【正文】 ? = MPa，結(jié)構(gòu)合理，能在高壓下正常工作。 （ 3）確定壓環(huán)的尺寸 由于壓環(huán)是安裝在襯套上，所以其內(nèi)徑 R=38mm，外徑為封隔器的最大外徑，取 R=。 膠筒壓 環(huán)的尺寸確定 （ 1）膠筒壓環(huán)的 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 。得??S? = MPa，取 系數(shù)為 ， 則 ??? =。 根據(jù)《工程力學(xué)》 ??19 教科書 P149： ? ? ? ? ~ ??? 。 所以截面厚度 ? =4mm。 （ 2）襯套的受力分析 由于襯套在封隔器中只起定位作用，主要作用是為解封方式提供了一個(gè)軌道，因此基本上不受力，只是在與上接頭 接觸 處承受一部分力。 因此 取 CR =53mm。 從而求得液缸的內(nèi)徑 CR ≤ 。 （ 2）液缸井下受力分析 根據(jù)液缸在井下的受力情況，液缸主要承受軸向 壓力 ，以及液壓對缸壁的剪切力，一般情況下取軸向壓應(yīng)力等于軸向拉應(yīng)力。 所以取 aR =25mm。 ? ?22SbaF? ??（R R ） （ 68） 式中 aR中心管內(nèi)半徑 bR 中心管外半徑 ， bR =34mm ? ?S? 極限應(yīng)力 則 ? ?S? 的取值 由公式 ? ? SS S?? ? 確定，由前述取 S? = MPa， S=。 （ 3）中心管的外徑選擇 由于在與封隔器膠筒重合的部分間有襯套， 膠筒內(nèi)徑為 74mm，則取中心管的外徑為 68mm，即 bR 。 確定中心管截面尺寸 （ 1）中心管材料的選擇 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P479，選擇中心管的材料為 35CrMo，并 可知該材料的屈服強(qiáng)度為 。 根據(jù)計(jì)算可得： PF = 由此可得出保證密封元件密封所需的總壓縮力為 ： F= 計(jì)算膠筒與 套 管間的接觸應(yīng)力 膠筒能夠承受壓力的多少取決于接觸應(yīng)力 rPw ,工作膠筒一般處于穩(wěn)定 變形階段，其接觸應(yīng)力 rPw 的計(jì)算公式由《壓縮式封隔器膠筒耐溫耐壓淺析》 ??27 式（ 12）可得： ? ?r 12 2 2 22P 1 ( ) ( 1 ) ( )wz OOO O O OE R R RTP R R R R????? ? ? ? ???? ? ???? ? ? ??? （ 66） 式中 T = F= ? 泊松比，參見《壓縮式縮徑井封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 》?。? = E膠筒彈性模數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P4 表 17 得：E= zP 膠筒承受壓差時(shí)高壓端壓力： zP =50MPa oR? 、 oR 、 1R 取值同前 由此可得 ： rPw = 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上冊第一分冊 P600 可得，橡膠的 扯斷強(qiáng)度為，由此可看出 ： rPw 所以膠筒能在井下正常工作。 1） 求解將密封元件壓貼在接觸套管所需的壓縮力 Fe ? ?11 o oER RR? ?? ? ??Fe=2 （ 64） 式中 E膠筒彈性模數(shù)， 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 ??10 上冊第一分冊 P4 表 17得： E= oR? 套管內(nèi)徑， oR? =； 1R 膠筒外徑， 1R =。 （ 1）計(jì)算封隔器膠筒的軸向相對變形 ??1 ? ?1222 oozooR R RRR?????? ? （ 61） 式中 oR? 