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封隔器卡瓦的强度分析 论文作者：李高升( 机械设计及理论) 指导教师：徐兴平( 教授) 阚淑华( 高工) 摘要 本文涉及的封隔器是油气井作业中使用广泛的一种井下工具。封 隔器的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、锁定胶皮简的作用，其性能好坏直接影响到油井的 产量和生产安全。随着油气1 ：1 1 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，封隔器系统工 作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； 讨论了目前封隔器的国内外发展现状以及今天的发展方向；分析了卡 瓦对套管的损坏机理，讨论了卡瓦齿形对其受力的影响及对套管损坏 的影m j ：在力学分析和简化的基础上，对两种类型的封隔器卡瓦( 普 通卡瓦和镶硬质合会卡瓦) 进行了有限元分析，得到了不同油井条件 和卡瓦不同倾斜角度下卡瓦的应力云图和位移云图；研究了卡瓦与套 管间咬合力的分布规律，以便为封隔器卡瓦的优化设计提供指导；最 后给出了结论。 关键词：卡瓦：封隔器；镶硬质合金卡瓦 i t a n a l y s i so f t h es t r e n g t ho ft h es l i po fp a c k e r s l ig a o s h e n g ( m e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u x i n g p i n ga n dk a n s h u h u a a b s t r a c t t h ep a c k e ri sak i n do fs u b s u r f a c et o o lw h i c hi sw i d e l yu s e di no i l a n dg a sw e l le x p l o i t a t i o n t h ef u n c t i o no f t h ep a c k e ri st or e a l i z el a y e r i n g w o r k i n g ，f u n c t i o no fs l i p ，w h o s ep e r f o r m a n c ei n f l u e n c e sd i r e c t l yo no i l w e l ly i e l da n dp r o d u c t i v es a f e t y ，i ss u p p o r t i n gp a c k e ra n dl o c k i n gr u b b e r a f t e ra n c h o r i n g a l o n gw i t ht h ef u r t h e re x p l o i t a t i o no f o i la n dg a sw e l l ，t h e c o n d i t i o no ft h es u b t e r r a n e a nf o r m a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r e c o m p l i c a t ea n dt h el a y e r i n gw o r k i n gb e c o m e sm o t ea n dm o r ep r e v a l e n t ， s or e q u i r e m e n to nt h ep a c k e ri sm o f ga n dm o r es t r i c t t h ef a i l u r eo fw e b p a c k e rs y s t e mh a p p e n sf r e q u e n t l y ，w h i c hp r o d u c e se c o n o m i cl o s s c o n s i d e r i n gt h ec o n d i t i o n sa b o v e ，t h es t r e s sa n a l y s i sa n ds t r e n g t h c h e e ka r ec a r r i e do u to nt h ep a c k e ra n dt h er e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no f s n a pi nf o r c eb e t w e e nt h ep a c k e ra n dt h ec a s i n gp i p ei ss t u d i e di nt h i s p a p e ri no r d e rt op r o v i d ei n s t r u c t i o n st ot h eo p t i m u md e s i g no f t h ep a c k e r s l