毕业设计（论文）-可伸缩热采封隔器的设计

PAGEPAGE42可伸缩热采封隔器的设计摘要：由于目前热采封隔器多采用热胀式，该类型封隔器没有管柱受热膨胀补偿装置，而且解封时要降温，但注完蒸汽后井温很难降低，造成解封困难，密封效果不好。针对这些问题，设计了可伸缩热采封隔器。该封隔器主要由密封机构，坐封机构，解封机构，扶正锚定机构，热力伸缩补偿机构，安全脱卡机构组成。它将封隔器与伸缩管设计成一体，确保了管柱受热膨胀并简化了热采管柱的结构；采用V形膨胀石墨密封圈组成密封系统，确保伸缩管热力伸长时封隔器的密封性；采用左旋上提管柱坐封，右旋脱锁，上提管柱解封，操作过程中不需降温，确保了坐封与解封的可靠性。与常规热采封隔器相比，该封隔器上提坐封时操作简单、安全，坐封显示准确；注汽施工过程中，封隔器悬挂在套管内，承受单向压差；采用碟形弹簧压力补偿复合式密封件，密封性能好；上提管柱解封时操作方便，封隔器解封顺利.关键词：热采封隔器；伸缩管；密封；热力补偿；结构设计ScalablePackerOfThermalRecoveryAbstract：Mostofthermalrecoverypackersbeingusedcurrentlyarethermalexpansionpackers.Withpoorsealingperformance,thosepackershavenocompensationdeviceofthetubing’sthermalexpansionandarealldifficulttobereleasedbecauseloweringthedownholetemperatureisnoteasytobeachievedwhichisessentialtoreleasingoperation.Tosolvetheseproblems,ascalablepackerofthermalrecoveryisdeveloped.Itiscomposedofsealingmechanism,seatingmechanism,releasingmechanism,stabilizingandanchoringmechanism,compensationmechanismofthermalexpansionandsafety-ensuredslip-relievingmechanism.Withcompensatingpipeinthepacker,itsimplifiesthestructureandcompensatesthetubing’sthermalexpansion.TheapplicationofV-expandedgraphiteringincreasesthesealingquality,mechanicalseatingandreleasingsystemensuringthereliabilityofseatingandreleasing.Comparedwithconventionalthermalrecoverypacker,thispackerhassuchadvantagesasaccurateseating,bearingjustonedirection’spressureduringdownholeoperation,goodsealingperformance,simplebutreliablereleasingsystemandsoon.Keywords：thermalrecoverypacker；compensatingpipe；thermalcompensation；sealing；structuraldesign目录1绪论 11.1题目意义 11.2国内外发展现状 21.3主要设计内容 31.3.1设计技术参数 31.3.2结构及性能特点 32封隔器基本标准 42.1封隔器的分类 42.2封隔器的型号编制 42.3代号说明及应用举例 42.4油田用封隔器的通用技术条件 52.5封隔器的应用 62.6封隔器设计原则 63总体方案与结构设计 83.1总体方案设计 83.1.1结构组成 93.1.2工作原理 93.1.3技术关键 103.2结构设计 103.2.1胶筒工作方式的选择 113.2.2锚定机构的选择 133.2.3锁构紧机选择 153.2.4热力伸缩补偿方式的选择 173.2.5密封方式的选择 183.2.6解封方式的选择 194设计计算 204.1胶筒的设计计算 204.1.1热采对密封胶筒材料的性能要求 204.1.2密封胶筒的材料组成及性能 204.1.3对密封胶筒总成有关力学性能的分析 224.2卡瓦的设计计算 244.2.1卡瓦与套管间接触应力分析 254.2.2卡瓦结构的优化设计 284.2.3卡瓦材料的选择 294.2.4卡瓦的强度校核 294.3剪钉的设计计算 304.3.1坐封剪钉的设计计算 304.3.2解封销钉的设计计算 314.4锥体的设计 314.4.1锥体的作用 314.4.2材料选用 324.4.3技术要求 324.5弹簧的设计计算 324.5.1材料的选择 334.5.2弹簧的尺寸计算 334.6导向螺钉的设计计算 354.7碟形弹簧的设计计算 355校核计算 375.1伸缩管壁厚的校核计算 375.2锁紧机构的校核计算 385.3定位爪的校核计算 385.4剪切滑套的校核计算 406结论 41参考文献 42致谢 431绪论1.1题目意义现今中国已开发油田多数已处于高含水和高采出程度阶段，东部多数老油田综合含水高达85％以上，可采储量采出程度达到70％以上。老油区经过多年加密调整和注水开采，依靠常规方法开采稳产难度越来越大。由于中国油田大多为陆相沉积，油藏非均质性严重，原油粘度较高，因而水驱采收率较低。目前中国注水开发油田平均采收率仅为32％，有68％的地质储量依靠常规开发技术难以采出，只有依靠新技术才能进一步提高油田采收率。热力采油作为一项大幅度提高原油采收率的技术应运而生，它主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、热水驱、火烧油层等。热力采油主要用于稠油油藏，此外还用于高凝油油藏的开采，普通黑油油藏也开展过热力采油的尝试。但其在稠油开采中的应用潜力尤为巨大。目前，中国稠油年产量约占原油总产量的10％。全球稠油储量也非常丰富，稠油资源量约为普通原油资源量的3倍。根据中国第二次全国资源的评价资料，中国稠油的资源量约有，目前全国陆上仅探明约，稠油勘探潜力巨大。随着稠油储量的不断发现，稠油将在原油产量中占有越来越重要的地位，它对世界石油能源的供给发挥着巨大的作用。稠油将是21世纪能源的新星。鉴于稠油对能源的重要性，热力开采石油作为稠油开采的重要技术成为了目前世界上规模最大的提高原油采收率工程项目。热力采油的效果主要体现在加强降粘、热膨胀、轻烃蒸馏、岩石表面向水湿转变、油相渗透增加、乳化驱替等。由此可见，热力采油对提高采收率具有明显的实用性与经济效益。因而研制出一套与热力采油相适应的井下工具对热力采油的推广与应用起着极为重要的作用。