高压单管封隔器设计说明书正式版

1、目录目录1 设计的选题目的、意义.11.1 选题目的.11.2 选题意义.12 国内外发展研究现状.23 封隔器以及注水过程的工作原理.43.1 封隔器的工作原理 .4封隔器的介绍 .4封隔器的作用 .4封隔器使用范围 .5封隔器的主要结构以及工作原理 .53.2 注水工艺.64 主要研究内容.85 总体方案确定.85.1 结构 .95.2 坐封 .95.3 工作过程 .95.4 解封 .105.5 为克服管柱蠕动对封隔器影响的结构设计 .106 计算设计过程.116.1 封隔器工作参数选取 .116.2 各部分的结构尺寸设计 .116.3 效核 .327 高压单管封隔器设计的可行性分析.37

2、8 结论.38谢辞.39参考文献.401 设计的选题目的、意义设计的选题目的、意义1.1 选题目的选题目的油田广泛运用封隔器于采油、注水及其它油井特殊作业。国内生产封隔器的厂家也不少，但关于高压封隔器产品几乎还没有，主要靠进口。同时，长期以来，对低渗透、深油藏的高压注水油田没有合适的分注工具。为此，选定此项目进行高压单管封隔器设计。1.2 选题意义选题意义我国的大多数油田属非均质多油层特点，油田开采的主要矛盾是如何提高各类油层的动用程度和经济效益，达到可持续发展。在开发过程中，各油层的产量、压力和吸水能力等存在很大差异，如何合理开发多层油田，提高采收率，又要可持续发展，一直是一个很重要的问题。

3、以封隔器为中心的井下分层工具，对油层实现分采分注是极其重要的，因此对封隔器的研究对油田开发具有重要的意义。对于注水开发的油田，随着油田开发程度的加深，油井层之间矛盾日益突出，为了保持地层压力、稳定原油产量，必须采取分层注水、封堵高产水层等调整措施。 2 国内外发展研究现状国内外发展研究现状资料显示，欧美等发达国家在油田开发中采用封隔器已有近百年的历史，较早的油田封隔器是包裹在油管外面，试图将不同的液相进行隔离。油田开发初期自喷井较多，封隔器应用相对较少。类似目前所采用的封闭油管与套管间环形空间的封隔器是从 20 世纪初开始开发使用的。有许多的专业制造公司对封隔器的研发测试都非常重视。为了合理地

4、开发多油层非均质油田，避免层间干扰和确保各层有效生产，三十年代末，美国和苏联相继开始了分层开采工艺的研究和其他分层工艺技术(如分层注水、分层测试、分层进行增产措施)的试验，这导致了适应分层开采工艺技术的各种封隔器的发展。美国的贝克油田工具公司(Backer Oil Tools)，在 1940 年开始介入油田井下工具研究，最早开发出了可回收式封隔器，不论从制造精度上还是实用性方面都有较高水平，在世界上处于领先地位。1942 年，第一次双层完井使用了美国贝克工具公司制造的封隔器。1951 年，用于多管完井作业用的双管封隔器也已经问世。近几十年来，随着钻井、完井工艺不断向高压、高温和复杂的深部地层方

5、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，研制的产品日益丰富。目前、美国参与封隔器研制、销售的厂商或公司不下于 40 家(还出现了专门从事封隔器研制的贝克封隔器公司)。据统计，美国有关产品目录上的封隔器品种已达 500 种，近几年来，则大大超过此数，并涌现出不少结构改进，性能提高的新型封隔器。1994 年，美国初步研制出 2 18in 高效可锚定单级膨胀式封隔器，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。当温度大于 150条件下，可承压 34 MPa(膨胀率为 2:1 时)或 14 MPa(膨胀率为 3:1 时)。而苏联封隔器般最深下

6、至 3000 多米，耐压 500 多大气压，耐温20-350。我国的封隔器研究也在不断地发展，大庆采油工艺研究所的科研历程比较具有代表性。1962 年 4 月为确保独立开发大庆油田，为油田的发展提供有效工艺技术手段，研制了 475-8 型水力压差封隔器和 665 型偏心配水器，逐步形成了“六分四清”新工艺，并在油田大面积推广应用，对认识非均质多油层砂岩油田注水开发特点，充分发挥主力油层作用，为保证油田持续生产提供了有效的技术手段。从 1976年到 1985 年，油田开采方式逐步由自喷转为机械采油，封隔器的研制基本适应了以限流法压裂完井技术为代表的机采条件下的分层压裂、分层堵水、分层测试等作业要

7、求。从 1986 年到 1995 年，机采井数占油井总数的 99.3%，针对地表油层和油田外围储量差、油层薄的油田的增效开采和油井的大修，根据“稳油控水”目标的需要，先后为注水、产液、储采作业研制了配套的封隔器。近年来封隔器的用量越来越大，作用更加明显，同时对封隔器的性能要求更加严格。我国不断地吸取和引进国外的封隔器研发技术，现已初步形成了一定规模的封隔器研发队伍，并开发出了很多适合我国油田现状的新型封隔器。先后研制和使用了从机械式到水力式，从压差式到自封式的各种类型的封隔器及相应的配套工具。封隔器的密封材料的使用也不再仅限于橡胶，相继出现了金属封隔、尼龙封隔，或它们三者之间的组合，密封和耐温

8、性能都取得了很大的提高。封隔器胶筒是密封的关键，密封件仍以胶筒为主。胶筒在液压推力作用下，通过轴向压缩作用在封隔器套管壁上，起到密封封隔作用。在中、深油井的分层开采、堵水、压裂、注水等作业中发挥了不可替代的作用。近年来，油井己进入高含水阶段，加上新的热力采油方法的需要，井况日趋恶化，对胶筒的侵蚀更加严重，对耐温的要求相应提高，我国原有的封隔器胶筒耐温只有 120，己不能满足油田钻采的需要。铁岭橡胶工业研究院就选用氢化丁睛胶为主体材料、开发出了耐温达 150、型号为 YS 113-15-20 的压缩式封隔器胶筒。2003 年底，新胶筒在 0#柴油、150,20MPa,96 小时实验条件下检验证明

