封隔器设计说明书

1、Y241-114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响；分析了Y241-114封隔器的工作原理以及结构特征并对各重要零部件

2、进行强度校核，进而完成对Y241-114封隔器的设计，得出结论。Y241-114型封隔器主要用于分层注水中，该型封隔器中设计的内锁紧机构，实现了机构的重复坐封，提高了承压能力，采用的单向卡瓦结构，对注水工艺管柱进行扶正和锚定，提高了传统的无卡瓦封隔器的承压能力与解封力。同时还采用新型胶筒材料，能使密封元件更好耐高温、高压。因此该封隔器具有承压能力高，使用寿命长，密封效果好，能够满足高压分注工艺要求。关键词：封隔器；高压；注水；设计The Design of Packer of Y241-114 formAbstract: Packer of this study is

3、60;widely used in oil and gas wells operating a downhole tool, its role is to realize the depth direction in the well stratified operation. Slips on the packer  packer support after the play, lock the role of&#

4、160;rubber tube, the performance has a direct impact on oil production and production safety.With the deepening exploitation of oil and gas fields, stratigraphic situation more complex, layered work more and more common, the use o

5、f packer demand more and more, packer system failure situations have occurred, causing damage to production .This article outlines the common oilfield packer type, parameters, name and the working principle; discuss the current

6、60;packer cones used in the development of the status quo; of the slip of the casing of the failure mechanism, gear slips discussed The influence of its shape and the influence of casing damage of the Y241-114

7、packer works and structural characteristics and strength check of all major components, and then complete the Y241-114 packer Design, draw a conclusion.Y241-114 packer is mainly used in water injection. It has the locking mechanism, and makes the realization o

8、f the repeated closures. It can bears high pressure. The packer using a one-way slip structure makes the water injection string centralized and anchored, and it also enhances the traditional non-slip packer capacity and the pressure of being lifted. The packer also adoptes the new rubber material to

9、 seal better under high pressure and high temperature. So it can be bears high-pressure, and has long service life, seals effectly, and met the high-pressure injection.Key words: packer; hypertension; water injection; design目 录1 绪 论11.1 前言11.2 封隔器的发展11.3 封隔器的应用21.3.1 封隔器基本用途21.3.2 封隔器选用依据21.4 封隔器的结构

10、3 密封部分3 锚定部分3 扶正部分3 坐封部分4 锁紧部分4 解封部分41.5 封隔器的类型4 封隔器的分类4 封隔器型号编制41.6 常用封隔器的工作原理62 Y241-114封隔器的设计102.1 总体方案设计102.2 结构设计102.3 工作原理112.3.1 坐卡、坐封过程11 解卡、解封过程112.4 密封元件的设计12 合理形状和尺寸的确定12 密封元件材质的选用142.5 卡瓦部分的设计17 普通卡瓦封隔器对套管的损坏17 普通卡瓦的受力分析18 卡瓦的设计222.6 其他零部件的设计262.7 技术参数的确定26 主要结构参数的确定26 主要工作性能参数的确定273 井下管

11、柱受力分析323.1 温度效应323.2 活塞效应323.3 膨胀和反膨胀效应333.4 螺旋弯曲效应344 关键零部件的校核364.1 坐封剪钉的校核364.2 中心管强度校核374.3 锁定套抗内压强度计算385 综述405.1 结构特点405.2 使用说明405.3 注意事项42结 论43参考文献44致 谢451 绪 论1.1前言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

12、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响；分析了Y241-114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Y241-114封隔器的设计，得出结论。1.2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。随着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

13、田经营商拉夫纳兄弟等人开始使用。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。1865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，结构简单，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田，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。1942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

14、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，研制的产品日益丰富。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，极端复杂的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

15、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。1.3封隔器的应用1.3.1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，防止层间液体和压力互相干扰，以适应各种分层技

16、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；（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。1.3.2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，应该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

17、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间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

18、和寿命长短有一定的影响。当井中含有二氧化碳和硫化氢时，选用封隔器必须考虑到加工封隔器的材质。（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。1.4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，而每一部分又各自包括若干零、部件。1.4.1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

19、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腕，隔环和各种防止元件“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。1.4.2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。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

20、加深和地质的恶劣，单级卡瓦和多级卡瓦应运而生。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。1.4.3扶正部分它主要是起扶正密封元件的作用，同时也起初卡作用，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。在转动扶正管柱坐封封隔器时，扶正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。扶正器一般扶正弹簧罩、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。1.4.4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