封隔器作为油田采油工具中重要井下工具自然成为了研制对象之一。但在热力采油井下作业时，常常面临着高温高压的工作环境，因而对井下封隔器要求比较苛刻。如注蒸汽采油时既要求耐温、耐压密封、又要解决受热膨胀蠕动时伸缩密封问题。要求涨封、解封灵活，容易取出。考虑到热采短期的单井吞吐及长时间面积注汽时，蒸汽、油、天然气、水对封隔器的腐蚀条件下，应保证封隔器能长时间密封，解封方法也应多样化，适应各种不同使用条件的需要。目前热采封隔器多采用热胀式，解封时要降温，但注完蒸汽后井温很难降低，造成解封困难；隔热密封热效果也不好，热损失较大，不但影响了吞吐效果，也极易使套管损坏。针对这些问题，在本次毕业设计中，进行了可伸缩热采封隔器的设计。1.2国内外发展现状封隔器是井下管柱的核心组成部分，在采油工艺中起着极重要的作用。从早期的“种子袋”封隔器问世以来，封隔器的发展经历了一百多年的历史，其种类繁多。最早出现的封隔器不带有锚定机构，它的结构简单，用途单一，承压能力低，随着石油工业的发展，人们发现，它远不能满足生产的需要，这样就出现了带有锚定的封隔器。封隔器大致经历了由无锚定到单向锚定和双向锚定的发展过程。一般来讲，无锚定封隔器双向承压能力都比较低，单向锚定封隔器只有较高的单向承压能力，而双向锚定封隔器则具有了较高的双向承压能力。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。对于支撑式而言，是以井底（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；而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。在当前各大油田中，大多使用的封隔器为以上几种形式，但是还不能解决问题。20世纪20年代首次出现了热力开采石油技术，60年代便在世界上一些著名的稠油油田得到了推广应用，这使钻井、完井工艺不断向高压、高温和复杂的深部地层方面发展，普通封隔器难以胜任，因而对封隔器性能提出了种种更高的要求，促使封隔器的研制工作趋向专业化，研制的产品日益丰富。辽河石油勘探局曙光采油厂最初设计研制出的热胀式塑料密封热采封隔器，是利用高温下封隔器内液体热胀剂汽化膨胀以克服热胀筒和耐高温塑料密封套的屈服应力及外部注汽压力，从而实现封隔的。这种封隔器能较好地适应稠油热采高温高压的工作条件，但同时也有解封困难的特点。随后他们又设计出了FO-152型稠油注汽热采封隔器，由普遍采用的面密封改为线密封，取消了伸缩管，动力件采用记忆金属合金制成，并具有动态密封性。该型封隔器结构简单、性能可靠，既节约成本，又提高了注汽质量，并减少的套管的损坏，在稠油蒸汽吞吐井上使用效果很好，具有明显的优越性。胜利油田有限公司孤岛采油厂使用的BK361系列补偿式封隔器是在热敏金属扩张式封隔器的基础上改进而成的，同时结合了井下补偿器的工作原理，使其在注汽过程中既能密封油套环形空间又能起到热补偿的作用。它具有坐封时间短，解封迅速可靠和密封性好的特点。大庆油田有限责任公司采油工程研究院研制的Y211可伸缩热采封隔器仍然采用机械压缩胶筒的形式，避免热胀式解封困难的缺点；同时它将封隔器与伸缩管设计成一体，增加了V型石墨动态密封圈，能很好实现热补偿，并保证密封性。该型封隔器具有坐封解封操作简单可靠的特点。1.3主要设计内容1.3.1设计技术参数适用套管内径：154.79～159.41mm刚体最大外径：150mm刚体最小通径：76mm总长度：6300mm工作压差：≤20MPa工作温度：≤375℃坐封压力：150kN解封压力：50kN1.3.2结构及性能特点该可伸缩热采封隔器主要由密封机构，坐封机构，解封机构，扶正锚定机枪，热力伸缩补偿机构和安全脱卡机构组成。它将封隔器与伸缩管设计成一体，采用V形膨胀石墨密封圈组成密封系统，确保伸缩管热力伸长时封隔器的密封性。采用左旋上提管柱坐封，右旋脱锁，上提管柱解封。可耐压20Mpa，耐温375℃。其主要特点如下：（1）该热采封隔器上提坐封时操作简单、安全，坐封显示准确；（2）注汽施工过程中，封隔器悬挂在套管内，只承受受单向压差；（3）采用碟形弹簧压力补偿复合式密封件，密封性能好；（4）上提管管柱解封时操作方便，封隔器解封顺利。2封隔器基本标准2.1封隔器的分类分类方法：按封隔器封隔件的工作原理分类分为：(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以实现密封的封隔器。(4)扩张式：一定压力的液体作用与封隔件内使封隔件,直径扩大以实现密封的封隔器。2.2封隔器的型号编制按封隔器分类代号、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。如图2.1所示。图2.1代号示意图2.3代号说明及应用举例（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，其方法应符合表2.1的规定。表2.1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，方式应符合表2.2规定。表2.2支撑方式代号表支撑方式名称尾管单向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，方式应符合表2.3规定。表2.3坐封方式代号表解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，方式应符合表2.4规定。表2.4解封方式代号表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：①Y411--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.②华北K341--140型裸眼封隔器。表示：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，适应于裸眼井。2.4油田用封隔器的通用技术条件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，是封隔件始终处于工作状态。（3）解封按给定的方法和载荷，解除封隔件的工作状态。（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2）封隔器的基本参数（1）工作压力工作压力数值应从以下给出的系列中选取。单位/MPa。压力0.71.01.52.02.53.55.07.010.0工作温度数值从以下给出的系列中选取。单位/℃温度55708090120150180300370（2）刚体最大外径刚体最大外径的数值优先从以下给出的系列中选取。单位/mm。最大外径9095100105115120135140144148152165185（3）刚体内通径刚体内通径的数值优先从以下给出的系列中选取。单位/mm。