9、各项参数满足工作要求。科技工作者们致力在封隔器的结构设计与功能设计进行研究，以期达到世界先进水平，近几十年来经过不懈的努力，研制出了各种适应不同地质条件和工况环境，以及不同功能、材料的封隔器，如：DQY141-114 型封隔器、DQY341-114 型封隔器、ZYY341-114 型封隔器、Z331_114 型封隔器、Y411-115 型可取式双卡瓦封隔器、90mm 金属封隔器、Y54l115 静液压封隔器等，目前最大工作压力已达到 75mpa，工作温度达到 300。从现场的使用效果来看，都能进行有效封堵，工作运行良好，并达到了国际先进的水平。封隔器的发展趋势：向着高性能、多用途、适应性强和更

10、多地采用内密封结构的方向发展。3 封隔器以及注水过程的工作原理封隔器以及注水过程的工作原理3.1 封隔器的工作原理封隔器的工作原理3.1.1 封隔器的介绍封隔器的介绍所谓“封隔器” ，系指具有弹性密封元件，并以此封隔环空，隔绝产层，以控制产(注)液，保护套管的井下工具。也就是说，封隔器所具备的种种功能，主要依靠弹性密封元件的密封作用来实现。这种密封作用，根据密封部位的不同，可分为两种：一种是油管与套管(或裸眼井壁)之间的密封，即“外密封” ；一种是油管或油管密封短节(也称密封段)与封隔器内腔(或密封腔容座)之间的密封，即“内密封。正是由于封隔器独特的密封作用，为油气水井的正常生产和各种井下工艺

11、措施的顺利进行提供了有效的机械手段，因此，封隔器校认为是实现油气田合理开采的战略性武器。 通常，封隔器是接在油管上下井的。现场上，往往把这种带封隔器的油管柱叫做“封隔器管柱” ，也有人称为“油管封隔器系统。 目前常用的封隔器分为两大类：可取式封隔器和永久式封隔器，前者指可以用油管(或钻杆)或电缆下井坐封，必要时采用动管柱和其他非破坏性手段解封，并从井下起出以重复使用的封隔器，后者则指较长时间(永久性地)封隔地层，一般不易从井下起出的封隔器。按其作用原理和结构特点，可分为支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水力自封式、水力密闭式和水力压缩式等多种形式，按封隔器封隔件的工作原理分为：自封式、压缩式

12、、楔入式、扩张式。对于封隔器本身来说，最关键的部件是弹性密封元件，因为它在很大程度上影响并决定着封隔器系统井下工作的成败。封隔器系统在井下工作的条件主要是温度和压力，往往因井的工艺方式的变更而改变，因而引起系统的受力和管柱长度发生变化，导致封隔器过早解封、错封或窜封，乃至无法取出封隔器及其他更为严重的恶性故障。因此，需要从理论上了解和分析温度、压力的变化如何影响封隔器系统的的受力情况。所谓“封隔器” ，是指具有弹性密封元件：用于封隔环空，隔绝产层，以控制产(注)液，保护套管的井下工具。封隔器所具备的种种功能，主要依靠弹性密封元件的密封作用来实现。3.1.2 封隔器的作用封隔器的作用（1）隔绝井

13、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，防止层间流体和压力互相干扰，以适应各种分层技术措施的需要，或便于进行堵漏、封窜等修井作业；（3）保存并充分利用地层能量（包括溶解气能量)，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地控制地层；（5）便于采用机械采油的方式(如为气举和水力油塞泵抽油提供必要的生产通道，或将套管分隔为吸入和排出两部分，以利于管道进行抽油)；(6）用在气井中：可以缓和气井液面过早上升。3.1.3 封隔器使用范围封隔器使用范围由于其作用都是用于井下分隔油层等，所以封隔器不仅可以用于自喷井采油，还

14、用于非自喷井采油，在分层注水、分层压裂酸化及分层测试等作业中，也被广泛采用。3.1.4 封隔器的主要结构以及工作原理封隔器的主要结构以及工作原理主要包括密封、锚定、扶正、坐封、锁紧、解封六部分。各部分工作原理如1下：（1） 密封部分密封部分是在外力(机械力或液压力)的作用下，发生动作，最终密封环形间隙，防止流体通过机械，它是封隔器的关键部分，主要由弹性密封元件，安装密 图 3-1 封隔器胶筒结构示意图封元件的钢碗、隔环(挡圈)和各种防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件构成。其中的密封元件是至关重要的核心部件，通常制作成圆筒状，所以也俗称胶简。如图 3-1 所示。近年来为实现油管与封隔器之间的

15、内密封，密封元件也制成各种形状(如 V 形)的盘根。自封隔器问世以来，人们花了大量的力气，对密封元件(尤其是实现外密封的胶筒)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，因此，封隔器密封元件的研究是一个重点。（2） 锚定部分锚定部分也叫“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。它主要包括水力锚和卡瓦等。水力锚使用比较广泛，它通常由许多卡瓦牙或者锯齿形锚爪构成的，它即可以与封隔器设计成一体，与卡瓦配合使用，也可以单独接在封隔器上。卡瓦也是一种常用的起锚定作用的机构，美国使用最多。早期的封隔器由于下入深度浅或承压能力低，

