封隔器毕业设计现用

毕业设计说明书题目Y211型封隔器设计所在院系机械工程学院班级机械0901姓名高新华指导老师张建兵完成日期2011年6月14日Y211型封隔器设计摘要本文研究的封隔器是油气井作业中使用广泛的一种井下工具，其作用是在油井深度方向实现分层作业。封隔器上的卡瓦锚定后起到支撑封隔器、锁定胶皮筒的作用，其性能的好坏直接影响到油井的产量和生产安全。随着油气田开采的深入，地层情况越来越复杂，分层作业越来越普遍，对封隔器的使用要求也越来越高，封隔器系统失效的情况时有发生，给生产造成损失。本文概述了油田常用的封隔器的类型、参数、命名及其工作原理；讨论了目前封隔器所用的胶筒的发展现状分析了Y211115封隔器的工作原理以及结构特征并对各重要零部件进行强度校核，进而完成对Y211115封隔器的设计，得出结论。随着世界石油行业各项采油技术的不断发展，各大油田都对井下才有设备突出了更高的要求。可以说正是由于技术人员克服了许多作业工具的缺点和不足，才使得这个行业的水平一直在提升。为了使封隔器在油田能够得到进一步的广泛应用，在此主要针对Y211115型封隔器密封、坐封和解封的问题，进行一些改进设计。该封隔器设计了密封机构、坐封装置和解封装置，单向卡瓦锚定、机械内锁紧和上提下放管柱解封结构，具有抗碰撞、防上滑、悬挂能力强、通径大及结构简单综合性能强、不易中途坐封等特点，可用于分层试水、采油及堵水等工艺。关键词封隔器坐封解封结构THEDESIGNOFY211PACKERABSTRACTPACKEROFTHISSTUDYISWIDELYUSEDINOILANDGASWELLSOPERATINGADOWNHOLETOOL,ITSROLEISTOREALIZETHEDEPTHDIRECTIONINTHEWELLSTRATIFIEDOPERATIONSLIPSONTHEPACKERSUPPORTAFTERTHEPLAY,LOCKTHEROLEOFRUBBERTUBE,THEPERFORMANCEHASADIRECTIMPACTONOILPRODUCTIONANDPRODUCTIONSAFETYWITHTHEDEEPENINGEXPLOITATIONOFOILANDGASFIELDS,STRATIGRAPHICSITUATIONMORECOMPLEX,LAYEREDWORKMOREANDMORECOMMON,THEUSEOFPACKERDEMANDMOREANDMORE,PACKERSYSTEMFAILURESITUATIONSHAVEOCCURRED,CAUSINGDAMAGETOPRODUCTIONTHISARTICLEOUTLINESTHECOMMONOILFIELDPACKERTYPE,PARAMETERS,NAMEANDTHEWORKINGPRINCIPLETHEINFLUENCEOFITSSHAPEANDTHEINFLUENCEOFCASINGDAMAGEOFTHEY211115PACKERWORKSANDSTRUCTURALCHARACTERISTICSANDSTRENGTHCHECKOFALLMAJORCOMPONENTS,ANDTHENCOMPLETETHEY211115PACKERDESIGN,DRAWACONCLUSIONWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFTHEWORLDSOILINDUSTRYPRODUCTIONTECHNOLOGY,ALLTHELARGEFIELDSOFDOWNHOLEEQUIPMENTPUTFORWARDHIGHERREQUESTWECANSAYITISBECAUSEOFTECHNICALPERSONNELTOOVERCOMETHEMANYSHORTCOMINGSANDTHEINSUFFICIENCY,OPERATINGTOOLSMAKESTHISINDUSTRYLEVELHASBEENPROMOTEDINORDERTOMAKETHEPACKERCANBEFURTHERWIDELYUSEDINOILFIELDINTHISMAJORFORY211PACKERSEALING,SETTINGANDUNLOCKPROBLEM,MAKESOMEIMPROVEMENTDESIGNTHEPACKERSEALINGMECHANISMISDESIGNED,SETTINGDEVICEANDUNLOCKDEVICEWITHINTHEONEWAYSLIPANCHORING,MECHANICALLOCKANDLIFTDOWNSTRINGUNLOCKSTRUCTUREHASIMPACTRESISTANCE,ANTISLIDE,SUSPENSIONABILITYSTRONG,LARGESIZEANDSIMPLESTRUCTURECOMPREHENSIVEPERFORMANCEISSTRONG,DIFFICULTTOSETTING,ETCCANBEUSEDFORLAYEREDTRYWATER,OILANDWATERPLUGGINGTECHNOLOGYKEYWORDPACKERSEALINGGIVINGUPSTRUCTUREI目录1绪论111题目的意义112国内封隔器的发展与应用213封隔器的设计原则414