刚体内通径3840465055627685951001052.5封隔器的应用封隔器的应用范围非常广泛，几乎涉及到勘探和开发的各个生产过程，相比其它工具，封隔器的性价比较高，而且很方便，封隔器在井下工作可实现以下功能：隔绝井液和压力，保护套管不受损坏，改善套管工作条件。封隔产层或者施工目的层，防止层间液体和压力互相干扰，以适应各种分层技术措施的需要，以便于进行堵漏、堵窜等修井作业。保存并冲分利用底层能量，提高油井生产效率使油井的控制仅限于地面油管，确保安全和最大限度地控制地层。利于采用机械采油的方式。应用于气井开发中（尾管下至射孔段以下），可以缓和气井液面过早上升。通常，封隔器不能应用在下列场合：杆式泵抽油井电潜泵抽油井靠环形空间生产的低硫高产油井油套同出的低硫干气井2.6封隔器设计原则井下封隔器种类繁多，它是广泛应用于自喷井采油、非自喷井采油（机械采油等），以及分层注水、分层压裂酸化、分层测试作业、修井和固井等作业中的一种重要入井器具。油井封隔器是分隔油层实行分层开采的主要井下工具。油田常用的油井封隔器主要形式有：支撑式、卡瓦式和水力压缩式。它们的作用都是用于井下分隔油层等。另外，当钻探过程中遇到良好油、气显示或地质、气测、录井有良好显示时，在井身条件许可的情况下，可停钻进行中途测试。封隔器是测试的主要工具，其作用是把泥浆液柱与要测试的地层隔绝开来，以保证投铁棒打碎玻璃时能最大限度的降低井底压力，使油气通过钻杆至地面，完成中途测试的任务。当封隔器下入井中去封隔油层时，称为“坐封”。大多数封隔器坐封基本机理是：（1）推动锥形卡瓦后面的锥体，把卡瓦撑开，使其贴到套管壁上，并防止封隔器移动；（2）压缩密封元件，形成有效密封。它们的主要工作原理都是压缩或胀开封隔器的胶筒，使其径向增大，使胶筒进入套管内壁，从而达到封隔的目的。虽然这个最终原因是相对简单的，但是，完成这些动作的方法以及后来封隔器的解封和取出，对各种类型来说彼此有明显差别。封隔器的选择包括对封隔器在井中预期目的分析，例如先期完井、采油增产措施和修井工艺等。应选择具有最低综合成本又能达到目的的封隔器，同时既要考虑到目前又要考虑到将来的油井情况。初期投资和安装成本不应是唯一的标准。封隔器的综合成本是与可取出性和损坏率有关的，并且直接和这样一些多变因素，例如在井下工作期间与是否伤害地层有关。所以，在设计封隔器时，应遵循下述设计原则：（1）改进封隔器的结构，提高封隔器安全可靠性及技术性能；（2）在不影响技术性能的前提下，尽量简化结构，降低成本；（3）综合考虑封隔器的整体结构来设计承压平衡、坐封平衡和下锥体脱卡问题。另外，在封隔器设计时还应注意：（1）锚定方式选择（2）坐封后的承压平衡（3）解封方式选择（4）双锥体结构锚定机构的下锥体脱卡（5）缩紧机构的设计与选择。3总体方案与结构设计3.1总体方案设计热采封隔器是稠油开采过程中十分重要的井下工具之一，其性能的好坏直接影响注汽效果和套管的使用寿命。随着稠油开发的不断深入以及热采技术的飞速发展，各稠油开发油田先后研制和推广使用了10余种热采封隔器，在这些热采封隔器设计中井筒隔热方式也不断发展变化，从普通油管到真空隔热管，从最初的液氮隔热、机械封隔器隔热到后来的热胀式、热敏金属封隔器隔热，隔热效果一直在不断地提高。目前，国内大部分热采管柱采用“真空隔热管+伸缩补偿器+热敏金属封隔器+喇叭口”的结构，这种结构存在两个方面的问题：（1）该结构中伸缩补偿器及其导管都是单壁管，注汽时无法隔热，热损失较大。据曙光油厂现场实测，伸缩补偿器热损失大约占总损失量的15%以是；（2）据统计，55%的热采封隔器密封效果不好，不但影响了吞吐效果，也极易使套管损坏。（3）解封时要降温，但注完蒸汽后井温很难降低，造成解封困难。上述问题的存在，导致普通热采封隔器在使用过程中注汽效果差、对套管使用寿命影响严重，难以降低注汽作业费用和保证良好的经济效益。因此研究一种性能可靠、结构合理的封隔器来提高稠油吞吐井井筒隔热和密封效果势在必行。设计的可伸缩热采封隔器方案如图3.1所示。该封隔器主要由密封机构，坐封机构，解封机构，扶正锚定机枪，热力伸缩补偿机构，安全脱卡机构等组成。它将封隔器与伸缩管设计成一体，采用V形膨胀石墨密封圈组成密封系统，确保伸缩管热力伸长时封隔器的密封性。采用左旋上提管柱坐封，右旋脱锁，上提管柱解封，坐封与解封都操作简单、安全，坐封显示准确、解封顺利。图3.1可伸缩热采封隔器结构示意图1—上接头；2—剪切销钉；3—密封套接头；4—固定销钉；5—上压盖；6—密封圈；7—挡环；8—密封套；9—中心管；10—限位环；11—导向螺钉；12—卡瓦；13—弹簧；14—卡瓦挡环；15—卡瓦体；16—坐封销钉；17—剪切环；18—锥体；19—锁环；20—上挡环；21—胶筒总成；22—下挡环；23—碟形弹簧；24—标准环；25—外套；26—定位爪；27—剪切挡环；28—剪切滑套；29—伸缩管；30—下接头；31—连接螺钉3.1.1结构组成该可伸缩热采封隔器结构如图图3.1所示，主要由密封机构、坐封锁紧机构、解封机构、扶正锚定构构、热力伸缩补偿机构、安全脱卡机构组成。密封机构主要由胶筒总成、碟形弹簧、上挡环、下挡环、标准环组成。胶筒总成由肩部保护金属网、膨胀石墨等组成；坐封锁紧机构主要由中心管、锥体、锁环、导向螺钉、卡瓦、坐封销钉等组成；解封机构主要由外套、定位爪、剪切挡环、剪切滑套、伸缩管、下接头、剪切环组成；锚定机构主要由限位环、导向螺钉、卡瓦、弹簧、卡瓦挡环，卡瓦体、中心管、锥体等组成；热力伸缩补偿机构主要包括上接头、剪切销钉、密封套接头、固定销钉、上压盖、密封圈、挡环、密封套、伸缩管等组成；安全脱卡机构主要包括中心管、剪切滑套、伸缩管、下接头等组成。3.1.2工作原理（1）坐封该封隔器中心管上有J形轨道。当封隔器下到预定深度时，左旋油管1/4圈（地面3～4圈），靠摩擦片与套管的摩擦作用，使卡瓦限位环上的导向螺钉沿J形轨道由短槽进入长槽，然后上提油管，限位环、导向螺钉、卡瓦、弹簧、卡瓦挡环、卡瓦体靠卡瓦与套管的摩擦作用静止不动，中心管带动锥体一起上行，锥体将卡瓦胀开卡在套管上。此时，限位环、导向螺钉、卡瓦、弹簧、卡瓦挡环、卡瓦体、锥体、锁环固定不动，继续上提管柱，中心管带动下挡环、碟形弹簧、标准环、外套、定位爪、剪切挡环、剪切滑套上行，下挡环压缩胶筒实现封隔器坐封。同时，锁环在锥体的作用下，将中心管锁住，使胶筒无法弹回。在坐封过程中，上提力使碟形蓄能机构蓄能，蓄能机构可以提高胶筒密封的可靠性。（2）伸缩管脱锁完成封隔器坐封后，通过正向旋转管柱，使封隔器上接头脱开，上提管柱一定距离（根据伸缩距确定），当注入蒸汽时，补偿油管热力伸长，确保封隔器正常工作。（3）解封在解封过程中，上提伸缩管，当下接头与剪切滑套接角后，右旋管柱，使下接头、剪切滑套的防转机构咬合，继续上提，剪切滑套剪断解封销钉，在下接头的带动下上行，定位爪失去内支撑，与外套脱离，完成封隔器解封。3.1.3技术关键目前在用的热胀式封隔器没有管柱受热膨胀补偿装置，热采管柱要用伸缩管。伸缩管用于注蒸汽开采稠油时补偿管柱的热力伸长，与预应力隔热油管、耐热封隔器配套使用。