【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu) 設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 熱采封隔器是稠油開采過程中十分重要的井下工具之一，其性能的好壞直接影響注汽效果和套管的使用壽命。隨著稠油開發(fā)的不斷深入以及熱采技術(shù)的飛速發(fā)展，各稠油開發(fā)油田先后研制和推廣使用了 10 余種熱采封隔器，在這些熱采封隔器設(shè)計(jì)中井筒隔熱方式也不斷發(fā)展變化，從普通油管到真空隔熱管，從最初的液氮隔熱、機(jī)械封隔器隔熱到后來的熱脹式、熱敏金屬封隔器隔熱，隔熱效果一直在不斷地提高。目前，國內(nèi)大部分熱采管柱采用“真空隔熱管 +伸縮補(bǔ)償器 +熱敏金屬封隔器 +喇叭口”的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在兩個方面的問題： （ 1）該結(jié)構(gòu)中伸縮補(bǔ)償器及其導(dǎo)管都是單壁管，注汽時無法隔熱，熱損失較大。據(jù)曙光油廠現(xiàn)場實(shí)測，伸縮補(bǔ)償器熱損失大約占總損失量的 15%以是； （ 2）據(jù)統(tǒng)計(jì)， 55%的熱采封隔器密封效果不好，不但影響了吞吐效果，也極易使套管損壞。 （ 3）解封時要降溫，但注完蒸汽后井溫很難降低，造成解封困難。 上述問題的存在，導(dǎo)致普通熱采封隔器在使用過程中注汽效果差、對套管使用壽命影響嚴(yán)重，難以降低注汽作業(yè)費(fèi)用和保證良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此研究一種性能可靠、結(jié)構(gòu)合理的封隔器來提高稠油吞吐井井筒隔熱和密封效果勢在必行。設(shè)計(jì)的可伸縮熱采封隔器 方案如圖 。該封隔器主要由密封機(jī)構(gòu)，坐封機(jī)構(gòu)，解封機(jī)構(gòu)，扶正錨定機(jī)槍，熱力伸縮補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，安全脫卡機(jī)構(gòu)等組成。它將封隔器與伸縮管設(shè)計(jì)成一體，采用 V 形膨脹石墨密封圈組成密封系統(tǒng)，確保伸縮管熱力伸長時封隔器的密封性。采用左旋上提管柱坐封，右旋脫鎖，上提管柱解封，坐封與解封都操作簡單、安全，坐封顯示準(zhǔn)確、解封順利。 9 圖 可伸縮熱采封隔器結(jié)構(gòu)示意圖 1— 上接頭； 2— 剪切銷釘； 3— 密封套接頭； 4— 固定銷釘； 5— 上壓蓋； 6— 密封圈； 7— 擋環(huán)； 8— 密封套； 9— 中心管； 10— 限位環(huán)； 11— 導(dǎo)向 螺釘； 12— 卡瓦； 13— 彈簧； 14— 卡瓦擋環(huán)； 15— 卡瓦體； 16— 坐封銷釘； 17— 剪切環(huán)； 18— 錐體； 19— 鎖環(huán)； 20— 上擋環(huán)； 21— 膠筒總成；22— 下?lián)醐h(huán)； 23— 碟形彈簧； 24— 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)； 25— 外套； 26— 定位爪； 27— 剪切擋環(huán)； 28— 剪切滑套； 29— 伸縮管； 30— 下接頭； 31— 連接螺釘 結(jié)構(gòu)組成 該可伸縮熱采封隔器結(jié)構(gòu)如圖圖 ，主要由密封機(jī)構(gòu)、坐封鎖緊機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)、扶正錨定構(gòu)構(gòu)、熱力伸縮補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、安全脫卡機(jī)構(gòu)組成。 密封機(jī)構(gòu)主要由膠筒總成、碟形彈簧、上擋環(huán)、下?lián)醐h(huán)、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)組成。