封隔器基本标准4141封隔器的分类5142油田用封隔器的通用技术条件815主要设计内容8151设计技术参数8152结构及性能特点82总体方案与结构设计821总体方案设计9211结构组成9212工作原理922结构设计9221锚定方式的选择9222解封方式的选择11223封隔器常用材料1123设计计算12231胶筒的设计计算12232卡瓦的设计计算15II233弹簧的设计计算18234封隔器主体外径设计20235剪钉的设计计算21236封隔器坐封高度计算23237密封的设计243井下管柱受力分析2731温度效应2732螺旋弯曲效应284强度校核2841内中心管的校核计算2842上接头受力校核3043锁紧机构的校核30431外中心管上锁紧机构的校核30432弹簧的校核305经济性分析326设计心得总结33参考文献3511绪论11题目的意义本文研究的封隔器是油气井作业中使用广泛的一种井下工具，其作用是在油井深度方向实现分层作业。封隔器上的卡瓦锚定后起到支撑封隔器、锁定胶皮筒的作用，其性能的好坏直接影响到油井的产量和生产安全。随着油气田开采的深入，地层情况越来越复杂，分层作业越来越普遍，对封隔器的使用要求也越来越高，封隔器系统失效的情况时有发生，给生产造成损失。本文概述了油田常用的封隔器的类型、参数、命名及其工作原理；讨论了目前封隔器所用的胶筒的发展现状；分析了Y211115型封隔器的工作原理以及结构特征并对各重要零部件进行强度校核，进而完成对Y211115型封隔器的设计，得出结论。封隔器是实现油气田开采的重要工具，是指用来密封和隔离目的层段，控制注入或采入流体，并能承受压产的井下工具。能够为油气田的正常生产和各种井下工艺措施的顺利进行提供有效的机械手段，在油气田勘探开发过程中占据真非常重要的地位。封隔器的可靠与否直接影响到油气井的措施成功率和成本。封隔器一般油管（钻杆）或电缆下井。现场上，往往把油管（钻杆）下井管柱成为封隔器管柱或封隔器系统。封隔器的隔离和密封功能主要依靠密封元件来实现。可以说密封元件就是封隔器的心脏，因为它在很大程度上决定着封隔器在井下工作的成败。封隔器的分类依据很多。依据我国石油天然气行业标准规定，按照密封元件的工作原理，封隔器的基本类型分为压缩式、扩张式、自封式三种，这三种还可以进行组合。封隔器的设计包含结构设计，材质选择、力学分析、室内试验评价等多方面的内容。其中密封机构和锚定机构是设计的核心。在材质选择上，要考虑用途、强度、硬度、成本等因素。封隔器整个本身在井下工作受很多因素的影响，如无难度、压力、介质等。同时也受工作方式的影响，从而影响封隔器受力和管柱长度的变化，导致封隔器失效，无法起到原有的作用而不能工作，给工业生产带来严重的损失。在疏松砂岩油藏的防砂施工中使用的悬挂丢手工具性能的优劣是防砂能否一次成功的关键。常规的封隔器防中途坐封能力不强，当悬挂较长防沙管或在大斜度井中下井过程中，管柱受力复杂，封隔器极易中途坐封而降低一次施工成功率，大大增加了作业费用。另外，常规封隔器不具备后处理安全装置，在进行打捞作业时，若悬挂的管柱被砂埋，使得封隔器极易被拔断，打捞难度大大增加。针对这些问题，在本次毕业设计中，进行了防中途坐封安全处理封隔器设计。2油田的地下油层往往是多油层和非均质（油水等比例及密度不一致）的。各层的渗透性能、压力和含水程度差别会很大，如果采油时对多层笼统开采，处在同压力作用下，渗透性好、压力高的地层就产油多，而中低渗透层及压力较低的油层，则因生产压差小，不能发挥生产能力。因此，要使非均质、多油层的油田确保高产、稳产，就要调整各层之间的矛盾，使不同渗透性和压力的油层能够比较合理的开采。实行分层配产方法就是在油井内下放一套分层配产管柱，以控制各层，使其在合理压差下生产出油。分层配产管柱由油管、活动油管头、工作筒、偏心配产管柱、封隔器、支撑卡瓦、撞击筒、丝堵、套管构成的。其中最重要的是封隔器和偏心配产器。其工作原理为分层配产管柱下入井中后，根据油井内各油层的性质，用封隔器将层分隔开来，并选择不大小的井底油嘴，控制油的产出量，以此控制生产压差，使是各层段按其自身特点进行生产。图11封隔器结构示意图1上接头；2调节环；3上中心管；4隔环；5胶筒；6O型环；7锥体冒；8防松销钉；9当环；10椎体；11卡瓦；12锥体连接套；13卡瓦托；14锁球套；15弹簧；16护套；17挡球套；18钢球；19顶套；20扶正体；21摩擦块；22小弹簧；23压环；24转环；25轨道销钉；26挡环；27下中心管；28下接头12国内封隔器的发展与应用封隔器是井下管柱的核心部分在采油工艺中起着极其重要的作用。从早期的“种子袋”封隔器问世以来，封隔器的发展经历了一百多年的历史，其种类繁多。据记载世界上最早使用的封隔器，是美国的“种子袋”封隔器，是由早期油田经营者J拉夫纳兄弟（RUFFNERS）等人开始应用。1861年，经木质的表层导管下入的早期油管柱就带有这种封隔器。最早出现的封隔器不带有锚定机构，它的结构简单，用途单一，承压能力低，随着石油工业的发展，人们发现，它远不能满足生产的需要，这样就出现了带有锚定的封隔器。封隔器大致经历了由无锚定到单向锚定和双向锚定的发展过程。一般来讲，无锚定封隔器双向承压能力都比较低，单向锚定封隔器只有3较高的单向承压能力，而双向锚定封隔器则具有了较高的双向承压能力。