Y211-114封隔器设计与分析1.doc

中国石油大学（华东）本科毕业设计Y211-114封隔器设计与分析摘 要本文所设计分析的封隔器是一种目前被广泛应用于油气生产的井下工具，其基本功能就是将井下环空进行密封或者将目的层段进行隔离。封隔器上有胶筒、卡瓦等许多重要构件，它们的结构和性能十分重要，关乎到最终的生产和安全。随着油气井深度的增加和地层复杂程度的加大，封隔器成为关注的重点。本文首先讲述了封隔器的基本情况，包括发展状况、型号组成、功能原理等，然后对Y211-114封隔器重要零部件进行了结构和尺寸方面的设计和分析，在材料选择方面，本文对多种材料进行了详细的对比，随后对关键部分做了强度校核。最后，得出结论，完成对Y211-114封隔器的设计与分析。关键词：封隔器；设计；分析 The design and analysis of Packer of Y211-114 formAbstractPacker designed and analyzed of this paper is a widely used in the production of oil and gas downhole tool, its basic function is to seal the annulus downhole or isolate the target layer. There are cones, slips, and many other important members, their structure and performance is very important, in relation to the final production and safety. With the increase of the depth of oil and gas wells and complexity of the formations, the packers become the focus of attention. At first, this paper describes the basic situation of the packer, including development, model composition, functional principles, etc., then designs and analyzes the structure and size of the important parts of the Y211-114 packer, as for material selection, this article carries out a detailed comparison of a variety of materials, subsequently made a key part of the strength check. Finally, draw the conclusion and complete design and analysis of the Y211-114 packer.Keywords：Packer；Design；Analysis目 录第1章 绪论11.1 题目意义11.2 国内外发展现状11.2.1 封隔器的发展11.2.2 封隔器的组成31.2.3 封隔器的类型51.3 封隔器的应用81.4 工作原理91.5设计内容91.5.1 毕业设计说明书要求91.5.2 计算机绘图部分要求101.5.3 技术参数10第2章 封隔器结构设计112.1 密封元件结构设计112.1.1 胶筒的结构分析112.1.2 胶筒的耐压分析142.1.3 胶筒的尺寸设计152.2.4 组合式密封元件162.2 卡瓦的结构设计172.3 坐封的行程计算192.4剪钉的设计计算19第3章 封隔器材料的选择213.1 密封元件材料的选择213.1.1 密封元件材料的演变213.2.2 密封元件的常用材料233.2 常用钢材263.3 防腐材料283.3.1 表面防腐处理283.3.2 防腐材料283.4 材料的确定30第4章 强度校核324.1 内中心管壁厚的校核计算324.2 剪钉的校核33第5章 结论34致谢35参考文献36第1章 绪论第1章 绪论1.1 题目意义封隔器是用来将井下环空进行密封或者将目的层段进行隔离，以控制流体注入或者采出，并且能够承受压力差的一种井下工具1。在油气田开采过程中占有十分重要的地位,油气井的正常生产以及各种井下钻采工艺的顺利进行,都需要封隔器提供有效的机械手段，其应用范围十分广泛，包括最初的钻井、测试、试油，到后来的生产、注入，以及增产作业。