21、张开，并贴在套管壁上；压缩弹性密封元件，使之胀大而密封。1.4.5锁紧部分锁紧部分使封隔器一旦坐封后，使之固定于坐封状态的机构。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。1.4.6解封部分解封部分是使油、套压连通，进而导致卡瓦回收，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。1.5封隔器的类型1.5.1封隔器的分类封隔器按封隔件实现密封的方式进行分类。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

22、。压缩式：靠轴向力压缩封隔件，使封隔件外径变大实现密封的封隔器。扩张式：靠径向力作用于封隔件内腔，使封隔件外径扩大实现密封的封隔器。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。1.5.2封隔器型号编制编制方法：按封隔器分类代号、固定方式代号、坐封方式代号、解封方式代号及封隔器钢体最大外径、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：（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，组合式用各式的分类号组合表示，见表1。表1 分类代号分类名称自封式压缩式 扩张式组合式分类代号ZYK用各式的分类代号组合表示（2）固定方式代号：用阿拉伯数字表示，见表2。表2

23、  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12345（3）坐封方式代号：用阿拉伯数字表示，见表3表3  坐封方式代号坐封方式名称提放管柱转动管柱自封液压下工具热力代号123456（4）解封方式代号：用阿拉伯数字表示，见表4。 表4 解封方式代号解封方式名称提放管柱转动管柱钻铣液压下工具热力代号123456（5）钢体最大外径：用阿拉伯数字表示，单位为毫米(mm)。 （6）工作温度：用阿拉伯数字表示，单位为摄氏度()。 （7）工作压差：用阿拉伯数字表示，单位为兆。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：Y211

24、-114型封隔器，按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、钢体最大外径为114mm。华北K341-140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、钢体最大外径为140mm，使用于裸眼井。1.6常用封隔器的工作原理随着现场井况的变化，封隔器也随之逐步改进，形成了多种多样、满足各种条件的封隔器。但其最基本的原理是相通的。下面介绍几种最基本的封隔器的结构和原理。（1）Y211封隔器。结构如下图1所示。图1 Y211封隔器结构示意图1-上接头 2-调节环 3-“O”型圈 4-边胶筒 5-隔环 6

25、-中胶筒 7-中心管 8-楔形体帽 9-档环 10-防松螺钉 11- 楔形体12-防松螺钉 13-限位螺钉 14-卡瓦 15-大卡瓦档环 16-固定螺钉 17-连接环 18-小卡瓦档块 19-防松螺钉 20-护罩 21-弹簧 22-锁环套 23-档球套 24-档球 25-顶套 26-扶正体 27-压环 28-摩擦块 29-压簧 30-限钉压环 31-滑环 32-轨道销钉 33-防松螺钉 34-下接头工作原理如下所述：坐封：按所需坐封高度上提管柱后下放管柱，由件2630组成的扶正器依靠弹簧29的弹力造成摩擦块28与套管壁的摩擦力，扶正器则沿中心管7轨迹槽运动，轨道销钉32从原来的短槽上死点A经过

26、B到达长槽上死点C的坐封位置。由于顶套25的作用，挡球套23被顶开解锁，从而使卡瓦14被锥体11撑开，并卡在套管内壁上。同时，在管柱重量作用下，件1、2和7一起下行压缩胶筒，使胶筒直径变大，封隔油套环形空间。解封：上提管柱，上接头1、调节环2和中心管7一起上行，结果轨道销钉32又运动到下死点B，锥体11退出卡瓦14。同时由于扶正器的摩擦力，产生一个向下的拉力，从而卡瓦准确回收及锁球24复位，挡球套23在弹簧21的作用下，自动复位，锁紧装置恢复。与此同时，胶筒收回解封。（2）Y221封隔器。结构如下图2所示图2 Y221封隔器结构示意图1-上接头 2-调节环 3-“”型圈 4-长胶筒 5-隔环

27、6-短胶筒 7-轨道中心管 8-楔形体 9-档环 10、12、19、30、31-防松螺钉 11-楔形体 13-限位螺钉   14-卡瓦 15-大卡瓦档块 16-小卡瓦档块 17-固定螺钉 18-连接环 20-护罩 21-扶正体 22锁环套 23 档环套 24-锁球 25-顶套 26-扶正体 27、32-限位压环 28-摩擦环 29-弹簧 33-转环 34-轨道销钉 35-下接头工作原理如下所述：坐封：按所需坐封高度上提管柱后转动管柱，然后下放管柱，由件2632组成的扶正器，依靠弹簧30的弹力而造成摩擦块28与套管壁的摩擦力，依靠滑动销钉34扶正器就沿中心管7的“J”形槽运动