随着石油工业的发展，封隔器也不断发展，种类也越来越多，其类型有支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水力自封式、水力密封式、水力压缩式等。对于支撑式而言，是以井底（或卡瓦封隔器和支撑卡瓦）为支点，加压一定管柱重量来坐封封隔器，这种封隔器的结构简单，不能单独使用，主要用于分层试油、采油、找水、堵水和酸化等；而水力扩张式封隔器主要用于注水、酸化、压裂、找串和封串等；水力压缩式封隔器没有卡瓦支撑，靠从油管内加液体来坐封（压缩胶筒，使其直径变大，封隔油、套管环行空间），都能多级使用。主要用于分层采油、分层找水、堵水，分层试油和油井热油循环清蜡等。在当前各大油田中，大多使用的封隔器为以上几种形式，但是还不能解决问题。随着油、气井增多和复杂程度，封隔器的要求也要提高，例如，中原井下研究所研制成功开窗侧钻导斜封隔器，主要解决油田老区块具有开发价值的加深井，变形和事故井恢复生产的难题，它比打新井投资少，周期短，是油田原油上产的重要措施之一。以前，套管开窗打水泥塞，座斜向器，开窗至少需要下三趟钻，施工周期长，侧钻成本高。开窗侧钻导斜封隔器开窗侧钻中，只需一趟就可将封隔器、斜向器和开窗钻头送入设计深度，实现坐封，定向，开窗一次成功。我国封隔器分类及型号标准第1位字母代表分类方式Z自封、Y压缩、X楔入、K扩张。第1位数字代表支持方式1尾管、2单向卡瓦、3无卡瓦、4双向卡瓦、5锚定；第2位数字代表坐封方式1提放管柱、2转管柱、3自封、4液压、5下工具；第3位数字代表解封方式1提放管柱、2转管柱、3钻铣、4液压、5下工具。很多油田和制造厂的封隔器产品另有命名方法，导致标准化工作混乱。由于油田老化，为保证稳产，二次采油及三次采油对封隔器的性能要求更苛刻；与深井、超深井、水平井及分支井作业相匹配的封隔器严重缺乏。因此有必要系统总结现有封隔器技术及产品，加大新材料研发力度，开展新的坐封方式和作业工艺研究，为油田开发提供有力支持。一般封隔器产品及配套工具。压缩式封隔器是主流产品，卡瓦式其次。目前应用的主要封隔器产品系列包括Y111、Y2LL、Y221、Y241、Y341、Y342、Y344、Y441、Y442、Y443、Y445、Y541、K331、K34以上产品基础上的变形产品较多，通过调整一些细小结构，以适应不同的工况要求，如压裂、正洗井、反洗井、小直径堵水、注汽热采、逐级解封、免释放可洗井、可取可钻等，其中Y341的变形产品最多。对浅井及较好的工况，封隔器多采用单向卡瓦或无卡瓦，解封方式也多为机械式，即提放管柱或旋转管柱；工况恶劣井和大井径往往采取双向卡瓦，甚至是锚定，由于作业难度增加，解封方式倾向于液压、钻铣等方式。使用封隔器的工艺管柱包括层位封堵工艺管柱、分层注水工艺管柱井下定量分注、轮流注水管柱、油管分注技术、可反洗井注水管柱、可保护套管多次正反洗井的4深井超深井污水回注管柱等、酸化压裂及分层压裂工艺管柱、分层换层采油工艺管柱、油井测试工艺管柱等测试工艺管柱等。在钻完井、修井等作业中，与封隔器配套的其他工具大多数已经固定，如水力锚、配水器、喷砂器、换层开关等，但随着工艺需要的多样化，更多工具被加入到封隔器管串中，提高其封隔效果和可靠性。黄煜鹏等设计了启动器，通过投球憋压启动封隔器。刘海玲设计了小直径丢手接头、小直径偏心开关等配合封隔器组成小直径丢手堵水工艺管柱。童广岩等针对分层注水井中因洗井、停注及压力波动等原因造成封隔器蠕动，研制了蠕动消除器，消除器有平衡伸缩机构，目前很多封隔器采用此结构。13封隔器设计原则井下封隔器种类繁多，它是广泛应用于自喷井采油、非自喷井采油（机械采油等），以及分层注水、分层压裂酸化、分层测试作业、修井和固井等作业中的一种重要入井器具。油井封隔器是分隔油层实行分层开采的主要井下工具。油田常用的油井封隔器主要形式有支撑式、卡瓦式和水力压缩式。它们的作用都是用于井下分隔油层等。另外，当钻探过程中遇到良好油、气显示或地质、气测、录井有良好显示时，在井身条件许可的情况下，可停钻进行中途测试。封隔器是测试的主要工具，其作用是把泥浆液柱与要测试的地层隔绝开来，以保证投铁棒打碎玻璃时能最大限度的降低井底压力，使油气通过钻杆至地面，完成中途测试的任务。当封隔器下入井中去封隔油层时，称为“坐封”。大多数封隔器坐封基本机理是（1）推动锥形卡瓦后面的锥体，把卡瓦撑开，使其贴到套管壁上，并防止封隔器移动；（2）压缩密封元件，形成有效密封。它们的主要工作原理都是压缩或胀开封隔器的胶筒，使其径向增大，使胶筒进入套管内壁，从而达到封隔的目的。虽然这个最终原因是相对简单的，但是，完成这些动作的方法以及后来封隔器的解封和取出，对各种类型来说彼此有明显差别。封隔器的选择包括对封隔器在井中预期目的分析，例如先期完井、采油增产措施和修井工艺等。应选择具有最低综合成本又能达到目的的封隔器，同时既要考虑到目前又要考虑到将来的油井情况。初期投资和安装成本不应是唯一的标准。封隔器的综合成本是与可取出性和损坏率有关的，并且直接和这样一些多变因素，例如在井下工作期间与是否伤害地层有关。所以，在设计封隔器时，应遵循下述设计原则（1）改进封隔器的结构，提高封隔器安全可靠性及技术性能；（2）在不影响技术性能的前提下，尽量简化结构，降低成本；（3）综合考虑封隔器的整体结构来设计承压平衡、坐封平衡和下锥体脱卡问题。