖 5－錐體 4－卡瓦 3－卡瓦 圖 單卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)示意圖 3－錐體 2－卡瓦 西安石油大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 （本科論文） 19 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。 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（如圖 和圖 所示），這些丟手機構(gòu)主要應(yīng)用于采油作業(yè)中。 西安石油大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 （本科論文） 20 圖 液壓投球式丟手機構(gòu) 圖 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。 圖 為一個動作機構(gòu)外置的非投球式丟手機構(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) 圖 非投球式丟手機構(gòu) 圖 3. 10 液壓非投球式丟手機構(gòu) 西安石油大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 （本科論文） 21 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，其結(jié)構(gòu)如圖 。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) 圖 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)（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(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，推動活圖 螺紋聯(lián)結(jié)式丟手機構(gòu) 西安石油大學(xué)畢業(yè) 設(shè)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(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) 圖 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