近年来，随着油气田开采的不断升入，受地层复杂程度升高的影响，分层作业变得越来越普遍，这就对封隔器提出了更高的使用要求。封隔器可靠性的高低以及各种性能的好坏对油气井的开采成功率和生产安全会产生直接影响，因此向来受到石油行业人士的重视。1.2 国内外发展现状1.2.1 封隔器的发展封隔器是一种问世非常早的的井下采油工具,它的产生和演变,见证了石油工业的起源和发展。根据资料记载，美国人最先发明并使用了封隔器，当时取得名字十分有趣，叫做“种子袋”，也就是世界上最早的封隔器，有一批叫做J.拉夫纳兄弟（Ruffners）的油田经营者,对封隔器进行了最早的应用。早在1861年，油管柱是由木质的表层导管下入，那时的油管柱上就安装了这种叫做“种子袋”的封隔器。起初的套管尺寸比较大，到1865年，小尺寸套管第一次被采用，而这时所使用的封隔器依然是这种（哪种哇，私心觉得可以稍微带一下“这种的封隔器”）。封隔器出现的初期，其结构要比现在简单得多，用途也十分单一，并且性能低下。十九世纪六十年代末，美国人布赖森（Bryson）发明了一种封隔器，叫做裸眼封隔器。到八十年代初，美国人斯图尔特（Stewart）又发明了一种封隔器，这种封隔器结构稍微复杂一些，开有油、套压连通孔，并且它的胶筒可以在椎体构件的楔入下完成膨胀过程。封隔器在苏联的应用也比较早,在二十世纪三十年代初,一种叫做正反扣螺栓式封隔器的新型封隔器首先在阿塞拜疆油田被采用。到1936年,尾管式封隔器在阿塞拜疆研制成功,这种封隔器结构已经比较完善了,但是有效下入深度依然比较浅,只有300-650米,而且最大有效工作压差只有2.5MPa。由于部分油田是多油层非均质油田，在开发过程中不同层次间会相互干扰不能有效生产，所以在二十世纪三十年代末，美国人以及苏联人接连开始了相关的研究，主要是分层开采技术试验和其他一些分层工艺试验，例如分层注水，分层增产等。这些技术的发展自然而然的带动了各种封隔器的研制，以此来适应分层开采工艺技术的要求。美国贝克公司也较早涉足封隔器领域，在1942年，它的封隔器第一次被应用于双层完井作业。1951年，出现了双管封隔器，这种封隔器可以用于多管完井作业。近几十年以来,油气田的开发技术发展十分迅速,深井、超深井以及热采井在国内外大量出现。以往的封隔器已然不能满足新的开发需要和生产要求，新型耐高压、耐高温封隔器的开发应用已成趋势。永久封隔器的研制使得高温井、深井以及大斜度井能够有效开发，较最初封隔器2.5MPa的工作压差相比，它可以在高达137MPa的压力环境下正常工作，而且工作温度可以达到316。而供热采专用的热采封隔器的可适应温度更高，达到3602。金属密封封隔器的出现提高了通径尺寸，提高了密封效果3,4。这种封隔器的关键就在于密封件，密封件的性能优劣直接影响工作过程可靠性和安全性的高低。这种封隔器采用多种密封件，其中一种由易熔合金加工而成，在受热条件下，容易被熔化，熔化的金属液可以将套管与封隔器“焊接”，从而使环形空间密封。不久之后,又出现了一种金属密封封隔器,这种封隔器密封原理与前一种不同,其密封件不是易熔合金,而是超弹性合金。当入井管柱被锚定在预定位置后，封隔器上椎体部件在管柱的应力负荷作用下向超弹性密封件施压，使得密封件横向受力发生膨胀，这样就可将油套环空密封。此外,国外公司依照胶筒在井下遇到水或者油能够自主进行地层封隔的要求,开发了自膨胀封隔技术,进而研制了自膨胀封隔器，以适应在不同井筒条件和油气含量条件下的作业要求5。最初，该项技术功能单一，只用于完井作业，后来经过发展，又应用于防砂作业和封隔水层等。该项技术应用广泛，问世之后，在中东地区油田和欧洲北海油田被大量使用，目前成功约1200次。典型的就是在北海油田一口油层复杂的油井中，该系统被同时下入12个，成功将各个油层进行了隔离。在国内，自膨胀系统也开始被各个油田应用，比如塔里木油田、胜利油田，还有冀东油田等。近年来,人工智能技术日趋成熟,其在石油工业上的应用使得许多石油装备得到发展,其中就有智能井用封隔器6。这种封隔器是一种直通隔离封隔器，也称作贯通式封隔器。（感觉少主语）用于进行传输和控制的供电电缆以及直通系统能够从封隔器内穿过，将地下阀件和其水力控制系统连接。使用这种封隔器可以避免光缆在泵送时受到伤害，这样就可以提高光缆光学性能，从而减少故障的发生，提高工作效率。目前油气的开采不断向深部地层方面发展,高温高压,甚至酸性腐蚀等复杂的工作环境,使得封隔器需要具备更高的要求。因此封隔器的研制开发更受重视,高性能、强适应性的封隔器成为新的发展方向。1.2.2 封隔器的组成目前使用的封隔器种类千差万别,但是结构组成基本一致,主要由密封、锚定、坐封、锁紧、反洗、解封、扶正和防坐机构八大机构组成，而其中每一机构又包含许多零件。图1-1 Y211封隔器结构示意图（1）密封机构 密封机构是封隔器的关键,是密封环形空间以阻止流体通过的机构，通常在外力作用下发生动作。