【導(dǎo)讀】油田廣泛運(yùn)用封隔器于采油、注水及其它油井特殊作業(yè)。國內(nèi)生產(chǎn)封隔器的。廠家也不少，但關(guān)于高壓封隔器產(chǎn)品幾乎還沒有，主要靠進(jìn)口。來，對低滲透、深油藏的高壓注水油田沒有合適的分注工具。為此，選定此項(xiàng)目。進(jìn)行高壓單管封隔器設(shè)計(jì)。類油層的動用程度和經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展。要可持續(xù)發(fā)展，一直是一個很重要的問題。以封隔器為中心的井下分層工具，對。對于注水開發(fā)的油田，隨著油田開發(fā)程度的加深，油井層之間矛盾日益突。早的油田封隔器是包裹在油管外面，試圖將不同的液相進(jìn)行隔離。自噴井較多，封隔器應(yīng)用相對較少。間的封隔器是從20世紀(jì)初開始開發(fā)使用的。一次雙層完井使用了美國貝克工具公司制造的封隔器。作業(yè)用的雙管封隔器也已經(jīng)問世。發(fā)展，對封隔器提出了種種更高的要求，因而促使封隔器研制工作趨向?qū)I(yè)化，目前、美國參與封隔器研制、銷售的廠商或公司不下于。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國有關(guān)產(chǎn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)，性能提高的新型封隔器。1994年，美國初步研制出21／8in高效可

　　

【正文】 （ 626） 式中 D 鎖塊外徑，其取值為 88mm； h 鎖塊厚度， h =5mm。 經(jīng)計(jì)算可得 A =230 2mm 因此 PA =＜ ??b? ，該鎖塊設(shè)計(jì)合理，能滿足強(qiáng)度要求。 5）壓緊 螺母的連接強(qiáng)度 根據(jù)公式 j cr pP A U?? 其中 jP 最小連接強(qiáng)度 ； crA 內(nèi)螺紋的臨界橫截面積 crA =（ 22Dd? ） ， 2in ； D 螺紋外徑 ， in ； d 螺紋內(nèi)徑 ， in ； pU 材料的最小抗拉強(qiáng)度， pU =； 。 經(jīng)計(jì)算 crA = 2in 則 jP == 而壓緊螺母受到的最大壓強(qiáng)為 50MPa ，因此該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。 鎖緊瓦 機(jī)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）設(shè)計(jì)原則 鎖緊瓦用于鎖緊卡瓦，防止卡瓦在承受壓力時收回，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到封隔器卡瓦是否能正常起到錨定作用，強(qiáng)度必須達(dá)到坐封的要求，同時實(shí)現(xiàn)回退時瑣緊功能。 （ 2） 組成部分 鎖緊瓦機(jī)構(gòu)由 下活塞２、彈簧 、鎖緊瓦組成。 （ 3） 工作原理 當(dāng)液壓進(jìn)入下活塞腔，推動下活塞２下行，同時壓縮彈簧， 彈簧另一端推動鎖緊瓦帶動 錐體向下運(yùn)動， 從而使卡瓦張開 。由于 鎖緊瓦的 外 側(cè)表面采用錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)為小齒與中心管 外周的小齒 相嚙合，當(dāng) 彈簧推動鎖緊瓦前進(jìn)時，由于彈簧的彈性作用可以使鎖緊瓦有緩沖的前進(jìn)，當(dāng)鎖緊瓦受到相反作用力時，由于錐面具有自動鎖緊功能，其內(nèi)側(cè)小齒的結(jié)構(gòu)也能使其鎖緊，從而使錐體只能前進(jìn)不能后退。 （ 4） 特點(diǎn) 鎖緊瓦結(jié)構(gòu)能使錐體單向前進(jìn)并鎖緊，從而使卡瓦能正常工作，而不能受力收回。 26 （ 5） 鎖緊瓦機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 構(gòu)設(shè)計(jì) 1） 材料選取 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P479，選擇襯套的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為 。 2） 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) 鎖緊瓦外側(cè)采用錐形結(jié)構(gòu) ，錐度為 18176。 ，鎖緊瓦總長為 26mm， 外徑為92mm，內(nèi)徑為 74mm，小齒的結(jié)構(gòu)為 90176。 。 1） 材料選取 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 中冊 P977，選擇 彈簧 的材料為 260SiMnA 。 由此可得材料的許用切應(yīng)力 ??? =80 2/kg mm ，許用彎曲應(yīng)力 ??? =100 2/kg mm ，G=8000 2/kg mm ， E=21000 2/kg mm 2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2D =82mm ：端部并緊，磨平，支承圈為 1 n=6,自由高度 H=45mm。 ： c=4,k= nP ：取彈簧的中徑為 90mm，則 ? ?238n dP kD? ? ?? = （ 627） 卡瓦 機(jī)構(gòu) 的 工作原理 和 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1） 設(shè)計(jì)原則 卡瓦在工作中起錨定封隔器的作用，防止封隔器的軸向竄動， 使膠筒發(fā)生 溢出現(xiàn)象，以引起膠筒壽命的降低，同時 設(shè)計(jì) 也要 考慮到卡齒對套管的損傷。 （ 2）工作原理 當(dāng)錐體下行推動卡瓦時 ，四塊卡瓦沿徑向撐開，咬住 套管 。當(dāng)封隔器承受下壓 時， 封隔器有上行的趨勢，此時卡瓦與套管壁產(chǎn)生的摩擦力 可以使封隔器保持相對靜止，從而使膠筒能進(jìn)行有效封隔， 并 能延長封隔器的使用壽命 。 （ 3）組成部分 卡瓦機(jī)構(gòu)由卡瓦、卡瓦座 、錐體、彈簧卡圈、定位銷五部分組成。 （ 4）卡瓦機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì) 1）卡圈的材料選擇 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P495，選擇 彈簧卡圈 的材料為 3Cr13，高壓單管封隔器設(shè)計(jì) 27 并可知該材料的屈服強(qiáng)度為 ? ?? ≥ 。 2）彈簧卡圈的工作原理 彈簧卡圈主要用于防止 卡 簧座在封隔器下井過程中 沿中心管 向上滑， 從而影響卡瓦正常工作。 3）彈簧卡圈的尺寸設(shè)計(jì) 彈簧卡圈的內(nèi)徑為 ，外徑為 ， 厚度為 3mm，兩端的倒角為30176。 因?yàn)槠渲饕饔糜糜诜乐狗飧羝飨戮醒刂行墓芟蛏弦疲?由于 該力很小，因此其強(qiáng)度是足夠的，能安全工作。 1）卡瓦的材料選擇 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P480，選擇 卡瓦 的材料為 40CrMnMo，應(yīng)考慮到卡瓦靠卡齒與套管壁接觸，并且承受 50MPa 的高壓差，因此需要對卡瓦材料進(jìn)行淬火處理，提高其強(qiáng)度以能安全的在井下工作， 經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》知該材料淬火前的強(qiáng)度極限 為 ? ? 980S MPa? ? ，經(jīng)淬火處理后 ，其強(qiáng)度極限應(yīng)遠(yuǎn)大于 980MPa 。 2）卡瓦的工作原理 卡瓦工作時，依靠錐體 的作用力，將周向上的四瓣卡瓦 撐開卡在套管壁上，同時產(chǎn)生足夠大的作用力防止封隔器的軸向移動。當(dāng)承受下壓差時 ，其與套管壁產(chǎn)生摩擦力與壓差產(chǎn)生的壓力平衡。解封時，卡瓦不受錐體的作用力，當(dāng)定位銷拉斷，上提中心管過程中，受到與套管的摩擦力自動收回，而不損傷套管壁。 3）卡瓦的特點(diǎn) 坐 封時四瓣卡瓦張開迅速，經(jīng)淬火處理后的卡齒強(qiáng)度大， 并且卡齒頂為R= 的圓弧，對套管壁損傷小， 能滿足工況條件。同時解封時 方便， 不會損傷套管壁 。 4）卡瓦的尺寸設(shè)計(jì) 卡瓦的結(jié)構(gòu)尺寸選擇根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，然后通過對卡瓦受力分析，強(qiáng)度效核從而確定其是否合理。 卡瓦周向上采用四瓣， 卡瓦的齒型根據(jù)《封隔器卡瓦接觸應(yīng)力研究》中選擇齒型為 60176。 ??28 ，卡齒數(shù)采用六齒， 卡瓦牙面長度取 30mm， 錐體楔形角采用20176。，不可大于 20176。 ，牙高經(jīng)計(jì)算取 ，牙根刀角半徑取 ，為了增大卡瓦與套管的摩擦力，同時減少對套管的磨損，根據(jù)《 封隔器卡瓦接觸應(yīng)力研究 》 選擇 牙尖 尖角的曲率 半徑 為 。 卡瓦的受力分析圖如下： 28 圖 63 卡瓦受力簡圖 由圖可見，卡瓦類零件在彈性力學(xué)中屬于楔形體，利用極坐標(biāo)下的相容方程和平衡方程，采用應(yīng)力函數(shù)法，可以分別求出在 Wk、 Qk、 Rk、 Fk 單獨(dú)作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布；在根據(jù)彈性疊加原理，將上述 4 個外力單獨(dú)作用下的應(yīng)力值相加，即可得到卡瓦類零件的應(yīng)力。 經(jīng)靜力分析，在軸向力（ 坐封力） Wz 作用下，作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk 及摩擦力 Wk，公式見《井下工具零件應(yīng)力分析》： /KZW W n? （ 628） ? ?/ ( )KZQ W ntg a ??? （ 629） 作用在卡瓦斜面上的壓緊力 Rk 及摩擦力 Fk ? ?/ ( s i n t a n c o s )KZR W n a a??? （ 630） ? ?t a n / ( s i n t a n c o s )KZF W n a a?? （ 631） 其中 Wz軸向力，即坐封力， Wz=； Rc套管內(nèi)半徑， Rc=； a 錐體的楔形角， a =20176。； Ly卡瓦牙面長度， Ly=30mm； h 牙高， h=； r 牙根刀角半徑， r=； n 卡瓦片數(shù)， n=4； ? 