【導(dǎo)讀】完成日期：2021年月日。西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計。摘要為了使封隔器在油田能夠得到進一步的廣泛應(yīng)用，在此主要針。對常規(guī)封隔器在作業(yè)時存在的中途坐封、丟手失敗、承受雙向壓力能。力差導(dǎo)致一次成功率低的問題，進行防中途封隔器的設(shè)計。設(shè)計了防中途坐封裝置、后處理裝置和分壓裝置，采用了液壓坐封丟。手、雙向錐體卡瓦錨定、機械內(nèi)鎖緊和上提下放管柱解封結(jié)構(gòu)，具有?？古鲎?、坐封丟手靈活、防上滑、懸掛能力強、通徑大及結(jié)構(gòu)簡單綜。合性能強等特點，可用于懸掛管柱、作橋塞、卡封及堵水。

　　

【正文】 RR rhrhR ????? rhrhR ????? rhrhR ????? rhrhR ???? 式中： Rc－套管內(nèi)半徑， h－牙高； 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 31 r－牙根刀角半徑。 通過對相當應(yīng)力進行分析和大量數(shù)值計算，可以看出，要想降低卡 瓦類零件的應(yīng)力，可在設(shè)計和施工時采取下列措施： （ 1）增加卡瓦片數(shù)； （ 2）增加卡瓦寬度； （ 3）增加卡瓦牙面長度； （ 4）適當增大 α 角（但不宜超過 20?）； （ 5）增加卡瓦牙根部加工刀角半徑； （ 6）增加卡瓦與套管壁的摩擦角 φ。 經(jīng)計算可知 F= i n ????? FF n kN 由卡瓦標準可知，卡瓦牙齒頂寬為 ～ （ SY 5049— 84） 由結(jié)構(gòu)可知牙長 20mm，每片卡瓦有 40個牙，按齒頂寬為 ， S (片 )= 40 20=160mm2 S (總 ) = 160 6=960 mm2 ????總SF n? MPa 所以，卡瓦牙不被壓損； 技術(shù)要求 1） 齒表面滲碳淬火，滲碳層厚度為 ~； 2） 齒的硬度為 45～ 50HRC； 3） 熱處理后不許有脫層和裂紋缺陷； 4） 除齒尖外，其余銳棱倒鈍。 活塞的行程計算 在坐封過程中，活塞的行程等于上錐體與膠筒的行程之和，所以活塞必須有一定的行程空間，以滿足上錐體與膠筒的下移距離。 活塞的下移長度 L=S+H 其中 S— 膠筒壓縮距； H— 上錐體下移距離。 (1)上錐體下移距離 H： 如圖 所示。 已知卡瓦的錐角 =180 圖 上錐體下移距離 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 32 ??????? c t gc t gLH mm (2)膠筒壓縮距 S 由前面可知 S=60— 70mm， 取 S=60mm。 綜上 ,L=S+H=60+=。 彈簧的設(shè)計計算 材料的選擇 彈簧是一種彈性元件，它可以在載荷作用下產(chǎn)生較大的變形。為了使彈簧能夠可靠的工作，彈簧材料必須具有高的彈 性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。 表 彈簧常用材料及許用應(yīng)力（摘自 GB123976） 名稱 組別 許用切應(yīng)力 許 用 彎 曲應(yīng)力 切變 模量 G MPa 彈性模量 E MPa 推薦硬度HRC 推薦使用溫度℃ 特 性 及用途 彈簧類別 彈簧類別 Ⅰ類 Ⅱ類 Ⅲ類 Ⅰ類 Ⅱ類 碳素彈簧鋼絲 Ⅰ組Ⅱ組Ⅲ組 σB σB σB σB σB 8140078500 20300202100 40+120 強度高、韌性好，適 用 于做 小 彈簧 特殊用途碳素彈簧鋼絲 甲組、乙組、丙組 硅錳合金彈簧鋼絲 471 628 785 785 981 78500 19600 45 －50 40－＋200 彈性好，回 火 穩(wěn)定好，易脫碳，用于 制 造大 載 荷彈簧 根據(jù)表 選擇碳素彈簧鋼，這種彈簧鋼的優(yōu)點是價格便宜，原材料來源方便；缺點是彈性極限低，多次重復(fù)變形后易失去彈性，且不能高于 120℃的溫度下正常工作。 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 33 彈簧的尺寸計算 由于選擇的材料為碳素彈簧鋼，根據(jù)上表可知 ? ? ???? B?? MPa 2790008 3 4324 ??? ???? nDGdk pN/mm ???? ?pkp N 52102 ??? dDc 14 ???? ??????? ccck ? ? ?????? ?pk cd mm 取 d=2mm. 