高壓單管封隔器設(shè)計(jì)說明書正式版

1、目錄1 設(shè)計(jì)的選題目的、意義11.1 選題目的11.2 選題意義12 國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀23 封隔器以及注水過程的工作原理43.1 封隔器的工作原理43.1.1 封隔器的介紹43.1.2 封隔器的作用43.1.3 封隔器使用范圍53.1.4 封隔器的主要結(jié)構(gòu)以及工作原理53.2 注水工藝64 主要研究內(nèi)容85 總體方案確定85.1 結(jié)構(gòu)95.2 坐封95.3 工作過程95.4 解封105.5 為克服管柱蠕動(dòng)對封隔器影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)106 計(jì)算設(shè)計(jì)過程116.1 封隔器工作參數(shù)選取116.2 各部分的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)116.3 效核327 高壓單管封隔器設(shè)計(jì)的可行性分析378 結(jié)論38謝辭39參考文獻(xiàn)

2、401 設(shè)計(jì)的選題目的、意義1.1 選題目的油田廣泛運(yùn)用封隔器于采油、注水及其它油井特殊作業(yè)。國內(nèi)生產(chǎn)封隔器的廠家也不少，但關(guān)于高壓封隔器產(chǎn)品幾乎還沒有，主要靠進(jìn)口。同時(shí)，長期以來，對低滲透、深油藏的高壓注水油田沒有合適的分注工具。為此，選定此項(xiàng)目進(jìn)行高壓單管封隔器設(shè)計(jì)。1.2 選題意義我國的大多數(shù)油田屬非均質(zhì)多油層特點(diǎn)，油田開采的主要矛盾是如何提高各類油層的動(dòng)用程度和經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展。在開發(fā)過程中，各油層的產(chǎn)量、壓力和吸水能力等存在很大差異，如何合理開發(fā)多層油田，提高采收率，又要可持續(xù)發(fā)展，一直是一個(gè)很重要的問題。以封隔器為中心的井下分層工具，對油層實(shí)現(xiàn)分采分注是極其重要的，因此對封

3、隔器的研究對油田開發(fā)具有重要的意義。對于注水開發(fā)的油田，隨著油田開發(fā)程度的加深，油井層之間矛盾日益突出，為了保持地層壓力、穩(wěn)定原油產(chǎn)量，必須采取分層注水、封堵高產(chǎn)水層等調(diào)整措施。 2 國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀資料顯示，歐美等發(fā)達(dá)國家在油田開發(fā)中采用封隔器已有近百年的歷史，較早的油田封隔器是包裹在油管外面，試圖將不同的液相進(jìn)行隔離。油田開發(fā)初期自噴井較多，封隔器應(yīng)用相對較少。類似目前所采用的封閉油管與套管間環(huán)形空間的封隔器是從20世紀(jì)初開始開發(fā)使用的。有許多的專業(yè)制造公司對封隔器的研發(fā)測試都非常重視。為了合理地開發(fā)多油層非均質(zhì)油田，避免層間干擾和確保各層有效生產(chǎn)，三十年代末，美國和蘇聯(lián)相繼開始了分層開

4、采工藝的研究和其他分層工藝技術(shù)(如分層注水、分層測試、分層進(jìn)行增產(chǎn)措施)的試驗(yàn)，這導(dǎo)致了適應(yīng)分層開采工藝技術(shù)的各種封隔器的發(fā)展。美國的貝克油田工具公司(Backer Oil Tools)，在1940年開始介入油田井下工具研究，最早開發(fā)出了可回收式封隔器，不論從制造精度上還是實(shí)用性方面都有較高水平，在世界上處于領(lǐng)先地位。1942年，第一次雙層完井使用了美國貝克工具公司制造的封隔器。1951年，用于多管完井作業(yè)用的雙管封隔器也已經(jīng)問世。近幾十年來，隨著鉆井、完井工藝不斷向高壓、高溫和復(fù)雜的深部地層方面發(fā)展，對封隔器提出了種種更高的要求，因而促使封隔器研制工作趨向?qū)I(yè)化，研制的產(chǎn)品日益豐富。目前、美

5、國參與封隔器研制、銷售的廠商或公司不下于40家(還出現(xiàn)了專門從事封隔器研制的貝克封隔器公司)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國有關(guān)產(chǎn)品目錄上的封隔器品種已達(dá)500種，近幾年來，則大大超過此數(shù)，并涌現(xiàn)出不少結(jié)構(gòu)改進(jìn)，性能提高的新型封隔器。1994年，美國初步研制出2 18in高效可錨定單級膨脹式封隔器，在比較惡劣的工況下，具有較高的工藝操作可靠性和耐壓、耐溫以及抗腐蝕性能。當(dāng)溫度大于150條件下，可承壓34 MPa(膨脹率為2:1時(shí))或14 MPa(膨脹率為3:1時(shí))。而蘇聯(lián)封隔器般最深下至3000多米，耐壓500多大氣壓，耐溫20-350。我國的封隔器研究也在不斷地發(fā)展，大慶采油工藝研究所的科研歷程比較具有代表性