该机构主要由密封元件、防突部件、钢腕和隔环组成，其中密封元件是核心部件，也就是我们所说的胶筒，防突部件的作用是防止密封元件突出。压缩距和后坐距是密封元件的两个主要参数。压缩式封隔器在坐封过程中，密封元件会被轴向压缩，压缩的长度叫做压缩距；泄压后，密封元件发生回弹，回弹的长度叫做后坐距。这两个数据直接取决于密封元件的材料和尺寸，当然也会受到锁紧机构的影响。（2）扶正机构图1-2 扶正块扶正机构的作用就是将密封元件扶正，以使密封元件能够正常工作，同时也起到出卡的作用。其组成为弹簧、弹簧座和扶正弹簧罩，其功能的实现靠扶正块。扶正块和套管壁之间能产生较大的摩擦，这样在坐封过程中，能防止封隔器歪斜，顺利进入正常状态。扶正机构在斜井中使用尤为重要，由于坐封困难，基本上要使用单独的扶正器。（3）锚定机构图1-3 单卡瓦双锥体结构示意图封隔器在工作时需要固定以防止轴向移动，这一功能由锚定机构实现。该机构有卡瓦和锚爪组成，二者均安装于封隔器外表面。最初封隔器承压低、深度浅不携带卡瓦，随着油井深度增加和工作环境更加恶劣，卡瓦开始被使用。最初的卡瓦是由美国人发明的。目前卡瓦有单向卡瓦和双向卡瓦之分，有的封隔器只安装一个单向卡瓦，称作单向卡瓦封隔器，有的封隔器上下安装两个单向卡瓦或者安装一个双向卡瓦，称作双向卡瓦封隔器。在高压和深井环境中，通常使用正、反多级卡瓦，以加强锚定作用。图1-4 锚瓦结构示意图锚爪也称作水力锚，可以在封隔器上单独使用，但通常与卡瓦配合使用，尤其是在高压等复杂井下环境中。（4）坐封机构封隔器入井后，进入密封状态要靠坐封机构实现，该机构一般由上下接头、坐封活塞、中心管、滑环套等组成。具体来讲，该机构具备两个功能，一是通过推动椎体使卡瓦张开，固定于套管壁上，因此也称之为坐封坐卡机构。第二个功能是压缩密封元件，使之膨胀来进行密封。坐封机构的关键是坐封活塞，活塞的级数决定坐封压力。（5）防坐机构防坐机构也叫防易坐机构，顾名思义，是防止封隔器下放入井时提前发生坐封的机构。目前有多种防坐机构，作用相同，但是效果不一。在一些情况复杂的油井中，封隔器极易发生提前坐封，这样就需要使用有效的防坐机构，并且需要很好地控制下放速度。（6）锁紧机构图1-5 锁紧机构示意图坐封动作完成后，要由锁紧机构进行锁紧，使密封状态得到保持。该机构也是封隔器上一关键部件，直接影响封隔器的可取性。对于锁紧机构主要有以下几点要求：容易入锁、锁得牢固、容易解锁。（7）解封机构封隔器在取出之前需要由解封机构解封，也就是使封隔器由密封的工作状态转至自由状态。对于一般的封隔器，只要将油管上提，利用摩擦使得锁紧部分发生相对移动便可解锁，但是丢手封隔器则需要由专门的解封工具进行解封。解封机构的性能影响封隔器取出的难易程度。（8）反洗机构反洗机构是进行反循环洗井的机构，能够在井下压力差的作用下多次开合。反洗机构也需要密封，一般由金属密封和密封圈密封共同实现。由于反洗通道中易出现砂卡，该机构的反复开合功能极易受到影响。如若密封性受到影响，将致使封隔器损坏，因此该机构的可靠性非常重要。1.2.3 封隔器的类型（1）封隔器的分类不同的井下条件和工艺措施需要使用不同的封隔器，总体来讲，主要由以下分类：表1-1 封隔器分类分类依据种类按密封元件分压缩式、自封式、扩张式、组合式按使用目的分注汽封隔器（或热采封隔器）、堵水封隔器、防砂封隔器、多功能封隔器、注水封隔器、注聚（合物）封隔器、压裂酸化封隔器和桥塞封隔器按技术参数分高温封隔器、小直径封隔器、抗硫封隔器、过油管封隔器按取出特点分永久封隔器（或可钻封隔器）和可取式封隔器，可取式封隔器包括丢手封隔器按内通道多少分多管封隔器、双管封隔器和单管封隔器按使用部分分裸眼封隔器、套管外衬封隔器（管外封隔器）和套管封隔器（简称封隔器）按承压方向分双向承压封隔器和单向承压封隔器按坐封原理分机械式、金属封隔器、温控封隔器、电缆式封隔器、自膨胀封隔器（比如遇水膨胀、遇油膨胀封隔器）、水力式封隔器（或者液压式封隔器）、智能封隔器按解封方式分双解封封隔器和逐级解封封隔器按固定方式分悬挂式封隔器、尾管支撑式封隔器、卡瓦支撑式封隔器（2）封隔器型号编制根据我国石油天然气行业规定，封隔器编制形式如下：1）型号组成型号主要由以下部分组成：2）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，组合式用各式的分类号组合表示，见表1-2。表1-2分类代号分类名称自封式压缩式扩张式组合式代号ZYK用各式的分类代号组合表示3）固定方式代号固定方式代号用阿拉伯数字表示。见表1-3。表1-3 固定方式代号固定方式名称尾管支撑单向卡瓦悬挂双向卡瓦锚瓦代号123454）坐封方式代号坐封方式代号用阿拉伯数字表示，见表1-4表1-4 坐封方式代号坐封方式名称提放管住转动管住自封液压下工具热力代号1234565）解封方式代号解封方式代号用阿拉伯数字表示，见表1-5。