套管內(nèi)徑， oR? =； 1R 膠筒外徑， 1R =； oR 膠筒內(nèi)徑， oR =37mm。 （ 4） 結(jié)構(gòu)參數(shù) 根據(jù)《采油技術(shù)手冊》 p640 表 841，以及封隔器的最大外徑參數(shù)為∮115mm，選擇封隔器型號：玉 757。 （ 2） 氫化丁氰橡膠的性能參數(shù) ??34 表 65 氫化丁氰橡膠的性能參數(shù) 性能 中膠筒 端膠筒 抗拉強(qiáng)度 27 伸 長 率（ %） 280 210 硬度 （邵爾 A） 78 86 永久變形 21 18 （ 3） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計(jì) 對于壓縮式密封元件，在承受載荷變形時(shí)，要求應(yīng)力分布均勻，應(yīng)避免和減少膠筒上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)過有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，一般出現(xiàn)裂痕和殘余變形的部位主要發(fā)生在邊緣應(yīng)力集中，因此需要對膠筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) ??1 ，如下： a、端面形狀：采用外斜角為 30～ 40176。 而丁氰橡膠一般用于溫度低于 120℃，并且因?yàn)橛捎谄涫芙Y(jié)構(gòu)的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致膠筒失效。用一般配方 ， 氫化 丁氰 橡膠的抗張強(qiáng)度達(dá) 30M Pa 以上 ， 有特別要求的 ， 可達(dá) 60MPa； 。 由于 對熱敏感的雙鍵部分被消除 ， 因 而 耐熱性明顯提高 。 各部分的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 對于密封元件的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足以下三 個(gè)條件： a、能使封隔器順利下井 ； b、在工作介質(zhì)中能密封可靠，并且壽命長 ； c、在需要時(shí)能便于起出 。 表 61 工作溫度：如 表 62 選取 120℃ 。另外 ， 可以使用與 該型封隔器配套的錨定工藝管柱 ， 可減緩管柱蠕動 ， 有利 于 提高分注管柱的使用壽命。當(dāng)停泵或洗井時(shí) ， 油管 內(nèi)液壓 下 降 ， 管柱收縮 ， 對封隔段的作用相當(dāng) 于 上提管柱 。 為克服管柱蠕動對封隔器 影響 的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 為克服管柱蠕動對封隔器 正常工作的 影響 ，特在封隔器尾部設(shè)計(jì)了單向卡瓦結(jié)構(gòu)。 故能承受較高的上 壓。 為了緩解軌道 螺釘 4 的工作負(fù)載，在封隔器尾部設(shè)計(jì)了卡瓦 33，工作時(shí) 卡瓦齒咬合在套管內(nèi)壁，其與套管內(nèi)壁產(chǎn)生的軸向摩擦力能平衡掉 一部分 來自 上 部的液壓，從而防止了封隔器的軸向移動，保護(hù)了膠筒 ， 減輕了 10 軌道螺釘 4 的工作負(fù)載 。 工作過程 當(dāng)封隔器承受下部液壓時(shí)，作用力 通過膠筒、襯套 5 作用在油管上，有推動 油管上行的趨勢， 只要與封隔器相連接處的油管固定不上移，封隔器承受下壓的能力就很大。 以下是高壓封隔器的總體結(jié)構(gòu)圖 ： 圖 51 高壓單管封隔器裝配圖 結(jié)構(gòu) 本封隔器的上下接頭 32 與油井油管相接，中心管的內(nèi)徑為 ? 