【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高效膨脹式封隔器、跨隔封隔器、磁性粘彈體封隔器、雙壓差逐級(jí)解 封封隔器、可承受雙向壓差的封隔器、可鉆可取式注水封隔器等。除此 上述之 外，封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一般都會(huì)在 在原有的 結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上進(jìn)行 加工 改進(jìn)，以適應(yīng) 各種 不同的油層地質(zhì) 環(huán)境 和不同的 加工 工藝。 2 選題背景 題目來(lái)源 本設(shè)計(jì)題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。 課題研究的目的和意義 能源危機(jī)是 21 世紀(jì)全世界所面臨的一個(gè)共同難題。隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，各國(guó)的能源缺口也越來(lái)越大。而石油仍然是目前世界上的主要能源，油價(jià)的起伏嚴(yán)重影響著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了爭(zhēng)奪石油資源甚至?xí)l(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)。我國(guó)油田大多數(shù)呈多油層、非均質(zhì)特點(diǎn)。油田開(kāi)采的焦點(diǎn)問(wèn)題是怎樣提高各油層的開(kāi)發(fā)程度及經(jīng)濟(jì)收益，且實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而在油田開(kāi)采過(guò)程中，各油層的壓力、產(chǎn)量及吸水率等存在著較大區(qū)別。因此，怎樣 能夠較為 合理 的 開(kāi)發(fā)多層 性 油田，既要 能夠 提高 生產(chǎn) 采收率，又要維持 環(huán)境 可持續(xù)發(fā)展，一直是 世界 各國(guó)十分關(guān)注的問(wèn)題 所在 。開(kāi)發(fā)多層油田最原始的方法是單井合采合 注，這種方法的缺點(diǎn)是各油層間會(huì)出現(xiàn)串流和干擾；第二種辦法是每油層都打一套井網(wǎng)，這種辦法的缺點(diǎn)是會(huì)增加鉆井成本；目前普遍采用的辦法是單管分采分注，它克服了前兩種方法的缺點(diǎn)。單管分采分注方法的核心井下設(shè)備正是本課題的Y445152 注汽封隔器設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè)（共 38 頁(yè)） 研究對(duì)象 —— 封隔器。 封隔器是實(shí)現(xiàn)油氣田合理開(kāi)采的戰(zhàn)略性武器，對(duì)封隔器進(jìn)行研究意義重大。封隔器是一種井下 工作 分層工具，其使用范圍 適用于 石油 的勘探和開(kāi)發(fā)的每個(gè) 生產(chǎn) 所需 環(huán)節(jié)，主要 使用場(chǎng)合有 鉆井、完井、壓裂、酸 化、堵水、防砂、試油、采油、注水、增產(chǎn)、氣舉等相關(guān)作業(yè)，總結(jié)如下 ： （ 1）封隔各生產(chǎn)層，防止層間 液體及壓差相互干擾，以滿足各種分層作業(yè)的需要； （ 2）隔絕產(chǎn)液和壓差，用來(lái)改善套管工作環(huán)境，起到保護(hù)套管的作用； （ 3）為機(jī)械采油 (如水力油塞泵抽油和氣舉 )提供作業(yè)通道，將套管封隔為吸入及 排出兩部分，便于無(wú)管泵抽油； （ 4）保存并充分利用地層能量，從而提高油井采油效率，延長(zhǎng)油井作業(yè)時(shí)間； （ 5）使油井通過(guò)地面油管控制，可以安全地、最大限度地控制地層； 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 近幾十年來(lái)。