表1-5 解封方式代号解封方式名称提放管住转动管住自封液压下工具热力代号1234566）钢体最大外径钢体最大外径用阿拉伯数字表示，单位为毫米(mm)。 7）工作温度工作温度用阿拉伯数字表示，单位为摄氏度()。8）工作压差工作压差用阿拉伯数字表示，单位为兆帕（MPa）。这种标准在使用时，可以在封隔器型号之前加上相应的油田名称，在后面加上特殊用途。比如：型号为Y211-114-120/25的封隔器，我们根据上述标准可知为压缩式封隔器，单向卡瓦支撑，坐封与解封方式都为提放管柱，钢体最大外径为114mm，工作温度为120，工作压力为25 MPa。1.3 封隔器的应用（1）封隔器基本用途封隔器应用广泛，参与油气开发的多个过程，它的使用，可以达到以下几个目的7,8,9：1）将目的层隔开，避免层间干涉，以达到分层技术需求，或者易于进行堵漏、各种修复作业；2) 保证地面能够单独、安全的对地层控制；3) 缓解气井液面提前上升；4) 隔离套管，避免其受井下液体和压力影响；5) 保存地层能量，避免浪费，提升油井产率和寿命；6) 实现机械采油方法。（2）封隔器选用依据封隔器种类很多，不同的风格器有不同特点和功能，选用不同的封隔器也会达到不一样的使用效果。在进行选用之前，要对井下状况进行准确的调查和分析，结合实际情况，对所要达到的目的和可行性进行预判，并考虑经济因素，以保证工作效果。下面简单列举了选用封隔器应该考虑的一些条件：1）封隔器的结构性能首先应该靠考虑的就是封隔器的结构性能，这是影响工作效果的决定性条件。封得严是对封隔器的最基本要求，其次还要有良好的使用寿命，这就要求坐封和解封机构简单、耐用。2）井下工具和地面设备的关系封隔器一般由地面进行控制完成各种动作，也就是说地面设备和封隔器进行的是协同作业。因此在选用封隔器时要考虑是否能与地面设备有可靠地配合，以确保井下施工能够顺利安全的完成。3）井下流体种类和性质井下流体的种类和性质会影响封隔器的寿命和使用效果。当井中存在腐蚀性流体时，要将封隔器材质考虑在内。4）封隔器的价格和使用成本封隔器的选用和其它油气装备一样，不能只考虑使用效果，在多种封隔器都能满足使用要求时，要尽可能的降低成本。1.4 工作原理（1）坐封 将封隔器送入井下，当其到达指定深度后，再将钢球放入井中，等到钢球落到封隔器的球座上，位于井口的油管开始加压，井下封隔器经油管接受压力，当达到一定压力值，坐封剪钉被剪断，此时坐封活塞向下移动，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，卡瓦被撑开，锁紧机构锁紧。压力继续增加，胶筒处剪钉被剪断，胶筒在活塞压力下向下移动，当胶筒被压缩到极限，油套管环形空间就会被密封，并且胶筒被弹簧片锁紧。压力卸载后，因为弹簧片和锁紧机构具有锁紧作用，卡瓦和胶筒状态不变。（2）解封 将管柱上提时，外中心管会跟随向上移动，当解封销钉被剪断，下椎体就会下移，致使卡瓦收回，胶筒收缩，形成解封，封隔器就可以被取出。当封隔器下面管柱被卡住时，需要加大上提管柱的力，将悬挂销钉剪断，封隔器可以被顺利取出，但是下椎体会留在井中。1.5设计内容1.5.1 毕业设计说明书要求（1）概 述；（2）Y211-114封隔器设计模型及运动学、动力学计算；（3）Y211-114封隔器的技术性能参数的确定；（4）Y211-114封隔器的结构设计，材料的选择；（5）Y211-114封隔器主要零部件的强度、刚度的计算；（6)）结论与建议。1.5.2 计算机绘图部分要求统一使用Auto CAD2010绘图软件，按机械制图国家标准规定绘图。（1）Y211-114封隔器总装配图1张，为图；（2）Y211-114封隔器使用状态图1张，均为图；（3）Y211-114封隔器主要零件图各1张，均为图；1.5.3 技术参数表1-6 技术参数工具型号Y211-114适用套管外径（mm）139.7适用套管壁厚(mm)7.729.17工具最大外径(mm)115.3工具长度(mm)1820最小通径(mm)48最大工作压差（Mpa）50耐温（）120推荐座封压力（KN）1002039第2章 封隔器结构设计第2章 封隔器的结构设计由于封隔器存在许多种类并且有不同的使用目的，那么它的结构也不尽相同。根据编制标准可知，Y211-114封隔器为压缩式封隔器，单向卡瓦支撑，坐封与解封方式都为提放管柱，钢体最大外径为114mm。尽管如此，在结构上还存在其它许多不确定因素，在设计过程中，可以参考以下原则10：（1） 尽量选择较大的通径；（2） 如果存在大直径零件，尽量减小其法向尺寸；（3） 在保证可靠性的前提下，要使零件简单化；（4） 安装方便。