6、。1962年4月為確保獨(dú)立開發(fā)大慶油田，為油田的發(fā)展提供有效工藝技術(shù)手段，研制了475-8型水力壓差封隔器和665型偏心配水器，逐步形成了“六分四清”新工藝，并在油田大面積推廣應(yīng)用，對認(rèn)識非均質(zhì)多油層砂巖油田注水開發(fā)特點(diǎn)，充分發(fā)揮主力油層作用，為保證油田持續(xù)生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)手段。從1976年到1985年，油田開采方式逐步由自噴轉(zhuǎn)為機(jī)械采油，封隔器的研制基本適應(yīng)了以限流法壓裂完井技術(shù)為代表的機(jī)采條件下的分層壓裂、分層堵水、分層測試等作業(yè)要求。從1986年到1995年，機(jī)采井?dāng)?shù)占油井總數(shù)的99.3%，針對地表油層和油田外圍儲(chǔ)量差、油層薄的油田的增效開采和油井的大修，根據(jù)“穩(wěn)油控水”目標(biāo)的需要，

7、先后為注水、產(chǎn)液、儲(chǔ)采作業(yè)研制了配套的封隔器。近年來封隔器的用量越來越大，作用更加明顯，同時(shí)對封隔器的性能要求更加嚴(yán)格。我國不斷地吸取和引進(jìn)國外的封隔器研發(fā)技術(shù)，現(xiàn)已初步形成了一定規(guī)模的封隔器研發(fā)隊(duì)伍，并開發(fā)出了很多適合我國油田現(xiàn)狀的新型封隔器。先后研制和使用了從機(jī)械式到水力式，從壓差式到自封式的各種類型的封隔器及相應(yīng)的配套工具。封隔器的密封材料的使用也不再僅限于橡膠，相繼出現(xiàn)了金屬封隔、尼龍封隔，或它們?nèi)咧g的組合，密封和耐溫性能都取得了很大的提高。封隔器膠筒是密封的關(guān)鍵，密封件仍以膠筒為主。膠筒在液壓推力作用下，通過軸向壓縮作用在封隔器套管壁上，起到密封封隔作用。在中、深油井的分層開采、

8、堵水、壓裂、注水等作業(yè)中發(fā)揮了不可替代的作用。近年來，油井己進(jìn)入高含水階段，加上新的熱力采油方法的需要，井況日趨惡化，對膠筒的侵蝕更加嚴(yán)重，對耐溫的要求相應(yīng)提高，我國原有的封隔器膠筒耐溫只有120，己不能滿足油田鉆采的需要。鐵嶺橡膠工業(yè)研究院就選用氫化丁睛膠為主體材料、開發(fā)出了耐溫達(dá)150、型號為YS 113-15-20的壓縮式封隔器膠筒。2003年底，新膠筒在0#柴油、150,20MPa,96小時(shí)實(shí)驗(yàn)條件下檢驗(yàn)證明各項(xiàng)參數(shù)滿足工作要求?？萍脊ぷ髡邆冎铝υ诜飧羝鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以期達(dá)到世界先進(jìn)水平，近幾十年來經(jīng)過不懈的努力，研制出了各種適應(yīng)不同地質(zhì)條件和工況環(huán)境，以及不同功能、材

9、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型可取式雙卡瓦封隔器、90mm金屬封隔器、Y54l115靜液壓封隔器等，目前最大工作壓力已達(dá)到75mpa，工作溫度達(dá)到300。從現(xiàn)場的使用效果來看，都能進(jìn)行有效封堵，工作運(yùn)行良好，并達(dá)到了國際先進(jìn)的水平。封隔器的發(fā)展趨勢：向著高性能、多用途、適應(yīng)性強(qiáng)和更多地采用內(nèi)密封結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。3 封隔器以及注水過程的工作原理3.1 封隔器的工作原理3.1.1 封隔器的介紹所謂“封隔器”，系指具有彈性密封元件，并以此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，以控制產(chǎn)(注)液，保護(hù)套

10、管的井下工具。也就是說，封隔器所具備的種種功能，主要依靠彈性密封元件的密封作用來實(shí)現(xiàn)。這種密封作用，根據(jù)密封部位的不同，可分為兩種：一種是油管與套管(或裸眼井壁)之間的密封，即“外密封”；一種是油管或油管密封短節(jié)(也稱密封段)與封隔器內(nèi)腔(或密封腔容座)之間的密封，即“內(nèi)密封。正是由于封隔器獨(dú)特的密封作用，為油氣水井的正常生產(chǎn)和各種井下工藝措施的順利進(jìn)行提供了有效的機(jī)械手段，因此，封隔器校認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)油氣田合理開采的戰(zhàn)略性武器。 通常，封隔器是接在油管上下井的?，F(xiàn)場上，往往把這種帶封隔器的油管柱叫做“封隔器管柱”，也有人稱為“油管封隔器系統(tǒng)。 目前常用的封隔器分為兩大類：可取式封隔器和永久式封隔