表 彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù) 參數(shù)名稱及代號 計算公式 結(jié)果 中徑 D2 D2=cd=5 2=10 10 內(nèi)徑 D1 D1=D2d=102=8 8 外徑 D D=D2+d=10+2=12 12 旋繞比 c c=D2/d=10/2=5 5 自由高度 H0 H0=nd+鉤環(huán)軸向長度 =30 2+40=100 100 螺旋角 α ????????????? 2 ??? ar c t gDpar c t g 取 4186。 剪釘?shù)脑O(shè)計計算 在該型封隔器的設(shè)計中，采用了兩種連接方式，一是螺紋聯(lián)接，另一種則是用剪釘聯(lián)接，用剪釘聯(lián)接可以使剪釘在超過其許用應(yīng)力的時候剪斷。 坐封剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1）材料的選擇： 剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]= 2) 剪釘?shù)闹睆接嬎悖? 剪釘不被剪斷的條件是 τ≤ [τ]，而所要求的剪釘要被西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 34 剪斷，故按 τ≥[τ]時計算，取臨界值 τ=[τ]。 由 ? ???? ??? 241 dnpssF 得 ? ???n psd 4? 式中： d— 剪釘直徑 p— 承受壓力 s— 作用面積 n— 剪釘個數(shù) [τ]— 許用剪應(yīng)力 坐封剪釘聯(lián)接的是油缸和活塞，只有把坐封剪釘剪斷，活塞才能下行，進而壓縮膠筒，此處均布 8個剪釘，液缸的啟動壓力為 p=57MPa。 當 p=5MPa時 ? ? ? ? 46226??? ?????? ? ???n psd mm 當 p=7MPa時 ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 由上選擇 d=4mm. 根據(jù) d＝ 4mm，計算剪斷時的壓力為 p=5MPa。 連接 剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1) 材料選擇：剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]= 2) 剪釘?shù)闹睆接嬎悖寒斪饧翎敱患魯嗪螅钊乱?，推動襯管等下移，此時，膠筒處的剪釘還未剪斷，當壓力達到一定值，卡瓦卡牢，此時，該剪釘剪斷，繼續(xù)加液壓，就開始壓縮膠筒，待壓力達到 1113MPa時，膠筒壓縮到最大值，坐 封過程完畢，此處布置 8個。 根據(jù)上述公式， 當 p=11MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 當 p=13MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 取 d=6mm。 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 35 由 d=6mm,計算 ? ?? ? 22622 ?????????????sndp MPa,在 11—13 MPa之間，滿足要求。 丟手剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1) 材料選擇：剪釘材料選用 20CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]=295Mpa。 2) 剪釘?shù)闹睆接嬎悖簛G手剪釘聯(lián)接丟手短節(jié)和內(nèi)中心管，當壓力達 1719 MPa 時 ，丟手剪釘被剪斷，實現(xiàn)丟手泄壓，此處均布 8 個。 當 p=17 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 當 p=19 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 取 d=5mm。 由 d=5mm,計算 ? ? 2622 ??? ?????? ? ???sndp MPa,在 17— 19 MPa 之間，滿足要求。 解封剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1) 材料選擇：剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]= MPa 2) 剪釘?shù)闹睆接嬎悖荷咸嶂行墓?，剪斷解封銷釘，實現(xiàn)解封，解封力F=6080kN均布 8個 . 當 F=60kN時， ? ? 106044 63 ??? ???? ???n Fdmm 當 F=80kN時， ? ? 108044 63 ??? ???? ???n Fdmm 取 d=5mm。 