隨著 石油 鉆井、完井 生產(chǎn) 工藝不斷向 環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜 的深部地層方面發(fā)展，對(duì)封隔器 的使用要求提出了各種 更高的要求，因 此 促使封隔器研 制工作趨向于專(zhuān)業(yè)化，研制的產(chǎn)品 種類(lèi)不斷增多 。目前，美國(guó)參與封隔器研制、銷(xiāo)售的廠家或公司不下于 20家（還出現(xiàn)了專(zhuān)事封隔器研制的貝克封隔器公司）。據(jù) 數(shù)據(jù) 統(tǒng)計(jì)，早在 上個(gè)世紀(jì)的六十年代，在 美國(guó) 市場(chǎng)上的相關(guān) 產(chǎn)品上的封隔器品種已 經(jīng) 達(dá) 的了 300 多 種。近幾年來(lái)，則大大超過(guò)了此數(shù)，并涌現(xiàn)出不少結(jié)構(gòu)改進(jìn)，性能提高酌新型封隔器。目前 為止 ， 常見(jiàn)的 美國(guó)封隔器一般可耐溫 度 100— 220℃，耐 高 壓 170— 700 大氣壓。而蘇聯(lián)封隔器一般最深下至 3000 多米，耐壓 500 多大氣壓，耐溫 20— 250℃。 我國(guó)封隔器的研制工作起步晚于美國(guó)和前蘇聯(lián)，但在近幾十年也有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。我國(guó)不斷引進(jìn)和吸收國(guó)外先進(jìn)的封隔器開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了很多適合我國(guó)油田特點(diǎn)的新型封隔器及其配套工具。封隔器密封材料也由橡膠材料發(fā)展到金屬材料。 目前，國(guó)內(nèi)封隔器的研究工作主要圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)：新型封隔器的研制、傳統(tǒng)封隔器結(jié)構(gòu)改進(jìn)、封隔器管柱受力分析、封隔器膠筒室內(nèi)試驗(yàn)、封隔器工作過(guò)程數(shù)值模擬等 。 3 封隔器的概述 第 3 頁(yè)（共 38 頁(yè)） 3 封隔器 的 概述 封隔器的 結(jié)構(gòu) 封隔器的結(jié)構(gòu)主要包括密封、錨定、扶正、坐封、解封六大部分，而 六大 部分又各自包括 了許多的 零、部件。 （ 1）密封部分 密封部分作用是 ， 在外界環(huán)境力的作用下 發(fā)生動(dòng)作， 導(dǎo)致 密封環(huán)形 成間隙，預(yù)防流體通過(guò)的機(jī)械 零件 。它是封隔器的關(guān)鍵部分 所在 ，主要 常見(jiàn)的 有彈性密封元件，賴以安裝密封元件的鋼腕，隔環(huán)和各種防止元件“肩部突出”的“防突”部件 組 成 的 。其中密封元件是 最為關(guān)鍵 的核心 零 部件， 一般 制作成圓筒狀， 因而 也俗稱 為 膠筒。 （ 2）錨定部分 錨定部分也 稱作 “支撐部分”， 它的 作用是將封隔器支撐在套管壁上， 改變 由于縱向移動(dòng)而影響 封隔器 密封 的 性能。或引起封隔器過(guò)早解封，主要包括水力錨和卡瓦。水力錨使用比較廣泛。它通常有許多卡瓦牙或鋸 齒形錨爪構(gòu)成的。 錨定部分 既可與封隔器設(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。 隨著下入深度的加深和地質(zhì)的惡劣，單級(jí)卡瓦和多級(jí)卡瓦應(yīng)運(yùn)而生。為了防止封隔器的縱向移動(dòng)。特別是在深井和高壓作業(yè)中，往往采用正、反多級(jí)卡瓦或附加上水力錨。 （ 3） 扶正部分 扶正部分主要是起扶正密封元件的作用，同時(shí)也起初卡作用，便于封隔器坐封。這種作用通常有一些扶正彈簧和狀如燈籠的扶正器承擔(dān)。在 機(jī)器時(shí)，扶正彈簧片對(duì)套管壁產(chǎn)生的較大 摩擦力，防止封隔器殼體隨管柱 不斷移動(dòng)。扶正器由 扶正彈簧罩、彈簧座和彈簧 四部分 構(gòu)成，作用 主要 靠外端呈圓柱面的 那些 扶正塊來(lái)實(shí)現(xiàn) 的 。 （ 4）坐封部分 坐封部分是使封隔器坐于目的層段后保持密封狀態(tài)的 零件 機(jī)構(gòu)， 一般 ，它 主要 包括坐封活塞、中心管、上下接頭、滑環(huán)套等 零部件 。坐封部分 工 作時(shí)，能起 到 兩個(gè)作用 有 ：推動(dòng)錐體，使卡瓦張開(kāi)貼在套管壁上；壓縮彈性密封 零部件 ，使之脹大而 產(chǎn)生密封 作用 。 （ 5）鎖緊部分 鎖緊部分是封隔器 — 旦坐封后，使之固定于坐封狀態(tài)的機(jī)構(gòu)。它通常由外中心管、Y445152 注汽封隔器設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)（共 38 頁(yè)） 銷(xiāo)釘，各種內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 （ 6）解封部分 解封部分是使油、套壓連通，進(jìn)而導(dǎo)致卡瓦回收，膠筒恢復(fù)原狀、以利于起封的機(jī)構(gòu)。它使封隔器在井下工作狀態(tài)由定位密封轉(zhuǎn)為非工作的自由狀態(tài)的過(guò)程，是封隔器起出時(shí)一個(gè)必備的重要程序。 封隔器的性能 封隔器和其它井下工其配套后，可用來(lái)進(jìn)行分層試油、分層開(kāi)采、分層堵水、分層注水，分層處理等油〔氣 )田開(kāi)發(fā)工藝措施。每一種工藝措施對(duì)封隔器都有各自的特殊要求，然而，它們的基本要求是下得去、封得嚴(yán)、耐得久 。 .它不僅能在壓井作業(yè)的情況下順利下人井內(nèi)，而且能盡量做到在不壓井不放噴作業(yè)的情說(shuō)下順利下到預(yù)定深度。一定規(guī)范的封隔器能 下人該規(guī)范最小內(nèi)徑的套管內(nèi)。 封得嚴(yán) ： 封隔器座封后能在井內(nèi)封隔目的層，井能承受一定的層間壓差或施工時(shí)的最高工作壓差 耐得久 :封隔器座封后能密封較長(zhǎng)的時(shí)間，以保證工藝措施的實(shí)施，并能重復(fù)多次座封。尤共是對(duì)于用來(lái)進(jìn)行分層開(kāi)果、分層注水的封隔器 .使用時(shí)間應(yīng)越長(zhǎng)越好。 能多級(jí)使用 :按工藝措施的要求，使用同一管住，封隔器可以多級(jí)使用 。 一般 封隔器， 上 述各性能要求應(yīng)同時(shí)滿足。但最后一條 (即“能多級(jí)使用” )可根據(jù)不同的井下工藝措施提出其體要求 封隔器的設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中除了在結(jié)構(gòu)上 保證封隔器的性能滿足 上述基本要求之外， 應(yīng)力求設(shè)計(jì)出的封隔器枝術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能滿厄工藝要求，適用現(xiàn)場(chǎng)使用條件操作簡(jiǎn)便，加工容易，材料有來(lái)源。 封隔器的分類(lèi) 封隔器按封隔件實(shí)現(xiàn)密封的方式進(jìn)行分類(lèi)。 （ 1） 自封式：靠封隔件外徑與套管內(nèi)徑的過(guò)盈和工作壓差實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。 （ 2） 壓縮式：靠軸向力壓縮封隔件，使封隔件外徑變大實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。 （ 3） 擴(kuò)張式：靠徑向力作用使封隔件外徑擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。 （ 4） 組合式：由 上述三種 任意組合實(shí)現(xiàn)密封的封隔器 3 封隔器的概述 第 5 頁(yè)（共 38 頁(yè)） 封隔器的型號(hào)編制 按封隔器分類(lèi)代號(hào)、封隔器支撐、坐封、解封方式代號(hào)及 封隔器最大剛體外徑五個(gè)參數(shù)依次排列，進(jìn)行型號(hào)編制。如圖 1 所示。 圖 1 代號(hào)示意圖 代號(hào)說(shuō)明 （ 1）分類(lèi)代號(hào)：用分類(lèi)名稱 的 第一個(gè)漢字的漢語(yǔ)拼音大寫(xiě)字母 來(lái) 表示，其方法 一般 應(yīng)符合表 1 中 的規(guī)定。 