28、，结果，件34就从下井时槽的末端运动到坐封位置时的顶端，由于顶套25的作用，挡球套23被顶开解锁，从而卡瓦14被锥体11撑开，并卡在套管壁上。同时，件1、2、7就一起下行压缩胶筒，使胶筒直径变大，封隔油套环形空间。解封：上提管柱，上接头1、调节环2和中心管7一起上行，胶筒收回解封，而轨道销钉34从中心管7“J”形槽的顶端回到末端，锥体11退出卡瓦14，卡瓦就回收解卡，锁球套23在弹簧21的作用下，自动复位，锁紧装置恢复。（3）Y341注水封隔器。结构如下图3所示。图3 Y341注水封隔器1-上接头 2-“”型圈 3-洗井阀 4-顶套 5-外中心管 6-内中心管 7-胶筒 8-隔环 9-密封环

29、10-防座剪钉 11-卡瓦座 12-卡瓦 13-锁套 14-解封套 15-活塞 16-连接头 17-下接头工作原理如下所述：坐封：从油管内加液压，通过连接头16的小孔作用在上、下活塞15上，使活塞推动锁套13和密封环9上行，压缩胶筒，使胶筒7直径变大，封隔油套环形空间，同时液压通过上接头1的小孔作用在洗井阀3上，使洗井阀3下行与外中心管5的内锥面密封，封闭内外中心管的环形空间。放掉油管压力，因卡瓦12和锁套13上的内外齿相互啮合在一起，使胶筒不能返回。洗井：从套管内加液压，通过顶套4上的侧孔进入内外中心管6和5的环形空间，经锁套13上的侧孔进入下层。解封：上提管柱，上接头1带动内中心管6，连接

30、头16上行，而外中心管5、锁套13和卡瓦座11、卡瓦12等部件，连接头上行使解封套14上升，件14的内锥面内抱卡瓦12，使卡瓦和锁套13分离，则锁套13和密封环9等部件在胶筒7的弹力作用下下行，从而胶筒恢复。（4）K344封隔器。结构如下图4所示。图4 K344封隔器结构示意图工作原理如下说所述：从油管内加液压，液压经滤网罩8，下接头9的孔眼和中心管6的水槽作用在胶筒5的内腔，使胶筒5胀大，封隔油套环形空间。放掉油管压力，胶筒即收回解封。2 Y241-114封隔器设计Y241-114型封隔器，按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、液压坐封、提放管柱解封、钢体最大外径为114

31、mm。2.1总体方案设计结合Y211-114和Y341-114型封隔器的结构和应用现状提出Y241型封隔器的设计方案一、Y211-114封隔器与Y111-114封隔器配套堵水工艺分析（1）工艺原理：采用单向卡瓦，上提、下放管柱坐封，上提解封。（2）适用范围：堵上、中层水。（3）优点：有效期长。（4）缺点：管柱部分油管受压处于弯曲；不能多级使用；深度超过3000米时，换向和坐封就不十分可靠。二、Y341-114封隔器堵水工艺分析（1）工艺原理：液压方式坐封，上提解封，具有锁紧装置。（2）适用范围：堵上、中、底层水均可。（3）优点：能实现多种堵水工艺。（4）缺点：封隔器本身无卡瓦，井深超过1000

32、米，由于油管“呼吸”作用，封隔器易失效，封堵有效期短。针对上述情况，提出设计具有强收卡瓦，液压坐封，上提管柱的Y241-114封隔器的设计方案与要求：（1）封隔器具有卡瓦锚定，且卡瓦具有强收功能；（2）液压坐封，井口可提一部分管柱重量，防止管柱弯曲；（3）具有锁紧装置，防止泄压后胶筒退回；（4）上提管柱解封，操作简便可靠。2.2结构设计由上接头、胶筒管、隔环、胶筒、O型圈、上缸筒、 中心管、 锥体、卡瓦牙、卡瓦片簧、片簧螺钉、扶正体、 摩擦片、 弓簧、扶正体下体、稳钉、下缸筒、下接头、坐封锁环、解封环、解封剪钉、坐封锁套、支承环、坐封剪钉、调节环、下压帽组成（如图5）。图5 Y241-114结