膠 筒總成由肩部保護(hù)金屬網(wǎng)、膨脹石墨等組成； 坐封鎖緊機(jī)構(gòu)主要由中心管、錐體、鎖環(huán)、導(dǎo)向螺釘、卡瓦、坐封銷釘?shù)冉M成； 解封機(jī)構(gòu)主要由外套、定位爪、剪切擋環(huán)、剪切滑套、伸縮管、下接頭、剪切環(huán)組成； 錨定機(jī)構(gòu)主要由限位環(huán)、導(dǎo)向螺釘、卡瓦、彈簧、卡瓦擋環(huán)，卡瓦體、中心管、錐體等組成； 熱力伸縮補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要包括上接頭、剪切銷釘、密封套接頭、固定銷釘、上壓蓋、密封圈、擋環(huán)、密封套、伸縮管等組成； 安全脫卡機(jī)構(gòu)主要包括中心管、剪切滑套、伸縮管、下接頭等組成。 工作原理 （ 1） 坐封 該封隔器中心管上有 J 形軌道。當(dāng)封隔器下到預(yù)定深度時，左旋油管 1/4 圈（地面 3～ 4 圈），靠摩擦片與套管的摩擦作用，使卡瓦限位環(huán)上的導(dǎo)向螺釘沿 J形軌道由短槽進(jìn)入長槽，然后上提油管，限位環(huán)、導(dǎo)向螺釘、卡瓦、彈簧、卡瓦擋環(huán)、卡瓦體靠卡瓦與套管的摩擦作用靜止不動，中心管帶動錐體一起上行，錐體將卡瓦脹開卡在套管上。此時，限位環(huán)、導(dǎo)向螺釘、卡瓦、彈簧、卡瓦擋環(huán)、卡瓦體、錐體、鎖環(huán)固定不動，繼續(xù)上提管柱，中心管帶動下?lián)醐h(huán)、碟形彈簧、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、外套、 10 圖 剪切滑套 下接頭 定位爪、剪切擋環(huán)、剪切滑套上行，下?lián)醐h(huán)壓縮膠筒實(shí)現(xiàn)封隔器坐封。同時，鎖環(huán)在錐體的作用下，將中心管鎖 住，使膠筒無法彈回。在坐封過程中，上提力使碟形蓄能機(jī)構(gòu)蓄能，蓄能機(jī)構(gòu)可以提高膠筒密封的可靠性。 （ 2） 伸縮管脫鎖 完成封隔器坐封后，通過正向旋轉(zhuǎn)管柱，使封隔器上接頭脫開，上提管柱一定距離（根據(jù)伸縮距確定），當(dāng)注入蒸汽時，補(bǔ)償油管熱力伸長，確保封隔器正常工作。 （ 3） 解封 在解封過程中，上提伸縮管，當(dāng)下接頭與剪切滑套接角后，右旋管柱，使下接頭、剪切滑套的防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)咬合，繼續(xù)上提，剪切滑套剪斷解封銷釘，在下接頭的帶動下上行，定位爪失去內(nèi)支撐，與外套脫離，完成封隔器解封。 技術(shù)關(guān)鍵 目前在用的 熱脹式封隔器沒有管柱受熱膨脹補(bǔ)償裝置，熱采管柱要用伸縮管。伸縮管用于注蒸汽開采稠油時補(bǔ)償管柱的熱力伸長，與預(yù)應(yīng)力隔熱油管、耐熱封隔器配套使用。而文中所設(shè)計(jì)可伸縮熱采封隔器將封隔器與伸縮管設(shè)計(jì)成一體，簡化了熱采管柱的結(jié)構(gòu)。 （ 1）封隔器及伸縮管的優(yōu)化組合設(shè)計(jì) 伸縮管上部與密封套接頭采用左旋矩形螺紋連接，下部采用左旋油管螺紋與封隔器下接頭連接，下接頭連接尾管及配套工具。另外在封隔器下接頭與剪切滑套上設(shè)計(jì)了防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；在伸縮管與封隔器密封上采用 V形膨脹石墨密封圈，并在兩端設(shè)計(jì)有可調(diào)壓裝置，確保伸縮管熱力伸長時封隔 器的密封。 （ 2）封隔器安全脫卡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 一旦解封失敗，上提并向右旋伸縮管，此時下接頭轉(zhuǎn)動 (如圖 所示 )，可以將伸縮管與封隔器下接頭及尾管脫開。起出伸縮管為后續(xù)工作讓出中心通道。