而文中所设计可伸缩热采封隔器将封隔器与伸缩管设计成一体，简化了热采管柱的结构。（1）封隔器及伸缩管的优化组合设计伸缩管上部与密封套接头采用左旋矩形螺纹连接，下部采用左旋油管螺纹与封隔器下接头连接，下接头连接尾管及配套工具。另外在封隔器下接头与剪切滑套上设计了防转机构；在伸缩管与封隔器密封上采用V形膨胀石墨密封圈，并在两端设计有可调压装置，确保伸缩管热力伸长时封隔器的密封。（2）封隔器安全脱卡机构的设计一旦解封失败，上提并向右旋伸缩管，此时下接头转动(如图3.2所示)，可以将伸缩管与封隔器下接头及尾管脱开。起出伸缩管为后续工作让出中心通道。图3.2剪切滑套下接头图3.2剪切滑套下接头3.2结构设计结构设计的主要任务就是依据所确定的原理方案，在总体设计的基础上绘制出具体的结构图案，以实现所要求的功能。在选择零件的材料、确定零件的形状、尺寸时，必须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件的相互关系等问题。因此，结构设计是本次毕业设计中涉及问题最多、工作量最大的一个重要步骤。3.2.1胶筒工作方式的选择胶筒工作方式是指封隔器工作时使密封元件（即胶筒）产生塑性变形以达到中心管与套管间环形空间密封的具体实现方法。现有的各稠油开发油田先后研制和推广的10余种热采封隔器，按胶筒工作方式大至可分为热胀式、热敏金属式和机械压缩式等几种类型。热胀式封隔器热胀式塑料密封热采封隔器的结构如图3.3所示，这种封隔器结构为三层薄壁筒型，由内到时外依次为支承筒、热胀筒与耐高温塑料密封套，中心管和油管连接，中心管外部环形空腔内注入一定量的液态热胀剂。将封隔器下入油井预定深度后，坐好热采井口，即可进行注蒸汽作业。注蒸汽时，当中心管内的蒸汽温度上升到某一温度值时，封隔器环形腔内的液态热胀剂便汽化膨胀，内部压力足以使热胀筒和密封套进入塑性屈服状态。随着注入蒸汽的温度不断升高，热胀剂压力也将升高，热胀筒和耐高温塑料密封套塑性屈服增大，直至封隔套管和隔热管的环形空间，达到隔热与选注的目的。在作业转抽的洗井过程中，由于热不的温度只有70℃左右，远低于150℃，封隔器内腔中业已汽化的胀剂便发生液化，腔内压力降低，在外部洗井液压力作用下热胀筒和密封套收缩，此时上部隔热管便可自动解封。图3.图3.4BK361系列补偿式热采封隔器结构示意图隔热管接头2-保护钩3-保护环4-销钉5-中心管6-密封填料7-上压盖8-热敏金属片9-密封总成10-下压盖11-热补偿管12-下接头工作图3.3热胀式塑料密封热采封隔器结构图1-耐高温塑料密封套2-热胀筒3-支承筒2)热敏金属封隔器如图3.4所示，当封隔器下入井下指定位置后，注入热蒸汽，由于封隔器温度升高致使热敏金属片产生挠曲变形，密封胶筒产生膨胀变形。当温度达到200℃时，在热敏金属片的变形力和注蒸汽压力双重作用下，密封胶筒向外扩张与套管内表面接触实现初步坐封。当初封产生的摩擦力大于销钉的剪切力时，隔热管受热伸长，销钉被剪断。补偿管在封隔器内产生滑动起到补偿作用。当封隔器温度继续升高，压力升高，这样热敏金属片继续产生变形力，套管内封隔器上下产生压差，所注蒸汽由下接头的周围通孔、中心管与热补偿管间的环形空间，通过中心管上的平稳气孔继续推动密封胶筒向外扩张，实现热力坐封。注汽压力越大，温度越高，密封压力越大，保证了密封的持久性与可靠性。‘停止注汽后，随着压力与温度的下降，密封胶筒自动收缩，实现自动解封，可进行下一步的作业。由于密封胶筒收缩彻底，所以封隔器解封后上提时不会发生遇卡等现象。3)机械压缩式热采封隔器如图3.5所示，该封隔器下井过程中，下轨道螺钉挂在下卡瓦座的J形钩上，中心管上的4个平衡通道畅通，可避免封隔器中途坐封。封隔器下入井内预定位置后，上提管柱，右旋并下放管柱，下轨道螺钉便从下卡瓦座的J形钩中滑出。由于摩擦块与套管内壁摩擦力的作用，中心管与下卡瓦发生相对位移，下锥体将下卡瓦撑开咬在套管内壁上。中心管继续下移，上卡瓦接触上锥体后被咬在套管内壁上，同时上轨道螺钉进入上J形钩，压帽压在上卡瓦座上，中心管上的密封面与密封总成接触并密封。继续下放管柱，中心管、上卡瓦、上锥体、上J形钩、上轨道螺钉和胶筒座等同时下移，压缩胶筒，完成坐封。解封时，上提管柱，剪断上J形钩与中心管间连接的销钉，继续上提管柱，上下卡瓦分别与上下锥体脱开，胶筒恢复原状，液体平衡通道打开，完成封隔器解封。结合本次毕业设计，对于热胀式和热敏金属式封隔器，解封时要降温，但注完蒸汽后井温很难降低，造成解封困难，所以综合考虑采用机械压缩式热采封隔器。图3图3.5Y411-115型可取式双卡瓦封隔器结构示意图1-上接头2-中心管3-压帽4-弹簧5、10卡簧6-上卡瓦座8-卡瓦弹簧9-支撑环11-销钉12-上J形钩13-上锥体14-上轨道螺钉15-胶筒座16-螺钉17-密封总成18-长胶筒19-隔环20-短胶筒21-下锥体22-衬套23-摩擦块24-摩擦块弹簧25-下卡瓦26-下卡瓦座27-压套28下轨道销钉29-下接头3.2.2锚定机构的选择锚定结构的主要起支撑作用，其作用原理是将封隔器支撑在套管壁上，防止封隔器由于纵向移动从而影响密封性能，或引起封隔器过早解封，主要包括水力锚和卡瓦，有的封隔器直接采用封隔件对套管进行锚定。1）水力锚锚定结构水力锚使用比较广泛，它通常由许多卡瓦牙或锯齿形锚爪构成，既可以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。如图3．6所示为液压油管锚的结构示意图，它由接头、中心管、弹簧、胶圈、活塞、锥体、卡瓦、卡瓦座、马牙环等结构组成。图3．6液压油管锚结构示意图图3．6液压油管锚结构示意图1-上接头2-中心管3-弹簧4-胶圈5-上活塞6-锥体7-卡瓦8-卡瓦座9-马牙筒10-下活塞11-马牙环12-剪钉13-活塞14-剪钉15-下接头液体经地面泵车打压通过中心管的孔眼进入上活塞，在弹簧力的辅助作用下推动活塞向下移动，从而使锥体楔入卡瓦使卡瓦撑开咬住套管内壁，使封隔器不能纵向移动。这种锚定机构具有结构简单，可操作性强，使用方便等优点，但是由于其单独成为一个机构，失去了封隔器的自身的灵活性。而且一旦锚定失败，进行打捞的难度比较大。2）卡瓦锚定结构卡瓦也是一种常用的锚定结构，美国使用的最早，早期的封隔器由于下井深度浅、承压能力低，一般无需带卡瓦，或者只在胶筒上部采用卡瓦设计。随着封隔器下井深度的增加及井下情况复杂程度的增大，单极卡瓦和多极被广泛的采用，特别是在深井和高压井作业中，卡瓦的使用越来越普及。但卡瓦在锚定后有时会出现松动，使密封件失去压缩力，密封失效的缺点。图3．7为水力单向卡瓦结构示意图。其主要由锥体、卡瓦、卡瓦座、中心管、弹簧、中间接箍、接头等零件组成。该工具主要用于防止封隔器的上下移动，减轻管柱所受的拉力，这种卡瓦式结构具有结构简单，工作可靠的优点。图3．7水力单项卡瓦结构示意图图3．7水力单项卡瓦结构示意图1-接头2-卡瓦3-中心管4-卡瓦座5-中间接箍6-壳体7-弹簧8-底托9-剪钉10-下接头双卡瓦、双锥体结构既两套单向卡瓦、双锥体结构。一般两套单向卡瓦河双锥体正反相接。