33、构示意图 1 上接头；2 胶筒管；3 隔环；4、5 胶筒；6、7、10、20、22 O型圈；8 上缸筒；9 中心管；11 锥体；12 卡瓦牙；13 卡瓦片簧；14 片簧螺钉；15 扶正体；16 摩擦片；17 弓簧；18 扶正体下体；19 稳钉；21 下缸筒；23 下接头；24 坐封锁环；25 解封环；26 解封剪钉；27 坐封锁套；28 支承环；29 坐封剪钉；30调节环；30下压帽（1）密封胶筒总成：密封胶筒总成由上接头、胶筒、隔环、上缸筒等组成。采用的三胶筒结构形式有效地保护了工作胶筒，防止由于管柱的蠕动而使封隔器的密封元件受到损坏。（2）内锁紧及坐封、解封机构：内锁紧及坐封、解封机构主要

34、由中心管、胶筒管、坐封锁环、解封环、坐封锁套、坐封剪钉、解封剪钉、支承环、调节环等组成。（3）液缸机构：液缸机构主要由中心管、锥体、上缸筒、下缸筒等组成。（4）单向卡瓦机构：单向卡瓦机构主要由锥体、卡瓦、卡瓦片簧、中心管等组成。卡瓦材料为20CrMoTi，同时通过渗碳处理后，达到很高的强度，从而满足工况要求，卡瓦采用四瓣的结构形式，卡瓦顶为R=0.2的圆弧，对套管壁损伤小，进而保证了封隔器在套管微小的变形下达到正常坐封。（5）扶正机构：扶正机构主要由扶正体、摩擦片、弓簧、扶正体下体等组成。2.3工作原理2.3.1坐卡、坐封过程从油管内加液压，液压经胶筒管2和中心管9的孔眼作用在上缸筒8和下缸筒

35、21上，坐封剪钉29被剪断，推动下缸筒21、坐封锁套27、支承环28、卡瓦12和扶正体15等部件一起上行，进而通过推动锥体11和上缸筒8而压缩胶筒4、5，在此过程中，卡瓦12沿着锥体11上行，并卡牢在套管壁上，继而使胶筒压紧，封隔油、套管环形空间。放掉油管压力，因坐封锁套27被坐封锁环24卡住，卡瓦12始终在套管内壁上，上缸筒8、下缸筒21和扶正体15等部件就不能在胶筒4、5的弹力作用下退回，胶筒4、5就始终处于封隔油、套管环形空间状态。2.3.2解卡、解封过程上提油管柱，因上接头1、胶筒管2、中心管9和下接头23与管柱相接向上运动，而上缸筒8和下缸筒21等部件依靠卡瓦12和胶筒4、5与套管的

36、摩擦力不动，结果解封剪钉26被剪断。上缸筒8和下缸筒21等部件在胶筒4、5的弹力作用下一起下行，胶筒4、5就收回解封，上提管柱，卡瓦12强行收回，解封、解卡完毕。2.4密封元件的设计对于一个典型的可取式封隔器，它必须符合三条基本要求： 能顺利下井； 在工作介质中密封可靠，寿命长； 需要时便于起出。为了满足以上要求，封隔器密封元件必须设计合理，选材得当，从而获得符合要求的变形功能，良好的恢复特性和一定的耐温、耐压、抗流体浸蚀的能力。2.4.1合理形状和尺寸的确定众所周知，封隔器工作可靠性，关键取决于密封元件的物理机械性能和结构参数选择的合理。在生产实践中，经常碰到由于胶筒的粘弹性变形使得封隔区之

37、间密封失效，或者胶筒产生残余变形，造成“拨活塞”，因而起封困难等复杂情况。所有这类现象的出现是由于缺乏科学的设计和计算方法，使得胶筒的结构、形状和尺寸不合理造成的。在设计压缩式密封元件的几何形状时，首先要考虑的是，密封元件在承载变形时，要求应力分布均匀，尽量避免和减少胶筒上的应力集中现象。苏联阿塞拜疆联合企业从54口井中取出的76只封隔器表明，出现裂痕和残余变形主要发生在边缘应力集中区，这是由端面形状不合适造成的。室内试验表明，选用60°内斜角的端面形状，虽容易坐封，但在离加载端三分之一长度处有应力集中区（由于支承环的楔入作用），易造成变形过大，促使密封元件损坏，以致解封困难。经反复

