井下工具三维设计【过油管封隔器设计】【油田采油井井下工具】【说明书+CAD+SOLIDWORKS】
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目录毕业论文任务书开题报告指导教师审查意见评阅教师审查意见答辩会议记录中文摘要英文摘要1 前言12 选题背景13 方案论证2 3.1 设计平台简介2 3.2 井下工具概述34 压裂滑套的设计5 4.1 压裂滑套的分类5 4.2 投球式压裂滑套零件三维模型6 4.3 投球式压裂滑套三维装配模型9 4.4 结构与工作原理9 4.5 主要设计参数10 4.6 销钉受力校核11 4.7 设计说明125 水力锚设计12 5.1 水力锚分类13 5.2 水力锚命名方法13 5.3 扶正式水力锚的结构及工作原理15 5.4 设计主要技术参数16 5.5 主要零件三维模型16 5.6 扶正式水力锚装配体18 5.7 设计说明196 单流阀三维设计19 6.1 单流阀零部件三维模型19 6.2 单流阀三维装配体23 6.3 主要设计参数23 6.4 单流阀的工作原理247 封隔器的设计24 7.1 油田用封隔器的通用技术条件27 7.2 结构及性能特点28 7.3 封隔器主要零部件三维模型29 7.4 K341-115型封隔器总装配图33 7.5 胶筒总成的设计34 7.6 K341 型封隔器工作原理36 7.7 技术要求 37 7.8 注意事项 378 管螺纹设计38 8.1 1:16圆锥管螺纹设计标准38 8.2 管螺纹设计标准39 8.3 圆锥管螺纹/管螺纹连接设计419 密封结构的设计42参考文献 44致谢 46 9 密封结构的设计1 前言我国油田在经过多年开采之后，现如今大多数都进入了较高含水期。出现了含水量高，剩余油高度分散，挖潜等开采难度高的问题。这些问题对采油工艺提出了更高的要求，也对井下工具的设计提出了更高的要求。三维软件的开发,发展与完善为提高井下工具设计的效率和质量提供了一条切实可行的途径。Solidworks软件是世界上第一款基于windows系统开发的三维CAD系统，它采用基于特征的实体建模，具有完整的零件造型，装配，二维图生成，智能装配，干涉检查，运动仿真，有限元分析等一系列功能，可实现有关参数的优化设计，其创新的技术符合CAD技术发展的趋势，应用范围十分广泛。在井下工具的设计中应用solidworks三维软件进行辅助设计可以大大的使设计过程简单化，精确化。本课题主要根据井下工具的工作要求出发，结合Solidworks相关技术进行井下工具的设计，并应用三维建模技术对常用井下工具进行三维建模和结构优化。实现通过三维建模技术的应用，提高井下工具设计的效率以及可靠性。2 选题背景井下工具是指除钻头、钻柱、井下动力钻具以外的所有下井工具，包括稳定 器、减震器、震击器、扩大器等下井工具。它是油田企业钻完修井作业顺利进行重要保证之一,是油田生产作业、增产措施不可缺少的元素。井下工具可实现对不同油水气层封隔、管柱开关、丢手以及打捞等作业，是满足注水、堵水、酸化压裂、采油气各种工艺要求的必要工具。生产作业环境复杂多变，井下工具的使用状况也处于不断变化之中，钻完修井作业的有效实施依赖于井下工具处于良好的工作状态。井下工具例如封隔器,封隔器是在井筒中把不同的油层、水层分隔开并承受一定压差的井下工具。其满足采油工艺要求。既能下到井筒预定位置，封隔严，又能在井下具有耐久性,需要时可顺利起出。可见井下工具设计的好坏,直接关系的油企的生产.但是井下工具由于工作条件限制,要求较高,原始的设计方法已不能满足现今快捷,高效,节能经济性等一系列要求,随着计算机技术的发展,特别是三维软件的开发利用 ,给改进原始设计方法提出来新的可行方案.目前,在设计中应用三维软件进行辅助设计以及模拟分析已成为未来设计的主流趋势.三维仿真设计以及分析可以通过建模方式对工具的工作环境以及工况进行仿真模拟具有设计周期短,成本低廉,可修改性好等一系列优点,因而具有不了估量的前景,对井下工具进行三维设计具有重大意义。3 方案论证3.1 设计平台简介SolidWorks充分利用Windows的优秀界面，为设计人员提供了直观、方便、快捷的工作界面。其参数化设计确保了零件模型、装配模型、2D工程图和材料清单之间的全程关联，为评价不同的设计方案、减少设计错误和提高设计质量提供了强有力的途径。3.1.1 Solidworks三维建模Solidworks软件的建模模块有拉伸、拉伸切除、扫描等多个建模控件，不仅可以对简单的实体特征进行创建，更可以完成一些复杂曲面零件的三维建模任务。