2.1 密封元件结构设计密封元件是封隔器的关键部件，它的结构参数以及机械性能决定着封隔器的使用可靠性。在实际使用过程中，密封元件非常容易发生密封失效，再就是由于密封元件残余变形过大致使起封困难等情况。这一系列的问题的出现主要原因是密封元件的结构、尺寸、形状不合理。自从封隔器出现之后，人们在密封元件上花费了大量精力来进行各个方面的实验和研究，尤其是对实现外部密封的胶筒的研究，故而可以看出密封元件的重要程度。2.1.1 胶筒的结构分析图2-1 压缩式密封元件从封隔器的型号来看，Y211-114封隔器采用压缩式密封元件。使得密封元件在受力时，避免或者降低胶筒上的应力集中现象，使应力最大程度的均匀分布，（不通顺哇）这是我们设计过程中应该着重要考虑的方面。在长时间的实际生产使用和实验过程中，人们在这方面已经积累了一些经验。容易产生应力集中的区域主要是胶筒的边缘，在这一区域，会明显出现残余变形，比较严重的会有裂痕产生。这一结论是阿塞拜疆的一家公司得出的，他们从油井中取出大量封隔器发现了这一现象。而这种现象是因为胶筒的端面形状不合适造成的。鉴于这一原因，研究人员做了大量实验，实验发现，当端面采用60内斜角时，会比较容易坐封，但是因为支撑环的存在，会在距加载端1/3长度的地方出现应力集中区，这样就会出现残余变形，破坏胶筒，从而难以解封。如若改用外斜角且角度控制在30到40，这时的胶筒会达到最佳效果，尽管应力集中依然存在，但是会大大减小。端面形状是胶筒结构设计最为重要的方面之一，其次就是侧面形状。目前通常会采用桶形胶筒，这种胶筒的寿命是普通圆形胶筒的两倍，因为其在受力时避免了应力集中现象，从而延长了使用寿命。桶形胶筒的形变过程由中间位置开始，两端发生强弹性变形，但是整个过程体积不会改变，并且自始至终是弹性变形。阿塞拜疆油田曾经做过一个实验，将桶形胶筒在井下使用两个月后取出，发现完好无损，而其它胶筒一个月后就会损坏。同时，有人对这种胶筒提出质疑，由于存在外截锥的端部，在坐封受压时，支撑环与胶筒之间的摩擦力使得密封元件在轴向上出现不均匀的径向形变。因此，在近端部位置密封比压值会减小，从而影响密封效果。图2-2 桶形胶筒改进图1-支撑环；2-防突钢环；3-套管；4-胶筒；5-中心管鉴于上述原因，我们要对胶筒端部在原有基础上进行改进，改进的方向就是想办法使端面轴向受力在径向的分量抵消摩擦力。方法是在胶筒端部添加一个环形凹槽如图2-2（c），其截面是圆锥形,支撑环上的凸起部分正好能够与凹槽匹配如图2-2(a)、(b)，锥形 =tan-11f (2-1)式中 f -支撑环与胶筒摩擦系数。密封元件的结构设计远不止这么简单，在最初能够达到密封要求的密封元件，在短时间使用后可能会失效，主要原因是出现了应力松弛因素。实际上，胶筒密封作用靠的是弹性形变产生足够的接触应力，这一应力持续的时间与使用寿命成正比。但是，随着时间延长胶筒会出现塑性变形，这自然会使接触应力下降，当达到一定程度，就会失效，这就是我们所讲的应力松弛，再加上井下高温环境，这一现象还会加剧。因此，这是胶筒设计中一个不得不考虑的方面。鉴于上述原因，人们就结构方面对胶筒进行了改进，目前主要存在两种方案，首先是一种油介质胶筒（图2-3）。这种胶筒结构还是比较简单的，主要由外层耐油胶皮和内部高弹性胶核两部分构成，胶皮比例约为45%，将校核牢牢包裹。这种胶筒可以在载荷较低情况下进行有效密封，而且残余变形非常小，因此应力松弛量也会大大降低（由原来5%降为0.2%）。这其中起主要作用的是内部的高弹性胶核，当外部胶皮发生塑性变形时，它可以进行有效补偿。图2-3 带有高弹性胶核的胶筒 图2-4 带有多球形胶壳的胶筒1-外层耐油胶皮；2-高弹性校核 1-胶壳；2-高弹性校核；3-弹性介质另一种胶筒较前一种结构稍微复杂一些（图2-4），但是原理是一样的。这种胶筒内部的胶核做成球形，并且包有胶壳，然后由弹性介质包裹。这种胶筒性能要比上一种好一些，原因就在于球形的胶核，当承受外部载荷时，球形结构可以将应力均匀分布，进而使整个胶筒应力分布较均匀，避免了应力集中。当应力去除之后，高弹性内核还会使胶筒恢复，这样就达到很好的密封效果，提高了使用寿命。以上两种方法是通过改进胶筒自身结构提高性能，此外，我们还可以添加其它部件强化胶筒性能11。目前有一种硫化钢碗端部结构（图2-5），这种结构安装在胶筒端部，目的是使胶筒具有更加可靠的密封与解封性能。然而经过使用会发现，加在端部的钢碗会在起封过程中拉脱，进图2-5 带硫化钢碗的长胶筒而带来更严重的麻烦。当然，这一问题也是可以解决的，方法还是得从结构方面入手。将原有的钢碗改成带有很多小孔的钢筒，橡胶可以进入空中，这样两部分的链接就变得牢固了。实验发现，改良后的硫化头抗拉强度提高2到3倍，如若在连接部分添加棉帘线或棉帘布，抗拉强度还会提高。