38、试验发现，采用外斜角为3040°的胶筒最好，不仅应力集中小，且不易发生“突出”现象。设计中，胶筒的侧面形状也必须有所考究。据认为采用“桶形”胶筒最佳。因为这种胶筒承载变形时，应力分布比较均匀。实践表明，“桶形”胶筒的寿命一般要比普通圆柱形胶筒长一倍。这是因为，胶筒变形时，中间部分先接触套管，边缘部分受强弹性变形，但总体积不变，故压紧时，整个胶筒仍为弹性变形，且不超过弹性范围。桶形胶筒在苏联阿塞拜疆卡拉格油矿457号井试验，工作两个月后，起出完好，而非桶形胶筒只能用一个月左右。但是，也有人认为，这种“桶形”胶筒设计并不十分合理。其理由是：因为胶筒端部呈外截锥，支撑环紧靠端面，所以，当封

39、隔器坐封，弹性元件产生轴向压缩时，在胶筒端面和支承环之间产生的摩擦力就会沿“桶形”的高度产生不均匀的径向变形。于是，迫使胶筒压向套管壁的比压，在靠近端部处就减弱了，因而其密封性也就变差了（因为以足够的密封比压值压紧套管壁的胶筒长度大大减少了）。为了保障均匀的径向变形，据认为，胶筒端部的设计应设法使端面上轴向载荷的径向分量和摩擦力相抵消。其具体办法是，在胶筒端部开一截面为圆锥的环形凹槽，此凹槽与支撑环上几何形状相对应的凸起相配，凹槽与凸起的锥角=arc tg1f（式中f为支撑环与胶筒间的摩擦系数）。除了考虑胶筒合理外形外，还必须重视胶筒的稳定性。井下胶筒如果缺乏足够的稳定性，就会在其表面上产生许

40、多纵向波纹和折皱，从而造成胶筒损坏和丧失密封性。而胶筒的稳定性与胶筒的长度和胶筒与套管壁之间的间隙关系很大。有的文献指出，在确定胶皮元件高度时，是从这样一个条件出发，即在变形时，胶皮表面积不变。并以此视为元件稳定性的标准。也有的文献认为，这一结论不符合弹性系统的稳定性理论，不过试验已经表明，对于具有所需要硬度的胶筒，采用长度为130180毫米的胶筒是合理的，可在现场条件下施加一定量载荷，结果达到了可靠密封。关于胶筒和套管间的合理间隙，据认为应保持26毫米，即对于168毫米的套管外径，不得小于138毫米；对于146毫米的套管，外径应取为121毫米。对于裸眼封隔器，据使用效果分析，其直径应按照合理

41、的密封系数K确定：1.10K1.16(K=D1D2; D1井径；D2封隔器直径)。在密封元件的设计中，还必须考虑另一重要因素密封元件上的应力松弛现象。前面已经谈到，密封元件的密封性主要决定于接触应力。如果这个接触应力足以形成密封且能长时间保持不变，则封隔器的井下工作寿命就长。然而，实际情况并非那么理想。处在井下工作条件的胶筒往往要发生一种应力松弛现象，这是由于随着工作时间的延长，胶筒塑性变形增加，弹性变形相应减少，因而导致初接触应力减少。这种现象随环境温度升高更趋严重。为了消除上述现象，提高封隔器的工作寿命，有人提出了一种用于油介质的新型胶筒结构。这种胶筒外层为耐油胶皮组成。内层为低应力松弛的

42、高弹性胶核（占总量的55%），它牢固地和外层胶粘合在一起。这种高弹性体可以补偿外层胶的残余变形（减少应力松弛），在低载荷下建立密封，并且大大减小胶筒的残余变形。采用这种结构，可以把以往所用胶筒的应力松弛量由原来的5%降到0.2%。显然，这就可以靠使用这种低应力松弛的胶筒，保持接触应力，从而达到较长时间的密封。此外，苏联有人提出了另一种用降低应力松弛的办法来提高密封元件密封性的新型胶筒结构。这种胶筒的内部含有多个带有弹性胶核的胶壳，胶壳呈球形，彼此间靠弹性介质联结起来。当胶筒变形时，球形胶壳中应力均匀分布，不会形成应力集中。于是导致应力沿胶筒整个地重新分布，从而大大提高了胶筒寿命。一旦去掉轴向载