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 圖 熱脹式塑料密封熱采封隔器結(jié)構(gòu)圖 1耐高溫塑料密封套 2熱脹筒 3支承筒 圖 BK361系列補(bǔ)償式熱采封隔器結(jié)構(gòu)示意圖 1 隔熱管接頭 2保護(hù)鉤 3保護(hù)環(huán) 4銷釘 5中心管 6密封填料 7上壓蓋 8熱敏金屬片 9密封總成 10下壓蓋 11熱補(bǔ)償管 12下接頭 工作 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是依據(jù)所確定的原理方案，在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上繪制出具體的結(jié)構(gòu)圖案，以實(shí)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(qiáng)度、剛度、精度以及與其它零件的相互關(guān)系等問題。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中涉及問題最多、工作量最大的一個重要步驟。 膠筒工作方式的選擇 膠筒工作方式是指封隔器工作時使密封元件（即膠筒）產(chǎn)生塑性變形以達(dá)到中心管與套管間環(huán)形空間密封的具體實(shí)現(xiàn)方法?，F(xiàn)有的各稠油開發(fā)油田先后研制和推廣的10 余種熱采封隔器，按膠筒工作方式大至可分為熱脹式、熱敏金屬式和機(jī)械壓縮式等幾種類型。 1） 熱脹式封隔器 熱脹式塑料密封熱采封隔器的結(jié)構(gòu)如圖 所示，這種封隔器結(jié)構(gòu)為三層薄壁筒型，由內(nèi)到時外依次為支承筒、熱脹筒與耐高溫塑料密封套，中心管和油管連接，中心管外部環(huán)形空腔內(nèi)注入一定量的液態(tài)熱脹劑。將封隔器下入油井預(yù)定深度后，坐好熱采井口 ，即可進(jìn)行注蒸汽作業(yè)。注蒸汽時，當(dāng)中心管內(nèi)的蒸汽溫度上升到某一溫度值時，封隔器環(huán)形腔內(nèi)的液態(tài)熱脹劑便汽化膨脹，內(nèi)部壓力足以使熱脹筒和密封套進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)。隨著注入蒸汽的溫度不斷升高，熱脹劑壓力也將升高，熱脹筒和耐高溫塑料密封套塑性屈服增大，直至封隔套管和隔熱管的環(huán)形空間，達(dá)到隔熱與選注的目的。在作業(yè)轉(zhuǎn)抽的洗井過程中，由于熱不的溫度只有 70℃左右，遠(yuǎn)低于 150℃，封隔器內(nèi)腔中業(yè)已汽化的脹劑便發(fā)生液化，腔內(nèi)壓力降低，在外部洗井液壓力作用下熱脹筒和密封套收縮，此時上部隔熱管便可自動解封。 2) 熱敏金屬封隔器 12 圖 Y411115型可取式雙卡瓦封隔器結(jié)構(gòu)示意圖 1上接頭 2中心管 3壓帽 4彈簧 10 卡簧 6上卡瓦座 8卡瓦彈簧 9支撐環(huán)11 銷釘 12上 J 形鉤 13上錐體 14上軌道螺釘 15膠筒座 16螺釘 17密封總成 18長膠筒 19隔環(huán) 20短膠筒 21下錐體 22襯套 23摩擦塊 24摩擦塊彈簧 25下卡瓦 26下卡瓦座 27壓套 28下軌道銷釘 29下接頭 如圖 所示，當(dāng)封隔器下入井下指定位置后，注入熱蒸汽，由于封隔器溫度升高致使熱敏金屬片產(chǎn)生撓曲變形，密封膠筒產(chǎn)生膨脹變形。當(dāng)溫度達(dá)到 200℃時，在熱敏金屬片的變形力和注蒸汽壓力雙重作用下，密封膠筒向外擴(kuò)張與套管內(nèi)表面接觸實(shí)現(xiàn)初步坐封。當(dāng)初封產(chǎn)生的摩擦力大于銷釘?shù)募羟辛r，隔熱管受熱伸長，銷釘被剪斷。補(bǔ)償管在封隔器內(nèi)產(chǎn)生滑動起到補(bǔ)償作用。當(dāng)封隔器溫度繼續(xù)升高，壓力升高，這樣熱敏金屬片繼續(xù)產(chǎn)生變形力，套管內(nèi)封隔器上下產(chǎn)生壓差，所注蒸汽由下接頭的周圍通孔、中心管與熱補(bǔ)償管間的環(huán)形空間，通 過中心管上的平穩(wěn)氣孔繼續(xù)推動密封膠筒向外擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)熱力坐封。注汽壓力越大，溫度越高，密封壓力越大，保證了密封的持久性與可靠性?！? 停止注汽后，隨著壓力與溫度的下降，密封膠筒自動收縮，實(shí)現(xiàn)自動解封，可進(jìn)行下一步的作業(yè)。由于密封膠筒收縮徹底，所以封隔器解封后上提時不會發(fā)生遇卡等現(xiàn)象。 