在保证胶筒的可靠性的基础之上，我们首先选择成本低、加工制作简单的胶筒。为了提高其性能和寿命，我们可以选择带有高弹性胶核的胶筒或带有多球形胶壳的胶筒，如果对其性能有更高要求，我们可以在此基础上添加硫化钢碗。2.1.2 胶筒的耐压分析首先对胶筒进行受力分析，如图2-6所示。在工作状态下的胶筒处于受力平衡状态，方程为： Fm+Ft=p(R22-R12) （2-2）式中 Fm胶筒与套管间的摩擦力,N; Ft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。图2-6 胶筒受力分析将上式整理，得： （2-3）通过式2-3可知，胶筒的抗压能力与摩擦力Fm、抗剪切力Ft、外半径R1有关，摩擦力、抗剪切力和外半径增大，则抗压能力增加，反之则减小。2.1.3 胶筒的尺寸设计胶筒的主要尺寸结构参数为内径、外径和高度。假设胶筒压缩前后其体积不变，可得 R22-R12=(R32-R12)(-H) (2-4)式中 R1胶筒内半径； R2胶筒外半径；R3套管内半径；H胶筒自由高度； H 压缩距。 公式两端同时除H得 R22-R12=(R32-R12)(1-H/H) (2-5)胶筒的线性应变=H/H (2-6)将式（2-4）代入（2-3）可得 R22-R12=(R32-R12)(1-) （2-7）橡胶筒应变 0.3 一般取0.2512。在式（2-5）中，我们已知套管内半径R3（表1-5），胶筒外半径R2根据我们所设计型号可确定为114mm，内半径R1应由中心管确定，中心管最小外径就是R1，因此线应变可以算出，由式（2-4）可知=（H-H0）/H （2-8）胶筒的尺寸同样影响其稳定性，稳定性也是胶筒设计过程中一个重要条件，因为它决定着封隔器的寿命和效果。这里的尺寸主要有两个，胶筒直径和长度，直径决定胶筒与套管间缝隙大小。如若选取不合适，在使用过程中表层会出现波纹或者褶皱，达不到可靠密封要求甚至失效。从稳定性的要求出发确定胶筒高度时，出现了意见不一的情况，有人将变形过程表面积不变看做选择高度的条件，同时有人指出这一条件违背了弹性体稳定原则。但是实验数据给了我们一个合适的选择范围，当高度控制在130至180mm之间时，实验结果令人满意。而对于胶筒直径的确定，具体还要考虑套管类型，配合512in套管大体采用110-115mm直径；配合7in套管采用144-150mm。以上数据只是针对普通压缩式封隔器而言，有的封隔器还要考虑密封系数K。最终，我们确定胶筒的主要尺寸为：胶筒内半径：R1=74mm；胶筒外半径：R2=114mm；胶筒高度：H=67mm。2.2.4 组合式密封元件为了提高密封元件性能，一般会将其组合使用，主要可以分为普通组合和特种组合两种13。前一种比较常见，一般有两到三个简单胶筒进行组合，但是其中至少要有一个压缩式的，叫做限制胶筒。特种组合比较复杂，由许多结构不一样的元件组合而成。 （a）常规三胶筒 （b）压缩-自封胶筒（c）端部硫化压缩-自封胶筒图2-7 组合胶筒图2-7是几种比较有代表性的组合式胶筒，从图上看外观十分相似，结构大同小异，那到底哪一种性能更好一些?我们对以上三种胶筒分别做了实验以进行对比，实验结果见表2-1。表2-1 三种胶筒实验结果技术参数常规三胶筒组合结构压缩-自封结构端部硫化压缩-自封结构坐封压力/MPa151515胶筒外径/mm989898套管外径/mm124124124密封压差MPa153030密封稳压时间/min流失严重55解封情况良好胶筒脱落良好通过表2-1可以得出，当胶筒尺寸一定，常规三胶筒结构性能最差，密封压差和密封稳压时间都是最低的。压缩-自封结构性能较好，但是端部装有硫化环的胶筒可以提高解封性能，因此我们优先考虑使用端部硫化压缩-自封胶筒。2.2 卡瓦的结构设计图2-8 卡瓦结构卡瓦是锚定机构的重要部件，有单向卡瓦和双向卡瓦之分，在高压和深井环境中，通常使用正、反多级卡瓦，以加强锚定作用。卡瓦一般是瓣式结构，可将受力均匀传递到套管壁上，坐封时能够锁定胶筒、支撑封隔器。卡瓦的设计质量十分重要，能够直接影响到封隔器等井下工具的坐封可靠性以及安全性。卡瓦的工作原理十分简单，当卡瓦轴向张开后，卡瓦牙咬住套管壁。由此我们可以知道，卡瓦不能是一个整体，否则将无法张开，因此，我们将卡瓦做扇形设计，总共由6片组成，每片相同，为1/6圆周14，单片卡瓦结构如图2-8。在井内套管中，卡瓦牙固定封隔器，因此对于材料的硬度和韧度要求较高，我们选用40Cr。对该材料进行调质处理，这样其力学性能就会提高，即使在井下高温环境中依然会保持高的强度。经静力分析，在轴向力（坐封力）Wz作用下，作用在卡瓦牙面上的压紧力Qk及摩擦力Wk为： （2-9）式中 Wk摩擦力，N； Wz坐封力，N； n卡瓦片数。 （2-10）式中 Qk压紧力，N； 楔形角； 摩擦角。