50，襯套 5與中心管 1的配合 為 間隙配合 ，襯套不會隨著中心管的軸向移動而移動，卡簧座13 與襯套 5 采 用管螺紋連接 ，坐封狀態(tài)的鎖緊元件是 卡簧 14，卡簧 14 與卡簧座13 也采用螺紋連接，卡簧 14 在下入注水井之前應(yīng)使其張開處于工作狀態(tài)， 其張開靠鎖塊 15 的支撐作用，同時(shí)采用兩級液缸結(jié)構(gòu)，在工作中能使密封裝置迅速達(dá)到坐封狀態(tài)，下端的卡瓦 33 靠錐體 26 支撐，錐體 26 的鎖緊元件是鎖緊瓦24。 本 次設(shè)計(jì)的 封隔器 適用工況條件： （ 1）適用的分層配注方式：油、套管兩層分注，封隔器分隔上、下兩層，油管注下層，套管注上層； （ 2）適用于注水 井排液、洗井后； （ 3）適用的工作溫度為 120℃ 以下 ； （ 4）適用于高壓注水，壓 差 為 50MPa。 8 4 主要研究內(nèi)容 對收集資料的整理并加以分析，以及現(xiàn)場使用封隔器信息的反饋，目前封隔器失效的主要原因是 : （ 1） 內(nèi)膠筒彈性橡膠性能和加工制造質(zhì)量差，膠筒破裂； （ 2） 密封性能不可靠，密封元件使用壽命短，提高了鉆采成本； （ 3） 承受壓力低 ； （ 4） 坐封困難（尤其在中深井、深井工作中）； （ 5） 解封不可靠，外膠筒設(shè)置不合理，取出困難。油層套管的作用是保護(hù)井壁，造成油氣通路，隔絕油、氣、 水層，下人深度視生產(chǎn)層層位和完井的方法來決定。表層套管用以封隔上部不穩(wěn)定的松軟地層和水層。 注水井井身結(jié)構(gòu)： 注水井井身主要由導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管、油層套管等組成。在需 圖 32 注水管柱 要改變配 注量而更換水嘴時(shí)，不動管柱，不用鋼絲繩，以反洗井方式，從油套環(huán)空內(nèi)注入高壓水，將中間芯子返到井口防噴管內(nèi)，被裝于井口防噴管上的捕捉器抓住，取出芯子，進(jìn)行水嘴更換；第四種是多油管分注，一般有同心管和并列管兩種方式，國內(nèi)現(xiàn)已不采用。 分層配注共有四種方法 ??2 ：第一種是油、套管兩層分注，用封隔器分隔上下兩層，油管注下層，套管注上層，各層的注入量可以在地面進(jìn)行控制和計(jì)量；第二種是單管多層配注，這種方式是由多級水力封隔器、配水器、底部閥門等工具，按分層注水的需要組裝來實(shí)現(xiàn)的。為了彌 補(bǔ)原油采 出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對油田進(jìn)行注水。 注水工藝 利用注水井把水注入油層，以補(bǔ)充和保持油層壓力的措施稱為注水。對于丟手式封隔器，則需另行配備專用的坐封和解封工具。它通常由外中心管、銷釘，各種內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu) (如錐環(huán)、鎖環(huán)、鎖扣或鎖扣指以及棘輪機(jī)構(gòu) )構(gòu)成。 （ 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) (使密封元件密封后保持不變 )的機(jī)構(gòu)。通常，它包括坐封活塞，中心管 (或開有軌跡換向槽的軌跡管 )，上、下接頭，滑環(huán)套等。扶正器一般由鐵正彈簧罩、彈簧座和彈簧構(gòu)成，其作用靠外端呈圓柱面的扶正塊來實(shí)現(xiàn)。這種作用，通常由一些扶正彈簧和狀如燈籠的扶正器承擔(dān)。為了防止封隔器的縱向移動，特別在深井和高壓作業(yè)中，往往采用正、反多級卡瓦，或附加上水力錨，即使是支撐井底的支柱式封隔器，由于怕壓壞尾管，也往往如此。七十年代，美國格伯森公司研制成功了能承受雙向壓差的整體卡瓦。早期的封隔器由于下入深度 6 淺或承壓能力低，一般無需帶卡瓦，或只在膠筒上部用單卡瓦。 水力錨使用比較廣泛，它通常由許多卡瓦牙或者鋸齒形錨爪構(gòu)成的，它即可以與封隔器設(shè)計(jì)成一體，與卡瓦配合使用，也可以單獨(dú)接在封隔器上 。 （ 2） 錨定部分 錨定部分 也叫“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而影響密封性能，或引起封隔器過早解封。近年來為實(shí)現(xiàn)油管與封隔器之 間的內(nèi)密封，密封元件也制成各種形狀 (如 V 形 )的盤根。其中的密封元件是至關(guān)重要的核心部 件，通常制作成圓筒狀，所以也俗稱膠簡 。 封隔器的主要結(jié)構(gòu)以及工作原理 主要包括密封、錨定、扶正、坐封、鎖緊、解封六部分 ??1 。 封隔器的作用 （ 1）隔絕井液和壓力，以保護(hù)套管免受影響，從而改善套管工作條件； （ 2）封隔產(chǎn)層或施工目的層，防止層間流體和壓力互相干擾，以適應(yīng)各種分層技術(shù)措施的需要，或便于進(jìn)行堵漏、封竄等修井作業(yè)； （ 3）保存并充分利用地層能量（包 括溶解氣能量 )，以提高油井生產(chǎn)效率，延長其工作時(shí)間； 高壓單管封隔器設(shè)計(jì) 5 （ 4）使井的控制僅限于地面油管，以確保安全和最大限度地控制地層； （ 5）便于采用機(jī)械采油的方式 (如為氣舉和水力油塞泵抽油提供必要的生產(chǎn)通道，或?qū)⑻坠芊指魹槲牒团懦鰞刹糠郑岳诠艿肋M(jìn)行抽油 )； (6）用在氣井中：可以緩和氣井液面過早上升。所謂“封隔器”，是指具有彈性密封元件：用于封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，以控制產(chǎn) (注 )液，保護(hù)套管的井下工具。 封隔器系統(tǒng)在井下工作的條件 —— 主要是溫度和壓力，往往因井的工藝方式的變更而改變，因而引起系統(tǒng)的受力和管柱長度發(fā)生變化，導(dǎo)致封隔器過早解封、錯(cuò)封或竄封，乃至無法取出封隔 器及其他更為嚴(yán)重的惡性故障。按其作用原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為支撐式、卡瓦式、皮碗式、水力擴(kuò)張式、水力自封式、水力密閉式和水力壓縮式等多種形式，按封隔器封隔件的工作原理分為：自封式、壓縮式、楔入式、擴(kuò)張式。現(xiàn)場上，往往把這種帶封隔器的油管柱叫做“封隔器管柱”，也有人稱為“油管 — 封隔器系統(tǒng)。正是由于封隔器獨(dú)特的密封作用，為油氣水井的正常生產(chǎn)和各種井下工藝措施的順利進(jìn)行提供了有效的機(jī)械手段，因此，封隔器校認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)油氣田合理開采的戰(zhàn)略性武器。也就是說，封隔器所具備的種種功能，主要依靠彈性密封元件的密封作用來實(shí)現(xiàn)。 封隔器的發(fā)展趨勢：向著高性能、多用途、適應(yīng)性強(qiáng)和更多地采用內(nèi)密封結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。 科技工作者們致力在封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以期達(dá)到世界先進(jìn)水平，近幾十年來經(jīng)過不懈的努力，研制出了各種適應(yīng)不同地質(zhì)條件和工況環(huán)境，以及不同功能、材料的封隔器，如： DQY141114 型封隔器、 DQY341114型封隔器、 ZYY341114 型封隔器、 Z331_114 型封隔器、 Y411115 型可取式雙卡瓦封隔器、 90mm 金屬封隔器、 Y54l— 115 靜液壓封隔器等，目前最大工作壓力已達(dá)到 75mpa，工作溫度達(dá)到 300℃。鐵嶺橡膠工業(yè)研究院就選用氫化丁睛膠為主體材料、開發(fā)出了耐溫達(dá)150℃ 、型號為 YS 1131520 的壓縮式封隔器膠筒。在中、深油井的分層開采、堵