11、器，前者指可以用油管(或鉆桿)或電纜下井坐封，必要時(shí)采用動(dòng)管柱和其他非破壞性手段解封，并從井下起出以重復(fù)使用的封隔器，后者則指較長時(shí)間(永久性地)封隔地層，一般不易從井下起出的封隔器。按其作用原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為支撐式、卡瓦式、皮碗式、水力擴(kuò)張式、水力自封式、水力密閉式和水力壓縮式等多種形式，按封隔器封隔件的工作原理分為：自封式、壓縮式、楔入式、擴(kuò)張式。對于封隔器本身來說，最關(guān)鍵的部件是彈性密封元件，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬嫌绊懖Q定著封隔器系統(tǒng)井下工作的成敗。封隔器系統(tǒng)在井下工作的條件主要是溫度和壓力，往往因井的工藝方式的變更而改變，因而引起系統(tǒng)的受力和管柱長度發(fā)生變化，導(dǎo)致封隔器過早解封、錯(cuò)封

12、或竄封，乃至無法取出封隔器及其他更為嚴(yán)重的惡性故障。因此，需要從理論上了解和分析溫度、壓力的變化如何影響封隔器系統(tǒng)的的受力情況。所謂“封隔器”，是指具有彈性密封元件：用于封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，以控制產(chǎn)(注)液，保護(hù)套管的井下工具。封隔器所具備的種種功能，主要依靠彈性密封元件的密封作用來實(shí)現(xiàn)。3.1.2 封隔器的作用（1）隔絕井液和壓力，以保護(hù)套管免受影響，從而改善套管工作條件；（2）封隔產(chǎn)層或施工目的層，防止層間流體和壓力互相干擾，以適應(yīng)各種分層技術(shù)措施的需要，或便于進(jìn)行堵漏、封竄等修井作業(yè)；（3）保存并充分利用地層能量（包括溶解氣能量)，以提高油井生產(chǎn)效率，延長其工作時(shí)間；（4）使井的控制僅限

13、于地面油管，以確保安全和最大限度地控制地層；（5）便于采用機(jī)械采油的方式(如為氣舉和水力油塞泵抽油提供必要的生產(chǎn)通道，或?qū)⑻坠芊指魹槲牒团懦鰞刹糠?，以利于管道進(jìn)行抽油)；(6）用在氣井中：可以緩和氣井液面過早上升。3.1.3 封隔器使用范圍由于其作用都是用于井下分隔油層等，所以封隔器不僅可以用于自噴井采油，還用于非自噴井采油，在分層注水、分層壓裂酸化及分層測試等作業(yè)中，也被廣泛采用。3.1.4 封隔器的主要結(jié)構(gòu)以及工作原理主要包括密封、錨定、扶正、坐封、鎖緊、解封六部分。各部分工作原理如下：（1） 密封部分密封部分是在外力(機(jī)械力或液壓力)的作用下，發(fā)生動(dòng)作，最終密封環(huán)形間隙，防止流體通過機(jī)

14、械，它是封隔器的關(guān)鍵部分，主要由彈性密封元件，安裝密 圖3-1封隔器膠筒結(jié)構(gòu)示意圖封元件的鋼碗、隔環(huán)(擋圈)和各種防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件構(gòu)成。其中的密封元件是至關(guān)重要的核心部件，通常制作成圓筒狀，所以也俗稱膠簡。如圖3-1所示。近年來為實(shí)現(xiàn)油管與封隔器之間的內(nèi)密封，密封元件也制成各種形狀(如V形)的盤根。自封隔器問世以來，人們花了大量的力氣，對密封元件(尤其是實(shí)現(xiàn)外密封的膠筒)進(jìn)行了多方面的深入研究，進(jìn)而帶動(dòng)了整個(gè)封隔器的研究工作，因此，封隔器密封元件的研究是一個(gè)重點(diǎn)。（2） 錨定部分錨定部分也叫“支撐部分”，其作用是將封隔器支撐在套管壁上，防止封隔器由于縱向移動(dòng)而影響密封性能

15、，或引起封隔器過早解封。它主要包括水力錨和卡瓦等。水力錨使用比較廣泛，它通常由許多卡瓦牙或者鋸齒形錨爪構(gòu)成的，它即可以與封隔器設(shè)計(jì)成一體，與卡瓦配合使用，也可以單獨(dú)接在封隔器上。卡瓦也是一種常用的起錨定作用的機(jī)構(gòu)，美國使用最多。早期的封隔器由于下入深度淺或承壓能力低，一般無需帶卡瓦，或只在膠筒上部用單卡瓦。1934年才開始在膠筒下部采用下卡瓦。七十年代，美國格伯森公司研制成功了能承受雙向壓差的整體卡瓦。有時(shí)，為了使力的分布均勻，在膠筒兩端使用兩個(gè)整體卡瓦。為了防止封隔器的縱向移動(dòng)，特別在深井和高壓作業(yè)中，往往采用正、反多級卡瓦，或附加上水力錨，即使是支撐井底的支柱式封隔器，由于怕壓壞尾管，也往

16、往如此。（3） 扶正部分扶正部分主要起扶正密封元件的作用(尤其在井身質(zhì)量不好的井中)，同時(shí)也起初卡作用，便于封隔器坐封。這種作用，通常由一些扶正彈簧和狀如燈籠的扶正器承擔(dān)。在轉(zhuǎn)動(dòng)管柱坐封封隔器時(shí)，扶正彈簧片對套管壁產(chǎn)生足夠的摩擦力，防止封隔器殼體隨管柱轉(zhuǎn)動(dòng)。扶正器一般由鐵正彈簧罩、彈簧座和彈簧構(gòu)成，其作用靠外端呈圓柱面的扶正塊來實(shí)現(xiàn)。（4） 坐封部分坐封部分是使封隔器坐于目的層段后保持密封狀態(tài)(即工作狀態(tài))的機(jī)構(gòu)。通常，它包括坐封活塞，中心管(或開有軌跡換向槽的軌跡管)，上、下接頭，滑環(huán)套等。坐封部分動(dòng)作時(shí)，能起兩個(gè)作用：1）推動(dòng)錐體，使卡瓦張開(對于帶卡瓦的封隔器來說)，并貼在套管壁上；2）