在三维建模过程中，尺寸参数用来控制零件的几何属性，通过参数化过程对结构的形状等进行定型。在设计中，往往需要一组参数来确定设计对象的具体设计特征。设计参数往往与设计对象的控制尺寸有着明显的对应关系。在井下工具的三维设计中可以充分应用Solidworks的参数化模块来提高设计的准确性和可靠性。在应用参数化之前，首先要对零件进行仔细的分析，从而形成一套整体的零件建模思路，明确设计中所需要创建的各种特征以及他们的内在联系以及各自的特点，明确需要用到的驱动参数，然后应用参数化来生成所需要的模型。3.1.2 Solidworks零件的装配装配设计在零件设计中是十分重要的，设计的各个零件只要正确的装配起来，才能检验设计的有效性，才能发挥零件所起的作用。在Solidworks软件中，可以通过几何尺寸的配合，将各个零件有序的组装到一起，整个装配过程简单明了，符合设计者的一般思维，和实际装配过程十分相似。只要通过很少的步骤就可以完成各个零件之间的配合关系，完成装配。3.1.3 Solidworks中模拟仿真Solidworks可以实现装配体的工作仿真。在仿真中，可通过定义各活动部件的运动条件来模拟整个机构的机械运动。在模拟运动中可以进一步分析各结构的优缺点，发现设计中的薄弱环节和干涉部件，产生分析数据，为结构优化提供参考。Solidworks软件的这些优势决定了通过利用三维软件对井下工具进行三维设计，以提高设计的效率和质量是可行的。3.2 井下工具概述油（气）田完井生产管柱中常用井下工具包括封隔器（Packer）、井下安全阀（SSSV）、滑套（Sliding）、工作筒（Nipple）、偏心工作筒（Side Pocket Mandrel）、伸缩节（Extension Joint）、流动短节（Flow Couping）、加厚管（Blast Joint）等。3.2.1 井下工具设计原则1) 可靠性 试验装置的设计、建造必须以安全、可靠为第一原则,严格按照国家相关法律法规、相关标准设计、建造。2) 可维护性 遵循可靠实用,方便装卸、方便维修的设计原则。3) 最大灵活性 尽可能采用灵活多变的设备组合方式,方便以后进行各种试验工艺及设备改造,以满足各种新型钻采工具的试验要求。4) 简便实用 尽可能采用成熟的结构形式,以简单实用为好。测量精度按工程要求配置,追求实用。3.2.2 井下工具分类1) 钻井类井下工具 井下动力钻具类、随钻类、打捞类、安全类工具等。其中的打捞工具是钻井、试油及修井作业过程中打捞和回收井内被卡、折断或脱扣的金属物的主要工具。落鱼一般分为管状体、块状体和绳状体，包括钻挺、钻杆、套管、油管、钻头以及金属环、片、钳牙和电缆等。因此需要根据井身结构和落鱼的具体情况，选择应用各种不同的打捞工具实施井下落鱼的解卡和打捞作业。近年来，随着工艺技术的不断进步，国外在打捞工具的研制方面取得了长足的进步。除了不断改进和优化打捞工具的结构与材料等之外，还开发与完善了组合打捞工具，并将连续油管作业设施应用于打捞作业。此外，国外厂商还将高科技应用于打捞工具的研究中，开发了井下视频电视测卡仪和井下打捞专家系统等。2) 试油类井下工具 封隔类、分配类、打捞类、井下泵类工具等。3) 修井类井下工具 井下动力类、修补类工具等。4) 完井类井下工具 套管鞋、尾管完井类以及分级注水泥等井下工具。5) 钻头类井底工具 新型钻头、旋冲钻头类工具。6) 侧开窗类井下工具 套管侧开窗、侧钻、径向钻井类工具等。7) 管柱类材料试验 连续管、膨胀管等材料。连续油管技术在各种井下作业中的应用日趋成熟，而国内对于该项技术的应用仅局限在一些相对简单的井下作业，并没有充分发挥其优势。国内引进和利用连续油管作业技术始于 70年代，据不完全统计，国内先后共引进连续油管作业机 29台，各油田仅有 1-3 台作业设备，累计施工井次达 3000 多口，其应用仅局限于常规井下作业。按受力方式分类:1) 井口施加扭转载荷、井底承受扭转载荷,可同时承受循环泵压。例如:井下动力钻具等。2) 井口施加拉压载荷、井底承受拉压载荷,可同时承受循环泵压。例如:随钻类、安全类工具。3) 井口施加载荷、井底承受冲击载荷,可同时承受循环泵压。例如:新型钻头、冲击类工具。4) 井口施加载荷、井壁承受载荷,同时承受循环泵压。例如:封隔类、修补类工具。5) 井口施加拉、压、扭等综合载荷,井底承受这些载荷,可同时承受循环泵压。6) 静压试验。3.2.3 石油井下工具未来的发展趋势随着石油井下作业技术的日益成熟，对井下作业工具的要求也越来越高，目前世界上石油井下工作的工具的发展趋势主要是重点说明地层隔离阀、井下工作阀、跨式酸压施工工具在射孔、完井、欠平衡钻井及多分支井中发挥的作用。