i p t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e rr e s e a r c h i st o p r o v i d ee x p e r i m e n t a l f o u n d a t i o na n dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e i m p r o v e m e n t o ft h e o p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y a n dp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n ta n d e m p l o y m e n t o ft h ep a c k e r k e yw o r d ：s l i p ；p a c k e r ；s l i pb e s e t t i n gc e m e n t e dc a r b i d e 1 l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：硼缶i t 只勰日 矽彤年月彩日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公向论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 幽 导师签名： 加羼tr 月万日腑。月功日 年月日 中国石油大宁( 华东) 丁稃硕十学位论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 本课题提出的目的和意义 封隔器作为一种重要的井下工具，对它的研究已经有很多。在封 隔器对套管损害机理的研究过程中，对弹性密封元件和卡瓦的研究是 至关重要的。本课题提出的目的是为了改善封隔器，在其正常工作的 情况下，使卡瓦对套管壁的损坏减少到最小，优化卡瓦对套管的作用 力，使作用力合理分布；在弹性密封元件上可以通过改善其材质等来 改善其工作性能或者研究出另一可以取代封隔器的井下工具。 由于对套管损坏的研究还不够系统和深入，在指导和解决油用的 套管损坏的防治问题上，远远不能满足油田的急需，目前还没有十分 有效的措施来预防和减缓套管井的损坏。对套管损坏的研究仍有许多 细致的研究工作要做，需要一种新的研究思路和具有理论研究意义的 尝试。对套管损坏的研究是一项综合性的研究，它涉及到钻井工程、 套管柱设计、固井作业、开发方案、采油措施、井下作业等。它所涉 及的学科领域包括数计学、材料力学、岩石力学、渗流力学；研究的 内容包括大量现场数据的统计分析、泥岩力学性质和管柱力学的试验 研究、力学模型的研究、水泥石和套管力学性能的研究。加强套管损 坏的理论研究具有非常重要的理论意义。套管损坏机理的综合研究对 制定钻井工程、套管柱设计、固井作业、开发方案和采油措施具有重 要的理论指导意义。由于套管损坏需要经过一定的过程，套管所受的 外挤力是多种因素联合作用的结果，要达到完全控制外挤力也需要一 个过程，这将决定开展这项研究渐进性和持续性。本课题的研究为以 后的进一步研究打下坚实的基础和找到一种新的解决套管损坏问题的 中国z i 油大学( 华东) t 烈硕十学何论文第1 章前言 途径。 1 2 本课题研究的主要内容 封隔器作为一种井下工具它所具有的种种功能，主要依靠弹性密 封元件的密封作用来实现。j 下是由于封隔器独特的密封作用为油气水 井的j 下常生产和各种井下工艺措施的顺利进行提供了有效的机械密封 手段。因此，封隔器被认为是实现油气田合理开采的战略性武器。它 是接在管柱上下井作业的，在现场往往把这种带封隔器的油管柱叫做 “管柱封隔器系统”。随着油罔开发后期的到来，地层情况日趋复 杂，井下作业难度加大，对封隔器的使用要求也提高，使用封隔器的 不成功率也在升高。如1 9 9 9 年胜利油田封隔器作业的一次成功率只有 6 7 。对封隔器来说最关键的部件是弹性密封元件，它在很大程度上 影响甚至决定着封隔器系统工作的成败，研究封隔器的应用，自然要 对弹性密封体工作状态进行分析研究，优选弹性体的材料和优化设计 结构，但目l ；i 国内没有哪家研究单位对弹性密封元件从应用状态进行 分析研究，多从使用效果上判断，存在很大的不确定性和不科学性。 此外，封隔器系统在井下工作的条件主要是压力和温度往往因井的工 艺方式的变化而变化，这些变化会引起封隔器系统受力发生变化。从 而，封隔器管杜的长度发生变化，或伸长，或缩短。结果导致封隔器 过早解封、错封或漏窜，有时会引起事故。所以对封隔器的最关键部 件弹性密封体进行工作状态下的分析研究是迫切需要的。通过对不同 结构、不同材料密封弹性体在作业时应力分铂状况以及封隔压差能力 的研究，得出什么类型的结构是合理的、什么样的材料是最优的进行 改进；另外，从理论上分析温度、压力的变化如何影响封隔器系统的 2 中国石油大学( 华东) 丁稃硕十学位论文第1 章前言 受力状况是至关重要的，有效保证封隔器的使用效果和寿命。