作用在卡瓦斜面上的压紧力Rk及摩擦力Fk为： （2-11） （2-12）由图可见，卡瓦类零件在弹性力学中属于楔形体，利用极坐标下的相容方程和平衡方程，采用应力函数法，可以分别求出在Wk、Qk、Rk、Fk单独作用下，楔形体内的应力分布；再根据弹性叠加原理，将下述4个外力单独作用下的应力值相加，即可得到卡瓦类零件的应力。根据卡瓦标准（SY 504984）设计卡瓦参数如下：卡瓦牙齿顶宽为0.2mm0.5mm牙长20mm，每片卡瓦有40个牙，一共6片。单片卡瓦受力面积：S1= 0.24020=160mm2卡瓦受力总面积：S2= 1606=960 mm2通过对相当应力进行分析和数值计算可以看出，要想降低卡瓦类零件的应力，可在设计和施工时采取下列措施：（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。2.3 坐封的行程计算在坐封过程中，行程等于上锥体与胶筒的行程之和，所以必须有一定的行程空间，以满足上锥体与胶筒的下移距离15。活塞的下移长度： L=S+H （2-13）式中 S胶筒压缩距；图2-9 上椎体下移示意图 H上锥体下移距离。（1）上锥体下移距离H已知卡瓦的锥角 为150 H=hcot150=5cot150=18.66 mm（2）胶筒压缩距SS=6070mm，取S=60mm。综上,L=S+H=60+18.66=78.66mm。2.4剪钉的设计计算剪钉材料选用35CrMo,它的许用应力=326.7MPa。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=10。由 （2-14）得 （2-15）式中 d剪钉直径p承受压力s作用面积n剪钉个数许用剪应力坐封剪钉联接的是油缸和活塞，只有把坐封剪钉剪断，活塞才能下行，进而压缩胶筒，此处均布8个剪钉，剪钉材料选用35CrMo,它的许用应力=326.7MPa。待压力达到11-13MPa时，胶筒压缩到最大值，坐封过程完毕。根据上述公式，当p=11MPa时,mm当p=13MPa时,mm取d=6mm。不同批次的销钉抗剪强度可能会有差异，这是受生产材料不均质或者加工条件不同的影响，因此，应该对每一批次的销钉进行试验以确定剪切力。第3章 封隔器材料的选择第3章 封隔器材料的选择材料的选择也是设计过程的一个重要组成部分，材料的合理与否往往关乎封隔器的可靠性和使用寿命。就井下封隔器而言，其材料选择通常考虑下面几个要求16：（1） 机械性能要求；（2） 防腐性能要求；（3） 加工性能及热处理性能要求；（4） 经济性能要求。3.1 密封元件材料的选择3.1.1 密封元件材料的演变密封元件的材料经历了十分漫长的发展历史，最初并不像现在一样采用橡胶，而是采用天然材料17。文章的开始我们提到的“种子袋”封隔器就是这样，人们将牛羊皮制成袋状，里面装上种子，因此得名种子袋。这种封隔器的主要特点就是遇水膨胀，但是效果不是十分理想。后来，橡胶成为密封元件的主要材料，使得封隔器有了一次好的发展，也使得胶筒成为密封元件的代名词。那时候的橡胶并不是现在这样复杂，只是单纯的天然橡胶，性能自然也十分有限。此后，人们对橡胶进行了许多研究和改进，其性能有了大幅提高，进而使封隔器也得到改良。随着高分子技术的发展和进步，密封元件又得到一次大的发展。到20世纪60年代，丙烯橡胶和氟碳橡胶已经问世并且应用于胶筒。1975年，全氟橡胶投入生产，这是一种更为先进的弹性材料，自然会引起封隔器设计者的关注，用它制作的胶筒直接被用于各种各样的极端条件下工作。用于制作密封元件的材料还有很多，随着生产的需要和材料技术的发展，新的材料还会不断出现。高压完井时的封隔器所使用胶筒的材料主要有三类：热固性塑料、热塑性塑料和合成橡胶。但是最主要的还是橡胶类材料，常用的有氟橡胶和氯橡胶等；热固性材料较常用的有酚醛树脂和环氧树脂等；热塑性材料较常用的有聚苯硫醚树脂和聚四氟乙烯等。表3-1列举了部分常用的密封材料。表3-1 油田常用弹性材料通用名称A.S.T.M代号英文化学名称中文化学名称商品名称（公司名称）Natural rubberNRNatural rubber天然橡胶NeopreaeCRChloroprene路丁二烯橡胶Neoprene (DU)(PT)NitrileNBRNitrile-butadiene丁腈橡胶Chemgum(GT)；Hyear(GC)；KRYNAC(P)Nyayrt(C)；Paracil(US)TRW9203TRW9203(TRW)EPRuberEPDMEthylenepropylenedieneterpolymer三聚乙烯丙烯橡胶EPcar(GC)；EPsyn(C)；Nordcl(UD)；Royaicne(US);Vistalon(E)VitonFKMFluoroelastomer氟碳橡胶Viton(DU)；Fluorel(MO)KalrezPTFERytonPerfluoroelastomerPolytetrafluoroethylenePlyphenylene sulfide resin全氟橡胶聚四氟乙烯聚丙撑硫树脂Kalrez(DU)；Teflon(DU)；Ryton(pp)部分粗略列举；公司缩写；ASTM标准即美国实验材料协会标准；不适用热油。