4 压裂滑套的设计自20 世纪60 年代后，压裂技术广泛地应用于我国油气田的增产作业中。压裂的目的主要是改善油层的物理结构，人为地改善油层的渗透能力，使得油井获得增产效果。压裂技术的实质是利用高压泵组将具有一定粘度的液体高速注入地层。当泵的注入速度大于地层的吸收速度时，地层就会产生破裂或使原来的微小缝隙扩大张开，形成较大的裂缝。随着液体的不断注入，已形成的裂缝不断向内延伸。为防止停泵后，裂缝在上部岩层的重力下重新闭合，要在所注入的液体中加入支撑剂以支撑缝隙面，避免其重新闭合。因此，压裂作业相关配套设备得以广泛应用，而压裂滑套就是压裂过程中广泛应用的工具之一。压裂滑套，属油气井压裂作业井下工具领域，是压裂系统组成的重要一环。多层压裂完井系统主要分四部分组成：顶部悬挂封隔器、裸眼封隔器、压裂滑套、投球滑套。1) S-3 顶部悬挂封隔器(S-3 Top Packer)： 顶部悬挂封隔器是带有回接筒的水力座封生产封隔器，设计能够悬挂重达90.8t的尾管。2) 裸眼封隔器(Open-Hole Packer)： 采用机械座封封隔器，该封隔器带有自膨胀金属环，能够防止胶皮损坏。座封时芯轴不动，外筒挤压胶皮使其膨胀3) 投球打开滑套（Ball Sleeve）： 投球打开滑套内设置有不同内径的球座，压裂时通过投入不同尺寸的球，打压剪切销钉后开启，从而实现了多层的连续压裂施工。球座和球是由特殊铸铁材料制成，可以下入专门工具快速磨铣，磨铣后的可使井筒保持全通径。为将来修井提供便利。4) 压力打开滑套（P-Sleeves）：通过内筒截面积差产生的压差启动，一般安装在管柱尾部。4.1 压裂滑套的分类压裂滑套分为:：投球式压裂滑套（如下图4.11）和压差式压裂滑套（如下图4.12）。图4.11：投球式压裂滑套投球式压裂滑套由上接头、下接头、滑套、活塞、球座构成。滑套两端的端口内通过紧固销钉分别安装有上接头和下接头，上接头和下接头之间的滑套内部设置有活塞，滑套与活塞之间通过剪切销钉连接固定，活塞一端的端口内设置有球座，滑套一端的表面圆周上间隔设置有多个压裂侧孔。该滑套结构简单、操作方便、能实现不同井段的分段作业，提高压裂增产后的采收效率。图4.12：压差式压裂滑套差压式压裂滑套主要由上接头、下接头、连接管、差压套，销钉，密封圈等零件组成。压差式压裂滑套开始处于关闭状态，当压力增加到35MPa（可根据需要调节）时，压裂滑套通道打开，当压裂滑套被打开，活塞产生滑移并被锁死以后，会形成一个油层与压裂滑套内腔之间的通道。本课题以投球式压裂滑套为例进行压裂滑套的三维设计。4.2 投球式压裂滑套零件三维模型零件1:上接头零件1：上接头上接头一端为圆锥管螺纹，锥度为1：16，采用标准圆锥管螺纹尺寸；上接头开有12个压裂侧孔，孔的尺寸根据所需压裂射流孔面积均匀分配确定。零件2:下接头零件2：下接头下接头一端为圆锥管螺纹，锥度为1：16，采用标准圆锥管螺纹尺寸。零件3:连接套零件3：连接套零件4:活塞零件4 ：活塞活塞上，两端都开有装配剪切销钉的槽，以分别与滑套和上接头上的剪切销钉形成精确装配关系，故这里对尺寸精度要求比较高。零件5:球座零件5：球座球座内的小段圆弧与压裂投球的曲率相同，以保证球座与投球能够研磨接触。零件6:卡环零件6：卡环零件7:压裂投球零件7：压裂球零件8:C型卡环零件8：C型卡环C型卡环与球面接触的面为曲面，曲率有压裂投球球面曲率确定，以保证与球面紧密接触达到密封的目的。4.3 投球式压裂滑套三维装配模型投球式压裂滑套装配体压裂滑套剖切图4.4 结构与工作原理4.4.1 结构原理.压裂滑套主要由上接头（1）、下接头（2）、连接套（3）、活塞（4）、球座（5）、卡环（6）、C型密封卡环（8）构成。投球式压裂滑套装配说明：1) 连接套（3）两端的端口内通过螺纹分别连接有上接头（1）和下接头（2）；2) 上接头（1）和下接头（2）与连接滑套（3）之间分别设置有密封圈密封；3) 上接头（1）内部装配活塞（4）、球座（5）、卡环（6）、C型密封卡环（8）；连接套（3）与活塞（4）之间通过剪切销钉连接固定；4) 剪切销钉一侧的活塞（4）上设置有密封圈，活塞（4）一端的端口内与球座（5）和卡环（6）配合装配，球座（5）与活塞（4）之间设置有密封圈；5) 卡环（6）一端装有两块C型卡环（8）；6) 上接头（1）的表面圆周上间隔设置有6个压裂侧孔。