为了达 到上述目的，本课题研究的主要内容是分析了卡瓦式封隔器普通卡瓦 在井下的受力，分析了镶硬质合金卡瓦在进行分层压裂时的受力和强 度，通过对它们进行有限元分析来对实际应用提供参考。 1 3 预期结果 在对封隔器进行深刻理解以及其重要元件卡瓦的受力分析的基 础上，进行了结构仿真和特定压力卡瓦的有限元分析。并简要地对卡 瓦进行结构优化使其对套管的损坏降低到最小，达到提高安全性和降 低成本的目的。 中国f i 油人学( 华东) 一i 稃硕十宁何论文第2 章封隔器 第2 章封隔器 2 1 封隔器的发展 所谓封隔器，是指具有弹性密封元件，并藉此封隔环空、隔绝气 层，以控制产( 注) 液，保护套管的井下工具。 石油工业的兴起和发展，伴随着封隔器的问世和演变。据记载， 世界上最早使用的封隔器是美国“种子袋”封隔器，由早期的油田经 营商拉夫纳兄弟等人开始应用。1 8 6 1 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。1 8 6 5 年，世界上第一次使用小尺寸的套 管，其底端所接的也是这种封隔器。 早期的封隔器，机构简单，用途单一，性能低下。十九世纪八十 年代美国相继发明了裸眼封隔器和单胶筒封隔器，随着美国对封隔器 研究工作步伐的加快，苏联本国也相继对其研究发明。为了合理的开 发多油层非均质油阳，避免层间干扰和确保隔层有效生产，三十年代 末，美国和苏联相继开始了分层开采工艺技术的研究如分层注水，这 就导致了分层开采工艺技术的各种封隔器的发展。1 9 4 2 年，第一次双 层完井使用了美国贝克公司制造的封隔器。 随后几十年，随着钻井、完井工艺不断向高压、高温和复杂的深 部地层方面发展，对封隔器提出了种种更高的要求。因而促使封隔器 的研制工作趋向专业化，研制的产品r 益丰富。 近几十年来，由于人类对石油后备储量勘探的需要，不得不在越 来越恶劣的环境极端高温，极端高压，极端复杂条件下进行钻井 和完井。为了适应这种需要，密封腔容座完井法应运而生，用作苛刻 条件下的密封材料相继问世，因而突破了封隔器只限于外密封的旧观 4 中国石油大学( 华东) j - 平旱硕十学位论文第2 章封隔器 念，开拓了封隔器实现内密封的新途径。随后，出现了一种新型的高 压完井工具可取式下放短节，可以代替永久式封隔器下在密封腔 容座的底部，使密封腔容座完井具有更大的灵活性和更好的控制性， 从而导致油气井完井工艺的重大改革。封隔器正向高性能、多用途、 适应性强和更多地采用内密封结构的方向发展。近几十年来，随着钻 井、完井工艺不断向高压、高温复杂的深部地层方面发展，对封隔器 提出了种种更高的要求，因而促使封隔器研制工作趋向专业化l ”。 2 2 封隔器的应用 2 2 1 封隔器基本用途 如前所述，封隔器适用范围之广，几乎遍及勘探和开发的各个生 产过程。之所以应用封隔器，除了可满足生产中的各个工艺要求外， 也有经济上和操作上的考虑，因为借助封隔器进行井下作业，比之其 他的井下工具更为合算、更为方便。封隔器一旦在井下有效工作，就 可以达到下列目的： ( 1 ) 隔绝井液和压力，以保护套管免受影响，从而改善套管工作条 件； ( 2 ) 封隔产层或施工目的层，防止层问液体和压力互相干扰，以适 应各种分层技术措施的需要，或便于进行堵漏、堵窜等修井作业； ( 3 ) 保存并充分利用地层能量，以提高油井生产效率，延长其工作 时间； ( 4 ) 使井的控制仅限于地面油管，以确保安全和最大限度的控制地 层； ( 5 ) 便于采用机械采油的方式； 5 中国石油入学( 华东) r 稃硕七学停论文第2 章封隔器 ( 6 ) 用在气井中( 尾管下至射孔段以下) ，可以缓和气井液面过早 上升。通常，封隔器不能用在下列场合： ( 1 ) 杆式泵抽油井； ( 2 ) 电潜泵抽油井； ( 3 ) 靠环形空间生产的低硫高产油井； ( 4 ) 油套同出的低硫干气井。 2 2 2 封隔器选用依据 封隔器选用得当，就会确保甚至提高井下工作效果。因此，必须 对预定的井下作业的目的进行分析。一般来说，应当结合油井现在的 和将来的情况，并在预计到要可能进行其他作业的情况下，选择既尽 可能达到多项使用目的，而总成本最低的封隔器类型。 下面简要列举了选用封隔器是应当考虑的一些因素。 ( 1 ) 封隔器的结构性能 封隔器的结构性能是决定使用效果和成本的关键因素，应当优先 予以考虑。通常，对封隔器性能上的基本要求是下的去、封得严、能 耐久。具体来说，包括坐封或解封动作是否简单、耐压、耐温、抗腐 蚀的程度和连续密封的时问和最为适合何种作业。 ( 2 ) 封隔器的价格和使用成本 在许多情况下，可能有好几种可选择的封隔器，能同时满足某一 种工艺要求，但多半选择其价格较低者。值得注意的是，封隔器的性 能是影响封隔器成本的主要因素，一定要结合起来评价。 ( 3 ) 井下流体性质和种类 井下流体的性质和种类，对于封隔器的使用效果和寿命长短有一 定的影响。当井中还有二氧化碳和硫化氢时，选用封隔器必须考虑到 6 中国石油大学( 华东) t 稃硕十学位论文第2 章封隔器 加工封隔器的材质。 ( 4 ) 地面设备和井下工具的相互关系 坐封封隔器时，一般要进行地面操作，例如，上提下放油管柱， 正反转油管柱或通过油管施加压力。因此，选用封隔器必然涉及到井 口设备。