17、壓縮彈性密封元件，使之脹大而密封。（5） 鎖緊部分鎖緊部分是封隔器旦坐封后，使之固定于坐封狀態(tài)(使密封元件密封后保持不變)的機(jī)構(gòu)。由于封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)及動(dòng)作方式在很大程度上影響封隔器的可取性，因而是設(shè)計(jì)可取式討隔器應(yīng)予重視的結(jié)構(gòu)部分。它通常由外中心管、銷釘，各種內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)(如錐環(huán)、鎖環(huán)、鎖扣或鎖扣指以及棘輪機(jī)構(gòu))構(gòu)成。（6） 解封部分解封部分是使油、套管連通，進(jìn)而使卡瓦收回，膠桶恢復(fù)原狀、以利于起封的機(jī)構(gòu)。對于丟手式封隔器，則需另行配備專用的坐封和解封工具。它通常由平衡活塞、平衡閥(循環(huán)閥)、循環(huán)孔(連通孔)、缸套或解封套、解封銷釘構(gòu)成。3.2 注水工藝?yán)米⑺阉⑷胗蛯?，以補(bǔ)充和保持油層壓

18、力的措施稱為注水。油田投入開發(fā)后，隨著開采時(shí)間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，造成地下殘留大量死油采不出來。為了彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對油田進(jìn)行注水。分層配注的實(shí)質(zhì)是在注水井中下入封隔器，將各油層分隔，在井口保持同一壓力的情況下，加強(qiáng)對中、低滲透層的注入量，而對高滲透層的注入量進(jìn)行控制，以防止注入水單層突進(jìn)，實(shí)現(xiàn)均勻推進(jìn)，提高油田的采收率。 分層配注共有四種方法：第一種是油、套管兩層分注，用封隔器分隔上下兩層，油管注下層，套管注上層，

19、各層的注入量可以在地面進(jìn)行控制和計(jì)量；第二種是單管多層配注，這種方式是由多級水力封隔器、配水器、底部閥門等工具，按分層注水的需要組裝來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)各油層需要的注水量安裝不同直徑的配水嘴，利用配水嘴的節(jié)流損失，降低注水壓力，實(shí)現(xiàn)分層定量注水；第三種是自動(dòng)調(diào)節(jié)配水器，該配水器是通過配水嘴使活塞前后產(chǎn)生節(jié)流壓差，這個(gè)壓差作用在活塞上使之控制側(cè)孔過流面積，從而使流量趨于恒定不變。在需 圖3-2注水管柱要改變配注量而更換水嘴時(shí)，不動(dòng)管柱，不用鋼絲繩，以反洗井方式，從油套環(huán)空內(nèi)注入高壓水，將中間芯子返到井口防噴管內(nèi)，被裝于井口防噴管上的捕捉器抓住，取出芯子，進(jìn)行水嘴更換；第四種是多油管分注，一般有同心管和

20、并列管兩種方式，國內(nèi)現(xiàn)已不采用。油田注水方式：注水方式即是注采系統(tǒng)，其指注水井在油藏所處的部位和注水井與生產(chǎn)井之間的排列關(guān)系，可根據(jù)油田特點(diǎn)選擇以下注水方式：邊緣注水，其分為緣外注水、緣上注水和邊內(nèi)注水三種；切割注水；面積注水，可分五點(diǎn)法注水，七點(diǎn)法注水，歪七點(diǎn)法注水，四點(diǎn)法注水及九點(diǎn)法注水等。注水井井身結(jié)構(gòu)： 注水井井身主要由導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管、油層套管等組成。導(dǎo)管用來保護(hù)井口附近的地層，一般采用螺紋管，周圍用混凝土固定。表層套管用以封隔上部不穩(wěn)定的松軟地層和水層。技術(shù)套管用以封隔難以控制的復(fù)雜地層，保證鉆井工作順利進(jìn)行。油層套管的作用是保護(hù)井壁，造成油氣通路，隔絕油、氣、水層，下人深

21、度視生產(chǎn)層層位和完井的方法來決定。一般采用46套管。4 主要研究內(nèi)容對收集資料的整理并加以分析，以及現(xiàn)場使用封隔器信息的反饋，目前封隔器失效的主要原因是:（1）內(nèi)膠筒彈性橡膠性能和加工制造質(zhì)量差，膠筒破裂；（2）密封性能不可靠，密封元件使用壽命短，提高了鉆采成本；（3）承受壓力低；（4）坐封困難（尤其在中深井、深井工作中）；（5）解封不可靠，外膠筒設(shè)置不合理，取出困難。針對以上失效原理以及收集國內(nèi)外相關(guān)研究成果技術(shù)資料，分析封隔器國內(nèi)外研制的封隔器特點(diǎn)和弊端，提出本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容；（1）坐封方式研究，針對高壓確定本設(shè)計(jì)的坐封機(jī)構(gòu)方案，同時(shí)要求坐封可靠，機(jī)構(gòu)簡單，操作方便；（2）解封方式研究，要