16、一般无需带卡瓦，或只在胶筒上部用单卡瓦。1934 年才开始在胶筒下部采用下卡瓦。七十年代，美国格伯森公司研制成功了能承受双向压差的整体卡瓦。有时，为了使力的分布均匀，在胶筒两端使用两个整体卡瓦。为了防止封隔器的纵向移动，特别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，即使是支撑井底的支柱式封隔器，由于怕压坏尾管，也往往如此。（3） 扶正部分扶正部分主要起扶正密封元件的作用(尤其在井身质量不好的井中)，同时也起初卡作用，便于封隔器坐封。这种作用，通常由一些扶正弹簧和状如灯笼的扶正器承担。在转动管柱坐封封隔器时，扶正弹簧片对套管壁产生足够的摩擦力，防止封隔器壳体随管柱转动。扶正器一

17、般由铁正弹簧罩、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。（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(即工作状态)的机构。通常，它包括坐封活塞，中心管(或开有轨迹换向槽的轨迹管)，上、下接头，滑环套等。坐封部分动作时，能起两个作用：1）推动锥体，使卡瓦张开(对于带卡瓦的封隔器来说)，并贴在套管壁上；2）压缩弹性密封元件，使之胀大而密封。（5） 锁紧部分锁紧部分是封隔器旦坐封后，使之固定于坐封状态(使密封元件密封后保持不变)的机构。由于封隔器锁紧机构及动作方式在很大程度上影响封隔器的可取性，因而是设计可取式讨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

18、机构(如锥环、锁环、锁扣或锁扣指以及棘轮机构)构成。（6） 解封部分解封部分是使油、套管连通，进而使卡瓦收回，胶桶恢复原状、以利于起封的机构。对于丢手式封隔器，则需另行配备专用的坐封和解封工具。它通常由平衡活塞、平衡阀(循环阀)、循环孔(连通孔)、缸套或解封套、解封销钉构成。3.2 注水工艺注水工艺利用注水井把水注入油层，以补充和保持油层压力的措施称为注水。油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油采不出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现

19、油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。分层配注的实质是在注水井中下入封隔器，将各油层分隔，在井口保持同一压力的情况下，加强对中、低渗透层的注入量，而对高渗透层的注入量进行控制，以防止注入水单层突进，实现均匀推进，提高油田的采收率。 分层配注共有四种方法：第一种是油、套 2管两层分注，用封隔器分隔上下两层，油管注下层，套管注上层，各层的注入量可以在地面进行控制和计量；第二种是单管多层配注，这种方式是由多级水力封隔器、配水器、底部阀门等工具，按分层注水的需要组装来实现的。根据各油层需要的注水量安装不同直径的配水嘴，利用配水嘴的节流损失，降低注水压力，实现分层定量注水；第三种是自动调

20、节配水器，该配水器是通过配水嘴使活塞前后产生节流压差，这个压差作用在活塞上使之控制侧孔过流面积，从而使流量趋于恒定不变。在需 图 3-2 注水管柱要改变配注量而更换水嘴时，不动管柱，不用钢丝绳，以反洗井方式，从油套环空内注入高压水，将中间芯子返到井口防喷管内，被装于井口防喷管上的捕捉器抓住，取出芯子，进行水嘴更换；第四种是多油管分注，一般有同心管和并列管两种方式，国内现已不采用。油田注水方式：注水方式即是注采系统，其指注水井在油藏所处的部位和注水井与生产井之间的排列关系，可根据油田特点选择以下注水方式：边缘注水，其分为缘外注水、缘上注水和边内注水三种；切割注水；面积注水，可分五点法注水，七点法

21、注水，歪七点法注水，四点法注水及九点法注水等。注水井井身结构： 注水井井身主要由导管、表层套管、技术套管、油层套管等组成。导管用来保护井口附近的地层，一般采用螺纹管，周围用混凝土固定。表层套管用以封隔上部不稳定的松软地层和水层。技术套管用以封隔难以控制的复杂地层，保证钻井工作顺利进行。油层套管的作用是保护井壁，造成油气通路，隔绝油、气、水层，下人深度视生产层层位和完井的方法来决定。一般采用 46套管。4 主要研究内容主要研究内容对收集资料的整理并加以分析，以及现场使用封隔器信息的反馈，目前封隔器失效的主要原因是:（1）内胶筒弹性橡胶性能和加工制造质量差，胶筒破裂；（2）密封性能不可靠，密封元件

22、使用寿命短，提高了钻采成本；（3）承受压力低；（4）坐封困难（尤其在中深井、深井工作中） ；（5）解封不可靠，外胶筒设置不合理，取出困难。针对以上失效原理以及收集国内外相关研究成果技术资料，分析封隔器国内外研制的封隔器特点和弊端，提出本设计的研究内容；（1）坐封方式研究，针对高压确定本设计的坐封机构方案，同时要求坐封可靠，机构简单，操作方便；（2）解封方式研究，要求在工作过程中不能因为误动作而使封隔器解封，或者解封不可靠，不能顺利取出而造成卡封现象，引发井下事故（3）对密封元件的材料进行研究，寻求可以更好的承受高压，耐高温的材料，满足工况要求，同时对密封元件的采取形式的研究，从而更好的有效封隔

23、。本次设计的封隔器适用工况条件：（1）适用的分层配注方式：油、套管两层分注，封隔器分隔上、下两层，油管注下层，套管注上层；（2）适用于注水井排液、洗井后；（3）适用的工作温度为 120以下；（4）适用于高压注水，压差为 50MPa。5 总体方案确定总体方案确定确定本次设计的封隔器的型号为：Y241-115。以下是高压封隔器的总体结构图： 图 5-1 高压单管封隔器装配图5.1 结构结构本封隔器的上下接头 1、32 与油井油管相接，中心管的内径为50，衬套 5 与中心管 1 的配合为间隙配合，衬套不会随着中心管的轴向移动而移动，卡簧座 13 与衬套 5 采用管螺纹连接，坐封状态的锁紧元件是卡簧