正卡瓦用于防止封隔器上顶，反卡瓦防止封隔器下滑。这种封隔器结构紧凑，加工容易。现有的封隔器设计上还有将两套卡瓦锚定分别置于封隔件上部和下部的结构形式，这种双向锚定方式主要存在封隔器解封时的下锥体脱卡问题。虽然双锥体结构的锚定提高了封隔器的承压能力，但同时却降低了封隔器解封的安全可靠性。目前油田现场出现的很多卡封事故，大都是由于锚定机构引起的。这主要是设计问题或加工问题，如单向卡瓦和燕尾槽配合时，若卡瓦在封隔器坐封时前部悬空，则在较大的坐封载荷下悬空部分将产生一定程度的弯曲变形，严重时造成卡瓦无法收回，造成卡封事故。而有一些则是由于锚定机构自身问题，如双锥体机构的锚定，其本身不可能有下锥体脱卡的功能。双锥体双向锚定封隔器上提解封时，上锥体可由主动力拔开，使上部卡瓦失去支撑而脱卡，当继续上提时，将上拔下部卡瓦，若下锥体没有脱开时，将不能脱卡，造成卡封事故。下锥体脱卡问题是目前国内外设计双锥体双向锚定封隔器（单独下工具解封方式除外）一般都利用主动力使下锥体脱卡。因此，为了保证封隔器安全解封，应充分考虑下锥体的脱卡问题。在设计封隔器时，可在下锥体部位设计脱卡机构，其特点是该机构允许封隔器内中心管向上移动，当内中心管向下移动时，该机构卡在内中心管上带动下锥体一起向下运动使其脱卡。3）自锁锚定机构由于水力锚定和卡瓦锚定机构存在很多问题。而且卡瓦结构设计相对复杂，降低了封隔器解封的安全可靠性。自锁锚定机构是在封隔器上设计有锁套和卡簧步进锁紧机构，其中锁套或者卡簧步进锁紧机构移动都可以实现自锁，其结构示意图如图3．8所示。图3．8自锁锚定结构示意图图3．8自锁锚定结构示意图1—挡环2—卡簧座3—卡簧4—锁套其作用原理是当液体压力经液缸传到锁套，锁套向上运动，锁套上面布有很多特殊的锯齿，当锁套与卡簧解触时，卡簧镶入锁套，锁套只能单方向向上运动，向下运动被锁死，实现自锁功能。这种自锁锚定机构简单实用，无需单独设计，而且具有很好的自锁功能，其锚定力可达到100KN。结合本次毕业设计，自锁锚定机构不但可以起到锚定作用，还可以实现自锁功能，在封隔器的设计当中，不但简化了整体结构，而且设计简单，所以综合考虑采用自锁式锚定机构。3.2.3锁构紧机选择封隔器在坐封后要进行卸压。一般都采用锁紧机构锁紧以防封隔器封隔件退回，目前封隔器的锁紧机构重要有以下几种可供选择。1）卡簧式锁紧机构图3.图3.9卡簧式锁进机构示意图1—卡簧体2—承压环3—卡簧4—卡簧座2）密封式锁紧机构封隔器坐封时，液体进入封隔器液缸液压力推动活塞压缩封隔件（或扩张封隔器）卸压后密封机构使液体只能进不能出，一直保持坐封压力。密封机构可以采用针阀或球阀以及单流阀、胶件结构。如图3.10所示为密封式锁紧结构示意图。由图可知，液体可通过传压孔进入液缸内，产生液压力压缩封隔件，卸压后由于密封胶心的单方向作用，进入液缸内的液体不能泄出，一直保持坐封的液压力。在设计这种结构时，可采用组合式密封，使用金属环保护密封胶心，以保证液缸内的液压力能维持较长的时间。密封式锁紧机构主要存在卸压慢的问题，不能满足长期密封要求，对于短期试油用的封隔器可考虑使用这种锁紧结构，一般情况下不宜选用。图3图3.10用胶件的密闭式锁进机构示意图1—心管2—密封圈3—刚套4—传压孔5—密封胶心3）双面螺纹步进锁紧机构这种锁紧机构由双面带有特殊螺纹的锁环和锁环套等组成，其结构如图3.11所示。设计时，封隔件回弹距可控制在4mm以内，这种锁紧机构由于两面带有特殊螺纹的锁环，开口后要产生一定程度的变形，因此主要存在的问题是加工难度大。在设计时要注意其合理性。图3图3.11双面螺纹步进锁进机构1—锁环座2—锁环套3—锁环4）单面螺纹步进锁紧机构这种锁紧机构由一面带有特殊螺纹，一面带有锥面的锁环和锁环座等机构组成，其结构如图3．12所示，锁环可以在锁环座上单方向移动，反方向锁紧。设计回弹距可控制在4mm以内，机构紧凑。这种锁紧机构是在双面螺纹步进锁紧机构的基础上发展起来的，它解决了加工难度大的问题，同时提高了可靠性，从我国机械加工能力及使用可靠性等方面考虑，应优先选用单面螺纹步进锁紧机构。图3图3．12单面螺纹步进锁紧机构1—锁环座2—限位套3—锁环4—锁环套结合本次设计中可伸缩热传采封隔器的工作机理与结构特点，在坐封过程中中心管相对锥体只能向上单向运动，反向运动受限，以达到实时锁紧，从而保证对胶筒的压缩，实现对封隔器与套管间环形空间的密封。考虑到密封式锁进机构密封时间短，卸压慢；卡簧式锁紧机构中卡簧一般是卡在中心管上的环形槽中，工作时中心管带动卡簧运动；单面螺纹步进锁紧机构则必须与相应的限位套配合使用。而双面螺纹步进锁紧机构不需设计专门的限位套，只需锁环座、锁环套和锁环即可实现运动，锁环与锥体相对位置固定，不必随着中心管运动，且可反复加力，分级压缩，使密封件充分变形，并可减少销钉的冲击，实现“柔性剪切”，其结构特点简单、可靠、操作方便，特别是占据空间少，最适合于环形空间受到极大限制的井筒内作业。所以综合考虑采用双面螺纹步进锁紧机构。3.2.4热力伸缩补偿方式的选择在稠油的热力开采技术中，无论是对于蒸汽吞吐采油、蒸汽驱采油，还是对于热水驱采油、火烧油层，井下工作温度大都在100℃—400℃范围内，这样井下管柱会因为温度的变化而产生热力伸缩，所以在热采封隔的结构设计中井下管柱的热力伸缩成为了必须考虑的主要因素之一。目前研制和开发的热采封隔器使用的热力伸缩补偿方式包括：1）封隔器与井下补偿器的配套使用2）在封隔器中心管中设计一热力补偿管，受热时热力补偿管可在中心管中沿轴向运动，从而实现了自行长度补偿。3）直接利用密封筒与套筒之间摩擦力较小的特点，当管柱受到热力伸长时密封筒能在密闭状态下直接在套筒内沿轴向上下移动，因而该结构具有动态密封性。对于方式1），由于封隔器必须与相应的补偿器配套使用，这样不利于节约成本，而且随着使用配件的增多，井下事故发生的几率也相应增大，这不符合井下作业与封隔器发展趋势；对于方式2），由于伸缩管及其导管都是单壁管，注汽时隔热效果差，热损失较大，而且由于受热力伸缩管与中心管之间有轴向的相对运动，这对密封的设计提出很高的要求；对于方式3），由于在注汽过程中密封筒会随着注汽管柱的伸缩而沿套管内壁滑动，因而具有动态密封性，同时可以减少热损失，提高热注效果。在本设计中，封隔器采用了卡瓦自锁锚定方式，密封胶筒在坐封后就不能在套管内沿轴向运动，所以综合各方面因素采用在封隔器中心管中设计一热力伸缩管的方式来进行管柱热力伸缩补偿。3.2.5密封方式的选择在蒸汽吞吐采油和蒸汽驱采油过程中，常常是将高温高压的蒸汽注入到热采井中，而且由于在热力伸缩补偿方式中选择了封隔器与热力伸缩管相配合的方式，注汽作业开始时热力伸缩管与中心管间便会有轴向的上下运动，因此如何保证在这种工作情况伸缩管与中心管之间良好的密封性就成为本次密封方式设计的关键之处。根据上面的分析可知，伸缩管与中心管之间的密封方式属于高温高压情况的往复轴密封，这属于动态密封的一种。常见的往复轴密封方式有O形圈密封、Y形密封和V形密封，现分别介绍如下：（1）O形圈密封O形圈是一种挤压型密封件，有良好的密封性，是最通用的一种密封类型。