22、求在工作過程中不能因?yàn)檎`動(dòng)作而使封隔器解封，或者解封不可靠，不能順利取出而造成卡封現(xiàn)象，引發(fā)井下事故（3）對密封元件的材料進(jìn)行研究，尋求可以更好的承受高壓，耐高溫的材料，滿足工況要求，同時(shí)對密封元件的采取形式的研究，從而更好的有效封隔。本次設(shè)計(jì)的封隔器適用工況條件：（1）適用的分層配注方式：油、套管兩層分注，封隔器分隔上、下兩層，油管注下層，套管注上層；（2）適用于注水井排液、洗井后；（3）適用的工作溫度為120以下；（4）適用于高壓注水，壓差為50MPa。5 總體方案確定確定本次設(shè)計(jì)的封隔器的型號為：Y241-115。以下是高壓封隔器的總體結(jié)構(gòu)圖： 圖5-1 高壓單管封隔器裝配圖5.1 結(jié)構(gòu)

23、本封隔器的上下接頭1、32與油井油管相接，中心管的內(nèi)徑為50，襯套5與中心管1的配合為間隙配合，襯套不會(huì)隨著中心管的軸向移動(dòng)而移動(dòng)，卡簧座13與襯套5采用管螺紋連接，坐封狀態(tài)的鎖緊元件是卡簧14，卡簧14與卡簧座13也采用螺紋連接，卡簧14在下入注水井之前應(yīng)使其張開處于工作狀態(tài)，其張開靠鎖塊15的支撐作用，同時(shí)采用兩級液缸結(jié)構(gòu)，在工作中能使密封裝置迅速達(dá)到坐封狀態(tài)，下端的卡瓦33靠錐體26支撐，錐體26的鎖緊元件是鎖緊瓦24。5.2 坐封當(dāng)封隔器下到預(yù)定位置后，從油管內(nèi)施加液壓，經(jīng)中心管1上的小孔及液缸活塞與中心管形成的特定流道進(jìn)入上、下液缸的壓力室，上、下液缸均有向上移動(dòng)的趨勢，當(dāng)壓力上升至

24、34MPa時(shí)，防坐螺釘11被剪斷，上下液缸開始上行，推動(dòng)由膠筒壓環(huán)10、卡簧座13等組成的外工作筒上行，當(dāng)壓縮密封膠筒使其徑向尺寸變大，密封環(huán)空，由于卡簧14具有鎖緊功能，使膠筒保持壓縮狀態(tài)，同時(shí)下部的液缸下行，推動(dòng)錐體26下行，鎖緊瓦24具有單向鎖緊功能，此時(shí)錐體只能向下行，撐開卡瓦33，使其咬在套管內(nèi)壁上。5.3 工作過程 當(dāng)封隔器承受下部液壓時(shí)，作用力通過膠筒、襯套5作用在油管上，有推動(dòng)油管上行的趨勢，只要與封隔器相連接處的油管固定不上移，封隔器承受下壓的能力就很大。當(dāng)封隔器承受上部液壓時(shí)，作用力主要由軌道螺釘4承擔(dān)，有推動(dòng)油管下行的趨勢。為了緩解軌道螺釘4的工作負(fù)載，在封隔器尾部設(shè)計(jì)了

25、卡瓦33，工作時(shí)卡瓦齒咬合在套管內(nèi)壁，其與套管內(nèi)壁產(chǎn)生的軸向摩擦力能平衡掉一部分來自上部的液壓，從而防止了封隔器的軸向移動(dòng)，保護(hù)了膠筒，減輕了軌道螺釘4的工作負(fù)載。同時(shí)作用在卡瓦上的力通過錐體26、鎖緊瓦24作用在中心管上。故能承受較高的上壓。5.4 解封右轉(zhuǎn)油管500800N，防轉(zhuǎn)剪釘3被剪斷，上接頭1相對襯套5右轉(zhuǎn)，軌道螺釘4從上接頭圓周方向的槽滑入與軸線平行的直槽內(nèi)，上提油管剪斷定位銷29，帶動(dòng)上接頭、中心管上行，同時(shí)卡瓦收回，而密封膠筒、膠筒壓環(huán)10和卡簧座13等組成的外工作筒依靠膠筒與套管的摩擦力保持不動(dòng)，當(dāng)鎖塊15滑動(dòng)到中心管的小徑槽中時(shí)，使卡簧14失去其支承力，在膠筒的反彈力及自