另外，在封隔器设计时还应注意（1）锚定方式选择（2）坐封后的承压平衡（3）5解封方式选择（4）双锥体结构锚定机构的下锥体脱卡（5）缩紧机构的设计与选择。14封隔器基本标准141封隔器的分类1、分类方法按封隔器封隔件实现密封的方式进行分类。2、分类（1）自封式靠封隔件外径与套管内径的过盈和工作压差实现密封的封隔器。（2）压缩式靠轴向力压缩封隔件，使封隔件外径变大实现密封。（3）扩张式靠径向力作用与封隔件内腔液压，使封隔件外径扩大实现密封。（4）组合式由自封式、压缩式、扩张式任意组合实现密封的封隔器。一、封隔器型号编制方法1、编制方法按封隔器分类代号、固定方式、坐封方式代号、解封方式代号及封隔器钢体外径、工作温度/工作压差六个参数依次排列，进行型号编制，其形式如下2、代号说明（1）分类代号用分类名称第一个汉字的汉语拼音大写字母表示，组合式用的分类代号组合表示，见表1分类名称自封式压缩式扩张式组合式分类代号ZYK代号组合（2）固定方式代号用阿拉伯数字表示，见下表2固定方式名称尾管代号单向卡瓦悬挂双向卡瓦锚瓦固定方式代号12345（3）坐封方式代号用阿拉伯数字表示，见表3坐封方式名称提放管柱转动管柱自封液压下井工具热力坐封代号123456（4）解封方式代号用阿拉伯数字表示，见表4解封方式名称提放管柱转动管柱自封液压下井工具热力6解封代号1234563、应用举例例1Y211114120/15型封隔器，表示该封隔器为压缩式，单向卡瓦，提放管柱坐封、提放管柱解封、钢体最大外径为114MM，工作温度为120，工作压力为15MPA。例2YK34111490/100型封隔器，表示封隔器为压缩、扩张组合式，悬挂或固定，液压坐封，提放管柱解封，钢体最大外径为114MM，工作温度为90，工作压力为100MPA。二、封隔器通用技术条件1、封隔器基本参数（1）工作压力工作压力数值见下表（单位MPA）压力710152025355070100（2）工作温度工作温度数值见下表（单位）温度557090120150180300370（3）钢体最大外径钢体最大外径从下表中优选（单位MM）9095100105110115120135140144148152165185210215（4）钢体内通径钢体通径优先从下表中选取（单位MM）38404648505558627682921002、使用要求（1）使用封隔器时，必须检查合格证，并存档。（2）封隔件、密封件不得超过有效期使用。（3）封隔器下井时，如果井况不清，必须通井。（4）起下封隔器，必须装指重表或拉力计。（5）封隔器下入井内位置必须符合井下管柱结构图的设计要求。（6）封隔器管柱的连接螺纹必须涂螺纹密封脂。（7）封隔器的下井速度不得超过112M/S，且操作平稳。（8）必须按使用说明书要求使用封隔器。（9）封隔器下井深度，一律以封隔器件上端面为基准。（10）封隔器要避免套管接箍位置。7三、常用封隔器介绍1、Y111靠尾管支撑、油管自重坐封，上提油管解封的压缩式封隔器。适用于分层试油、采油、测试、找水、堵水、酸化等工艺，一般与卡瓦封隔器配套使用，工作压差上压15MPA、下压6MPA坐封力80100KN。工作原理将封隔器下至井筒设计位置后，下放管柱，靠油管柱重力，通过上接头中心管带动承重接头剪断钉沿键下放，同时调节环压缩胶筒，密封油、套管环形空间。2、Y211型轨道封隔器是一种靠卡瓦支撑、油管自重坐封、上提油管解封的压缩式封隔器。适用于分层试油、采油、测试、找水、堵水、酸化等工艺，与可与Y111型封隔器配合使用。工作原理坐封封隔器下井时扶正体在小弹簧的作用下，紧贴套管内壁，轨道销钉处于短轨道上死点，卡瓦被锁球锁在中心管上，保证封隔器顺利下井。下至预定位置后，上提管柱一定高度，轨道销钉滑至轨道下死点。此时再下入管柱，轨道销钉滑至长轨道，顶套推动挡球套上移，锁球脱离中心管使卡瓦与锥体产生相对运动，锥体进入卡瓦使其张开，并卡在套管内壁。再下放管柱压缩胶筒密封油、套管环形空间。解封上提油管柱，锥体脱开卡瓦，轨道销钉滑至长轨道的下死点，即可解封起出封隔器。主要参数坐封力80120KN工作压差（MPA）上20，下83、Y341液压封隔器是一种无锚定、液压坐封、上提油管解封的压缩式封隔器，可多级使用。适用于直井、斜井、水平井分层试油、采油、找水、堵水等工艺。工作原理坐封封隔器下至设计位置后，从油管加液压、液压力传入封隔器液缸后，推动下活塞下行并定位于解封锁块，同时活塞锁块被释放，此时液压力推动上活塞上行，压缩封隔器件密封油套环空，卸压后锁紧机构锁紧，防止封隔件回弹。工作时，上压大，下推封隔件，其作用通过外中心管作用到内中心管上，不会使封隔器解封。下压力大，上推封隔件，将对外中心管产生一向上的作用力，但此时下压力又同时作用于平衡机构，对外中心管产生向下的作用力，这个力稍大于上推封隔件的力，故可保证内外中心管不会发生相对位移，封隔器不会解封。解封上提油管解封。主要参数坐封压差820MPA；工作压差上20、下204、Y441双向锚定封隔器8（1）特点及用途Y441型封隔器是一种双向锚定、液压坐封、上提油管解封的压缩式封隔器。适用于直井、斜井、水平井分层试油、采油、找水、堵水等工艺，可单级使用，也可多级使用。