它的使用范围很宽，从1.33×10-5的真空，到400Mpa的高压（动密封达35Mpa）。如果材料选择恰当，使用温度范围可从-60℃到200℃。而且使用不同材料的O形圈，大多可以满足各种介质和各种运动条件的要求。往复运动用O形密封装置，其动摩擦阻力比唇密封小，但它的起动摩擦阻力较大，通常情况下，其起动摩擦阻力是运动摩擦阻力的3～4倍。而且摩擦阻力和作用在O形圈上的压力大小、压缩量、材质的硬度等因素有关。（2）Y形密封圈Y形密封是自紧唇密封中最早的结构形式之一，主要用于要求摩擦或希望间隙较大的往复运动密封场合，如液压缸和气缸中的活塞和活塞杆密封。但由于Y形密封的自密封作用，这种密封在高压下会产生较大的摩擦，会会加剧磨损，而且易于挤入间隙中去，限制了这种密封的使用压力。（3）V形密封圈V形密封圈是一种唇形密封圈，具有比Y形密封圈更坚固的断面，可以较好地耐受轴向和径向载荷，主要用于活塞及活塞杆的往复运动密封。其密封性能良好，耐高压，寿命长；可根据不同的工作压力，选用相应数量的V形密封圈串联使用，并通过调节压紧力获得最佳密封效果；当活塞在偏心载荷或在偏心状态下运动时，仍能很好地密封。但V形密封圈也存在相应缺点，如密封装置的结构尺寸越大，重叠使用的V形圈个数愈多，摩擦阻力越大；检修、拆换较困难。结合上面各种密封圈的特点分析可知，V形密封圈较其他两种密封圈有明显的优势，而且考虑到该热采封隔器的工作压差≤20Mpa,工作温度≤375℃，综合考虑选择V形密封圈密封方式。3.2.6解封方式的选择还应考虑封隔器坐封后的承压平衡，使封隔器不会因液压力而产生使其解封的力。这是反映封隔器技术水平的一项重要技术指标。例如，某一双向锚定封隔器采用上提管柱解封方式，封隔器坐封后承受上压差时，若封隔器的内中心管受一向上的力将上顶管柱，使封隔器有解封的趋势。因此，在进行封隔器设计时，应考虑着一问题。一般只要在封隔器的结构设计上使内中心管向下的有效作用面积大于向上的有效作用面积，就可以解决这一问题。不同结构的封隔器，需要进行不同的承压平衡分析及设计。完善的承压平衡设计，应使封隔器在承压时，由液压力产生的力直接通过锚定机构作用到套管上，封隔器不会有因液压力解封的趋势。目前，封隔器的解封有上提管柱、转管柱、液压解封、下工具和钻铣解封等几种形式。为了操作方便，应优先考虑使用提放管柱解封方式。所以在本次设计中选用上提管柱的解封方式。4设计计算4.1胶筒的设计计算4.1.1热采对密封胶筒材料的性能要求在稠油注蒸汽热采井中，油层上部使用耐热封隔器和耐热密封元件，封隔了油管与套管间的环形空间，使注入油层的蒸汽从封隔部分起与油套环空隔绝，注汽温度不直接影响到套管温度的升高，从而保护了套管。因此密封胶筒的耐热、耐压、密封性能直接影响到隔热效果的好坏。密封胶筒材料必须满足下列性能指标：（1）优良的耐热、耐压性能热采注汽井注入蒸汽时各个区块要求都不相同，确定为密封元件耐压10～20Mpa（工作压力），耐温150～400℃（工作温度）。（2）应力松弛率低在正常注汽状态下，密封胶筒由于介质压力的波动或坚固件的松弛，会引起密封间隙的增加。在密封胶筒回弹补偿间隙时密封胶筒内应力降低的程度，就是应力松弛率。在工作状态下密封胶筒密封能力的补偿性是衡量密封性能好坏的重要因素。故要求密封胶筒应具有较低的应力松弛率。（3）压缩回弹性高该值越高，表明密封件受压后，在介质压力波动或坚固松动时，自动回弹补偿性越好，即密封性好。所以要求密封件既要耐压，还要有良好的回弹性。（4）不渗透性好密封件是由各种材料在一定结构下组合而成。为了防止密封件组成材料本身的组织孔洞渗透，影响密封性能；故要求在材料选择结构组合时都要考虑密封件本身的致密均匀，不渗透性要好。（5）机械强度大在实际使用中，因井壁及管路接头的乔碰，可能破坏密封件的表面，使密封性能降低。因此，密封件还要保证一定的机械强度。（6）耐腐蚀性佳密封件在井下使用时要接触油、水、汽等介质，易发生化学氧化腐蚀，故密封件应具有较好的化学稳定性。4.1.2密封胶筒的材料组成及性能基于上面的性能要求，在这次设计中选择了沈阳市石棉制品研究所研制的401型石棉密封元件。其材料选用如下：骨架材料选用优质的石棉线、碳纤维和合金丝共同组成骨架材料。各材料性能指标如下：表4.1（1）石棉线表4.1支数8～9支水份含量〈3％捻度14～18r/10cm扯断力>2500g烧失量<22％耐热>400℃表4.2碳纤维表4.2比重1.5～1.7拉伸强度100～140kg/mm2直径8～10um热膨胀系数1.5～5×10-8/℃表4.3合金丝表4.3直径0.14mmFe+Mn3～4％Ni+Co68～71％2.粘接体系材料一般的粘接体系材料均由各类粘接剂,混以相应的使用性能材料组成。考虑到时密封件的强度、回弹性、耐热性，少量的高强度粘接剂，混以二硫化钼，柔性石墨组成该元件的粘接体系。粘接剂表4.4表4.4抗剪强度-45～250℃时800～100kg.f/cm2弯曲冲击强度3～4kg.f/cm2耐热老化强度200℃、200h时>171kg.fcm2二硫化钼表4.5表4.5（2）二硫化钼外观有光泽黑灰粉末，有油腻感比重4．8熔点1185℃柔性石墨表4.6表4.6纯度>99％抗压强度>800kg.fcm2强热减量<1％回弹率>28％3．填料和稀释剂为了提高密封件的耐热性和组合的致密性，保证生产工艺的可行，选用了优质粉状石墨和稀释剂C2H8O2。表4.7（1）石墨表4.7外观黑色有光亮的结晶，呈片状或粉状比重2.25纯度94～99％表4.8（2）稀释剂表4.8化学式C2H8O2比重（℃）≥0.89外观透明液体含量≥96％表4.9经检验，401型石棉密封元件的性能指标为：表4.9指标名称标准要求实测数据含水率32.8含油率％10～2011吸水率≤86碱失量％≤54.7单位重量≥1.402.0压缩回弹量(mm)≥250Mpa0.250.29由此可见，选用的401型石棉密封元件满足此次热采封隔器设计中的性能要求。4.1.3对密封胶筒总成有关力学性能的分析d1=160mmd2=150mmd1=160mmd2=150mm图4.1图4.1图4.2 密封胶筒坐封后的受力情况如图4.2所示：因此，由于上下压差作用对胶筒产生的上顶力F为：其次，胶筒压缩距是设计封隔器时的一个重要参数，只有准确的计算出胶筒压缩距才能推出封隔器的压缩距，从而使封隔器总体结构设计趋于合理。胶筒压缩距的计算如下：假设封隔器胶筒发生弹性变形后其总体积是不变的，即式中—自由状态下胶筒内直径，104mm；—自由状态下胶筒外直径，150mm;—套管最大内径，160mm;—自由状态下胶筒的折合高度，126mm;—压缩状态下胶筒的高度；经计算得，所以胶筒最大压缩距为40mm。此外，压缩式封隔器是通过施加轴向载荷使胶筒轴向受到压缩而径向膨胀，从而密封油管和套管的环形空间而封隔产层的。因此对在不同轴向载荷作用下胶筒外表面的变形规律和反映胶筒密封性能的接触应力、极限密封压力、应力松弛规律等进行认识与分析对于胶筒的结构尺寸设计和相关压缩胶筒的部件强度设计、校核都是极其重要的。