4.4.2 工作原理： 压裂作业前期，先泵液后投球；投球后，球通过通径最终卡位在球座的球面处，形成初步密封；使球座内液压升高推动球座剪切销钉，当压力达到一定值后，销钉剪断，球座移动，在球座与卡环的作用下C型密封卡环被挤压对球座和投球进行进一步密封致使球体能很好的密封通径，使得短时间液压继续上升。当压力恰能剪断活塞和连接套间的销钉时，继续推动活塞，露出滑套的压裂孔，最终压裂液经上连接套上的压裂孔射出连通套管开始挤压作业。4.5 主要设计参数适用套管尺寸：139.7mm；最大钢体直径：115mm；投球直径：50mm；装配长度：1100mm；工作压差：10000Psi（约7MPa）最高适用温度：300C；4.6 销钉受力校核压裂滑套中剪切销钉的材料选择：剪钉材料选用35CrMo,它的许用应力=326.7MPa；压裂滑套中共有两组剪切销钉，销钉的设计尺寸为：3mm，每组销钉为12枚，两组选材分布均相同，故只需要校核其中一组即可。剪切销钉的校核计算：剪切销钉联接的是上连接扣和活塞，只有把坐封剪钉剪断，活塞才能下行，进而使压裂槽开启，此处均布12个剪钉。压裂滑套的使用压力约为p=7MPa。剪切销钉不被剪断的条件是 ，而所要求的剪切销钉要被剪断，故按时计算，取临界值=。由 得 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p=7MPa代入上式：mm由上剪切销钉直径d3.9mm即可被剪断，因此选择销钉直径d=3mm满足设计要求。4.7 设计说明（1）压裂滑套外部材料可选择42CrMo，35CrMo或45钢级别；（2）球座下部增加了卡环，使高密度球受压面增大，能够承受更高的压力；（3）通流内孔进行高频淬火，以提高耐冲蚀能力，防止高排量、高砂比下的冲蚀作用。（4）投球密度为1.86G，投球直径50mm。5 水力锚设计水力锚是一种油田生产井压裂酸化时用来固定管柱的井下工具，主要用于注水、酸化、压裂、试油等管柱的锚定，防止管柱窜动和位移。水力锚具有加工方便，精度高，锚爪工作灵活可靠，高压高砂环境下适应性好的特点，可避免现场施工中管柱易卡的问题。图5.1:水力锚实物图图5.2：挡板式水力锚5.1 水力锚分类目前，常见水力锚从锚爪限位方式上可以分为：挡板式水力锚（如图5.2）、扶正式水力锚（如图5.31）、板簧式水力锚。按材料分可分为金属水力锚和非金属水力锚。5.1.1 金属水力锚：水力锚锚体采用42CrMo，锚爪采用20CrMnTi表面渗碳淬火，使水力锚强度较高，与套管锚定可靠。锚爪复位弹簧采用高强度不锈钢弹簧，可在井下长期工作，不会出现因复位弹簧失效或锚爪与锚体配合面锈死导致锚爪不回位而产生的封隔器管柱无法回收等情况。5.1.2 非金属水力锚：非金属水力锚通常与液压封隔器等配合使用，当正打压时非金属锚爪伸出，与套管接触，产生较强大的摩擦力，将管柱锚定。锚爪采用耐油、耐酸碱的氢化丁氰橡胶硫化而成，工作时不损坏套管内壁。本课题以扶正式水力锚为例，进行水力锚三维设计。5.2 水力锚命名方法按SY/T6327-2005的规定，水力锚型号编制表示方法如下：水力锚名称代号用SLM表示；使用技术参数用“钢体最大外径（mm）X钢体最小外径（mm）-工作压差（MP）”表示；结构特征代号用分类名称的两个关键汉字的第一个汉语拼音大写字母表示，方法应符合下表 5.21的规定。表5.21 结构表征代号分类名称扶正式挡板式板簧式结构特征代号FZDBBH设计要求标准参考：表5.22 工作压差单位：MP工作压差355070100120表5.23 工作温度单位：摄氏度工作温度507090120150180200250300370表5.24 钢体最大外径单位：mm最大外径809095100105110115120135140144148152165185210215表5.25 钢体最小内径单位：mm最小内径253035404648505558606270768292100表5.26 锚孔直径单位：mm锚孔直径3035404550556065707580水力锚性能指标：水力锚的相关参数首先应符合上表所给数据，在所选用压差和温度下文雅五分钟，反复十次，无渗漏为合格；水力锚在卸压后一分钟内应回复原状，锚爪牙齿不允许高出锚体；水力锚锚定力应大于1.6倍额定锚定力，在锚定力作用下水力锚不允许移动，即：F1.6 F1F1=0.001*A1*P1式中：F 锚定力 单位为千牛（KN）F1 额定锚定力 单位为千牛（KN）A1 套管内径截面积 单位为平方毫米P1 工作压差 单位为兆帕（MPa）5.3 扶正式水力锚的结构及工作原理5.3.1 水力锚结构水力锚主要由锚体、锚爪、压板、弹簧、密封圈、螺钉等组成。