43、荷，胶壳能很好地恢复原状，以致于使胶筒上的应力松弛降到最小程度。为了使压缩式密封元件真正达到密封可靠，解封灵活，人们还在胶筒的端部结构上采取某种加强措施。比如，有一些压缩式长胶筒就采用了硫化钢碗端部结构。但是，后来在生产中发现，起封隔器时，经常发生拉脱硫化钢碗的现象。为了解决这一问题，于是把硫化钢碗改成筒形硫化头。这种硫化头壁上有许多孔，胶皮可以通过孔眼把硫化头紧紧抱住，从而大大提高了胶筒与硫化头的粘合力。试验表明：对于直径为140毫米的硫化头，其抗拉脱强度比碗化钢碗高34倍。此外，还采用棉帘线和棉帘布来加固金属头和胶皮，这些东西在胶皮与硫化头联接部位起到加强作用。当用78吨的拉力拉上述具有加

44、固头胶筒时，尽管伸长率达到350%，胶筒仍不会破坏。2.4.2密封元件材质的选用一、密封元件材料的演变封隔器在井下工作的可靠性，固然取决于密封元件合理的结构设计，同时也与密封元件所用材料是否得当关系很大。回顾密封元件材料的发展历史，大致上经历了三个阶段：第一代密封元件是非橡胶的，系1860年以前采用牛、羊皮（后来又用特制帆布）制成，其形状如袋子，袋内装以亚麻种子，这种亚麻种子有遇水膨胀的特性。第二代密封元件是以橡胶为主要材料。橡胶的引用使封隔器的发展产生了一个大的飞跃。1867年以后，开始出现橡胶式封隔器，1880年，首次出现单胶筒封隔器。此后，各种类型的胶筒相继出现。起初，主要采用天然胶筒，

45、后来也逐步采用添加各种填料的改性胶筒，藉以提高胶筒的工作指标。第三代密封元件是各种高分子材料（如合成橡胶，热塑性塑料和热固性塑料）。直到六十年代，至少有两种主要的弹性材料丙烯橡胶和氟碳橡胶问世。1975年，Kalrez（全氟橡胶）这一新型的弹性体投入工业性生产，用它制作的“V”形密封元件用于内密封，使封隔腔容座式封隔器作为一种新型的完井工具适用于各种极端条件下的完井工艺。用于井下封隔器具的密封材料（包括内密封和外密封），种类繁多，举不胜举。常用的有：橡胶、塑料、石棉-石墨、金属（铅、铜、铝等）及其他材料。随着深井完井的需要和合成材料的发展，密封材料日趋多样化，性能也不断提高。用于高压井完井的聚

46、合物密封材料通常可分为合成橡胶、热塑性塑料和热固性塑料。常用的橡胶材料有氯丁胶、腈橡胶和氟橡胶。用于油田的耐高压橡胶材料，其硬度范围为7095度（洛氏），就热塑性的硬度范围而言，应取中等硬度的塑料。普通的热塑性塑料是Teflon（聚四氟乙烯）和Ryton（聚苯撑硫树脂），常用热固性塑料有环氧和酚醛之类模压成形的材料。通常认为，合成橡胶在恶劣的条件下单独使用，不是可靠的密封材料。这是由于下列原因造成的。比如，由于原油、天然气、热水成硫化氢（或有关缓蚀剂）的影响，使橡胶性能变脆、变软或膨胀，或者由于高温作用而造成橡胶继续发生关联和硬化作用。还有，压差会促使已变脆弱或者保护不当的橡胶件很快破坏。为了

47、弥补上述不足，往往要将热塑料和一般塑料与橡胶配合使用，以便对橡胶起到补强和保护作用（用作密封保护圈）。衡量油田所用合成弹性材料性质的指标，主要有：硬度、热膨胀性（井下环境温度条件下）、塑性模量（单位变形所要求的负荷）、拉伸强度、伸长率、抗撕裂强度或耐磨性、化学稳定性、在产液中的膨胀性和气浸阻力等。为了改进合成材料的性质，对大部分密封元件材料都需要采用一些填充剂，常用的有石棉、玻璃纤维或二硫化钼粉等。掺入这些填充剂可以提高材料的耐热性和抗挤强度。二、密封元件常用的材料（一）橡胶类1.丁腈橡胶（包括氢化橡胶）这是一种丁二烯和丙烯的共聚物，加有碳黑、增塑剂及填充剂，以便得到在一定温度、压力下为形成可