（1）有关胶筒表面变形的规律胶筒在受轴向载后其变形可分为自由变形和约束变形两个阶段。自由变形阶段是指胶筒外表面从受载开始到其外表面变形未接触套管的阶段，约束变形阶段是指胶筒外表面径向变形受到套管的限制的阶段。实验表明，当轴向力F较小即胶筒自由变形时，胶筒内表面和外表面一样朝着相同的方向向外鼓，内表面与油管表面形成一弓形空间；当F增加到使胶筒外表面开始进入约束变形之后，其内表面也就不能再继续往外鼓，它和油管之间所形成的弓形空间将逐渐减小，弓形空间最后将变成一条线，胶筒内表面和油管之间几乎完全接触，即所谓的“压实状态”；之后，如再增加F，胶筒变形甚微，说明胶筒已经进入稳定变形阶段，如图4.3中胶筒的压缩实验数据所示。图4图4.3压缩力F与胶筒轴向压缩量关系曲线（2）有关胶筒表面接触应力的规律衡量胶筒密封性能好坏的主要参数是胶筒外表面与套管内表面之间的接触应力。胶筒接触应力沿胶筒接触长度长度分布不均。当F较小时，胶筒中部较大，当不断增大时最大的在靠近加载的一端，F越大则靠得越近。当F较小时，套管对胶筒的摩擦力较小，分布趋于对称；当F较大时，胶筒所受的摩擦力更大而且更不均匀。综合规律（1）、（2）可知，要使胶筒和油管之间有充分的接触以保证密封性，则作用在胶筒上最大的轴上压力应使胶筒工作在“压实状态”，由图4.3可知至少应在30KN左右；又考虑到注汽井中胶筒封隔的上下空间压差对胶筒有约50KN的上顶力作用，这会减小上下挡环作用于胶筒上的压缩力，进而影响密封性；由此胶筒在“压实状态”下工作时应保证有80KN的轴向压缩力。其次，由于作用于胶筒上的轴向力不断增大时，接触应力的不对称分布增大，并且最大向加载端靠近，表现为胶筒肩部外鼓，并沿轴向将会呈现剪切状态，容易造成剪切破坏；因此必须在胶筒两端加防突装置，以提高胶筒的承载能力。4.2卡瓦的设计计算封隔器上的卡瓦锚定后起起到支撑封隔器、锁定胶筒的作用，其性能好坏直接影响到油井的产量和安全。在胀卡力相同的作用下，卡瓦与套管间的咬合力分布决定了封隔器在施工和使用中的成败。咬合力的分布是否合理，将直接关系到套管的损伤程度及卡瓦的寿命，影响到采油或注水工艺的实施以及油井的二次作业。影响卡瓦与套管间咬合力分布的因素很多，如卡瓦咬合齿型的几何形状及尺寸，卡瓦的结构、材料及加工精度等。因此，对封隔器卡瓦进行应力分析，研究卡瓦与套管间咬合力的分布规律，对于封隔器卡瓦结构的优化设计具有重要的指导意义。因为卡瓦的受力状态与其结构有着密切的关系，所以我们先在传统卡瓦结构的基础上对其受力状态作出分析，为下一步的结构改进与优化提出依据；然后是确定优化后的卡瓦结构；最后是卡瓦的材质选择与强度校核发。4.2.1卡瓦与套管间接触应力分析如图4.4所示，(a)是卡瓦受力模型的俯视图，（b）是单片卡瓦的受力分析图。(a)(b)(a)(b)图4.4经静力分析，单片卡瓦在井下受力平衡时，必须满足以下两个议程又∴式中—卡瓦式封隔器的轴向坐封载荷，N；—单片卡瓦所承受的轴向载荷，N；—坐封载荷对单片卡瓦的分压载荷，N；—单片卡瓦作用在套管内壁上的径向载荷，N；—卡瓦与卡瓦楔形体的摩擦角；—卡瓦楔形角；－卡瓦片数。假设是通过卡瓦牙面沿径向均匀地作用在套管内壁上，则单位卡瓦牙面对套管内壁作用的径向力与的关系为式中—卡瓦牙面的半角；—卡瓦牙面的轴向长度，cm；—套管内壁半径，cm；—单位卡瓦牙面作用在套管内壁上的径向力，N/cm2。又由于卡瓦是作用在套管内壁上的，对卡瓦坐封段套管进行一定的应力分析对卡瓦结构设计也是有必要。以胜利油田胜254—4型卡瓦式封隔器为例（如图4.5所示）。，。按材料力学超静定原理求解整理得出在范围内，套管段圆环上任意点的周向应力的计算公式为在套管段圆环上任意点的周向应力的计算公式为式中—周向应力；r—套管圆环任意点的半径。随变化的关系曲线如图4.6所示。可见内壁应力最大值在=0处，外壁应力的最大值在处。因此，=0的内壁处是套管强度计算的危险点。图4.5图4.5图4.6图4.7是周向应力随卡瓦牙面半角变化的关系曲线。当时，套管段圆环上的危险点在的套管外壁上。当时，套管段圆环上的危险点在的套管内壁处。图4.7图4.图4.8根据以上分析，采用第三强度理论得出套管许用最大坐封载荷随卡瓦数n和卡瓦牙面的半角变化的关系曲线如图4.8所示。可以看出，欲提高可以增大卡瓦数n值，一般套管，卡瓦数可以设计为片；也可以最大限度地增大值。同时，还可以增大值及选择合理的卡瓦楔形角（但不宜超过），增加卡瓦牙根部加工角半径。以上措施对降低卡瓦的接触应力也是成立。另外，卡瓦与套管之间接触应力的三维光弹模拟实验结果表明：对于卡瓦同一个齿的齿尖应力分布主要在齿面的两侧，中间部位基本不接触，所以接触应力很小。这表明卡瓦齿面与套管内表面的接触不均匀，在卡瓦的优化设计中应充分考虑这一点。实验结果还表明：在同一轴向剖面内，卡瓦上下两端齿尖的应力比靠近结合部区域的的应力大得多，这说明结合部太弱，在进行卡瓦结构的优化设计时也应充分考虑这一点，尽量加强卡瓦中间结合部的强度。4.2.2卡瓦结构的优化设计基于上面对卡瓦与套管间接触应力的分析结果，现将卡瓦的几何结构及主要尺寸确定如下图4.9所示：图4图4.9下面是对图4.9卡瓦结构尺寸优化的几点说明：（1）卡瓦总片数为6片，在卡瓦体的圆周上均匀分布；（2）结合图4.8，卡瓦每片卡瓦的牙面半角为；（3）卡瓦牙面上最大处的曲率半径为60mm；（4）卡瓦楔形角为；（5）卡瓦牙齿为齿型；（6）卡瓦牙表面的纵向轮廓与水平轴线有的倾角，这主要是考虑到卡瓦在受到锥体的轴向作用时会绕着卡瓦挡环有一定角度的旋转，为了尽量使坐封后卡瓦牙面上的每一个牙齿均能与套管接触，所以设置了此的偏角。（7）每一个牙齿齿顶有半径的倒圆角，这主要是使牙齿能与套管充分接触，同时这也是为了防止尖形牙齿对套管壁的损伤。4.2.3卡瓦材料的选择热采封隔器卡瓦工作在几百～几千米深的井下，工作环境是高温高压，要承受坐封载荷，在动作时还要承受一定的冲击载荷，其主要受力部位是外表面的牙齿（坐封时卡在套管内壁上），故该件要求具有较高的表面硬度（HRC50～65），良好的耐磨性，足够的强度和较好的韧性。卡瓦失效形式主要有中部断裂、严重磨损、卡瓦打滑、齿剥离及整体塑性变形等。中部断裂可能是载荷过大及一些加工缺陷，如淬火裂纹、锻造裂纹、划伤等原因引起。表面硬度不长凳要求（较低），在生产中承受大载荷时，易发生严重磨损。如果强度不够则易发生整体塑变，而强度和韧性配合不好，会发生齿剥离失效。因此对卡瓦材料及热处理工艺的正确选用直接关系到了卡瓦的工作性能好坏。综合比较了各种卡瓦类材料的性能后，最终选择40CrMnMo。因为40CrMnMo是优质调质钢，机械性能较好；而且这种材料经过调质后，具有良好的力学性能，在高温下亦有较好的强度。40CrMnMo的化学成分及机械性能如下表所示。表4.10表4.10类类别材料化学成分机械性能cSiMnSPMoCr（Mpa）(Mpa)％％40CrMnMo0.37-0.450.20-0.400.90-1.20≤0.035≤0.0350.20-0.300.90-1.207859801045采用的热处理工艺为:正火→调质→高频表面淬火→低温回火。