26、身的回收力作用下回收，膠筒靠彈性推動(dòng)液缸下行，膠筒恢復(fù)原狀，封隔器完成解封。5.5 為克服管柱蠕動(dòng)對封隔器影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為克服管柱蠕動(dòng)對封隔器正常工作的影響，特在封隔器尾部設(shè)計(jì)了單向卡瓦結(jié)構(gòu)。當(dāng)對管柱加壓時(shí)管柱必然伸長，對封隔器的作用相當(dāng)于下放管柱，此時(shí)依靠封隔器卡瓦的單向承力作用，其卡齒與套管的摩擦力很好的克服管柱的縱向移動(dòng)，從而固定住封隔器，不會(huì)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壓力平衡作用。當(dāng)停泵或洗井時(shí)，油管內(nèi)液壓下降，管柱收縮，對封隔段的作用相當(dāng)于上提管柱。因此采取軌道螺釘4的機(jī)構(gòu)，使封隔器在上移過程中定位銷29不承受拉力作用，就不會(huì)產(chǎn)生拉斷定位銷29的誤操作

27、而使封隔器解封。另外，可以使用與該型封隔器配套的錨定工藝管柱，可減緩管柱蠕動(dòng)，有利于提高分注管柱的使用壽命。6 計(jì)算設(shè)計(jì)過程6.1 封隔器工作參數(shù)選取工作壓力：如表6-1壓力選取50mpa（高壓）。表6-1工作溫度：如表6-2選取120。表6-2剛體最大外徑:如表6-3取115mm表6-3剛體內(nèi)通徑：如表6-4取50mm 表6-4適用套管139.7mm，套管內(nèi)徑根據(jù)采油技術(shù)手冊P748選取為121.7mm。6.2 各部分的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)6.2.1 膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對于密封元件的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足以下三個(gè)條件：a、能使封隔器順利下井；b、在工作介質(zhì)中能密封可靠，并且壽命長；c、在需要時(shí)能便于起出。（1）

28、材料選取：氫化丁氰橡膠氫化丁氰橡膠是國外80年代中期開發(fā)并投入批量生產(chǎn)的一種新型橡膠，其具有以下特點(diǎn)： 1)耐油和耐熱性能好。由于對熱敏感的雙鍵部分被消除，因而耐熱性明顯提高。加之保留了氰側(cè)基(-CN)，仍具有丁氰橡膠的耐油性能； 2)強(qiáng)伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氫化丁氰橡膠的抗張強(qiáng)度達(dá)30M Pa以上，有特別要求的，可達(dá)60MPa；;3)耐壓性和耐寒性優(yōu)于丁氰橡膠，而其加工性與丁氰橡膠相似。而丁氰橡膠一般用于溫度低于120，并且因?yàn)橛捎谄涫芙Y(jié)構(gòu)的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致膠筒失效。綜上選擇材料為氫化丁氰橡膠，適合本次設(shè)計(jì)的高溫高壓要求，只是其存在永

29、久變形大和價(jià)格較貴等問題。（2）氫化丁氰橡膠的性能參數(shù)表6-5 氫化丁氰橡膠的性能參數(shù)性能中膠筒端膠筒抗拉強(qiáng)度2726.7伸長率（%）280210硬度（邵爾A）7886永久變形2118（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對于壓縮式密封元件，在承受載荷變形時(shí)，要求應(yīng)力分布均勻，應(yīng)避免和減少膠筒上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)過有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，一般出現(xiàn)裂痕和殘余變形的部位主要發(fā)生在邊緣應(yīng)力集中，因此需要對膠筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如下：a、端面形狀：采用外斜角為3040的膠筒，容易坐封；b、側(cè)面形狀：采用筒形，采用此結(jié)構(gòu)能使應(yīng)力分布均勻，且壽命長；c、套管間隙：通常取與套管壁間隙為26mm時(shí)，其穩(wěn)定性較強(qiáng)；d、采用的防突措施：一般

30、采用防突件，在本設(shè)計(jì)中采用三膠筒結(jié)構(gòu)，中段膠筒起密封作用（即工作膠筒），端部膠筒對中段膠筒起限制保護(hù)作用（即限制膠筒）。（4）結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)采油技術(shù)手冊p640表8-41，以及封隔器的最大外徑參數(shù)為115mm，選擇封隔器型號：玉757。其長膠筒和短膠筒的技術(shù)規(guī)范如下表：表6-6 膠筒的技術(shù)規(guī)范lDd長膠筒956511574短膠筒8050115746.2.2 根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和壓差求坐封力大量使用封隔器的經(jīng)驗(yàn)表明，坐封載荷的大小取決于膠筒的結(jié)構(gòu)，所承受的工作壓差以及其他因數(shù)。（1）計(jì)算封隔器膠筒的軸向相對變形 （6-1） 式中 -套管內(nèi)徑，=60.85mm；-膠筒外徑，=57.5mm； -膠筒內(nèi)徑，=

31、37mm。 可得=0.1747（2）膠筒的軸向壓縮距離h h=H （6-2）式中：=0.1747 H-為三膠筒的總長度，H=270mm由上可得，膠筒的軸向壓縮距離h=47.17mm（3） 保證密封元件密封所需的總壓縮力為 F=Fe+Fp （6-3）式中Fe-將密封元件壓貼在接觸套管所需的壓縮力；Fp-在壓差p的作用下，為達(dá)到密封所要求的壓縮力。1）求解將密封元件壓貼在接觸套管所需的壓縮力 （6-4）式中 E-膠筒彈性模數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P4表1-7得：E=7.84MPa-套管內(nèi)徑，=60.85mm；-膠筒外徑，=57.5mm。-泊松比，參見壓縮式縮徑井封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，?。?/p>