由于完井是一种协同作业，所以应当选用可以互相配合的地 面设备和井下工具，以确保安全、可靠地进行作业【l 】。 2 3 封隔器的结构 目前，尽管国内外研制的封隔器花样繁多，但基本结构相差无几。 主要包括密封、锚定、扶正、坐封、解封六大部分，而每一部分有各 自包含若干零、部件”。 2 3 1 密封部分 密封部分是在外力的作用下，发生动作，最终密封环形间隙，防 止流体通过的机械。它是封隔器的关键部分，主要有弹性密封元件， 赖以安装密封元件的钢碗，隔环和各种防止密封元件“肩部突出”的 “防突”部件构成。其中密封元件是至关重要的核心部件，通常制作 成圆筒状，所以也俗称胶筒。 自封隔器问世以来，人们花了大量的力气，对密封元件进行了多 方面的深入研究，进而带动了整个封隔器的研究工作。 2 3 2 锚定部分 它也叫“支撑部分”，其作用是将封隔器支撑在套管壁上，防止封 隔器由于纵向移动而影响密封性能，或引起封隔器过早解封，主要包 括水力锚和卡瓦。 水力锚使用比较广泛。它通常有许多卡瓦牙或锯齿形锚爪构成的。 7 中国f i 油人学( 华j 、) r 稃硕十学仃论文第2 章封隔器 它既可与封隔器设计成一体与卡瓦配合使用，也可以单独使用接在封 隔器上。 卡瓦也是一种常见的起锚定作用的机构，美国使用最早。早期的 封隔器由于下入深度浅或承压能力低，一般无需带卡瓦，或只在胶筒 上部用卡瓦。随着下入深度的加深和地质的恶劣，单级卡瓦和多级卡 瓦应用而生。为了防止封隔器的纵向移动，特别是在深井和高压作业 中，往往采用正、反多级卡瓦或附加上水力锚。 2 3 3 扶正部分 它主要是起扶下密封元件的作用，同时也起仞卡作用，便于封隔 器坐封。这种作用通常有一些扶正弹簧和状如灯笼的扶正器承担。在 转动扶正管杠坐封封隔器时，扶币弹簧片以对套管壁的足够的摩擦力， 防止封隔器壳体随管柱移动。扶j 下器一般扶j 下弹簧罩、弹簧座和弹簧 构成，其作用靠外端呈圆柱面的扶正块来实现。 2 3 4 坐封部分 坐封部分是使封隔器坐于目的层段后保持密封状态的机构，通常， 它包括坐封活塞、中心管、上下接头、滑环套等。坐封部分动作时， 能起两个作用：推动锥体，使卡瓦张开，并贴在套管壁上：压缩弹性 密封元件，使之胀大而密封。 2 3 5 锁紧部分 锁紧部分使封隔器一旦坐封后，使之固定于坐封状念的机构。由 于封隔器锁紧及动作方式在很大程度上影响封隔器的可取性，因而是 涉及可取式封隔器应予重视的结构部分。它通常由外中心管、销钉、 各种内锁紧机构构成。 8 中国石油大学( 华东) t 稃硕十学位论文第2 章封隔器 2 3 6 解封部分 解封部分是使油、套压连通，进而导致卡瓦收回，胶筒恢复原状、 以利于起封的机构。它使封隔器在井下工作状态由定位密封转为非工 作的自由状态的过程，是封隔器起出时一个必备的重要程序。 2 4 封隔器的类型、基本原理 2 4 1 封隔器的类型 封隔器的种类繁多，按封隔器的封隔件的工作原理来分：分为自 封式、压缩式、楔入式和扩张式口i 。 2 4 2 封隔器的命名 封隔器的命名按封隔件的分类代号、支撑方式代号、坐封方式代 号、解封方式代号及封隔器钢体最大外径五参数依次排列，进行型号 编制。 ( 1 ) 分类代号：用分类名称的第一个汉字的汉语拼音大写字母表示，方 法应符合表2 - 1 规定。 表2 - 1 1 分类名称自封式压缩式楔入式扩张式 1 分类代号 z y xk i ( 2 ) 支撑方式代号：用阿拉伯数字表示，方法应符合表2 2 规定。 表2 2 1 支撑方式名称尾管单向卡瓦无支撑双向卡瓦 锚瓦 f 支撑方式代号 i2345 ( 3 ) 坐封方式代号：用阿拉伯数字表示，方法应符合表2 3 规定。 9 中国j i 油大学( 华东) 丁稃硕十学付论文第2 章封隔器 表2 - 3 i 坐封方式名称捉放管柱转管杵自封液压fl ：具 i 坐封方式代号l23 4 5 ( 4 ) 解封代号：用阿拉伯数字表示，方法应符合表2 4 规定。 表2 4 l 解封方式名称提放管宇转管丰+钻铣液压f 丁= 具i l 解封方式代号 l234s ( 5 ) 钢体最大外经：用阿拉伯数字表示，单位是m m 。 应用本标准时，可将油田的名称加到封隔器型号的前面，特殊用 途加到封隔器型号的后面。例如：y 2 1 1 1 1 4 型封隔器，按本标准时表 示封隔器封隔件的工作原理为压缩式、单向卡瓦支撑、提放管柱坐封、 提放管柱解封、钢体最大外经为11 4 r a m 。 华北k 3 4 1 1 4 0 型裸眼封隔器。按本标准时表示为华北油田封隔 器，封隔件的工作原理为扩张式、无支撑、液压坐封、提放管柱解封、 钢体最大外经为1 4 0 m m ，使用于裸眼井。 2 4 3 封隔器的工作原理 1 ) 自封式封隔器的工作原理 自封式的封隔器就是靠封隔件外经与套管内径的过盈和压差以实 现密封的封器。 以自封式封隔器一z 3 3 1 系列为例，简要说明其工作原理。 z 3 3 l 系列封隔器【3 】的工作原理： ( 1 1 坐封：z 3 3 1 封隔器是一种自封式封隔器，在下井后，依靠皮碗与 套管内径的微小过盈使皮碗适度贴紧在套管内壁上，将封隔器上下两 1 0 中国右油人学( 华东) 工稃硕十学伉论文第2 章封隔器 端的环形空间隔开。