（2）工作原理封隔器下至设计位置后，从油管加液压、液压力传入封隔器液缸后，推动下活塞下行将卡瓦撑开并锚定在套管上，同时上活塞锁块被释放，此时液压力推动上活塞上行，压缩封隔件，封闭油套环空。卸压后锁紧机构锁紧，防止封隔件回弹。坐封平衡机构可平衡中心管的受力，防止内外中心管产生相对位移，工作时，由于封隔器上、下液体压力不同将产生一定的液压力，而这些力均可以通过锚定机构作用到套管上。承压平衡室可保证中心管不受向上的作用力。工作时，液压力不能使封隔器解封。（3）解封上提管柱，锚定机构不动，中心管随管柱一起上行，剪断解封剪钉，释放解封锁块，封隔件被释放，再上行，上拔上锥体，卡瓦脱离套管，封隔器完全解封。（4）主要技术参数坐封压差1520MPA、工作压差MPA上20，下20142油田用封隔器的通用技术条件应用上述标准时，可将油田名城加到封隔器型号的前面，特殊用途加到封隔器的后面。应用举例Y411135型可取式双卡瓦封隔器，意为该封隔器的工作原理为压缩式、双向卡瓦支撑、提放管柱坐封、提放管柱解封、刚体最大外径为135MM华北K341140型裸眼封隔器。意为华北油田的封隔器、其工作原理为扩张式、无支撑、液压坐封、提放管柱解封、刚体最大外径为140MM，适用于裸眼井。15主要设计内容151设计技术参数适用套管内径1177132MM刚体最大外径115MM刚体最小通径48MM坐封压力1113MPA工作压差上20下8悬挂能力250KN解封力80120KN工作温度120152结构及性能特点本次设计的Y211型封隔器，其主要特点如下（1）操作方便，耐压高，可用于深井；9（2）结构简单，性能可靠；（3）起下顺利，不易中途坐封。（4）设计新颖，结构紧凑、综合性能优越。2总体方案与结构设计21总体方案设计211结构组成Y211封隔器主要由密封、锚定、扶正换向三部分组成。密封部分封隔件密封油套环行空间。锚定部分用于在套管内壁建立支撑点以实现坐封。扶正换向部分坐封时，使轨道销钉起换向作用。封隔器的结构应根据封隔器的使用要求和类型，以及坐封、解封方式进行设计。设计时，应参照下述原则15（1）在满足使用要求的条件下，尽量减小最大外径；（2）在符合强度要求的条件下，尽可能地增大通径；（3）尽量缩短大直径部件；（4）各部件既要安全、准确、可靠，又要简单、紧凑；（5）加工、组装方便。212工作原理（1）坐封封隔器下到设计位置后，投入钢球，待钢球落到封隔器球座上，从井口的油管加液压，液压力经油管传到封隔器，压力达到57MPA时，坐封剪钉被剪断，坐封活塞下移，推动锁紧机构、卡簧片、上下胶筒，补偿胶筒、挡环和上锥体下行，撑开卡瓦，同时，锁紧机构锁紧，继续加压，则剪断胶筒处剪钉，活塞推行胶筒下移，待压力达到1113MPA时，胶筒压缩到最大值，密封油套环形空间，弹簧片卡入衬管中锁紧胶筒。泄压后，由于锁紧机构和弹簧片的缩紧作用，卡瓦仍处于扩张状态，胶筒也处于密封状态。（2）验封坐封完成后，泄压，缓慢下放管柱，悬重下降12T后，将管柱上提到原坐封位置，说明封隔器悬挂良好；然后，从套管加压15MPA，15MIN后压降在05MPA以内，说明胶筒密封完好。（3）解封上提管柱，外中心管将随管柱一起上移，剪断解封销钉，下锥体向下移，卡瓦收回，胶筒也向下移动收回，实现解封，提出封隔器及其携带的管柱。如遇封隔器下面的管柱被卡，可加力上提，剪断悬挂销钉，此时，下锥体掉入井中，可保证封隔器被安全起出。22结构设计结构设计的任务就是依据所确定的原理方案，在总体设计的基础上绘制出具体的10结构图案，以实现所要求的功能。在选择零件的材料、确定零件的形状、尺寸时，必须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其他零件的相互关系等问题。所以，结构设计是此设计中涉及问题最多、工作量最大的一个重要步骤。221锚定方式的选择封隔器承压能力与解封能力有关。由于这种封隔器采用中心管与下接头相连接的结构形式，采用上提解封方式，在承受由上而下的压差时，封隔器中心管将承受一定的上顶力。这个力可由下式求得FPS式中F中心管承压时的上顶力，N；P封隔器上下压差，MPA；S心管有效承压面积，MM2封隔器中心管承受的上顶力上顶管柱，使得封隔器产生解封的趋势，因此，封隔器承压能力越高，解封力就越大。为此，采用双向锚定方式。双向锚定封隔器目前有以下几种方式可供设计时选用1）锚、瓦结构式是指水力锚和单向卡瓦组合的锚定方式。一般水力锚在封隔器的上部，防止上顶，下部采用单向卡瓦支撑防止封隔器下滑。这种组合锚定方式的封隔器结构复杂，加工难度大。由于上下锚定被分开，封隔器整体结构将被拉长（参见图26）。这种锚定方式的封隔器一般内中心管与下接头相连，虽然从承压原理上看存在着解封力与承压能力有关的不足之处，但有一个很大的优点，即避免了下锥体脱卡问题。（2）双卡瓦、双锥体结构式即两套单向卡瓦、双锥体结构（见图27）。一般两套单向卡瓦和双锥体正反相接。正卡瓦用于防止封隔器上顶，反卡瓦防止封隔器下滑。这种封隔器结构与锚、瓦结构相比，结构紧凑，加工容易。现有的封隔器设计上还有将两套卡瓦锚定分别置于封隔件上部和下部的结构形式，这种双向锚定方式主要存在封隔器解封时的下锥体脱卡问题。