摩擦角，取卡瓦與套管壁的摩擦系數(shù) ? =，則 ? =176。 經(jīng)計(jì)算 ： KW = KQ = KR = KF = 計(jì)算在 Qk、 Rk、 Fk 單獨(dú)作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布 ： 高壓單管封隔器設(shè)計(jì) 29 1/Qk KQA? ? （ 632） 2/Rk KRA? ? （ 633） 3/Fk KFA? ? （ 634） 式中 1A 作 用 在 卡 瓦 牙 面 上 的 壓 緊 力 Qk 的 受 力 面 積 ， 2A =Ly=2355 2mm ； 2A 作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk 的受力面積， 3A = 2mm ； 3A 摩擦力 Wk 的受力面積， 4A = 2mm 。 經(jīng)計(jì)算得： Qk? = Rk? = Fk? = 對于作用在卡瓦牙面上的摩擦力 Wk，其主要對壓根產(chǎn)生彎矩。 也即是 在卡瓦牙根部，相當(dāng)應(yīng)力取得最大值 ??26 ，公式見《井下工具零件應(yīng)力分析》式（ 5） ： 4 221 2 1 2wk R? ? ? ? ?? ? ? （ 635） 式中 ? ? ? ?21. 06 5 0. 02 2 0. 13 7 / 13 5 1U O UR R R R???? ? ? ??? （ 636） ? ?1 2 3 423/ ( / ) ( / )U C C CR R R h R R h R R h R? ? ? ? （ 637） 1 0. 93 5 1. 92 2 / 0. 00 4 /R h r h r? ? ? （ 638） 2 0 .5 3 7 3 .7 0 8 / 0 .0 4 0 /R h r h r? ? ? （ 639） 3 2. 53 8 3. 43 8 / 0. 01 2 /R h r h r? ? ? ? （ 640） 4 2. 06 6 1. 65 2 / 0. 03 1 /R h r h r? ? ? （ 641） ? ?221 ( 4 8 ) c o s 4 2 s i n 2 / 4 s i n t a n ( ) ( s i n c o s )Z C KyW a a a a n R L a a a a? ? ?? ? ? ? ? ?? ?22c o s ( 4 8 ) c o s 4 2 s i n 2 / 2 ( s i n t a n c o s ) ( s i n c o s )Z yW a a a a a n B L a a a a a???? ? ? ? ? ??? （ 642） ? ?? ? 22 ta n c o s / ( s in ta n c o s ) 1 /( 2 ) 3 2 / s in 2Z C KyyW a n B L a a n R L c tg a a? ? ? ?? ? ? ? （ 643） ? ?1sin /(2 )KCBR? ?? （ 644） 帶入數(shù)據(jù)，得： 1R =， 2R =， 3R =， 4R =， UR =， R = 1? =， 2? = 30 K? = 則 4wk? = MPa 而經(jīng)過淬火后的牙齒材料強(qiáng)度可 達(dá)到 1000 MPa，因此卡瓦牙齒工作是安全的。 將 Wk、 Qk、 Rk、 Fk 單獨(dú)作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布計(jì)算后；再根據(jù)彈性疊加原理，將上述 4 個外力單獨(dú)作用下的應(yīng)力值 4wk? 、 Qk? 、 Rk? 、 Fk? 相 疊 加 ，得卡瓦的總應(yīng)力值 ? ： ? = 因經(jīng)淬火處理后，其強(qiáng)度極限應(yīng)遠(yuǎn)大于 980MPa ，所以卡瓦的總體結(jié)構(gòu)尺寸合理，在工況條件下使用安全，能起到 單向錨定作用 5） 卡瓦 熱處理工藝 ??33 的確定 根據(jù) 40 CrMnMo 鋼性能及卡瓦的使用要求 ，確定 如 下 熱處理工藝 ： 正火 、 調(diào)質(zhì) 、 高頻表 面 淬火 、 低溫回火。 (1)正火。在鍛造后進(jìn)行正火處理 ， 工藝是加熱 860℃保溫 2 小時后空冷。主要是為了細(xì)化晶粒 ， 均化組織 ， 改善切削加工性 ， 為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。 (2)調(diào)質(zhì)。在粗車后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理 ， 其工藝是加熱到 860℃保溫 2 小時 ，油冷 ， 再加熱到 600℃保溫 1. 5 小時 ， 空冷至 400℃保溫 1 小時 ， 然后 油 冷。其 目的是為了使鋼獲得一定強(qiáng)度、塑性、硬度和切性、具有良好的綜合機(jī)械性能。 (3)高頻表 面 淬火?？ㄍ叩难例X要求有較高的硬度 ， 故采用高頻表 面 淬火。感應(yīng)圈是根據(jù)卡瓦形狀和局部淬火的特 點(diǎn)而 設(shè)計(jì)的。 (4)低溫回火。為了保持表 面 高硬度 ， 穩(wěn)定組織 ， 消除應(yīng)力 ， 在高頻表 面 淬火后應(yīng)及時進(jìn)行低溫回火 ， 其工藝是加熱到 200℃ 保溫 2 小時后空冷。 材料和尺寸選擇