24、14，卡簧 14 与卡簧座 13 也采用螺纹连接，卡簧 14 在下入注水井之前应使其张开处于工作状态，其张开靠锁块15 的支撑作用，同时采用两级液缸结构，在工作中能使密封装置迅速达到坐封状态，下端的卡瓦 33 靠锥体 26 支撑，锥体 26 的锁紧元件是锁紧瓦 24。5.2 坐封坐封当封隔器下到预定位置后，从油管内施加液压，经中心管 1 上的小孔及液缸活塞与中心管形成的特定流道进入上、下液缸的压力室，上、下液缸均有向上移动的趋势，当压力上升至 34MPa 时，防坐螺钉 11 被剪断，上下液缸开始上行，推动由胶筒压环 10、卡簧座 13 等组成的外工作筒上行，当压缩密封胶筒使其径向尺寸变大，密封

25、环空，由于卡簧 14 具有锁紧功能，使胶筒保持压缩状态，同时下部的液缸下行，推动锥体 26 下行，锁紧瓦 24 具有单向锁紧功能，此时锥体只能向下行，撑开卡瓦 33，使其咬在套管内壁上。5.3 工作过程工作过程 当封隔器承受下部液压时，作用力通过胶筒、衬套 5 作用在油管上，有推动油管上行的趋势，只要与封隔器相连接处的油管固定不上移，封隔器承受下压的能力就很大。当封隔器承受上部液压时，作用力主要由轨道螺钉 4 承担，有推动油管下行的趋势。为了缓解轨道螺钉 4 的工作负载，在封隔器尾部设计了卡瓦 33，工作时卡瓦齿咬合在套管内壁，其与套管内壁产生的轴向摩擦力能平衡掉一部分来自上部的液压，从而防止

26、了封隔器的轴向移动，保护了胶筒，减轻了轨道螺钉 4 的工作负载。同时作用在卡瓦上的力通过锥体 26、锁紧瓦 24 作用在中心管上。故能承受较高的上压。5.4 解封解封右转油管 500800N，防转剪钉 3 被剪断，上接头 1 相对衬套 5 右转，轨道螺钉 4 从上接头圆周方向的槽滑入与轴线平行的直槽内，上提油管剪断定位销 29，带动上接头、中心管上行，同时卡瓦收回，而密封胶筒、胶筒压环 10 和卡簧座 13 等组成的外工作筒依靠胶筒与套管的摩擦力保持不动，当锁块 15 滑动到中心管的小径槽中时，使卡簧 14 失去其支承力，在胶筒的反弹力及自身的回收力作用下回收，胶筒靠弹性推动液缸下行，胶筒恢复

27、原状，封隔器完成解封。5.5 为克服管柱蠕动对封隔器影响的结构设计为克服管柱蠕动对封隔器影响的结构设计 为克服管柱蠕动对封隔器正常工作的影响，特在封隔器尾部设计了单向卡瓦结构。当对管柱加压时管柱必然伸长，对封隔器的作用相当于下放管柱，此时依靠封隔器卡瓦的单向承力作用，其卡齿与套管的摩擦力很好的克服管柱的纵向移动，从而固定住封隔器，不会引起封隔器的提早解封，并且封隔器下部的液缸也起到了一定的压力平衡作用。当停泵或洗井时，油管内液压下降，管柱收缩，对封隔段的作用相当于上提管柱。因此采取轨道螺钉 4 的机构，使封隔器在上移过程中定位销 29不承受拉力作用，就不会产生拉断定位销 29 的误操作而使封隔

28、器解封。另外，可以使用与该型封隔器配套的锚定工艺管柱，可减缓管柱蠕动，有利于提高分注管柱的使用寿命。6 计算设计过程计算设计过程6.1 封隔器工作参数选取封隔器工作参数选取工作压力：如表 6-1 压力选取 50mpa（高压） 。表 6-1工作温度：如表 6-2 选取 120。表 6-2刚体最大外径:如表 6-3 取115mm表 6-3刚体内通径：如表 6-4 取50mm 表 6-4适用套管139.7mm，套管内径根据采油技术手册P748 选取为121.7mm。6.2 各部分的结构尺寸设计各部分的结构尺寸设计6.2.16.2.1 胶筒结构参数设计胶筒结构参数设计对于密封元件的设计，应满足以下三个

29、条件：a、能使封隔器顺利下井；b、在工作介质中能密封可靠，并且寿命长；c、在需要时能便于起出。（1）材料选取：氢化丁氰橡胶 34氢化丁氰橡胶是国外 80 年代中期开发并投入批量生产的一种新型橡胶，其具有以下特点： 1)耐油和耐热性能好。由于对热敏感的双键部分被消除，因而耐热性明显提高。加之保留了氰侧基(-CN)，仍具有丁氰橡胶的耐油性能； 2)强伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氢化丁氰橡胶的抗张强度达 30M Pa 以上，有特别要求的，可达 60MPa；;3)耐压性和耐寒性优于丁氰橡胶，而其加工性与丁氰橡胶相似。而丁氰橡胶一般用于温度低于 120，并且因为由于其受结构的限制，在高温高压下，其不

30、饱和双键易断开，使链状结构受到破坏而导致胶筒失效。综上选择材料为氢化丁氰橡胶，适合本次设计的高温高压要求，只是其存在永久变形大和价格较贵等问题。（2）氢化丁氰橡胶的性能参数 34表 6-5 氢化丁氰橡胶的性能参数性能中胶筒端胶筒抗拉强度2726.7伸长率（%）280210硬度（邵尔 A）7886永久变形2118（3）结构优化设计对于压缩式密封元件，在承受载荷变形时，要求应力分布均匀，应避免和减少胶筒上的应力集中现象，经过有关实验表明，一般出现裂痕和残余变形的部位主要发生在边缘应力集中，因此需要对胶筒的结构进行优化设计，如下：1a、端面形状：采用外斜角为 3040的胶筒，容易坐封；b、侧面形状：