图26锚瓦结构示意图1卡瓦托2卡瓦3锥体4封隔件5锚爪图27双卡瓦、双锥体结构示意图1、5锥体2、4卡瓦3卡瓦11（3）单卡瓦、双锥体结构式即采用一套卡瓦、双锥体结构,如图28。封隔器的上下锚定点均在这套卡瓦上。承压时，上锥体下推卡瓦；城下压时，下锥体下推卡瓦，将力转移到套管上。这种结构是目前双向锚定封隔器中锚定方式最简单的一种，加工亦较容易。这种锚定方式同样也存在封隔器解封时的下锥体脱卡问题。除特殊情况以外，封隔器的锚定机构应位于封隔件的下部以利于封隔器的解封。虽然双锥体结构的锚定提高了封隔器的承压性能，但却大大降低了封隔器解封的安全可靠性。目前现场上出现的许多卡封事故，大都是由于锚定机构引起的。这主要是设计问题或加工问题，如单向卡瓦和燕尾槽配合时，若卡瓦在封隔器坐封时前部悬空，则在较大的坐封载荷下悬空部分将产生一定程度的弯曲变形，严重时卡瓦无法收回，造成卡封。而有一些则是由于锚定机构本身问题，如双锥体机构的锚定，其本身不可能有下锥体脱卡的功能。双锥体双向锚定封隔器上提解封时，上锥体可由主动力拔开，使上部卡瓦失去支撑而脱卡，当继续上提时，将上拔下部卡瓦，若下锥体没有脱开时，将不能脱卡，造成卡封事故。下锥体脱卡问题是目前国内外双锥体双向锚定封隔器解封结构设计的一大难题。可以说，目前国内外设计的双锥体双向锚定封隔器（下工具解封方式除外）一般都利用主动力使下锥体脱卡。因此，为了保证封隔器安全解封器出，应考虑下锥体的脱卡问题。在设计封隔器时，可在下锥体部位设计以脱卡机构，其特点是该机构允许封隔器内中心管向上运动，当内中心管向下运动时，该机构卡在内中心管上带动下锥体一起向下运动使其脱卡。根据设计需要，选用双锥体锚定方式。222解封方式的选择还应考虑封隔器坐封后的承压平衡，使封隔器不会因液压力而产生使其解封的力。这是反映封隔器技术水平的一项重要技术指标。例如，某一双向锚定封隔器采用上提管柱解封方式，封隔器坐封后承受上压差时，若封隔器的内中心管受一向上的力将上顶管柱，使封隔器有解封的趋势。因此，在进行封隔器设计时，应考虑着一问题。一般只要在封隔器的结构设计上使内中心管向下的有效作用面积大于向上的有效作用面积，就可以解决这一问题。不同结构的封隔器，需要进行不同的承压平衡分析及设计。完善的承压平衡设计，应使封隔器在承压时，由液压力产生的力直接通过锚定机构作用到套管上，封隔器不会有因液压力解封的趋势。目前，封隔器的解封有上提管柱、转管柱、液压解封、下工具和钻铣解封等几种图28单卡瓦、双锥体结构示意图1、3锥体2卡瓦12形式。为了操作方便，应优先考虑使用提放管柱解封方式。所以，在本次设计中，选用上提管柱的解封方式。223封隔器常用材料封隔器对金属材料的要求主要取决于井下环境、封隔器的机构和性能要求。就理想条件而言，封隔器缸体材料应该能在油气井整个寿命期内都保持工作良好。金属材料的损坏可能导致封隔器的泄漏，甚至造成难以取出。经过长期的发展，封隔器的钢体选材形成一些常用系列。在国内，可取式封隔器钢体常用的金属材质为优质碳素钢45、合金结构钢35CRMN、弹簧钢60SIMN、合金结构钢20CRMNTI等。其中，优质碳素钢45主要用于加工非承力或承力较小的零件，如连接套、胶筒座、隔环、活塞、剪钉、剪钉座、防撞环等，也主要用于制作密封环、胶筒、铜碗的模具。合金结构钢35CRMN主要用于加工承力较大的零件，如上接头、下接头、中心管、锁扣指、弹簧抓等。弹簧钢60SIMN主要用于加工高强度弹性件，如弹簧、卡簧、锁环、卡瓦等。合金结构钢20CRMNTI主要用于加工承受重载的零件如锚爪等。23设计计算231胶筒的设计计算2311胶筒的材料及性能压缩式胶筒（以下简称胶筒）是压缩式封隔器的心脏，当封隔器胶筒承受轴向载荷时，封隔器胶筒将产生较大变形，使胶筒与套管之间产生接触压力，借此封隔环空，隔绝产层，保护套管。胶筒的耐温、耐压能力是衡量封隔器好坏的技术指标。胶筒的耐温性能与材质密切相关。胶筒耐压能力与是否采用“防突”装置及该装置结构是否合理关系甚大。所谓“防突”，就是在胶筒端部安放某种阻挡环、支撑环，限制装置和保护件等，用以阻止和限制封隔器坐封时胶筒朝油套环形空间“突出”或“流动”，从而提高和保持接触压力，以获得良好的密封性。（1）胶筒的耐温性能胶筒的工作温度主要受胶料及硫化体系的影响。目前橡胶硫化体一般采用无硫硫化体系，有利于提高其耐温性能。下面就不同胶料的胶筒耐温性能作简要阐述。1）丁腈橡胶压缩式封隔器胶筒采用丁腈橡胶较好。这是因为丁腈橡胶不仅具有较高的耐温性能、良好的耐油性、较高的抗张强度和较好的弹性，而且易于成型和价格低廉。未加补偿填充剂丁腈橡胶的抗张强度为345MPA，而加补强填充剂后抗张强度增大到2530MPA。与天然橡胶和丁苯橡胶相比，丁腈橡胶耐热性较好，其制品一般能在120下连续使用，在热油中也能耐温150。上海橡胶制品研究所新进研制的701型橡胶，在150下基本上能耐压35MPA，最终因受结构的限制，在高温高压下，其不饱和双键13易断开，使链状结构受到破坏而导致胶筒失效。2）氟橡胶氟橡胶具有良好的耐温、耐热和抗老化性能，但强力性能和硬度均温度的升高而明显降低，其中抗张强度的变化特点是在150以下，抗张强度随温度的升高而迅速降低；在150260之间，则随温度的升高而下降较慢。见表21。显然，对于耐温要求小于或等于150的胶筒，氟橡胶并不合适，其可塑性差，难以加工成型，且价格比丁腈橡胶贵。