当皮碗张开端压力大于另一端压力时，此压力差 使皮碗进一步张开，更紧地贴在套管内壁上，从而使封隔器皮碗与套 管内壁密封良好，达到封隔环空的目的。当封隔器两端存在与上述方 向相反的压力差时，将迫使封隔器皮碗收缩，此时，封隔器上下两端 相互连通。所以，z 3 3 1 封隔器属于单向承压型封隔器。 ( 2 ) 解封：在下次作业需要解封提管柱时，直接上提管柱即可提出封隔 器，此时一般增加负荷2 5 k n 。 由上述可知：z 3 3 1 封隔器不需要专门的坐封和解封操作程序，坐、 解封方便可靠，而且当地层少量出砂或有其它机械杂物时，仍可加大 提升负荷( 5 0 8 0 k n ) 将皮碗拉坏，方便地提出井内管柱，避免了更复 杂的井下作业，这是其它封隔器无法做到的。 2 ) 压缩式封隔器的工作原理 压缩式的封隔器就是靠轴向力压缩封隔件，使封隔件直径变大以 实现密封的封隔器。 以y 4 4 1 b 型双向锚定封隔器为例简要说明其工作原理： y 4 4 l b 型双向锚定封隔器【4 1 是一种单卡瓦双锥体锚定式封隔器，它利 用液压坐封、提放管柱解封。y 4 4 1 b 型双向锚定封隔器主要由平衡、 密封、坐封、锁紧、锚定和解封六大部分组成，其结构见图2 一l 所示。 工作原理： ( 1 ) 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。坐封平衡机构的设计可平衡中 心管的受力，防止内外中心管产生相对位移。 1 1 中国石油丈学( 华东) 1 群硕十学衍论文第2 章封隔器 1 一键套，2 - 上接头，3 - 解封剪钉，4 平衡缸套，5 - 平衡活塞，6 - 密封挡环，7 - 内中心 管，8 上部外中心管，9 一隔环，l o 一上活塞，1 1 - 活塞锁块，1 2 中心管锁块，1 3 - 上活 塞，1 4 锁环座，1 5 - 缸套，1 6 - h 部外中心管，1 7 - 锁环，1 8 - 锁环套，1 9 一上锥体，2 0 一异瓦 套，2 1 卡瓦，2 2 一片弹簧，2 3 坐封剪钥，2 4 一下锥体，2 5 一连接环，2 6 一锁块环，2 7 解封 锁块，2 s 一密封环，2 9 一解封锁环3 0 - 一p 接头 图2 - 1y 4 4 1 b 犁双向锚定封隔器结构示意图 ( 2 ) 承压工作时，由于封隔件上下液体压力不同将产生定的液压力， 而这些力均可通过锚定机构作用到套管上。承压平衡室的设计则可保 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，中心管随管杠一起上行，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。y 4 4 l b 型封隔器设计有下锥体脱卡机构， 若下锥体在解封过程中不能脱卡时，可下放管柱，给下锥体施加向下 的作用力，使其脱卡。3 楔入式封隔器的工作原理 3 ) 楔入式的封隔器就是靠楔入件楔入封隔件，使封隔件直径变大以实 现密封的封隔器。 4 ) 扩张式封隔器的工作原理 扩张式的封隔器就是一定压力的液体，作用于封隔件的内腔，馊 封隔件直径扩大以实现密封的封隔器。 以k 3 3 l 型热敏金属扩张式封隔器为例简要说明其工作原理： 1 2 中国石油大学( 华东) t 稃硕十学位论文第2 章封隔器 k 3 3 1 型热敏金属扩张式封隔器【5 j 是稠油热采中的一种重要工具。 热采封隔器是稠油开采中十分重要的井下工具，其性能的好坏直接影 响注汽效果和套管的使用寿命。 k 3 3 1 型热敏金属扩张式封隔器的结构如图2 2 所示。主要由以下 一些部件组成：中心管，固定压环，密封胶筒，热敏金属片， 移动压坏，弹性档圈，锁紧螺母，下端盖。 图2 2 热敏金属扩张式封隔器的结构 工作原理： 该封隔器使用的一种关键材料是热敏金属，热敏金属材料是由上 下两种不同的组元层构成的，即高膨胀层和低膨胀层。当温度升高时 由于两个组元层热膨胀系数不同而迫使板材本身发生挠曲变形从而产 生变形力。封隔器下入井内指定位置后，当注入热蒸汽时，由于温度 升高，热敏金属开始动作，当温度达到2 0 0 。c 时，热敏金属件即可推 动密封胶筒扩张直至与套管内壁接触，实现初步座封。 初步座封后，套管内封隔器的上下两端形成压力差，通过平衡气 孔的热蒸汽继续推动密封胶筒向外扩张，实现了自动座封。此时座封 力为热敏金属件和注入蒸汽压力的合力。由于注汽压力对座封起到了 1 3 中国f i 油火学( 华东) r 稃硕十学付论文第2 章封隔器 补充作用，所以注汽压力越大，密封压力也越大，保证了密封的持久 性与可靠性。 实现座封后，封隔器下端的汽流作用在件上，使其向上运动， 防止密封胶筒从压环中脱出，并压缩胶筒提高密封性。在注汽管柱螺 纹密封的前提下，可保证封隔器上部套压为零。 停止注汽后，密封胶筒自动回收，实现解封，即可进行下一步作 业。由于密封胶筒回收彻底，所以封隔器解封后上提时不会发生遇卡 现象。 2 4 4 封隔器的名词、术语 ( 1 ) 封隔件：直接起封隔井内工作管柱与井筒内壁环形空间作用的封隔 器部件。 ( 2 ) 坐封：按给定的方法和载荷，使封隔件处于工作状态。 ( 3 ) 解封：按给定的方法和载荷，解除封隔件的工作状态。 ( 4 ) 稳压：在不补充压力和改变工作条件的情况下，将已建立的流体压 力保持在规定的范围内。 ( 5 ) 坐封载荷：封隔器坐封时所需的外加载荷。 ( 6 ) 解封载荷：封隔器解封时所需的外加载荷。 ( 7 ) 换向疲劳：封隔器坐封后改变工作压差方向的反复次数。 ( 8 ) 工作温度：胶筒于井下所接触介质的最高温度，单位为。 ( 9 ) i 作压差：胶筒密封油套管的环形空问后，在工作状态下，胶筒两 端所能承受的压力之差，单位为m p a 。 2 4 5 封隔器的基本参数 1 ) 工作压力 工作压力的数值应从表2 5 给出的系列中选取。 1 4 中国石油大学( 华东) i 稃硕士学位论文第2 章封隔器 表2 - 5单位：m p a 2 ) 工作温度 工作温度的数值应从表2 - 6 给出的系列中选取。 表2 - 6单位： 3 ) 钢体最大外径：钢体最大外径的数值应从表2 7 给出的系列中选取。 表2 - 7单位：脚坍 i最大外径 9 09 51 0 01 0 5】1 01 1 51 2 01 3 51 4 0 i1 4 41 4 81 5 21 6 51 8 5 4 ) 钢体内通径 钢体内通径的数值应从表2 - 8 给出的系列中选取。 表2 - 8单位：m m 2 5 封隔器的国内外现状 2 5 1 封隔器的国内现状 大庆油 6 1 应用套管外封隔器对油水井进行套管先期保护使套管 损坏得到了很大降低。自2 0 0 1 年3 月到2 0 0 2 年2 月胜利油田草桥区 块也对已有的封隔器产品密封体进行了改进和材料的更新。目前国内 固井使用的套管外封隔器，普遍采用水力膨胀式结构，密封压力高， 适用井径范围大，但结构复杂，加工难度大，精度要求高，质量不易 保证等问题。近期大庆钻井研究所研制成功的压胀式套管外封隔器， 为国内套管外封隔器系列增加了一项新产品，克服了水力膨胀式封隔 1 5 中国i 釉人学( 华东) t 稃硕十学何论文第2 章封隔器 器胶简易爆等缺陷，特别是能在胶筒失效的情况下确保套管柱试压合 格，避免完井后修并作业。 在大港油田深油藏分层注水井上试验、推广应用成功的g 6 型封隔 器也是一种新型的井下分注工具，它实现了深油臧分层注水工艺的突 破，保证了特殊类型油藏的开发效果。 胜利石油管理局采油工艺研究院研制的y 4 4 1 s d 型封隔器是一种 新型液压双向锚定式封隔器，它采用液压座封，能够多级使用，逐级 解封，操作简单方便，在胜利等多个油田获得广泛应用，取得明显的 经济和社会效益。 2 5 2 封隔器的国外现状 1 9 9 4 年，美国初步研制出高效可锚定的单级膨胀式封隔器，在比 较恶劣的工况下具有较高的工艺操作可靠性和耐压、耐温以及抗腐蚀 性能。在加拿大，通过采用注水泥膨胀式底层封隔器使定向井的原油 采收率得到改善。膨眼式封隔器也是8 0 年代发展起来的高新技术产 品，多年来美国采用了钢片叠层骨架膨胀胶筒，比老式编网骨架型膨 胀胶筒性能和使用可靠性更加改进了国外先进的成熟的采油配套装备 和技术。 美国b a k e r 公司和o t i s 公司生产的先进液压封隔器一“f h ” 和“r h ”封隔器都为液压坐封，上提管柱解封形式，这类封隔器卡位 准确、坐封可靠，适用范围广。不仅适用于常规井，而且适用小夹层， 多层系油井：能满足有柯泵、水力泵井的特殊要求。它们都采用锚、 瓦结构，提高了双向承压指标，寿俞长。 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第3 章普通告瓦的强度分析 第3 章普通卡瓦的强度分析 油井封隔器是分隔油层，实现分层开采的主要井下工具。常用的 油、水井封隔器有支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水力压缩 式、水力自封式、水力密封式、悬封式等，尽管其结构和工作原理有 所不同，但其作用是相同的。卡瓦封隔器又称p t 封隔器，是一种大 通径、多用途、长寿命的封隔器，它是加压坐封悬挂式封隔器。它可 以封隔环形空间，使环空液杜压力由封隔器承载，不作用于测试层， 主要用于套管井的测试，也可用于套管压力大于或等于油管压力的其 他作业。 3 1 结构组成和工作原理 3 1 1 结构组成 常见的卡瓦式封隔器的结构如图3 1 。这种封隔器包括一个j 形槽 换位机构、机械卡瓦、封隔器胶简等。卡瓦是卡瓦式封隔器的重要零 件，其质量好坏将直接影响到封隔器的工作效果。目前常见的封隔器 、 卡瓦有普通卡瓦和镶硬质合金卡瓦2 种类型。普通卡瓦表面有多排齿， 坐封时，齿嵌入套管内表面，齿与套管是线接触，接触面积较小，应 力集中严重；镶硬质合会的卡瓦表面镶有多个硬质合金块，坐封时， 硬质合会块嵌入套管内表面，合金块与套管是面接触，接触面积较大， 应力集中不严重。由于镶硬质合金卡瓦的自身特点，它有取代普通卡 瓦的趋势，但其制造工艺复杂，成本较高。 1 7 中国4 i 油大学 d - l e b 越霉 士卡 | 鳘】3 2 2 坐# 时结构不意图 3 5 2 新型卡瓦 上述问题的根本所在是封隔器的下端与类似于固定铰链支座连 接。为了去掉这种连接，可以采用如图3 2 3 所示卡瓦。该卡瓦在坐卡 时，锥体随上部油管的一行可使卡瓦措径向平行向外移动，并保证所 有卡瓦牙都卡住套管壁。