31、采用筒形，采用此结构能使应力分布均匀，且寿命长；c、套管间隙：通常取与套管壁间隙为 26mm 时，其稳定性较强；d、采用的防突措施：一般采用防突件，在本设计中采用三胶筒结构，中段胶筒起密封作用（即工作胶筒） ，端部胶筒对中段胶筒起限制保护作用（即限制胶筒） 。（4）结构参数根据采油技术手册p640 表 8-41，以及封隔器的最大外径参数为115mm，选择封隔器型号：玉 757。其长胶筒和短胶筒的技术规范如下表： 7表 6-6 胶筒的技术规范lDd长胶筒956511574短胶筒8050115746.2.26.2.2 根据结构特征和压差求坐封力根据结构特征和压差求坐封力大量使用封隔器的经验表明，坐

32、封载荷的大小取决于胶筒的结构，所承受的工作压差以及其他因数。（1）计算封隔器胶筒的轴向相对变形1 （6-1）1222oozooRRRRR 式中 -套管内径，=60.85mm；oRoR-胶筒外径，=57.5mm；1R1R -胶筒内径，=37mm。oRoR 可得=0.1747z（2）胶筒的轴向压缩距离 h h=H （6-2）z式中：=0.1747z H-为三胶筒的总长度，H=270mm由上可得，胶筒的轴向压缩距离 h=47.17mm（3） 保证密封元件密封所需的总压缩力为1 F=Fe+Fp （6-3）式中 Fe-将密封元件压贴在接触套管所需的压缩力；Fp-在压差p 的作用下，为达到密封所要求的压缩

33、力。1）求解将密封元件压贴在接触套管所需的压缩力Fe （6-4）11ooERRRFe=-2式中 E-胶筒弹性模数，由机械设计手册上册第一分册 P4 表 1-7 得： 10E=7.84MPa-套管内径，=60.85mm；oRoR-胶筒外径，=57.5mm。1R1R-泊松比，参见压缩式缩径井封隔器胶筒的结构优化研究 ，取：=0.5根据计算可得：=6.69KNFe2）求解在压差p 的作用下，为达到密封所要求的压缩力 Fp （6-5）2222141PoooozP RRRRFfR h=式中 -套管内径，=60.85mm；oRoR-胶筒外径，=57.5mm；1R1R -胶筒内径，=37mm；oRoR -工

34、作压差，=50MPa；P=P= -胶筒与套管内壁的摩擦系数，参见封隔器理论基础与应用P41f1取：=0.3；f -工作胶筒的长度，=80mm。hh根据计算可得：=243.13KNPF=由此可得出保证密封元件密封所需的总压缩力为：F=249.82KN6.2.36.2.3 计算胶筒与套管间的接触应力计算胶筒与套管间的接触应力 胶筒能够承受压力的多少取决于接触应力,工作胶筒一般处于稳定变形阶段，rPw其接触应力的计算公式由压缩式封隔器胶筒耐温耐压浅析式（12）可得：rPw 27 （6-6）r122222P1()(1)()wzOOOOOOERRRTPRRRR式中 = F=249.82KNT -泊松比，

35、参见压缩式缩径井封隔器胶筒的结构优化研究取：=0.5E-胶筒弹性模数，由机械设计手册上册第一分册 P4 表 1-7 得：E=7.84MPa-胶筒承受压差时高压端压力：=50MPazPzP、取值同前oRoR1R由此可得： =27.7MParPw查机械设计手册上册第一分册 P600 可得，橡胶的扯断强度为 29.4MPa，由此可看出：29.4MParPw所以胶筒能在井下正常工作。6.2.46.2.4 确定胶筒与套管内壁的最大许用间隙确定胶筒与套管内壁的最大许用间隙 由封隔器理论基础与应用式 2-58 可得： （6-7） max112()2(100)oORuRR式中 -为弹性体许用相对轴向变形，取=

36、300 由此可得=25.27mm，而本设计中的=-=3.35mm,选取胶筒尺寸合理。maxououoR1Rmaxou6.2.56.2.5 确定中心管截面尺寸确定中心管截面尺寸（1）中心管材料的选择根据机械设计手册上册第一分册 P479，选择中心管的材料为 35CrMo，并可知该材料的屈服强度为 539.2MPa。（2）安全系数的选择根据机械设计教科书366，对用于材料均匀，载荷与应力计算精确时 18S=1.31.5，由于封隔器的工作条件较恶劣，因此选取 S=1.5。（3）中心管的外径选择由于在与封隔器胶筒重合的部分间有衬套，胶筒内径为 74mm，则取中心管的外径为 68mm，即。bR（4）中心

37、管内径的选择根据中心管所受的轴向力和材料的屈服强度进行选择。 （6-8） 22SbaF（R-R）式中-中心管内半径aR-中心管外半径，=34mmbRbR-极限应力 S则的取值由公式确定，由前述取=539.2 MPa，S=1.5。 S SSSS可得：=359.47 MPa，从而可得中心管的内径 S30.59mmaR由于考虑到中心管在工作中还存在其他的因数力的影响，比如液体压力等，所以中心管的内径尽量取小一点，再根据中心管上端与上接头的连接是标准油管螺纹连接，查标准只有 2的螺纹连接符合，同时根据封隔器的最小内径选择范围，选取中心管内径为 50mm，即=25mm，这样中心管管壁厚为 9mm，对于其

38、结构强度来aR讲应该是比较符合要求的。所以取=25mm。aR6.2.66.2.6 液缸的缸壁厚度设计计算液缸的缸壁厚度设计计算（1）液缸材料的选取根据机械设计手册上册第一分册 P479，选择液缸的材料为 35CrMo，并可知该材料的屈服强度为 539.2MPa。（2）液缸井下受力分析根据液缸在井下的受力情况，液缸主要承受轴向压力，以及液压对缸壁的剪切力，一般情况下取轴向压应力等于轴向拉应力。（3）液缸的截面尺寸确定根据公式 （6-9） 221CSFRR式中-封隔器最大外径，=57.5mm；1R1R-液缸的内径；CR-为极限应力，取值同前，=359.47 MPa。 S S从而求得液缸的内径55.