48、靠密封和一定抗流变性所必需的柔韧性。这种橡胶广泛用于不十分严重的环境。它的优点较多，具有很好的抗油性和柔韧性。在高压下还具有良好的抗挤性能。在油气井中能适应常有的大部分液体和气体，保持足够的柔韧性，因而解封封隔器时能缩回原状易于起出。不过这种橡胶也有一定的局限性。即不断硬化，在149以上更为严重。丁腈橡胶在107的含硫化氢环境中长时间工作后，起出地面观察，发现有一些硬化，但由于它是橡胶浸泡在井中有压力的液体内，所以能保持密封。因此这种材料用于长期不动的条件是可行的。2.氯丁橡胶它是由氯丁二烯（氯丁二烯丁二烯与其他单体共聚）聚合而成。它能抵抗芳香的低温油品，但在热水（蒸汽）中，会很快失去强度。用

49、石棉填充的氯丁胶“V”形密封，以酚醛树脂作为支撑件，可以用于300°F(148)至350°F（176），但它在高温下会泡胀而造成滞塞。3.乙丙橡胶其主要原料是乙烯和丙烯。可分为二元乙丙橡胶和二聚乙丙橡胶（EPDM）。它能经受246高温、45.7大气压的蒸汽条件，在148以下时，它对含硫气体有良好的抗力，但在热油中会很快损坏。这就意味着这种橡胶不能应用于与油密切接触的条件，同时这种橡胶还有一个缺点，即很难和金属件硫化。4.氟碳橡胶这种橡胶广泛用于中等恶劣环境。石棉填充的Viton用于深气井颇为流行。据伯利报道，Viton短时间用于300°F（148）的硫化氢环境勉强

50、可行，但用于长时间的高温条件，则不太令人满意。这种化合物具有好的抗硫化氢侵蚀特性，但不能与胺类阻蚀剂接触这是用于含硫井的一个主要限制条件。5.TRW9203橡胶化合物此种橡胶用在恶劣条件，被认为优于氟碳橡胶和丁腈胶。应用中发现：它在油中比在气体中损坏更为严重，但能耐高达300°F（148）的高压含硫化氢的井液的侵蚀。这种材料用于450°F（232）的高温时，明显软化。因此用于高温条件时，要求采用紧配合或者间隙为零的“防突”止挡件。此种化合物是一种专门的混合胶（其化学性质目前文献还未见报道）。6.卡尔雷兹（Kalrez）全氟橡胶这是一种最新型的，也是目前用于恶劣条件的最好材料

51、，它是聚四氟乙烯及氟碳橡胶的结合物，对含硫化氢的井液表现惰性，不过硫的浸蚀可使其强度有所降低。但试验表明，仍有良好的抗硫性。这种材料通常用玻璃纤维来提高强度。卡尔雷兹作为新型的“KTR”密封组合系统的心脏，已在美国东南部油田生产井测试：（高温、高含硫）中获得成功。其井下工作条件为：含硫化氢达14%，温度300°F（149）压差为7000磅英寸2（490公斤厘米2）。工作两年后，因其他原因起出。提升负荷很小，未发现卡滞现象，而且密封件状况良好。（二）塑料类塑料密封元件主要用于内密封。对密封元件起到补强和“防突”作用。1.聚四氟乙烯作为中等硬度的密封材料，它在高压井中特别有用；它还是一种

52、用于密封腔容座的很好的低摩擦及防腐的涂层材料。未加填充物的聚四氟乙烯，化学上显惰性，但在高温（约240）下会很快变脆软，且易突出，因此通常用玻璃纤维填充以提高强度，它可以用在一个被保护的密封设计中靠机械挤压形成一种“弹性密封”。2.聚苯撑硫树脂雷东（Ryton）这种材料在600°F（315.5）条件下会蒸发,是比聚四氟乙烯更硬一些的另一种热塑性塑料,具有良好的化学抗力。可用玻璃纤维提高强度。在“V”形多级硬度的组合密封装置中，也可以用作支撑作用的终端“防突”件。以上两种均属于热塑性塑料，并广泛用于高温高压深井。此外，用于密封装置中的塑料还有热固性塑料一类（如环氧树脂和酚醛树脂等），主