图一是扶正式水力锚结构图。图5.31：扶正式水力锚5.3.2 扶正式水力锚工作原理：使用时将水力锚下放到工作位置，从油管内加液压，锚爪受压使弹簧压缩向外伸出并与套管咬合，实现锚定动作。在油管内液体压力消失后，水力锚锚爪在弹簧的作用下收回，实现解卡动作。5.4 设计主要技术参数1、最大钢体外径： 115mm2、工作温度： 120C3、工作压力： 50MPa4、启动压差： 0.61.0MPa5、最小通径： 55mm6、连接扣型： 公扣2 7/8UPTBG,母扣2 7/8UPTBG5.5 主要零件三维模型零件1:锚体零件1：锚体锚体最大钢体外径110mm，最小钢体外径55mm，上面开有6个锚爪孔，每个锚爪孔直径50mm，两端面分别为圆锥管螺纹连接，圆锥管螺纹的锥度为1：16。零件2:上限位套零件2：上限位套零件3 : 扶正块零件3 ：扶正块扶正块安装在锚体上，两端用限位套装配，因此两端应为圆柱面，要保证扶正块与锚体和限位套的正确装配必须分别使上下装配面的曲率与限位套和锚体的装配面相同，或者说要保证装配面的同轴度。此外，因工作条件需要，扶正块的外表面应采用直径为115mm的圆柱面。零件4:锚爪零件4：锚爪锚爪上面要安装密封环，故开有密封环槽，可查阅相关标准取为标准值。锚爪的最大外径为50mm，内腔直径30mm，内有凸台，凸台的作用是定位弹簧。根据水力锚的技术要求，水力锚安装后不得高出于锚体，故定锚爪的高度为30mm，锚爪锚定工作面有牙齿，以增强锚定效果，锚定齿顶应形成圆柱面，增强锚爪的有效锚定齿数。零件5：密封环密封环为标准件，查阅标准GB/T3452.12005，取密封环内径D1=28mm，密封环的直径d2=2.65mm。零件6 :弹簧零件6：弹簧零件7:下限位套零件7：下限位块下限位块的基本要求与上限位块相同。5.6 扶正式水力锚装配体扶正式水力锚装配体5.7 设计说明:1) 上下连接螺纹应采用油管螺纹；2) 水力锚压差不大于2.5 MPa；3) 螺纹端部应戴护丝；4) 制造材料采用4140、9Cr1Mo、13Cr和718Cr镍铁合金等，以满足各种不同的使用条件，一般要求抗压、抗拉强度与N80油管一致，如果要求更高的强度，可专门提出要求。6 单流阀三维设计图1：挡板式单流阀单流阀种类繁多，结构各异，广泛应用在各个行业的生产过程中,在石油行业。本课题针对5寸半套管所适用的单流阀进行三维设计，选择单流阀如上图。此单流阀最大外径为115mm，通径为60mm。主要由上连接扣、下连接扣、阀体腔、阀板、卡簧、销轴、挡环、套筒、密封环组成。6.1 单流阀零部件三维模型下连接扣零件图零件1:下连接扣零件1：下连接扣下连接扣一端为圆锥管螺纹以方便与其它工具连接，圆锥管螺纹的锥度为：1：16，另一端为普通管螺纹与上连接扣连接，在下连接扣上开有密封槽，安装密封圈，以实现与上连接扣之间的密封。零件2:上连接扣零件2：上连接扣上连接扣一端为1：16的圆锥管螺纹，另一端为普通管螺纹，与下连接扣连接。上、下连接扣装配后形成一个密封的阀体腔，其他零件如挡圈，翻板等装配在上连接口内部，由下连接扣进行轴向定位。零件3:阀体腔零件3：阀体腔阀体壁厚1mm，上面有销座（如下图），以安装销轴和翻板。零件4:阀板零件4：阀板阀板直径为60mm，保证有效阀体（即直径为60mm的部分）厚度为2mm，为使阀体可以正常开闭，在有效阀体上加厚1mm，并倒斜角1*1mm，使阀体在关闭时可以克服流体的冲力顺利实现关闭。阀板再打开状态下为平放，为保证有效厚度的同时阀板可以正常开闭，阀板下表面分为三个台阶面，第一阶面为圆柱面，圆柱面半径为39mm，厚度为4mm；第二阶面为平面；第三台阶面为圆柱面厚度为1.5mm。由以上数据进行干涉性分析,结果见下图。由下图可见阀板和套筒设计尺寸满足工作要求,即,在工作时阀板可以无干涉的放至最低位置以达到设计通流量的要求。阀板干涉性分析结果零件5:板簧零件5：板簧板簧厚度为1mm，下板簧为圆柱面以和阀壁配合；上板簧要保证能够顺利关闭阀板。零件7:挡环零件7：挡环挡环上开有密封槽，安装密封环以与上连接扣密封，密封槽采用标准尺寸。此单流阀内有两个阀体，以保证阀关闭时断流的可靠性。阀体由阀体腔（3）、销轴，阀板（4）、板簧（5）、挡环（7）、套筒（8）装配而成。如下：阀体装配体6.2 单流阀三维装配体单流阀三维装配体6.3 主要设计参数1) 最大钢体直径：114mm；2) 流体通径：60mm；3) 阀体外径：78mm；4) 阀体总长：110mm；5) 密封环内径：36mm；6.4 单流阀的工作原理此单流阀采用翻板式结构。