表 1 分類(lèi)代號(hào)表 分類(lèi)名稱 自封式 壓縮式 楔入式 擴(kuò)張式 分類(lèi)代號(hào) Z Y X K （ 2）支撐方式代號(hào)：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，方式應(yīng)符合表 2 規(guī)定。 表 2 支撐方式代號(hào) 支撐方式名稱 尾管 單項(xiàng)卡瓦 無(wú)支撐 雙向卡瓦 錨定 代號(hào) 1 2 3 4 5 （ 3）坐封方式代號(hào)：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，方式應(yīng)符合表 3 規(guī)定。 表 3 坐封方式代號(hào) Y445152 注汽封隔器設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè)（共 38 頁(yè)） 坐封方式名稱 提放管柱 轉(zhuǎn)管柱 自封 液壓 下工具 代號(hào) 1 2 3 4 5 （ 4）解封方式代號(hào)：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，方式應(yīng)符合表 4 規(guī)定。 表 4 解封方式代號(hào) 解方式名稱 提放管柱 轉(zhuǎn)管柱 鉆銑 液壓 下工具 代號(hào) 1 2 3 4 5 (5）剛體最大外徑：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為 mm. 應(yīng)用上述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可將油田名城加到封隔器型號(hào)的前面，特殊用途加到封隔器的后面。 4 Y445152 封隔器 的 總體 設(shè)計(jì) 封隔器的 設(shè)計(jì)要求 封隔器的具體體設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和解決以下幾個(gè)問(wèn)題： (1)膠筒的使用壽命和膠筒經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后永久變形量的控制。 (2)膠筒與座封機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)配合能完成座封、解封所規(guī)定的座封力、解封力，并考慮在壓力方向改變后，膠筒能否保持密封。 (3)為確保封隔器能順利下到井內(nèi)，必須具備可靠的防止中途座封的機(jī)構(gòu)和方式，要正確設(shè)計(jì)使膠筒處于工作狀態(tài)的座封機(jī)構(gòu)和方式及保持密封狀態(tài)的鎖緊機(jī)構(gòu)和方式，并要有可靠的解封機(jī)構(gòu)和方式 。 （ 4）適應(yīng)一定范圍內(nèi)套管內(nèi)徑的變化。 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 表 5 主要參數(shù)表 名稱 數(shù)值 工作壓力： 17MPa 坐封壓力： 18MPa 丟手壓力 : 2025MPa 4 Y445152 封隔器的總體設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)（共 38 頁(yè)） 解封力： 6080MPa 剛體最大外徑： 152mm 總體方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Y445152 型封隔器，按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)表示封隔器封隔件的工作原理為壓縮式、雙向卡瓦支撐、液壓坐封、下工具解封、鋼體最大外徑為 152mm。 方案 的選擇 根據(jù) Y445152 型封隔器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：壓縮式，雙向卡瓦錨定，液壓坐封丟手和下工具。