39、5mm。CR由于考虑液缸的其他工作条件因数，以及环境因数，应在不浪费材料和不影CR响封隔器正常工作的条件下尽量取小值，因此选取=53mm，这样液缸的壁厚为CR4.5mm，同时是比较合理的。因此取=53mm。CR6.2.76.2.7 衬套的尺寸确定衬套的尺寸确定（1）衬套的材料选取根据机械设计手册上册第一分册 P479，选择衬套的材料为 35CrMo，并可知该材料的屈服强度为 539.2MPa。（2）衬套的受力分析由于衬套在封隔器中只起定位作用，主要作用是为解封方式提供了一个轨道，因此基本上不受力，只是在与上接头接触处承受一部分力。（3）衬套在与胶筒接触处的截面厚度1由于胶筒内径和中心管外径都已

40、确定，则衬套在与胶筒接触处的截面厚度也随即确定为ObRR式中-胶筒内径，=37mm（ 由于胶筒装入衬套中要撑大内径，所以取衬OROR套外径为 38mm） ；-中心管外径，=34mm。bRbR所以截面厚度=4mm。（4）衬套在转折处的截面厚度2此处的截面厚度根据胶筒所受的坐封力来确定，由于衬套在轴向上受到的坐封力 F=249.82KN，此作用力在该截面上产生剪力，因此根据剪应力计算公式来确定转折处截面厚度。根据工程力学教科书 P149：。 19 0.6 0.8的取值由公式确定，由前述取=539.2 MPa，S=1.5。得=359.47 S SSSS SMPa，取系数为 0.6，则 =215.68

41、MPa。 根据公式，以及 FA22eAR 式中-为危险截面处的半径，取=38mmeReR则4.85mm，根据其工作条件的复杂性，取=10mm。226.2.86.2.8 胶筒压环的尺寸确定胶筒压环的尺寸确定（1）胶筒压环的材料选取根据机械设计手册上册第一分册 P479，选择衬套的材料为 35CrMo，并可知该材料的屈服强度为 539.2MPa。（2）压环的受力分析压环主要受到来自轴向液缸施加的压力，因此压环承受压应力。（3）确定压环的尺寸由于压环是安装在衬套上，所以其内径 R=38mm，外径为封隔器的最大外径，取R=57.5mm。（4）确定压环的截面厚度尺寸3由（2）分析可知，压环承受压应力，在

42、塑性材料中，拉应力=压应力。效核其强度，根据公式： （6-10） 221SoFRR式中-胶筒外径，=57.5mm；1R1R -胶筒内径，=37mm；oRoR -坐封力，=249.82KN；FF -为极限应力，取值同前，=359.47 MPa S S因此可得=41.07MPa=359.47 MPa，结构合理，能在高压下正221oFRR S常工作。截面厚度尺寸=20mm。36.2.96.2.9 隔环的结构设计隔环的结构设计隔环的结构设计参见采油技术手册P640，由于胶筒在工作密封时会有向 7两端溢出现象，作为三个胶筒的中间分隔件-隔环，此时为了防止对胶筒端部的损坏，应将隔环的圆周方向上设计成弧状，

43、取隔环厚度为 10mm，则隔环的圆周方向设计为半径为 5mm 的半圆状，从而可延长密封件的寿命。6.2.106.2.10 中心管上节流小孔的尺寸设计中心管上节流小孔的尺寸设计（1）根据伯努利方程 （6-11）22112222fPVPVgh中心管节流小孔简图如下：由于 P1 是来自外部的上压，相对而言，中心管长度D1孔口直径，则断面 1-1 流速 孔口=1V=处流速，可忽略不计。不计管路损失，2V1V则有（公式见液压传动气压传动P40 16（2-53） ）： （6-12） 22/VVCP其中 11( /)VaooiCld根据该书 P35 取均为 0.1，=9mm， ol图 6-1 节流小孔简图则

44、=0.9。 VC中心管中心管节流小孔简图D1122由上可得=0.285m/s 2V则液缸要求的流量为：A，由计算可得=1.3 m/s。22qV2q310（2）负载要求液缸内的压力为： （6-13）/PF A其中 F=249.82KN；A=4521.622(5337 )2mm则 P=55.25MPa。 （3）地面提供压力的泵采用水力活塞泵，参见采油技术手册P245 表 2- 745，选取类型为 SHB，其额定冲数时理论排量为 60（/日） ，以每天43433m工作 8 小时计算，其泵的流量为=2m/sq310（4）通过小孔的流量为： =-=2m/s-1.3 m/s=0.7 m/sTqq2q310

45、310310通过小孔的流量由式（2-54）可得： （6-14）2/TgOqC AP所以小孔开口面积为=7.59，由此可得出节流口的半径为 1.5mm。OA2mm6.2.116.2.11 防坐螺钉的尺寸设计防坐螺钉的尺寸设计防坐螺钉主要为了防止在坐封前的误动作而使液缸运动，为此专门设计防坐螺钉，当作用力达到 34KN，剪断螺钉，从而液缸开始上移压缩胶筒，完成坐封。（1）防坐螺钉的材料选取根据根据机械设计手册上册第一分册 P464，选择螺钉的材料为 35钢，并可知该材料的抗拉强度为 315MPa。（2）防坐螺钉的半径设计根据公式 （6-15） /F A只要大于 F 螺钉就能剪断，从而实现坐封运动。