图3 2 4 是处于装配中的卡瓦工作示意图。卡 瓦受力如图3 2 5 所示，此时因箍簧以及下端面的作用力都小而忽略。 由静力平衡知 中国石油大学( 华东) r r = 稃硕十学 寺论文第3 章普通e 瓦的强度分析 国雀叁 图3 2 3 新型管瓦结构示意图 图3 - 2 4 处于袈配中的卡瓦= 作示意图 量 p 。 图3 2 5 卡瓦受力图 4 l 中国i 油人学( 华东) t 稃硕十学 奇论文第3 章曾通砖瓦的强度分析 整理得 p lc o s z 一曩s i n , z 一只= 0 五一鼻s i n o r 一互c o s 口= 0 只： 竺 6 n t g ( c o + p ) 3 6 0 p ， 盯= 肋l d c t l h ( 3 ，1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 式中，只为锥体面对卡瓦的正压力，p a ：b 为套管内壁对卡瓦的正压 力，p a ；e 为锥体对卡瓦的摩擦力，k n ；五为套管内壁对卡瓦的摩 擦力，k n ；m 为坐卡时所需的上部管杜质量，堙；口为锥体的半锥 角，o ，；聆为卡瓦数；9 为锥体与卡瓦的摩擦角，o ；为卡瓦牙外 圆弧面圆心角，o ：玎为卡瓦牙与套管内壁间接触应力，p a ；h 为卡瓦 牙嵌入套管内壁厚度，m m ；肝为卡瓦牙数。 可见，此种卡瓦因保证了与套管壁的完全接触，却保证了卡瓦牙 数塌从而使o - 不能增大。 结论：新型封隔器卡瓦在坐卡时沿径向平行外移，从而坐卡可靠， 不易损坏套管、卡瓦不易折断。 4 2 中国石油大学( 华东) i 稃硕+ 学伊论文第4 章镶硬质合金e 瓦的强度分析 第4 章镶硬质合金卡瓦的强度分析 镶硬质合金卡瓦强度的强度验算和受力模拟分析是以r t t s 压裂 封隔器进行压裂作业为实例进行说明的。 r t t s 封隔器是种自带水力锚的机械坐封式卡瓦封隔器。主要 用于分层压裂、酸化也可用于试油、注水、注水泥等井下作业。 ( 1 ) 结构组成 该封隔器由水力锚、胶筒、卡瓦、扶正块等组成。 ( 2 ) 特点 a ) 水力锚由油管压力锚定，有效地防止封隔器上窜。 b ) 卡瓦与摩擦块分离，并在锥形槽内活动，解封时可强制收紧。 c ) 自动j 形装置，坐封更容易。 d ) 带有碳钨合金块地卡瓦与水力锚爪，使封隔器坐封更容易。 ( 3 ) 操作规程 a ) 坐封：当封隔器下至预定深度后，上提一定高度正旋管柱，使换位 凸耳由j 形槽内退出，然后下放管柱，卡瓦卡住套管，继续加压，胶 筒封住油套环形空间，封隔器坐封。油管加压，使水力锚爪张开，卡 住套管，有效地防止封隔器上窜。 b ) 解封：当作业完成需解封时，泄掉油管内压力，锚爪在弹簧作用下 收回到锚体内，上提管柱即可。为了便于解封，下井管柱需配旁通阀， 解封前先打开旁通，使胶筒上下压力平衡，然后在上提管柱则解封更 容易。 ( 4 ) 注意事项 a ) 封隔器下井前，须充分通井、洗井、使井内无防碍封隔器下井及坐 4 3 中国铂油大学( 华东) r 群硕十学位论文第4 章镶硬质合金e 瓦的强度分析 封的硬物。 b ) 封隔器下井要缓慢、平稳，不得急放急停，以防止封隔器中途误坐 封。 c ) 坐封位置要避开套管接箍。 d ) 解封时，若上提遇阻，不可硬提，此时需重新下放管柱，达到下井 深度，以使嵌入套管的合会块从套管脱出，然后在上提。 ( 5 ) r t t s 封隔器结构示意图 1 水力锚体2 压条同定螺钥3 水力锚爪4 锚爪弹簧5 水力锚压条6 调 节压帽7 胶筒8 隔环9 ，f 压帽1 0 螺栓销1 1 膏瓦锥体1 2 瓦1 3 ，卡 瓦座螺栓1 4 卡瓦摩违接螺栓1 5 膏瓦座1 6 换向套1 7 扶正块1 8 扶正块 弹簧1 9 螺钉2 0 扶止块压帽2 1 内中心管2 2 外中心管 图4 - i r t t s 封隔器结构示意图 中国行油大学( 华东) t 程硕十学位论文第4 章镶硬质合金卡瓦的强度分析 4 1 分层压裂时作用在封隔器上的载荷分析 进行压裂作业时，封隔器所受的力有管柱重量、压裂液的压力、 液柱的重力、地层压力等。 4 1 1 管柱重力斤 分层压裂时的管杠结构如图4 2 。由于封隔器坐封后，管柱要悬 挂在井口，所以并不是所有的管柱质量都作用在封隔器上。作用在封 隔器上的管柱重力为封隔器坐封所需的力，对于2 5 0 0 3 5 0 0 m 的井 深，该力f 1 约为1 2 0 k n ，且作用方向向下。 4 - 2 单封隔器分层压裂管柱结构 4 1 2 压裂液作用力丘 进行压裂时，作用在封隔器上的力尼为： 尼叫 式中，p 为压裂液的压力，为6 0 1 0 0 m p a ；a 为套管和油管之问的环 形空间面积，n l ，其中，套管内径为巾1 2 4 m m ，油管采用2 种规格， 4 5 中国石油大学( 华东) 下挥硕士学傍论文第4 章镶硬质合金昔瓦的强度分析 即，m 7 6 1 2 r a m ( 3 英寸) 和q d 7 3 m m ( 2 7 8 英寸) 。毋的作用方向向下。 4 1 3 液柱重力丘 液杜重力为 f 3 = y h aj g 式中，y 为压裂液的密度；h 为油管长度，m ；a i 为油管的通7 l 面积， m ，g 为重力加速度。