工作前，阀处于关闭状态，阀板（4）翻起，塞住挡环（7）通径，板簧（5）处于自然放松状态。工作时，阀内通道通入流体，在流体的冲击力下，阀板（4）倾倒下压板簧（5），当流体流速达到一定值之后，板簧（5）弹力最大与冲击力平衡，阀板（5）处于最低位置，则阀内流体通径达到最大值，。当要关闭单流阀时，通过调节流体流速，使冲击力下降，阀板（4）在板簧（5）的弹力下弹起，回到初始位子。当流体逆流时，流体冲击阀板（4）背面，由于阀板初始状态为关闭状态，则流体无法通流，即只能单向通流。由此达到单流阀的单向通流目的。7 封隔器的设计封隔器是油田采油工具中重要井下工具之一，它位于套管和油管之间。油井封隔器应用于采油作业。1） 封隔器的分类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。支撑式封隔器: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；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。按封隔器封隔件的工作原理分类，又可分为 (1)自封式：靠封隔器外径与套管内径的过盈配合和压差来实现密封的封隔器。 （2）压缩式：靠轴向压缩封隔件使其直径变大来实现密封的封隔器。 （3）楔入式：靠楔入件使封隔件直径变大来实现密封的封隔器。 （4）扩张式：一定压力的液体作用于封隔件内使封隔件直径变大来实现密封的封隔器。其中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。2） 封隔器的命名我国封隔器分类及型号按封隔器分类代号、封隔器支撑、坐封、解封方式代号及封隔器最大刚体外径五个参数依次排列，进行型号编制，如下图：（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，其方法应符合下表(表7.1)的规定：表7.1 分类代号表分类名称自封式压缩式楔入式扩张式分类代号ZYXK（2）支撑方式代号：用阿拉伯数字表示，方式如下表(表7.2)：表7.2 支撑方式代号支撑方式名称尾管单项卡瓦无支撑双向卡瓦锚定代号12345（3）坐封方式代号：用阿拉伯数字表示，方式应符合下表(表7.3)：表7.3 坐封方式代号坐封方式名称提放管柱转管柱自封液压下工具代号12345 （4）解封方式代号：用阿拉伯数字表示，方式应符合下表(表7.4)：表7.4 解封方式代号解封方式名称提放管柱转管柱钻铣液压下工具代号12345（5）刚体最大外径：用阿拉伯数字表示，单位为mm.应用上述标准时，可将油田名称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： Y411-135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K341-140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。7.1 油田用封隔器的通用技术条件7.1.1 名词及术语（1）封隔件直接起封隔井内工作管柱与井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，使封隔件始终处于工作状态。（3）解封按给定的方法和载荷，解除隔件的工作状态。（4）稳压在不补充压力和不改变工作条件的情况下，将已建立起的流体压力，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次数。7.1.2 封隔器的基本参数（1）工作压力工作压力数值应从表7.2.31中所给出的数值系列中选取。表7.1.21 工作压力单位/MPa。压力0.71.01.52.02.53.55.07.010.0（2）工作温度工作温度数值应从表7.2.32中给出的数值系列中选取。表7.1.22 工作温度单位/温度55708090120150180300 370（3）刚体最大外径刚体最大外径数值优先从表7.1.23 中所给出的数值系列中选取。表7.1.23 钢体最大外径单位/mm最大外径9095100105115120135140144148152165185（4）刚体内通径刚体内通径数值优先从表7.1.24给出的系列中选取。