3) 機(jī)械壓縮式熱采封隔器 如圖 ，該封隔器下井過程中，下軌道螺釘掛在下卡瓦座的 J形鉤上，中心管上的 4個平衡通道暢通，可避免封隔器中途坐封。封隔器下入井內(nèi)預(yù) 定位置后，上提管柱，右旋并下放管柱，下軌道螺釘便從下卡瓦座的 J 形 鉤中滑出。由于摩擦塊與套管內(nèi)壁摩擦力的作用，中心管與下卡瓦發(fā)生相對位移，下錐體將下卡瓦撐開咬在套管內(nèi)壁上。中心管繼續(xù)下移，上卡瓦接觸上錐體后被咬在套管內(nèi)壁上，同時上軌道螺釘進(jìn)入上 J形鉤，壓帽壓在上卡瓦座上，中心管上的密封面與密封總成接觸并密封。繼續(xù)下放管柱，中心管、上卡瓦、上錐體、上 J 形鉤、上軌道螺釘和膠筒座等同時下移，壓縮膠筒，完成坐封。解封時，上提管柱，剪斷上 J 形鉤與中心管間連接的銷釘，繼續(xù)上提管柱，上下卡瓦分別與上下錐體脫開，膠筒恢復(fù)原狀，液體平衡通道打開，完成封隔器解封。 結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對于熱脹 式和熱敏金屬式封隔器，解封時要降溫，但注完蒸汽后井溫很難降低，造成解封困難，所以綜合考慮采用機(jī)械壓縮式熱采封隔器。 13 錨定機(jī)構(gòu)的選擇 錨定結(jié)構(gòu)的主要起支撐作用，其作用原理是將封隔器支撐在套管壁上，防止封隔器由于縱向移動從而影響密封性能，或引起封隔器過早解封，主要包括水力錨和卡瓦，有的封隔器直接采用封隔件對套管進(jìn)行錨定。 1） 水力錨錨定結(jié)構(gòu) 水力錨 使用比較廣泛，它通常由許多卡瓦牙或鋸齒形錨爪構(gòu)成，既可以與封隔器設(shè)計(jì)成一體與卡瓦配合使用，也可以單獨(dú)使用接在封隔器上。如圖 3． 6 所示為液壓油管錨的結(jié)構(gòu)示意圖，它由接頭、中心管、彈簧、膠圈、活塞、錐體、卡瓦、卡瓦座、馬牙環(huán)等結(jié)構(gòu)組成。 液體經(jīng)地面泵車打壓通過中心管的孔眼進(jìn)入上活塞，在彈簧力的輔助作用下推動活塞向下移動，從而使錐體楔入卡瓦使卡瓦撐開咬住套管內(nèi)壁，使封隔器不能縱向移動。這種錨定機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其單獨(dú)成為一個機(jī)構(gòu)，失去了封隔器的自身的靈活性。而且一旦錨定失敗，進(jìn)行打撈的難度比較大。 2） 卡瓦錨定結(jié)構(gòu) 卡瓦也是一種常用的錨定結(jié)構(gòu)，美國使用的最早，早期的封隔器由于 下井深度淺、承壓能力低，一般無需帶卡瓦，或者只在膠筒上部采用卡瓦設(shè)計(jì)。隨著封隔器下井深度的增加及井下情況復(fù)雜程度的增大，單極卡瓦和多極被廣泛的采用，特別是在深井和高壓井作業(yè)中， 卡瓦的使用越來越普及。但卡瓦在錨定后有時會出現(xiàn)松動，使密封件失去壓縮力，密封失效的缺點(diǎn)。圖 3． 7 為水力單向卡瓦結(jié)構(gòu)示意圖。其主要由錐體、卡瓦、卡瓦座、中心管、彈簧、中間接箍、接頭等零件組成。該工具主要用于防止封隔器的上下移動，減輕管柱所受的拉力，這種卡瓦式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單， 工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。 圖 3． 6 液壓油管錨結(jié)構(gòu)示意圖 1上接頭 2中心管 3彈簧 4膠圈 5上活塞 6錐體 7卡瓦 8卡瓦座 9馬牙筒 10下活塞 11馬牙環(huán) 12剪釘 13活塞 14剪釘 15下接頭 14 雙卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu) 既兩套單向卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)。一般兩套單向卡瓦河雙錐體正反相接。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)緊湊，加工容易?，F(xiàn)有的封隔器設(shè)計(jì)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。雖然雙錐體結(jié)構(gòu)的錨定提高了封隔器的承壓能力，但同時卻降低了封隔器解封的安全可靠性。