32、=0.5根據(jù)計(jì)算可得：=6.69KN2）求解在壓差p的作用下，為達(dá)到密封所要求的壓縮力Fp （6-5）式中 -套管內(nèi)徑，=60.85mm；-膠筒外徑，=57.5mm； -膠筒內(nèi)徑，=37mm； -工作壓差，=50MPa； -膠筒與套管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，參見封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用P41?。?0.3； -工作膠筒的長度，=80mm。根據(jù)計(jì)算可得：=243.13KN由此可得出保證密封元件密封所需的總壓縮力為：F=249.82KN6.2.3 計(jì)算膠筒與套管間的接觸應(yīng)力 膠筒能夠承受壓力的多少取決于接觸應(yīng)力,工作膠筒一般處于穩(wěn)定變形階段，其接觸應(yīng)力的計(jì)算公式由壓縮式封隔器膠筒耐溫耐壓淺析式（12）可得： （

33、6-6）式中 = F=249.82KN -泊松比，參見壓縮式縮徑井封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究?。?0.5E-膠筒彈性模數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P4表1-7得：E=7.84MPa-膠筒承受壓差時(shí)高壓端壓力：=50MPa、取值同前由此可得： =27.7MPa查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P600可得，橡膠的扯斷強(qiáng)度為29.4MPa，由此可看出：29.4MPa所以膠筒能在井下正常工作。6.2.4 確定膠筒與套管內(nèi)壁的最大許用間隙 由封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用式2-58可得： （6-7）式中 -為彈性體許用相對軸向變形，取=300由此可得=25.27mm，而本設(shè)計(jì)中的=-=3.35mm,選取膠筒尺寸合理。6

34、.2.5 確定中心管截面尺寸（1）中心管材料的選擇根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P479，選擇中心管的材料為35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為539.2MPa。（2）安全系數(shù)的選擇根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)教科書366，對用于材料均勻，載荷與應(yīng)力計(jì)算精確時(shí)S=1.31.5，由于封隔器的工作條件較惡劣，因此選取S=1.5。（3）中心管的外徑選擇由于在與封隔器膠筒重合的部分間有襯套，膠筒內(nèi)徑為74mm，則取中心管的外徑為68mm，即。（4）中心管內(nèi)徑的選擇根據(jù)中心管所受的軸向力和材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行選擇。 （6-8）式中-中心管內(nèi)半徑-中心管外半徑，=34mm-極限應(yīng)力則的取值由公式確定，由前述取=539.2

35、MPa，S=1.5?？傻茫?359.47 MPa，從而可得中心管的內(nèi)徑30.59mm由于考慮到中心管在工作中還存在其他的因數(shù)力的影響，比如液體壓力等，所以中心管的內(nèi)徑盡量取小一點(diǎn)，再根據(jù)中心管上端與上接頭的連接是標(biāo)準(zhǔn)油管螺紋連接，查標(biāo)準(zhǔn)只有2的螺紋連接符合，同時(shí)根據(jù)封隔器的最小內(nèi)徑選擇范圍，選取中心管內(nèi)徑為50mm，即=25mm，這樣中心管管壁厚為9mm，對于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來講應(yīng)該是比較符合要求的。所以取=25mm。6.2.6 液缸的缸壁厚度設(shè)計(jì)計(jì)算（1）液缸材料的選取根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P479，選擇液缸的材料為35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為539.2MPa。（2）液缸井下受力分

36、析根據(jù)液缸在井下的受力情況，液缸主要承受軸向壓力，以及液壓對缸壁的剪切力，一般情況下取軸向壓應(yīng)力等于軸向拉應(yīng)力。（3）液缸的截面尺寸確定根據(jù)公式 （6-9）式中-封隔器最大外徑，=57.5mm；-液缸的內(nèi)徑；-為極限應(yīng)力，取值同前，=359.47 MPa。從而求得液缸的內(nèi)徑55.5mm。由于考慮液缸的其他工作條件因數(shù)，以及環(huán)境因數(shù)，應(yīng)在不浪費(fèi)材料和不影響封隔器正常工作的條件下盡量取小值，因此選取=53mm，這樣液缸的壁厚為4.5mm，同時(shí)是比較合理的。因此取=53mm。6.2.7 襯套的尺寸確定（1）襯套的材料選取根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P479，選擇襯套的材料為35CrMo，并可知該材料

37、的屈服強(qiáng)度為539.2MPa。（2）襯套的受力分析由于襯套在封隔器中只起定位作用，主要作用是為解封方式提供了一個(gè)軌道，因此基本上不受力，只是在與上接頭接觸處承受一部分力。（3）襯套在與膠筒接觸處的截面厚度由于膠筒內(nèi)徑和中心管外徑都已確定，則襯套在與膠筒接觸處的截面厚度也隨即確定為式中-膠筒內(nèi)徑，=37mm（ 由于膠筒裝入襯套中要撐大內(nèi)徑，所以取襯套外徑為38mm）；-中心管外徑，=34mm。所以截面厚度=4mm。（4）襯套在轉(zhuǎn)折處的截面厚度此處的截面厚度根據(jù)膠筒所受的坐封力來確定，由于襯套在軸向上受到的坐封力F=249.82KN，此作用力在該截面上產(chǎn)生剪力，因此根據(jù)剪應(yīng)力計(jì)算公式來確定轉(zhuǎn)折處截