53、要是用作保护圈，起“防突”作用。（三）石棉-石墨材料随着高温深井完井和热力采油工艺的需要，人们不得不寻找各种新的耐热材料。除耐热橡胶、塑料可用于高温条件之外，还研制出了石棉-石墨一类的耐热密封材料。（四）金属类对用于井深3000米，地层压力300公斤厘米2、地层温度130的密封元件，目前普遍采用的密封材料有胶皮、石棉-石墨、塑料、氟塑料等。这些材料往往因强度和可塑性不够而不能保证可靠密封。为了克服上述不足，苏联试验了塑性高又耐磨的铅密封元件，铅表面涂有阻蚀薄膜，具有耐高温（327），耐酸。可塑性高的特点，可用作机械式封隔器的密封元件。由于这种封隔器在高温深井中密封可靠，并节省了作业时间和费用，

54、因而获得了明显的经济效果。 综上所述，根据Y241-114封隔器所适用的工作环境以及最佳经济性的原则，确定该封隔器所用材料为丁腈橡胶，其结构形状如下图6所示，具体尺寸见零件图。图6 Y241-114边胶筒示意图2.5卡瓦部分的设计2.5.1普通卡瓦封隔器对套管的损坏目前，许多在用的普通卡瓦封隔器均采用粗牙分瓣式卡瓦，对套管的伤害较大。瓣形卡瓦在套管内工作的接触形式呈多边形，若卡瓦坐封套管的环空没有水泥环胶结，则当卡瓦压力超过套管的机械性能极限时，套管将被挤压成多边形。同时粗牙卡瓦对套管内壁的伤害较大，加速了套管的腐蚀变形。2.5.1.1封隔器卡瓦损伤套管的模拟试验研究在油田开发中封隔器是实现机

55、械采油、分层注水、分层压裂或酸化、机械卡堵水等注采工艺作业的主要井下工具之一，封隔器上的卡瓦是保证工作可靠性的重要元件，把卡瓦安装在模拟试验装置中。通过在套管壁周围分布位移传感器，测得卡瓦锚定后切入套管壁深度。判断卡瓦对套管的损伤程度，这对封隔器的设计和现场使用具有十分重要的意义。封隔器的工作原理是通过水力或机械作用，使胶皮筒在套管内环形空间膨胀，把上下油层分开，达到分层分注的目的。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，是保证封隔器工作可靠性的重要元件。一方面：由于套管是薄壁件，在进行注采工艺施工过程中，套管外未固水泥或固井质量较差的井段在封隔器卡瓦挤压作用下，套管壁容易破坏造

56、成不良后果；另一方面：在油井二次作业中，如果套管壁表面被卡瓦严重损伤，被咬伤的井段无法再进行二次封隔。所以在封隔器设计中，应在保证封隔器正常工作的情况下，使卡瓦对套管壁的损伤程度减少到最低，优化卡瓦对套管的作用力，使作用力合理分布在模拟加载试验装置中，进行试验可以直观准确地获得卡瓦实施封隔时可能施加的最大载荷及受压状态下对套管壁切入深度。试验结果对优化设计参数和封隔器现场使用提供了理论依据。在设计工作中通过模拟试验可以优化出封隔器在封隔状态下提高工作可靠性的多种有关的参数，如卡瓦材质、卡瓦牙齿数量、几何形状及尺寸、相互间距、卡瓦硬度、加载方式等，使套管在封隔时受力情况发生变化，达到更合理的分布

57、，保证良好的工作性能，根据卡瓦所受轴向力与切入深度之间的关系，确定出机械或液压坐封下，封隔器能承受的最大坐封力，在实现油井工况下既能起到良好的密封效果又能保护好套管，试验结果对封隔器设计和现场使用提供了重要的理论依据，具有十分重要的意义。2.5.2普通卡瓦的受力分析普通卡瓦式封隔器出于使用不当，会使一些套管变形，特别是在同心管热液循环抽油井中常出现套管破裂现象。为了在采用卡瓦式封隔器进行各项采油工艺措施时，能够较准确地进行受力分析和计算。科学地制订使用卡瓦式封隔器的技术措施，对卡瓦式封隔器及套管进行较精确的受力分析是有必要的。卡瓦式封隔器通过卡瓦坐封在套管上，通常可将卡瓦按均匀间隔的分散分布作用在套管壁上，其力学模型应属于圆柱壳承受分散集中力作用的应力分析，目前尚无实用的简化计算方法，能够同时考虑圆柱壳受集中力作用时的双向弯曲作用，只考虑了沿环向的弯曲，是一个较简化的方法，建立一个能够同时考虑双向弯曲作用的工程