【導(dǎo)讀】置，而且解封時(shí)要降溫，但注完蒸汽后井溫很難降低，造成解封困難，密封效果不好。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了可伸縮熱采封隔器。封機(jī)構(gòu)，扶正錨定機(jī)構(gòu)，熱力伸縮補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，安全脫卡機(jī)構(gòu)組成。封圈組成密封系統(tǒng)，確保伸縮管熱力伸長(zhǎng)時(shí)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，操作過(guò)程中不需降溫，確保了坐封與解封的可靠性。

　　

【正文】 21 表 表 （ 1）石棉線 支數(shù) 8～ 9支 水份含量 〈 3％ 捻度 14～ 18r/10cm 扯斷力 2500g 燒失量 22％ 耐熱 400℃ （ 2） 碳纖維 比重 ～ 拉伸強(qiáng)度 100～ 140kg/mm2 直徑 8～ 10um 熱膨脹系數(shù) ～ 5 108/℃ （ 3） 合金絲 直徑 Fe+Mn 3～ 4％ Ni+Co 68～ 71％ 一般的粘接體系材料均由各類粘接劑 ,混以相應(yīng)的使用性能材料組成?？紤]到時(shí)密封件的強(qiáng)度、回彈性、耐熱性，少量的高強(qiáng)度粘接劑，混以二硫化鉬，柔性石墨組成該元件的粘接體系。 （ 1） 粘接劑 （ 2） 二硫化鉬 （ 2） 二硫化鉬 外觀 有光澤黑灰粉末，有油膩感 比重 4． 8 熔點(diǎn) 1185℃ （ 3） 柔性石墨 純度 99％ 抗壓強(qiáng)度 800 cm2 強(qiáng)熱減量 1％ 回彈率 28％ 3．填料和稀釋劑 為了提高密封件的耐熱性和組合的致密性，保證生產(chǎn)工藝的可行，選用了優(yōu)質(zhì)粉狀抗剪強(qiáng)度 45 ～ 250 ℃時(shí) 800 ～彎曲沖擊強(qiáng)度 3～ cm2 耐熱老化強(qiáng)度 200℃、 200h 時(shí) cm2 表 表 表 表 22 表 表 圖 石墨和稀釋劑 C2H8O2。 （ 1）石墨 外觀 黑色有光亮的結(jié)晶，呈片狀或粉狀 比重 純度 94～ 99％ （ 2）稀釋劑 化學(xué)式 C2H8O2 比重（ 2020d? ℃） ≥ 外觀 透明液體 含量 ≥ 96％ 經(jīng)檢驗(yàn)， 401型石棉密封元件的性能指標(biāo)為： 指標(biāo)名稱 標(biāo)準(zhǔn)要求 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 含水率 3 含油率％ 10～ 20 11 吸水率 ≤ 8 6 堿失量％≤ 5 單位重量≥ 壓縮回彈量 (mm)≥ 250Mpa 由此可見(jiàn)，選用的 401型石棉密封元件滿足此次熱采封隔器設(shè)計(jì)中的性能要求。 對(duì)密封膠筒總成有關(guān)力學(xué)性能的分析 密封膠筒在自由狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸如圖 所示 : 密封膠筒坐封后的受力情況如圖 所示： 圖 104 15049176。表 d1=160mm d2=150mm 2120p p pMpa? ? ?? 23 因此，由于上下壓差作用對(duì)膠筒產(chǎn)生的上頂力 F為： 221222( ) / 42 0 3 .1 4 (1 6 0 1 5 0 ) / 44 8 .6 7F p d dkN?? ? ? ? ?? ? ? ?? 其次，膠筒壓縮距是設(shè)計(jì)封隔器時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，只有準(zhǔn)確的計(jì)算出膠筒壓縮距才能推出封隔器的壓縮距，從而使封隔器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于合理。膠筒壓縮距的計(jì)算如下： 假設(shè)封隔器膠筒發(fā)生彈性變形后其總體積是不變的，即 0VV? 壓 變 212200()4V D D h?? ? ? ? 122()4V D D h?? ? ? ?3變 壓 變 式中 1D — 自由狀態(tài)下膠筒內(nèi)直徑， 104mm； 2D — 自由狀態(tài)下膠筒外直徑， 150mm。 3D — 套管最大內(nèi)徑， 160mm。 0h — 自由狀態(tài)下膠筒的折合高度， 126mm。 h壓 變 — 壓縮狀態(tài)下膠筒的高度； 經(jīng)計(jì)算得， mm?壓 變 0126 40h h hmmmm? ? ?????max 壓 變 所以膠筒最大壓縮距為 40mm。 此外，壓縮式封隔器是通過(guò)施加軸向載荷使膠筒軸向受到壓縮而徑向膨脹，從而密封油管和套管的環(huán)形空間而封隔產(chǎn)層的。因此對(duì)在不同軸向載荷作用下膠筒外表面的變形規(guī)律和反映膠筒密封性能的接觸應(yīng)力、極限密封壓力、應(yīng)力松弛規(guī)律等進(jìn) 行認(rèn)識(shí)與分析對(duì)于膠筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)和相關(guān)壓縮膠筒的部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)、校核都是極其重要的。 （ 1）有關(guān)膠筒表面變形的規(guī)律 膠筒在受軸向載后其變形可分為自由變形和約束變形兩個(gè)階段。自由變形階段是指膠筒外表面從受載開(kāi)始到其外表面變形未接觸套管的階段，約束變形階段是指膠筒外表面徑向變形受到套管的限制的階段。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)軸向力 F 較小即膠筒自由變 24 圖 壓縮力 F與膠筒軸向壓縮量 ? 關(guān)系曲線 形時(shí)，膠筒內(nèi)表面和外表面一樣朝著相同的方向向外鼓，內(nèi)表面與油管表面形成一弓形空間；當(dāng) F增加到使膠筒外表面 開(kāi)始進(jìn)入約束變形之后，其內(nèi)表面也就不能再繼續(xù)往外鼓，它和油管之間所形成的弓形空間將逐漸減小，弓形空間最后將變成一條線，膠筒內(nèi)表面和油管之間幾乎完全接觸，即所謂的“壓實(shí)狀態(tài)”；之后，如再增加 F，膠筒變形甚微，說(shuō)明膠筒已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，如圖 中膠筒的壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示。 （ 2）有關(guān)膠筒表面接觸應(yīng)力的規(guī)律 衡量膠筒密封性能好壞的主要參數(shù)是膠筒外表面與套管內(nèi)表面之間的接觸應(yīng)力r? 。膠筒接觸應(yīng)力 r? 沿膠筒接觸長(zhǎng)度長(zhǎng)度分布不均。當(dāng) F較小時(shí)，膠筒中部 r? 較大，當(dāng)不斷增大時(shí)最大的 r? 在靠近加載的一端， F越大則靠得越近。當(dāng) F較小時(shí)，套管對(duì)膠筒的摩擦力較小， r? 分布趨于對(duì)稱；當(dāng) F 較大時(shí)，膠筒所受的摩擦力更大而且更不均勻。 綜合規(guī)律（ 1）、（ 2）可知，要使膠筒和油管之間有充分的接觸以保證密封性，則作用在膠筒上最大的軸上壓力 maxF 應(yīng)使膠筒工作在“壓實(shí)狀態(tài)”，由圖 可知 maxF 至少應(yīng)在 30KN 左右；又考慮到注汽井中膠筒封隔的上下空間壓差對(duì)膠筒有約 50KN 的上頂力作用，這會(huì)減小上下?lián)醐h(huán)作用于膠筒上的壓縮力，進(jìn)而影響密封性；由此膠筒在“壓實(shí)狀態(tài)”下工作時(shí)應(yīng)保證有 80KN 的軸向壓縮力。其次，由于作用于膠筒上的軸向力不斷增大時(shí)，接觸應(yīng)力 r? 的不對(duì)稱分布增大，并且最大 r? 向加載端 靠近，表現(xiàn)為膠筒肩部外鼓，并沿軸向?qū)?huì)呈現(xiàn)剪切狀態(tài)，容易造成剪切破壞；因此必須在膠筒兩端加防突裝置，以提高膠筒的承載能力。 卡瓦的設(shè)計(jì)計(jì)算 封隔器上的卡瓦錨定后起起到支撐封隔器、鎖定膠筒的作用，其性能好壞直接影響到油井的產(chǎn)量和安全。在脹卡力相同的作用下，卡瓦與套管間的咬合力分布決定了封隔器在施工和使用中的成敗。咬合力的分布是否合理，將直接關(guān)系到套管的損傷程度及卡瓦的壽命，影響到采油或注水工藝的實(shí)施以及油井的二次作業(yè)。影響卡瓦與套管間咬合力分布的因素很多，如卡瓦咬合齒型的幾何形狀及尺寸，卡瓦的結(jié)構(gòu)、 材料及加工精度等。因此，對(duì)封隔器卡瓦進(jìn)行應(yīng)力分析，研究卡瓦與套管間咬合力的分布 25 (a) (b) 圖 規(guī)律，對(duì)于封隔器卡瓦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。 因?yàn)榭ㄍ叩氖芰顟B(tài)與其結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，所以我們先在傳統(tǒng)卡瓦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)其受力狀態(tài)作出分析，為下一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化提出依據(jù)；然后是確定優(yōu)化后的卡瓦結(jié)構(gòu)；最后是卡瓦的材質(zhì)選擇與強(qiáng)度校核發(fā)。 卡瓦與套管間接觸應(yīng)力分析 如圖 所示， (a)是卡瓦受力模型的俯視圖，（ b）是單片卡瓦的受力分析圖。 經(jīng)靜力分析，單片卡瓦在井下受力平衡時(shí)，必 須滿足以下兩個(gè)議程 ( c o s ta n s in )( s in ta n c o s )kkkkQRWR ? ? ?? ? ????? 又 zk WW n? ∴ ? ?zk WQ n tg ??? ?? 