46、式中，的取值同前=1.3，则=242.3MPa； SSSSS S=0.60.8，取系数为 0.8，则=193.85MPa； S F 为当在坐封力作用下能剪断坐封螺钉的力，取 F 为 34KN由计算可得：A20.6，即20.6，从而可得：2mm2R2mm2.56mm，取=2.5mmRR查机械制图P329 附表 6，选取 M5 的开槽盘头螺钉，其长度取为 9mm。 156.2.126.2.12 防转螺钉的尺寸设计防转螺钉的尺寸设计防转螺钉的作用是为了防止在工作过程中转动油管而引起解封的误动作，只有当右转油管 500800N 时，防转螺钉被剪断，从而实现解封。（1）防转螺钉的材料选取根据根据机械设计

47、手册上册第一分册 P464，选择螺钉的材料为 35钢，并可知该材料的抗拉强度为 315MPa。（2）防转螺钉的半径设计 根据公式 （6-16） /F A只要 F 足够大，防转螺钉即可剪断，从而实现解封。式中参数说明：防转螺钉承受剪切力，有前述可知，同前取 1.3， SSSS则=242.3MPa ，取系数为 0.8，则=193.85MPa。 S 0.6 0.8S 取 F 为 500800N，由计算可得：A4.13，即4.13，从而可得：2mm2R2mm 1.25 mm，取=1.25mmRR查机械制图P329 附表 6，选取 M2.5 的开槽盘头螺钉，其长度取为 6mm。6.2.136.2.13

48、轨道螺钉的尺寸设计轨道螺钉的尺寸设计轨道螺钉的主要作用是当防转螺钉剪断后，右转油管，当轨道螺钉从上接头圆周方向的槽内滑入与轴线平行的直槽内，上提油管，从而就能解封封隔器，因此轨道螺钉的设计强度就必须大。（1）轨道螺钉材料的选择 根据机械设计手册上册第一分册 P464，选择螺钉的材料为 35钢，并可知该材料的抗拉强度为 315MPa。（2）轨道螺钉的受力分析在轴线方向上，当承受上压的时候，有一部分的作用力是通过衬套传递到轨道螺钉，在传递给上接头，因此轨道螺钉必须有足够的强度，螺钉需经淬火处理使其强度大大提高，经淬火后的螺钉其强度可达到 8001000MPa，取为 800MPa。因为在承受上压时，

49、封隔器的主要承力件为轨道螺钉，因此其受压力为50MPa，取 F=100KN，根据公式 （6-17）式 /SF A中 ， 同前取 1.3，则=615.4MPa ； SSSS S F-为承受的一部分力，取 F=100KN。 则 A 16.2，即 16.2，2mm2R2mm求得3mmR查机械制图P330 附表 7，选取 M6 的开槽沉头螺钉，其长度取为 l20mm。6.2.146.2.14 确定中心管与上接头的螺纹连接尺寸确定中心管与上接头的螺纹连接尺寸由于在确定中心管的内径时是根据采油技术手册P685（牙型角 55圆锥管螺纹连接尺寸表）的公扣内径最大为 51mm，以及封隔器最小尺寸只有 50mm

50、符合要求，因此，选择中心管与上接头的连接采用 2TBG 的接头，其相关的结构尺寸参见牙型角 55圆锥管螺纹连接尺寸表。 确定封隔器与油管连接的接头尺寸确定封隔器与油管连接的接头尺寸本设计在设计最初就根据目前井场上常用的油管尺寸进行设计，一般井场上常用的油管，因此本设计也选用该油管，封隔器与上下油管相连接的公扣与母扣122相关尺寸参见采油技术手册P838（国产平式、外加厚油管接头规范表） ，选用外加厚油管，其表达为加厚 TBG。1226.2.166.2.16 内锁紧与解封机构的相关设计内锁紧与解封机构的相关设计（1）设计原则：内锁紧机构在封隔器的工作中起锁紧作用，因此其结构设计的合理性关系到封隔

51、器是否能正常密封，其强度必须达到坐封的要求，同时解封过程简单，能实现封隔器的重复坐封。（2）组成部分：内锁紧及坐封与解封机构由中心管，衬套、卡簧座、卡簧体、卡簧总成以及锁块组成（3）工作原理：卡簧结构的设计是根据软卡瓦注水封隔器的研制与应用进行改进，在入井前组装时利用锁块撑起卡簧使其处于工作状态；在坐封过程中，液缸上行推动卡 25簧座上行，当卡簧座上行时其内赤与卡簧啮合，并且单向锁紧，封隔器坐封；在解封过程中，中心管上行使锁块落入其上的小径槽中，卡簧在其本身的结构作用力下收回，封隔器解封。（4）内锁紧机构的特点： 采用内锁紧机构，可以使封隔器的坐封和解封过程中始终保持密封和卡簧的重复动作，实现

52、了封隔器爱井下能重复坐封。（5）内锁机构的结构设计1）卡簧体的结构设计a材料选取：根据机械设计手册上册第一分册 P479，选择液缸的材料为 35CrMo，并可知该材料的屈服强度为 539.2MPa。b结构设计：参见软卡瓦注水封隔器的研制与应用的结构，其具有扶正作用，连接方式采用管螺纹连接与衬套连接，在坐封过程中起支撑卡簧作用，同时与中心管的配合为松配合，但同时要保持一定的同轴度，因为在解封动作中，中心管向上运动，而卡簧体保持不动，所以就要求他们之间必须有一定的同轴度，防止中途卡死而不能达到解封的要求。c与衬套的螺纹连接尺寸选取：其末端的管螺纹参数的选取参见采油技术手册P679，圆柱管螺纹基本尺