（1）正火在锻造后进行正火，目的是：可使晶粒细化，组织均匀，提高硬度，改善40CrMnMo的切削加工性能；可使锻件过热晶粒细化，能消除内应力，为最终热处理做好组织准备。（2）调质要在粗车后进行调质，目的是：使钢获得一定强度、塑性和韧性，具有良好的综合机械性能。（3）高频感应淬火由于高频感应加热速度较快，使相变温度提高，故淬火温度应高于普通淬火温度，选择900℃作为淬火温度。（4）低温回火为保证表面高硬度，稳定组织，又能消除应力，在高频感应淬火后应进行低温回火。4.2.4卡瓦的强度校核已知卡瓦材料为40CrMnMo，其；卡瓦受到的最大轴向力为坐封压力，即卡瓦牙面受径向力为齿顶圆角半径为，牙长，理想状态下，所有牙齿均与套管内壁接触，则所有牙齿与套管壁的接触面积为所以，卡瓦牙不会被压损。4.3剪钉的设计计算在该次热采封隔器的设计中，采用了两种连接方式，一是螺纹联接，另一种则是用销钉联接，销钉联接又分为剪钉联接和固定销钉联接两种，剪钉联接可以使剪钉在超过其许用应力的时候剪断，实现其相应的功能。4.3.1坐封剪钉的设计计算（1）材料的选择：剪钉材料选用35CrMo,它的许用应力[τ]=326.7MPa（2)剪钉的直径计算：剪钉不被剪断的条件是τ≤[τ]，而所要求的剪钉要被剪断，故按τ≥[τ]时计算，取临界值τ=[τ]。由得式中d—剪钉直径；F—坐封载荷；n—剪钉个数；[τ]—许用剪应力。在坐封过程中，通过上提油管带动中心管上行，中心管又通过剪切环与坐封销钉作用带动锥体上行。当锥体将卡瓦胀开卡在套管上固定时，继续上提油管，在坐封载荷的作用下将接结锥体与中心管的销钉剪断，然后中心管带动胶筒上行，最终实现对胶筒的压缩坐封。因此只有把坐封销钉剪断才能实现坐封。此处在锥体圆周上均匀位置销钉个数n=6，取坐封载荷F=150KN，由上式选择。据，所以所选销钉直径满足要求。4.3.2解封销钉的设计计算（1）材料选择：剪钉材料选用45钢,。（2）剪钉的直径计算：上提中心管，剪断解封销钉，实现解封，解封力F=50KN，均布6个。许用载荷计算选取=252MPa圆整取d=6mm。4.4锥体的设计4.4.1锥体的作用锥体对于整个封隔器功能的实现起着至关重要的作用，一方面当上提油管时，锥体上的锥面对卡瓦具有胀卡作用，这直接关系到卡瓦的锚定；另一方面锥体上的步进锁紧螺纹对中心管有单向锁紧作用，这直接关系到胶筒的压缩。因此，对锥体的锥面和步进锁紧螺纹选择合理的结构是锥体设计中的关键部分。锥体结构如图4.10所示：图4.10图4.104.4.2材料选用锥体材料选用45号钢，45号钢是常用的钢型号之一，具有很好的强度、韧性和塑性。其热处理和力学性能如下表所示。表4.11表4.11钢号式样毛皮尺寸㎜推荐热处理温度℃力学性能MPa（≧）钢材硬度HB（≦）正火温度℃淬火温度℃回火温度℃未热处理退火钢45258508406005983531640392291974.4.3技术要求（1）粗车后调质处理HBS220~260（2）管螺纹按GB9213—1988各项标准加工验收（3）表面发黑处理（4）清除毛刺4.5弹簧的设计计算卡瓦上的弹簧能够给卡瓦以径向的推力，使卡瓦与套管壁接触并发生摩擦，在产生的这个摩擦阻力的作用下，导向螺钉上移，从J型钩的短槽进入长槽，实现坐封；同时在锥体的胀瓦与解卡过程中配合弹簧对卡瓦的推力能起到使卡瓦变径的作用。4.5.1材料的选择弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的变形。为了使弹簧能够可靠的工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。而且由于热采封隔器长期工作在井下，与油和蒸汽接触，因而弹簧材料必须要耐腐蚀、耐高温、高强度和良好的稳定性。表4.12弹簧常用材料及许用应力（摘自 GB1239-76）类别牌号许用切应力许用弯曲应力切变模量GMPa弹性模量EGPa推荐硬度HRC推荐使用温度℃特性及用途弹簧类别弹簧类别Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅱ类Ⅲ类不锈钢丝Co40CrNiMo500667834834100076.5196—-40～400耐高温、高强度、无磁、低后效，高弹性轧材30W4Cr2VA44158873573591278.519643～47-40～500有高的疲劳性能，淬透性和回火稳定性，高温时强度高，淬透性好根据上表及封隔器的工作环境温度，选择能耐高温和耐腐蚀的不锈钢丝，牌号为Co40CrNiMo。Ⅲ类弹簧（变载次数在以下），许用切应力。4.5.2弹簧的尺寸计算取弹簧中径D＝10mm，从开始工作到工作极弹限弹簧伸缩量f＝7.5mm。此弹簧为圆柱压缩弹簧，共设12个。根据计算得每个弹簧需要承受压缩载荷为166.7N。（1）根据强度条件计算弹簧钢丝直径现选取旋绕比C＝5，则曲率系数则簧丝直径标准化为。（2）根据刚度条件计算弹簧圈数弹簧刚度查表取常用圈数式中G为切变模量（3）其余尺寸计算总圈数压并高度自由高度所以节距螺旋角满足要求（因为对压缩弹簧推荐）展开长度验算：高径比满足稳定性要求4.6导向螺钉的设计计算导向螺钉是控制部分中十分重要的零件，若在下井过程中意外剪断，将使卡瓦部分无法完成长短轨道间的转换，使卡瓦彻底丧失工作性能，胶筒得不到压缩，因而封隔器达不到封隔的目的。已知导向螺钉材料45＃钢，查手册得：螺钉直径为d＝10mm受力面积核算：＝＝许用载荷计算选取=252MPa=因为导向为4件，所以许用载荷为：在实际工作中，螺钉在长短槽中运动，主要承受卡瓦扶正与套管壁间的摩擦力和较小的冲击，承受载荷为剪切载荷。摩擦力因为，所以导向螺钉强度符合要求。4.7碟形弹簧的设计计算碟形弹簧是用钢板冲压成形的截锥形压缩弹簧。其具有以下特点：（1）刚度大，能以小变形承受大载荷，适用于轴向空间要求小的场合。（2）具有变刚性的特性。在本次设计中，碟形弹簧主要是作为蓄能机构，它能起到压力补偿的作用，可以提高胶筒密封的可靠性。采用复合组合碟簧组，叠合层数，其结构图如图4.11所示：图4.11图4.11表4.13单片碟簧为A型，相关数据见下表：表4.13DmmdmmmmhommHmm14010453.58.5已知碟簧组受轴向载荷，如不计摩擦力，单片碟簧的载荷又当单片碟簧的变形量时，式中为辅助量，由查表所得。根据及，由表查得，于是根据总变形量，求对合片数，取复合碟簧组的总自由高度5校核计算5.1伸缩管壁厚的校核计算伸缩管材料选用20CrMo钢，其许用应力为[σ]=600MPa，设计壁厚t＝7mm。如图5.1所示，伸缩管管在力的作用下处于空间应力状态，有：图5.1内中心管空间应力状态图5.1内中心管空间应力状态上式表明，σr恒为压应力，而σθ恒为拉应力，沿筒壁厚度，σr和σθ的变化情况如图5.2所示：图5.2应力分布图在筒壁的侧面处，r＝a，两者同时达到极值，因为两者同为主应力，故可记为：σθ＝σ1，σr＝图5.2应力分布图式中σs为材料的屈服极限，