式中 zW — 卡瓦式封隔器的軸向坐封載荷， N； kW — 單片卡瓦所承受的軸向載荷， N； kR — 坐封載荷對(duì)單片卡瓦的分壓載荷， N； kQ — 單片卡瓦作用在套管內(nèi)壁上的徑向載荷， N； ? — 卡瓦與卡瓦楔形體的摩擦角； ? — 卡瓦楔形角； n －卡瓦片數(shù)。 26 假設(shè) kQ 是通過(guò)卡瓦牙面沿徑向均勻地作用在套管內(nèi)壁上，則單位卡瓦牙面對(duì)套管內(nèi)壁作用的徑向力 q 與 zW 的關(guān)系為 ? ?2 s inz kWq n l r tg ? ? ?? ? ? ? ?牙 套 內(nèi) 式中 k? — 卡瓦牙面的半角； l牙 — 卡瓦牙面的軸向長(zhǎng)度， cm； r套 內(nèi)— 套管內(nèi)壁半徑， cm； q — 單位卡瓦牙面作用在套管內(nèi)壁上的徑向力， N/cm2。 又由于卡瓦是作用在套管內(nèi)壁上的，對(duì)卡瓦坐封段套管進(jìn)行一定的應(yīng)力分析對(duì)卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是有必要。 以勝利油田勝 254— 4型卡瓦式封隔器為例（如圖 所示）。 4n? ， 1 8 4 6 39。, 6 39。39。k l???? 牙 1厘 米 ,5 套 管 , 壁 厚 = 毫 米2。按材料力學(xué)超靜定原理求 解整理得出在 0 ( )4k?????范圍內(nèi)，套管段圓環(huán)上任意點(diǎn)的周向應(yīng)力 ?? 的計(jì)算公式為 c o s 1 0 . 9 1 6 6 2 1[ 2 2 0 . 2 6 6 1 ( 0 . 1 5 1 7 ) ( 1 ) ]ta n ( ) c o s 2 6 . 2zW r? ?? ? ? ?? ? ? ?? 在 ()44k?????? 范 圍 內(nèi) ,套管段圓環(huán)上任意點(diǎn)的周向應(yīng)力 ?? 的計(jì)算公式為 c o s 1 2 . 5 6 2 6 11 1 0 . 1 8 3 ( 0 . 1 5 1 7 ) 1 . 9 4 3 1 ( ta n 1 )ta n ( ) c o s 2 6 . 2zW r? ???? ? ?????? ? ? ? ?????? ???? 式中 ?? — 周向應(yīng)力； r — 套管圓環(huán)任意點(diǎn)的半徑。 ?? 隨 ? 變化的關(guān)系曲線如圖 所示?？梢?jiàn)內(nèi)壁應(yīng)力最大值在 ? =0 處，外壁應(yīng)力的最大值在 4??? 處。 因此， ? =0 的內(nèi)壁處是套管強(qiáng)度計(jì)算的危險(xiǎn)點(diǎn)。 27 圖 圖 圖 圖 圖 是周向應(yīng)力 ?? 隨卡瓦牙面半角 k? 變化的關(guān)系曲線。當(dāng) 17 32 39。36 39。39。k? ? 時(shí)，套管段圓環(huán)上的危險(xiǎn)點(diǎn)在 4??? 的套管外壁上。當(dāng) 17 32 39。36 39。39。k? ? 時(shí)，套管段圓環(huán)上的危險(xiǎn)點(diǎn)在 0?? 的套管內(nèi)壁處。 根據(jù)以上分析，采用第三強(qiáng)度理論得出套管許用最大坐封載荷 W????坐 隨卡瓦數(shù) n和卡瓦牙面的半角 k? 變化的關(guān)系曲線如圖 所示。 28 圖 可以看出，欲提高 W????坐可以增大卡瓦數(shù) n 值，一般 15 739。39。2套管，卡瓦數(shù)可以設(shè)計(jì)為 46片；也可以最大限度地增大 k? 值。同時(shí)，還可以增大 l牙 值及選擇 合理的卡瓦楔形角 ? （但不宜超過(guò) 20 ），增加卡瓦牙根部加工角半徑。 以上措施對(duì)降低卡瓦的接觸應(yīng)力也是成立。 另外，卡瓦與套管之間接觸應(yīng)力的三維光彈模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于卡瓦同一個(gè)齒的齒尖應(yīng)力分布主要在齒面的兩側(cè)，中間部位基本不接觸，所以接觸應(yīng)力很小。這表明卡瓦齒面與套管內(nèi)表面的接觸不均勻，在卡瓦的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：在同一軸向剖面內(nèi)，卡瓦上下兩端齒尖的應(yīng)力比靠近結(jié)合部區(qū)域的的應(yīng)力大得多 ，這說(shuō)明結(jié)合部太弱，在進(jìn)行卡瓦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)，盡量加強(qiáng)卡瓦中間結(jié)合部的強(qiáng)度。 卡瓦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 基于上面對(duì)卡瓦與套管間接觸應(yīng)力的分析結(jié)果，現(xiàn)將卡瓦的幾何結(jié)構(gòu)及主要尺寸確定如下圖 所示： 下面是對(duì)圖 卡瓦結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的幾點(diǎn)說(shuō)明： （