表7.1.24 钢体通径单位/mm刚体内通径384046505562768595100105 设计技术参数：1) 适用套管内径：139.7mm2) 刚体最大外径：115mm3) 刚体最小通径：50mm4) 坐封压力：1113MPa5) 丢手压力：1719MPa6) 工作压差：15MPa7) 悬挂能力：250kN8) 解封力：6080kN 9) 工作温度：120 7.2 结构及性能特点本课题以K341-115型封隔器（如下图）为例进行封隔器的三维设计。K341-115型封隔器可用于油田注水，压裂等作业，其主要特点是：1、易于座封和解封，且具有优异的耐疲劳性能；2、耐高温，耐热温度可根据井况技术要求在100120内调整；3、耐高压，工作压力可达25MPa；4、作业施工方便，操作简单，与其他类型工具相比，可节省作业费用和工时，经济效益好。图：K341-115型封隔器该种封隔器由坐封部分、密封部分、锁紧部分、解封部分组成。坐封部分由防脱销钉、连接套、销钉、阀座组成，其主要作用是为封隔器提供坐封载荷。工作时采用液压坐封，从井口加压，以实现封隔器坐封。密封部分由密封凡尔、密封件、胶筒总成、密封圈、胶筒接头组成，主要作用是对密封器进行密封。锁紧部分由弹簧、卡块、卡环、挡环、组成，主要作用是防止封隔件回弹，保证封隔器的长期稳定性。解封部分作用是对封隔器进行解封，解封时通过带压上提管柱进行解封。7.3 封隔器主要零部件三维模型零件1:上接头零件1：上接头上接头一端为锥度是1：16的圆锥管螺纹，一端为管螺纹连接。零件4:连接套零件4：连接套零件7:阀座零件7:阀座阀座采用标准:JB/T 5211-2008零件8:密封凡尔零件8:密封凡尔零件10:弹簧零件10:弹簧零件14:锁套零件14 :锁套零件17:胶筒上接头零件17:胶筒上接头零件18:胶筒总成零件18:胶筒总成零件20:胶筒下接头零件20:胶筒下接头零件22:挡环零件22:挡环零件23:下接头零件23:下接头7.4 K341-115型封隔器总装配图:K341-115型封隔器总装配图剖视图:7.5 胶筒总成的设计压缩式胶筒（以下简称胶筒）是K341-115型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。7.5.1 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34.5MPa，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。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7.5.11 氟橡胶在不同温度下的性能变化性能温度（）24150260抗张强度（MPa）17.23.52.1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：a) 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；b) 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；c) 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7.8.12。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7.8.12 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）162711.626.7伸长率（%）300280175210硬度（邵尔A）78789086永久变形（%）2.5217.518 封隔器胶筒受力分析综上所述，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，则优先选用氢化丁腈橡胶。7.5.2 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，如右图所示。在工作状态下，胶筒受力平衡方程为：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。由上式整理得， 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。7.6 K341 型封隔器工作原理图7.91 K341封隔器结构示意图k341型封隔器为扩张式、无支撑、液压坐封、提管柱解封。K341型封隔器为液压坐封封隔器，坐封时管柱要求密封承压，需要与球座、滑套等配合使用。