53、寸表，选取TBG 的管螺纹型号，长度的选取26.7mm，根据实际情形，选择长度122为 39mm。2）卡簧的尺寸与结构设计由于卡簧起主要的锁紧作用，需承载很大的作用力，因此对卡簧的结构设计非常重要。a.材料选取根据机械设计手册上册第一分册 P467，选取卡簧的材料为 70Mn，并可知该材料的拉伸极限强度784.3MPa。Sb.工作原理利用卡簧的材料为弹簧钢，具有一定弹性，从而使在在工作中利用其弹性，当液缸上行，其内壁的内齿与卡簧啮合，从而锁住上行的液缸，以防止液缸的后退，因此卡簧起着单向锁紧的作用。在下井前的组装中应先使其处于工作张开状态，坐封过程中就可以直接进行单向锁紧作用，解封时，上提油管

54、柱，当中心管处的小环槽向上移动到锁块的位置，锁块退入环槽内，卡簧的压缩力取消，则此时卡簧收回，变回初始状态。c.结构设计 设计的结构参见软卡瓦注水封隔器的研制与应用的结构，并在其基础上进行改进。结构上：将 70Mn 材料的管材，中间制造成通孔，同时在周向上开四个小槽，使其在结构上分成四瓣，在一端端部的内壁加工成螺纹，从而使其与卡簧体连接，工作时，四瓣状向外张开。该设计的特点能比一般的注水封隔器锁紧机构锁紧力大一些，并且能实现重复坐封。d.卡簧的尺寸设计方法：卡簧的尺寸设计采用假设试算的方法。卡簧的结构采用四瓣结构，每瓣为 60，根据卡簧在锁块的作用下发生弯曲，从而产生位移，初步定一片卡簧横截面

55、宽度为 4mm，总长为 140mm。如下图 6-2 所示，A 点为卡簧端部，C 点为锁块作用位置，AB=140mm 为卡簧的长度，为卡簧工作状态时上端的位移即杆件的最大挠度。卡簧的内径为 42mm，外by径为 46mm，即卡簧的截面厚度为 4mm，根据液缸的内径为 53mm，定出卡簧工作状态下的位移即挠度为 5mm。根据公式，见工程力学P385 附录，简单载荷作用下梁的变形，序号 3 图 6-2 卡簧工作前受力图 （6-18）236BPcylcEI式中-绝对值最大挠度，=5mm；ByBy-锁块对卡簧的作用力；P-钢材的弹性模量，=200GPa；EE-极惯性矩；I-卡簧的总长度， =140mm；

56、ll-锁块到卡簧固定端的距离。c的计算根根据机械设计手册上册第一分册 P110，表 1-63 可得：I （6-19）44sin2890RraIa式中 -卡簧的外径，=46mm；RR-卡簧的内径， =42mm；rr -瓣卡簧的半角，=30aa带入数据计算可得：=3.2710 mmI54假设-锁块到卡簧固定端的距离 为 60mm，极惯性矩=3.2710 mm ，带入cI54（18）式，可求得锁块对卡簧的作用力：P=4.09KNP因此对仅有锁块对卡簧的作用力时的强度分析：由上图可知卡簧端部 A 处为危险截面，此时 （6-20）maxmaxmaxmaxyyMyI式中-重心到相应边的距离；maxy-卡簧

57、在 P 点所受到的力矩；maxyM-极惯性矩。I其中 1)的求解公式见机械设计手册上册第一分册 P110，表 1-63： maxy （6-21）33max22sin238.197RrayRra式中-卡簧的外径，=46mm；RR -卡簧的内径， =42mm；rr -一瓣卡簧的半角，=30aa经计算可得：=42.05mmmaxy2) =c=4.0960=2.4510 （6-22）maxyMP3105从而可计算出：=31.59MPamaxmax由卡簧材料 70Mn，可知784.3MPa，取安全系数=1.3，则SS=603.3MPa SSS而 maxmax S可知卡簧采用四瓣结构，每瓣为 60横截面宽

58、度为 4mm，总长为 140mm，这样的尺寸设计是合理的，符合强度要求。确定卡簧在 P 点处产生的挠度 y （6-23）236PxycxEI当= =60mm 时，y=1.7mm。xc3）卡簧座内齿的结构设计a.卡簧座内齿材料选取因内齿结构承受卡簧施加的轴向作用力，其内齿材料和本体液缸材料一致，采用 35CrMo，因为其功能，应对其表面淬火，使其强度提高。b.内齿的结构尺寸设计内齿位于液缸内侧周向上，其设计方法与卡簧的设计方法一样，采用试算法。假定每截内齿宽度为 5mm，高度为 3mm，其加工的位置应根据胶筒压缩的距离确定。c.内齿的结构强度效核根据公式： （6-24） 22SFRr式中-卡簧施

59、加给内齿的作用力，=249.82KN；FF -液缸内径，=53mm；RR -卡簧内齿齿径， =50mm；rr -为极限应力，取值同前，=359.47 MPa。 S S经计算可得：=257.48MPa=359.47 MPa，所以该结构设计合理。22FRr S4）锁块的结构设计a.锁块材料：根据机械设计手册上册第一分册 P519 选取材料为 HT200，其抗拉强度180MPa，如工程力学P134 所述，材料压缩时的强度极限高于拉伸时数值bb的 24 倍。b.锁块尺寸设计：由于卡簧有四块，所以设计锁块的个数为 4 个，每块形状为环状。每块锁块的周向尺寸确定根据下式： （6-25） bPA式中-卡簧对

60、锁块的作用力，其值同前，=4.09KNPP-锁块与卡簧的接触面积；A/6 （6-26）ADh式中 -锁块外径，其取值为 88mm；D-锁块厚度，=5mm。hh经计算可得=230A2mm因此=17.78MPa，该锁块设计合理，能满足强度要求。PA b5）压紧螺母的连接强度根据公式jcrpPAU其中-最小连接强度；jP -内螺纹的临界横截面积=0.7854（） ，；crAcrA22Dd2in -螺纹外径，；Din -螺纹内径，；din -材料的最小抗拉强度，=92948.72psi；。pUpU经计算 =0.378 crA2in则 =35134.6psi=242.31MPajP而压紧螺母受到的最大压