有人曾用氟橡胶制作胶筒，未获成功。表21氟橡胶在不同温度下的性能变化性能温度（）24150260抗张强度（MPA）1723521伸长率（）33012080硬度（邵尔A）7565633）氢化丁腈橡胶氢化丁腈橡胶是国外80年代中期开发并投入批量生产的一种新型橡胶，具有以下性能特点耐热性能好。由于对热敏感的双键部分被消除，因而耐热性能明显提高，加之保留了氰侧基（CN），仍具有丁腈橡胶的耐油性能；强伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氢化丁腈橡胶的抗张强度达30MPA以上，有特别要求的，可达60MPA；耐寒性优于丁腈橡胶，而其加工性与丁腈橡胶相似。4）氢化丁腈橡胶与丁腈橡胶性能对比氢化丁腈橡胶与丁腈橡胶的性能对比见表22。从耐温性及抗张强度考虑，氢化丁腈橡胶有着广阔的发展前景，但存在永久性变形大和价格较贵等问题。表22丁腈橡胶与氢化丁腈橡胶性能对比性能中胶筒端胶筒丁腈氢化丁腈丁腈氢化丁腈抗张强度（MPA）1627116267伸长率（）300280175210硬度（邵尔A）78789086永久变形（）2521751814综上所述，封隔器胶筒的耐温性能与材质密切相关，对于耐温和耐压不高，或工作温度较高而工作时间较短的胶筒，可优先选用丁腈橡胶。对于耐温和耐压要求较高的胶筒，则优先选用丁腈橡胶。由适用套管内径与封隔器最大外径之比满足61101PDD式中D套管内径（或裸眼井井径），MMDP封隔器最大外径（或胶筒外径），MM本次选用的标准可知套管内径的取值范围为1177132；封隔器最大外径为115，则1481101PDD查标准知取YS1131215型胶筒。（2）胶筒的耐压性能对不加“防突”结构的封隔器胶筒进行受力分析，如图218所示。在工作状态下，胶筒受力平衡方程为2122RRPFFTM式中FM胶筒与套管间的摩擦力,NFT胶筒的抗剪切力，N；P胶筒承受的工作压差，PA；R2套管内半径，M；R1胶筒座外半径，M。由上式整理得，）（2122TMRRFFP由此可见，若胶筒与套管壁间的摩擦力FM增大，胶筒的抗剪切力FT提高，胶筒做外半径R1增大，则胶筒抗压能力增强，反之则反。2312胶筒的计算1）胶筒的选择选择压缩式胶筒即压缩胶筒长度,从而使直径变大,以达到封隔油、套筒环形空间的目的。选择YS1503650型胶筒，这种胶筒可用于中深井和深井的各种井下采油工艺措图218封隔器胶筒受力分析15施。这种胶筒结构为三单元胶筒，有两个长胶筒和一个短胶筒组成。短胶筒位于两个长胶筒之间。2）胶筒的技术参数主要技术参数工作压力50公斤/平方厘米工作温度120摄氏度使用套管内径114127毫米3）胶筒配方及物理性质YS1503650型胶筒的胶料配方有长胶筒用的501号和短胶筒用的29号两种配方，详见表23。表23胶料配方4）物理机械性能YS1503650型胶筒胶料的物理机械性能见表24。表24物理机械性能配方编号501号29号配方编号501号29号丁腈40胶80100液体丁腈40胶20硬脂酸22氧化锌55硫磺02DCP215喷雾炭黑16080邻苯二甲酸二丁腈脂55防老剂PD05MB05促进剂DM1TMTD1共计275193516强度（公斤/平方厘米）伸长（）变形（硬度（邵氏130155089252250382232卡瓦的设计计算2321卡瓦的结构设计卡瓦的工作原理是卡瓦轴向张开后，是卡瓦牙咬在套管壁上。由此工作原理可知，卡瓦必须能在径向张开，如果卡瓦是一个整体的话，径向便不能变大，所以把卡瓦设计成扇形体，一共4片，每片1/8圆周。为了使卡瓦牙受力均匀，并且尽可能小地损坏套管壁和卡瓦牙，把它设计成两面都是锥体，具体结构如下图220所示图2202322材料的选择材料选择40CR,因为卡瓦在井内套管中靠卡瓦牙固定封隔器，对材料的硬度和韧度要求较高。这种材料调质后，具有良好的力学性能，在高温下亦有较好的强度，用于较大截面的零件，可以保持良好的性能。表3540CR的热处理及力学性能牌号式样尺寸/MM热处理方法力学性能供应状态硬度HBC淬火回火B/MPAS/MPA5KVA/J温度/（）40CR2585052980785945472072323受力分析卡瓦是卡瓦式封隔器锚定过程种传递载荷、承受载荷的主要构件。它起到支撑封隔器、锁定胶筒的作用，其性能的好坏直接影响到生产安全。卡瓦结构设计涉及受力分析、机构参数的优选问题。卡瓦一般设计成分瓣式结构，坐卡后，按均匀间隔、分散地将作用力分布到套管17壁上，其力学模型属圆柱壳承受分散集中力作用的应力分析14。单片卡瓦在井下受力平衡时，必须满足一下两个方程）（SINTGCOSKKRQ）（COSTGSINKKRW由以上两式得TGNWQZK式中ZW卡瓦式封隔器的轴向坐封载荷，N；KW单片卡瓦所承受的轴向载荷，N；KR坐封载荷对单片卡瓦的分压载荷，N；KQ单片卡瓦作用在套管内壁上的径向载荷，N；卡瓦与锥体的摩擦角，；卡瓦锥角，；N卡瓦片数。卡瓦牙与套管壁之间的接触应力AQK式中卡瓦牙与套管壁之间的接触应力，N/MM2；A卡瓦牙与套管壁之间的接触面积，MM2；卡瓦与套管的接触面积为10式中M卡瓦的牙数D卡瓦外圆弧面的圆弧直径，MM1卡瓦外圆弧面的圆心角，。