坐封时， 封隔器下入井内设计位置后，从油管内打压，液体从中心管小孔(导压孔)进入胶筒内囊腔，靠液压撑开和膨胀胶筒，使其外表面紧贴井筒内壁，从而密封油套环形空间，停止打压后，胶筒内置单流阀保持封隔器坐封状态。 解封时，上提管柱(芯轴),剪断解封销钉，中心管与胶筒发生相对位移，浮动接头失去密封开始泄压，胶筒收缩恢复原状，封隔器内外压力平衡即解封。 7.7 技术要求1. 封隔器坐封.封隔器下到设计坐封位置后，将油管挂坐于油管头（大四通）内； .开泵正打压，为使封隔器充分坐封，压力从低至高依次打压直至封隔器要求的最高坐封压力并分别稳定一定时间；.如是多级使用，稳压时间稍长； 2验封、试压根据不同的套管尺寸和井内具体情况对封隔器验封，按封隔器试压标准进行试压。 3解封上提管柱1-1.5m待胶筒收缩即解封。 7.8 注意事项1) 套管内径与规环的配合要合适。装卸时严禁碰撞，保持连接丝扣和胶筒完好；2) 下封隔器时要匀速下放，严禁猛刹猛放，下入速度控制在25根/小时；3) 坐封时缓慢打压，解封时缓慢上提管柱；4) 注意存放环境，防潮、防晒。5) 套管或裸眼的内径。6) 膨胀密封胶筒的外径及长度。7) 膨胀密封胶筒的结构，可分为全钢架结构、部分钢架结构和非钢架结构，不同结构的膨胀率不同，应用条件也不同。全钢架结构的膨胀率较小，耐压差大；部分钢架结构和非钢架结构的膨胀率较大，最大可达到其下入井眼直径的4.3倍，但其耐压差小。8) 膨胀介质一般都可用水或钻井液；9) 耐温及耐压差范围。10) 井液是否有腐蚀介质，与密封材料的适应性。11) 两端连接螺纹的扣型。8 管螺纹设计8.1 1:16圆锥管螺纹设计标准图8.11 1:16圆锥管螺纹结构表8.11 圆锥管螺纹标准8.2 管螺纹设计标准8.3 圆锥管螺纹/管螺纹连接设计各管件连接部分采用符合API标准的螺纹密封的圆锥管螺纹，牙型为等腰三角形，牙型角，牙顶有较大的圆角，螺纹分布在锥度为的圆锥管壁上。采用圆锥内螺纹与圆锥外螺纹联接形式。螺纹旋合后，利用本身的变形就可以保证连接的紧密性，不需要任何填料，密封简单。由于螺纹联接本身或在安装时存在一定误差，需要在接口处安装垫片。考虑井下工况，选用金属复合垫片中的缠绕式垫片，填充带材料选用聚四氟乙烯。该型垫片可在压力，温度的环境下正常工作，能够很好适应井下工况。表8.31 石油套管螺纹标准9 密封结构的设计在石油钻采中，如果密封性不好造成液体泄漏，将会造成工作机构运动不稳定和定位不准确，工作效率低等问题，严重时使系统压力上不去，甚至整个系统无法工作。外泄还会造成工作环境污染、浪费油料等一系列弊病。因此密封装置的质量直接影响液压系统的性能，不能忽视。对密封装置的一般要求是，密封性好，摩擦力要小且稳定，寿命长，装卸方便等。当用于高压液缸时，对密封性的要求更高一些。当用于低速运动的液缸时，则要求摩擦力更加稳定，这样运动平稳，不产生爬行。机械设备密封性能的好坏，是衡量设备质量的重要指标之一。因为漏油、漏水、漏气会使机械工作不稳定、效率下降、污染环境、影响产品质量，有时还会造成设备和人身事故。为防止油、水、气等流体介质的漏油，在液压和气动机械等设备中，经常要使用各种密封元件。以前这些具有重要作用的密封元件主要是用皮、革、麻、石棉等纤维质的材料，所以不能完全防止泄漏。此外，这种密封元件还存在安装沟槽较复杂，需要较大的安装空间等缺点。随着合成橡胶的发展，出现了耐油、耐热、耐磨等具有各种特点的合成橡胶密封材料。目前，用合成橡胶材料制成的O型密封圈之所以能够得到广泛的应用，一方面固然与合成橡胶的发展有关，另一方面还和O型密封圈的形状和安装沟槽结构简单，且密封性能的好坏有关。但在使用O型密封圈时必须根据机器的工作条件，选择适当的材料，进行正确的设计采取有效的维护措施，否则，不仅不能保证机器在运转时不产生泄漏，而且还会发生由于O型密封圈在运转过程中的损坏所造成意想不到的故障。O型密封圈一般用耐油橡胶制成，其截面是O形。它又分固定用O形圈和运动用O形圈两种，其尺寸大小使不一样的。预压缩量是保证初始密封所必需，当压力升高后，O形圈被压向沟槽一侧，受压力油的作用变形，在外径方向进一步扩大，更加贴紧在配合表面上，从而起到密封作用。O形圈的特点是：密封压力范围广，静密封可达2000105Pa。动密封低速时密封性很好，高速时有少量渗漏。结构简单而且一个密封圈可起到双向密封的作用，在这些密封圈中算它的安装空间最小，最适合与小尺寸的低压油缸配用。运动摩擦阻力最小，但启动摩擦阻力比运动摩擦阻力大3
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