在恶劣条件下，合成橡胶通常不会被单独使用，其达不到可靠的密封要求。其中的原因有许多，例如，井下的油气等液体或气体会使橡胶变质，高温环境同样会造成这样的后果，还有压差的存在，这些因素都会破坏橡胶。当然，只要将其它材料与其配合使用，这一系列问题即可得到解决。其实，绝大多数密封材料都要配合使用，一般是在原有的材料中填充其它材料，比如石棉、玻璃纤维等，这种方可以有效改善原材料的耐热性和抗挤强度。3.2.2 密封元件的常用材料（1）橡胶类1）丁腈橡胶（NBR）图3-1 丁腈橡胶分子结构图丁腈橡胶是一种混合物，在丁二烯和丙烯共聚的基础上添加了炭黑等原料，以此来提高柔韧性，这样就可以在存在大量油气的井下保持正常工作18。尽管这种橡胶不能用于特别恶劣的环境中，但是它的应用还是非常广泛，因为它具有许多优点。除刚刚提到的柔韧性外，还具有优良的抗油性，此外抗挤压性能也不错，使其能在高压环境中发挥作用。还有人做过这样的实验，将纳米金刚石加入到丁腈橡胶中，然后发现其力学性能得到了改善，扯断伸长率增大，拉伸强度增加。但同时也出现了一些缺陷，就是硬化现象变得明显，尤其是温度超过149时。就目前情况来看，这种橡胶在压缩式胶筒中占有较大比例。表3-2和3-3分别列出一种胶料配方和它的硫化条件及物理性能。 表3-2 胶料配方丁腈胶Chemigum N-300100.00份氧化锌5.00份硬脂酸1.00份高耐磨炉黑50.00份Cumar MH23/210.00份邻苯二甲酸二丁脂10.00份续表3-2硫磺1.50份ALTAX1.50份UNADS0.20份商品名称为苯并呋喃茚型合成树脂。古德里奇公司生产的商品的名名称。范德尔比洛特公司生产的一种商品的名称。表3-3 胶筒硫化条件和物理特征正硫化条件4h138伸长率（最小值）/%525450抗张强度（最小值）/MPa19.017.6抗撕强度（最小值）/MPa1.81.4硬度（邵氏A）70 52）氢化丁腈橡胶 （HNBR）丁腈橡胶经过加氢饱和处理之后就会得到氢化丁腈橡胶，其性能较丁腈橡胶有了大幅提高，是一种综合性能十分优异的弹性体19。在一般情况下，其抗张强度能够达到30MPa，如果有特殊要求，还可以升级到60MPa；在高温环境下，氢化丁腈橡胶可以保持良好的物理性能，可以有效应对H2S的侵蚀；耐油性能也十分令人满意，对于各种油性液体都表现出良好的反应；丁腈橡胶结构特殊，饱和度较高，所以耐热性能和耐化学腐蚀性能突出，这对于井下特殊环境十分有利；其实，丁腈橡胶最突出的性能还是在于良好的耐温性和抗拉性能，性能上的优势让它在橡胶领域不断推广，正在逐步取代氟橡胶。表3-4是上述两种橡胶的性能对比。表3-4 氢化丁腈橡胶与丁腈橡胶性能对比性能中胶筒端胶筒丁腈橡胶氢化丁腈橡胶丁腈橡胶氢化丁腈橡胶抗拉强度/MPa162711.626.7拉伸率/%300280175210硬度/邵尔A78789086续表 3-4永久变形/%2.5217.5183）氯醚橡胶该橡胶是一种聚醚橡胶，其侧基上带有氯，有两种类型：均聚型和共聚型。两种类型性能上稍有差异，二者除了都具有耐候、耐热和耐油性能外，共聚型氯醚橡胶还有还好的耐寒性能。与丁腈橡胶相比，氯醚橡胶具有很好的耐热性能，而均聚型和丁腈橡胶具有差不多的耐油耐寒性能，共聚型在和丁腈橡胶在对比过程中发现脆性温度要低很多，石油业因此越来越看重此种共聚型橡胶。近年来氯醚橡胶除了在扩张式压裂胶筒应用广泛外，还被用于制作输油管道密封件，长期使用后发现这种密封件防渗性能甚好。（2）塑料类塑料类密封材料应用不如橡胶类广，主要在内密封中使用。1） 聚四氟乙烯（PTFE）图3-2 聚四氟乙烯分子结构聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物，化学性能、高润滑不粘性、抗老化耐力、耐腐蚀性、电绝缘性都很好20。其能够使用的温度范围很大，从零下180到零上250都可以，除了少数化学品对它起作用外，其它的都不能使其产生变化，就连煮沸的王水也不例外。这种材料硬度偏中，在高压井大显身手。为了提高聚四氟乙烯的强度，人们开始对其添加填充物，通过添加玻璃纤维效果良好。2） 聚苯硫醚树脂（PPS）聚苯硫醚树脂比刚刚提到的聚四氟乙烯更硬，具有耐高温、电性能良好、高机械强度等许多特点。和聚四氟乙烯一样，人们也通过添加玻璃纤维提高它的强度