分別對(duì)鎖緊結(jié)構(gòu)，錨定方式，解封方式，丟手機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并對(duì)每種結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行了比較，最終采取了最合適的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)了原始數(shù)據(jù)對(duì)重要的零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。經(jīng)修改后，最終得到了 Y445152 型封隔器的方案 如圖 2 所示。 設(shè)計(jì)后的封隔器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓丟手靈活，后處理方便等特點(diǎn)。 圖 2 封隔器結(jié)構(gòu)示意圖 1 上 接頭 2提掛銷(xiāo)釘 3o 型密封圈 4活塞 5缸套 6鎖環(huán) 7解封銷(xiāo)釘 8坐封銷(xiāo)釘9膠桶 10下檔環(huán) 11上 椎體 12矩形密封圈 13卡瓦套 14彈簧片 15止動(dòng)環(huán) 16扶正環(huán)17下椎體 18支撐環(huán) 19檔環(huán) 20鎖爪 21丟手銷(xiāo)釘 22滑套 23卡瓦內(nèi)套 24卡瓦 25 防轉(zhuǎn) 銷(xiāo)釘 26套筒 27上檔環(huán) 28防遇阻銷(xiāo)釘 29外套 30中心管 31內(nèi)中心管 32傳力套 結(jié)構(gòu) 的 組成 錨定機(jī)構(gòu)采用卡瓦套 1卡瓦 2上錐體 11 和下錐體 17 等組成 ， 稱為 支撐部分。 其作用 是 將封隔器支撐在套管壁上，防止封隔器由于縱向移動(dòng)而影響密封性能 。 坐封 機(jī)構(gòu) 主要由活塞 缸套 坐封剪釘 8 組成，其主要作用是為封隔器提供坐封載荷。 使封隔器進(jìn)入密封狀態(tài)。坐封機(jī)構(gòu)是使封隔器進(jìn)入錨定狀態(tài) 。 Y445152 注汽封隔器設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)（共 38 頁(yè)） 密封 機(jī)構(gòu) 主 要由密封膠筒 9 及其密封滑組成的密封結(jié)構(gòu) ，其 主要作用是封閉油套環(huán)形空間。 鎖緊 機(jī)構(gòu) 主要由 彈 簧片 1 鎖爪等 各種鎖緊機(jī)構(gòu)等組成，其主要作用是 使封隔器保持密封狀態(tài) 。 解封 機(jī)構(gòu) 主要由解封 銷(xiāo)釘 中心管 內(nèi)中心管 31 三種原件 組成 ，其 主要作用是 使封隔器解除密封 的 狀態(tài) 。 丟手 機(jī)構(gòu) 主要由鎖爪 丟手銷(xiāo)釘 2等組成 ， 其主要作用是將管柱內(nèi)的高壓液體泄掉，保證封隔器正常工作。 防坐機(jī)構(gòu) 包括活塞 坐封剪釘 中心管 上錐體 1卡瓦 2卡瓦套 1下錐體 28 等， 也叫防中途坐封機(jī)構(gòu)或防誤坐機(jī)構(gòu)其主要作用是防止封隔器在下井過(guò)程中受碰撞，液擊或其他阻力作用而提前坐封。 工作原理 的介紹 （ 1）坐封 。 封隔器下到設(shè)計(jì)位置后，從井口的油管加液壓，液壓力經(jīng)油管傳到封隔器，壓力達(dá)到 57MPa 時(shí)，坐封 銷(xiāo) 釘被剪斷，坐封活塞下移， 通過(guò)傳力套 推動(dòng) 外套 、 上檔環(huán) 、膠筒， 下 擋環(huán)和上錐體下行，撐開(kāi)卡瓦，同時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，繼續(xù)加壓，待壓力達(dá)到 18MPa 時(shí)， 防遇阻銷(xiāo)釘被剪斷，此時(shí)， 膠筒壓縮到最大值，密封油套環(huán)形空間， 此時(shí)，在彈簧片的張緊力的作用下 鎖緊膠筒。泄壓后，由于鎖緊 機(jī)構(gòu)和彈簧片的縮緊作用，卡瓦仍處于擴(kuò)張狀態(tài)，膠筒也處于密封狀態(tài)。 （ 2） 密 封 。 坐封完成后，泄壓， 從套管內(nèi)加入 17MPa 的壓力 ， 若