；H卡瓦牙嵌入套管壁面的厚度，MM；所以HDM3601KQ3601HDMA18锥体与卡瓦托卡时的拉力为）（，TGNKQW式中,W锥体与卡瓦托卡时的轴向拉力其余符号同前。上式表明，当卡瓦与套管壁间的正压力KQ一定时，锥体的锥角越大，脱卡力，W便越小；当越接近于摩擦角时锥体就越容易脱卡。锥体与卡瓦的自锁条件是，摩擦角必须大于锥体的锥角，即。通过相对应力进行分析和计算，可以看出，想要降低卡瓦零件的应力，可在设计和施工时采取以下措施（1）增加卡瓦片数；（2）增加卡瓦宽度；（3）增加卡瓦牙面长度；（4）适当增大角（但不宜超过20）；（5）增加卡瓦牙根部加工刀角半径；（6）增加卡瓦与套管壁的摩擦角。经计算可知F7758KNKN3212760587716SINFFN由卡瓦标准可知，卡瓦牙齿顶宽为02MM05MM（SY504984）由结构可知牙长20MM，每片卡瓦有20个牙，按齿顶宽为02MM计算，S片02202080MM2则S总806480MM2A7853844480321MPSFN总所以，卡瓦牙不被压损；2324技术要求1）齿表面渗碳淬火，渗碳层厚度为0812MM；2）齿的硬度为4550HRC；3）热处理后不许有脱层和裂纹缺陷；4）除齿尖外，其余锐棱倒钝。233弹簧的设计计算2331材料的选择19弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的变形。为了使弹簧能够可靠的工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。表26弹簧常用材料及许用应力（摘自GB123976）名称组别许用切应力许用弯曲应力切变模量GMPA弹性模量EMPA推荐硬度HRC推荐使用温度特性及用途弹簧类别弹簧类别类类类类类碳素弹簧钢丝组组组03B04B05B05B065B81400785002030020100040120强度高、韧性好，适用于做小弹簧特殊用途碳素弹簧钢丝甲组、乙组、丙组硅锰合金弹簧钢丝4716287857859817850019600455040200弹性好，回火稳定好，易脱碳，用于制造大载荷弹簧根据表26选择碳素弹簧钢，这种弹簧钢的优点是价格便宜，原材料来源方便；缺点是弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，且不能高于120的温度下正常工作。2332弹簧的尺寸计算由于选择的材料为碳素弹簧钢，根据上表可知568613735050BMPA/822DCKP若为静载荷或循环次数N10,则K1；若为变载荷，则K1K（4C1）/（4C4）0615/C式中K曲度系数，D弹簧丝直径，许用剪应力，取决于弹簧材料和负荷类型，可查表16；20C旋绕比，一般取C58弹簧制造中得主要参数为旋绕比C，当D不变时，D2小则C小，卷绕困难2333弹簧的刚度条件刚度PK反应弹簧的基本性能，由示性图算出KPP2/F2（P1P2）/H；另外NDDND343248/GD8/GDKP则8/GDN2134PPDDHMMNNDKP/235301082785008GD34324NKPP3521023552102DDC3115615045415461504414CCCKMM861785235535261C61PKDP，取D2MM186MM表27弹簧的结构参数参数名称及代号计算公式结果中径D2D2CD521010内径D1D1D2D10288外径DDD2D1021212旋绕比CCD2/D10/255自由高度H0H0ND钩环轴向长度30240100100螺旋角6431022ARCTGDPARCTG取4234封隔器主体外径设计2341封隔器最大外径设计在选择封隔器的胶筒和封隔器的最大外径时，可按下列方式来确定102161101PDD式中D套管内径（或裸眼井井径），MMPD封隔器最大外径（或胶筒外径），MM由此可得出封隔器与套管壁间的间隙范围为PPDD080050式中PD封隔器最大外径，MM封隔器与套管壁间的间隙，MM在具体选择封隔器钢体最大外径时，可参考SY/T5106油气田用封隔器通用技术条件。2342直杆轴向拉伸和压缩力及变形计算直杆（管柱）轴向拉伸和压缩时，其应力及变形计算公式式中轴向拉（压）应力，N/MM；F沿轴向拉（压）力，N；A横截面面积，MM。变形伸长（缩短）EAFLL式中L变形量，MM；E弹性系数。EAQLEAFLL22式中Q单位长度的重力，N/MM。2343接头及中心管得抗滑扣计算平式油管抗滑扣计算公式为15SDTDF2422加厚油管抗滑扣计算公式为SDDF422式中F丝扣的抗滑扣载荷，N；D油管外径，MM；D油管内径，MMT丝扣深度，MM；S材料的屈服极限，N/MM。普通螺纹抗滑扣计算公式为AF22SDDF4221式中D1螺纹内径，MM。封隔器的最大轴向拉伸载荷必须小于丝扣的抗滑扣载荷，计算时，必须保证有一定的安全系数。235剪钉的设计计算在该型封隔器的设计中，采用了两种连接方式，一是螺纹联接，另一种则是用剪钉联接，剪销钉用联接可以使剪钉在超过其许用应力的时候剪断。2351剪钉的设计计算1）材料的选择剪钉材料选用35CRMO,它的许用应力3267MPA2剪钉的直径计算剪钉不被剪断的条件是，而所要求的剪钉要被剪断，故按时计算，取临界值。由241DNPSSF得NPSD4式中D剪钉直径P承受压力S