由 d=5mm,計算 ?F ? ? 622 ?????? ???nd kN,在 60—80kN之間，滿足要求。 封隔器坐封高度計算 為了加壓一定管柱重量，以保證封隔器坐封時所需要的坐封載荷，封隔器就必須要有一定的坐封高度（油管柱距頂絲法蘭的高度），這個高度取決于封隔器的下入深度、坐封 載荷和套管內(nèi)徑大小等因素。 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 36 如圖 所示，封隔器在坐封情況下，管柱受力分為兩部分（當坐封載荷小于管柱重量時）：一部分受拉（如圖中 L1），管柱處于自重伸長狀態(tài)；一部分受壓（如圖中 L2），管柱處于自重壓縮狀態(tài)。在管柱受拉與受壓間，處于既不受拉，也不受壓時的點 O，叫中性點。所以坐封高度的近似計算公式： SLLLH ??????? 21 式中： H－封隔器坐封高度， cm； ΔL―坐封前，封隔器以上油管柱長為 L 時的自重伸長， cm； ΔL1－中性點以上油管自重伸長長度， cm； ΔL2－ 中性點以下油管自重壓縮長度， cm； S－膠筒壓縮距， cm。 （ 1） 中性點 封隔器坐封時加壓的管柱重量，就是封隔器的坐封載荷，由此得封隔器坐封載荷的近似計算公式 P＝ L2F（ r－ r0）或 P＝ L2g，則中性點深度的近似計算公式 Frr PL )( 02 ?? 或 gPL?2 式中： P－封隔器坐封載荷，公斤； g－每 100 厘米油管在井內(nèi)液體中的重量，公斤 /厘米； F－油管環(huán)行截面積， 厘米 2； r－鋼的比重，公斤 /厘米 2； r0－井內(nèi)液體比重，公斤 /厘米 2。 （ 2）油管自重伸長或自重壓縮 根據(jù)材料力學(xué)得油管自重伸長長度或自重壓縮長度的計算公式： EFPll 2?? 或 E lrrl 2 )( 20??? 式中： Δl－油管自重伸長長度或自重壓縮長度，厘米； l－油管未伸長或壓縮時的長度，厘米； E－鋼的彈性模數(shù)，為 106 公斤 /厘米 2。 （ 3）膠筒壓縮距 膠筒壓縮距，是指封隔器坐封前膠筒的自由長度減封隔器坐封后膠筒受力時的長度。因影響因素多，較難準確計算，一般均用試驗方法確定。 5in（指公稱直徑）膠筒為 60～ 70mm左右。 圖 封隔器坐封高度計算 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 37 由上述公式可計算封隔器的坐封高度，假設(shè)套管內(nèi)徑 ，坐封壓力13MPa， 坐封深度 1600m，其中坐封載 ? ? ? ? 62222 ????????? ?? pdDfpF kN 得 ??? FPkg 即得 ???? qPLmm 由于 L=1600m=160000cm 所以 L1=LL2===106928cm 因為 γ=106kg/cm3 可得 ? ? ? ? 6220 ??? ?????? E LL ?? cm ? ? ? ? 10 692 622101 ??? ??????ELL ?? cm ? ? ? ? 622202 ?????????ELL??cm 因為 S=6cm 所以 ! ???????????? SLLLH cm 密封的設(shè)計 `液體從液缸高壓腔泄漏到低壓腔或泄漏到缸體外面去，將會造成工作機構(gòu)運動不穩(wěn)定和定位不準確，容積效率低，嚴重時使系統(tǒng)壓力上不去，甚至整個系統(tǒng)無法工作。外泄還會造成工作環(huán)境污染、浪費油料等一系列弊病。因此密封裝置的質(zhì)量直接影響液壓系統(tǒng)的性能，不能忽視。 對密封裝置的一般要求是，密封性好，摩擦力要小且穩(wěn)定，壽命長，裝卸方便等。當用于高壓液缸時，對密封性的要求更高一些。當用于低速運動的液缸時，則要求摩擦力更加穩(wěn)定，這樣運動平穩(wěn)，不產(chǎn)生爬行。 機械設(shè)備密封性能的好壞，是衡量設(shè)備 質(zhì)量的重要指標之一。因為漏油、漏水、漏氣會使機械工作不穩(wěn)定、效率下降、污染環(huán)境、影響產(chǎn)品質(zhì)量，有時還會造成設(shè)備和人身事故。為防止油、水、氣等流體介質(zhì)的漏油，在液壓和氣動機械等設(shè)備中，經(jīng)常要使用各種密封元件。 以前這些具有重要作用的密封元件主要是用皮、革、麻、石棉等纖維質(zhì)的材料，所以不能完全防止泄漏。此外，這種密封元件還存在安裝溝槽較復(fù)雜，需要西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 38 較大的安裝空間等缺點。隨著合成橡膠的發(fā)展，出現(xiàn)了耐油、耐熱、耐磨等具有各種特點的合成橡膠密封材料。目前，用合成橡膠材料制成的 O型密封圈之所以能夠得到