尼作用方向向下。 4 1 4 地层力厅 作用在封隔器上的地层力为： f 4 7 一 式中，p l 为地层压力，m p a 。f 4 的作用方向向上。 4 2 材质分析 对样品进行化学成份分析，得到样品的化学成份表4 1 所示； 表4 - 1 样品的化学成份 化学成份 序号 cs im npsc rn im oc u l0 4 l 0 2 9 0 6 4o 0 1 3 0 0 2 61 0 4o 1 0 0 1 8 0 2 0 由机械设计手册可知：4 2 c r m o 材料的化学成份如表4 2 所示 表4 - 24 2 c r m o 材料的化学成份 化学成份 序号 c s im np sc rn im o 10 r 3 8 0 4 5o 1 7 一0 3 7o 5 0 o 8 00 9 0 一1 2 00 1 5 一o 2 5 由此可以知道，样品的材料为合金结构钢4 2 c r m o 。 查机械设计手册可知：4 2 c r m o 材料退火状态下的机械性能如表4 3 中国石油大学( 华东) t 稃硕十学位论文第4 章镶硬质合金卡瓦的强度分析 所示： 表4 34 2 c r m o 材料的退火状态下的机械性能， 机械性能以( ) ( ) 盯，( m p a )吒( m p a )a r ( j ) 1 24 59 3 01 0 8 0 6 3 4 3 强度验算和受力模拟分析 首先，根据样品形状和尺寸，绘制了进行样品有限元分析的模型， 如图1 所示。 由于封隔器坐封后，管柱要悬挂在井口，所以并不是所有的管柱 重量都作用在封隔器上。作用在封隔器上的管柱的重力为封隔器坐封 所需的力，对于2 5 0 0 3 5 0 0 米的井深，一般来说，该力只约为1 2 t 。 进行压裂时，压裂液的压力p 为6 0 m p a 1 0 0 m p a 。作用在封隔 器上的力只为： f 2 = p a 式中：爿为套管和油管之间的环形空间面积。 套管的内径为1 2 4 毫米，油管采用两种规格：3 英寸和2 - 7 8 英寸。 液柱的重力和地层压力作用在封隔器上的力大小大致相同，但方 向相反，所以两者可以抵消。 一个封隔器有6 个支撑卡瓦，6 个卡瓦均匀承受力e + 最。 每个卡瓦上有6 个硬质合金支撑块，支撑块从上往下承力按1 8 递减。支撑块与垂直方向的角度分为3 0 度和2 0 度两种。 4 7 中国柯油人学( 华尔) i 稃硕十学何论文第4 章镶硬质合金e 瓦的强度分析 4 3 1 计算结果 使用美国著名的a n s y s 有限元分析软件对支撑卡瓦进行了有限 元分析，分析结果如下所示。 4 3 1 1 硬质合会支撑块的倾斜角为3 0 度时的计算结果 1 ) 使用2 - 7 8 英寸油管 ( 1 ) 孔所受压力 取管杠重量为1 2 t ，压裂时的压力为6 0 m p a 1 0 0 m p a 。支撑卡瓦 上各个孔所受的压力如表4 - 4 所示。 表4 _ 4 各孔压力数据表( p a ) 巍号 l23456 # b f f - 6 0 m p 87 6 3 0 5 3 9 7 9 36 2 5 7 0 4 2 6 34 8 8 3 5 4 5 4 6 73 5 1 0 0 4 8 3 052 1 3 6 5 5 1 1 4 27 6 3 0 5 3 9 7 9 3 7 0 m p a8 6 4 4 9 4 4 9 9 17 0 8 8 8 5 4 8 9 35 5 3 2 7 6 4 7 9 43 9 7 6 6 7 4 6 9 62 4 2 0 5 8 4 5 9 88 6 4 4 9 4 4 9 9 1 8 0 m p a 9 6 5 9 3 514 7 77 9 2 0 6 6 8 2 1 i6 l8 1 9 8 4 9 454 4 4 3 3 0 1 6 7 92 7 0 4 6 1 8 4 i 39 6 5 9 3 5 1 4 7 7 9 0 m p a1 0 6 7 3 7 5 6 6 88 7 5 2 4 8 0 4 7 46 8 312 0 4 2 7 24 9 0 9 9 2 8 0 7 1 2 9 8 8 6 518 6 91 0 6 7 3 7 5 6 68 1 0 0 m p a1 1 6 8 8 1 6 3 1 59 5 8 4 2 9 3 7 8 57 4 8 0 4 2 4 4 l 。85 3 7 6 5 5 5 0 53 2 7 2 6 8 5 6 8 ，31 1 6 8 8 1 6 3 1 5 注：孔号从上到下编号为1 6 。 ( 2 ) 计算结果 a 压力为6 0 m p a 由计算结果可知，压力为6 0 m p a 时，支撑卡瓦所受的最大应力为 5 4 4 m p a ，最大位移为o 0 2 3 6 m m ，位移图和应力图分别如图4 - 3 、图 4 4 所示。 中国石油大学( 华东) 1 稃硕十学位论文第4 章镶硬质合金卡瓦的强度分析 图4 3 位移云图 图“应力云图 b 压力为7 0 m p a 由计算可知，压力为7 0 m p a 时，支撑卡瓦所受的最大应力为 中国午i 油人学( 华东) t 稃硕十宁 奇论文第4 章镶硬质合金# 瓦的强度分析 6 1 6 m p a ，最大位移为0 0 2 9 8 m m ，位移图和应力图分别如图4 5