38、面厚度。根據(jù)工程力學(xué)教科書P149：。的取值由公式確定，由前述取=539.2 MPa，S=1.5。得=359.47 MPa，取系數(shù)為0.6，則 =215.68MPa。 根據(jù)公式，以及式中-為危險(xiǎn)截面處的半徑，取=38mm則4.85mm，根據(jù)其工作條件的復(fù)雜性，取=10mm。6.2.8 膠筒壓環(huán)的尺寸確定（1）膠筒壓環(huán)的材料選取根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P479，選擇襯套的材料為35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為539.2MPa。（2）壓環(huán)的受力分析壓環(huán)主要受到來自軸向液缸施加的壓力，因此壓環(huán)承受壓應(yīng)力。（3）確定壓環(huán)的尺寸由于壓環(huán)是安裝在襯套上，所以其內(nèi)徑R=38mm，外徑為封隔器的最大

39、外徑，取R=57.5mm。（4）確定壓環(huán)的截面厚度尺寸由（2）分析可知，壓環(huán)承受壓應(yīng)力，在塑性材料中，拉應(yīng)力=壓應(yīng)力。效核其強(qiáng)度，根據(jù)公式： （6-10）式中-膠筒外徑，=57.5mm； -膠筒內(nèi)徑，=37mm； -坐封力，=249.82KN； -為極限應(yīng)力，取值同前，=359.47 MPa因此可得=41.07MPa=359.47 MPa，結(jié)構(gòu)合理，能在高壓下正常工作。截面厚度尺寸=20mm。6.2.9 隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見采油技術(shù)手冊P640，由于膠筒在工作密封時(shí)會(huì)有向兩端溢出現(xiàn)象，作為三個(gè)膠筒的中間分隔件-隔環(huán)，此時(shí)為了防止對膠筒端部的損壞，應(yīng)將隔環(huán)的圓周方向上設(shè)計(jì)成弧狀，取隔

40、環(huán)厚度為10mm，則隔環(huán)的圓周方向設(shè)計(jì)為半徑為5mm的半圓狀，從而可延長密封件的壽命。6.2.10 中心管上節(jié)流小孔的尺寸設(shè)計(jì)（1）根據(jù)伯努利方程 （6-11）中心管中心管節(jié)流小孔簡圖D1122中心管節(jié)流小孔簡圖如下：由于P1是來自外部的上壓，相對而言，中心管長度D1孔口直徑，則斷面1-1流速 孔口處流速，可忽略不計(jì)。不計(jì)管路損失，則有（公式見液壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)P40 （2-53）： （6-12） 其中 根據(jù)該書P35取均為0.1，=9mm， 圖6-1 節(jié)流小孔簡圖則=0.9。 由上可得=0.285m/s 則液缸要求的流量為：A，由計(jì)算可得=1.3 m/s。（2）負(fù)載要求液缸內(nèi)的壓力為： （6-

41、13）其中F=249.82KN；A=4521.6則P=55.25MPa。 （3）地面提供壓力的泵采用水力活塞泵，參見采油技術(shù)手冊P245表2-45，選取類型為SHB，其額定沖數(shù)時(shí)理論排量為60（/日），以每天工作8小時(shí)計(jì)算，其泵的流量為=2m/s（4）通過小孔的流量為： =-=2m/s-1.3 m/s=0.7 m/s通過小孔的流量由式（2-54）可得： （6-14）所以小孔開口面積為=7.59，由此可得出節(jié)流口的半徑為1.5mm。6.2.11 防坐螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì)防坐螺釘主要為了防止在坐封前的誤動(dòng)作而使液缸運(yùn)動(dòng)，為此專門設(shè)計(jì)防坐螺釘，當(dāng)作用力達(dá)到34KN，剪斷螺釘，從而液缸開始上移壓縮膠筒，完成

42、坐封。（1）防坐螺釘?shù)牟牧线x取根據(jù)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?5鋼，并可知該材料的抗拉強(qiáng)度為315MPa。（2）防坐螺釘?shù)陌霃皆O(shè)計(jì)根據(jù)公式 （6-15）只要大于F螺釘就能剪斷，從而實(shí)現(xiàn)坐封運(yùn)動(dòng)。式中，的取值同前=1.3，則=242.3MPa；=0.60.8，取系數(shù)為0.8，則=193.85MPa；F為當(dāng)在坐封力作用下能剪斷坐封螺釘?shù)牧?，取F為34KN由計(jì)算可得：A20.6，即20.6，從而可得：2.56mm，取=2.5mm查機(jī)械制圖P329附表6，選取M5的開槽盤頭螺釘，其長度取為9mm。6.2.12 防轉(zhuǎn)螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì)防轉(zhuǎn)螺釘?shù)淖饔檬菫榱朔乐乖诠ぷ鬟^程中轉(zhuǎn)動(dòng)油管而

43、引起解封的誤動(dòng)作，只有當(dāng)右轉(zhuǎn)油管500800N時(shí)，防轉(zhuǎn)螺釘被剪斷，從而實(shí)現(xiàn)解封。（1）防轉(zhuǎn)螺釘?shù)牟牧线x取根據(jù)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?5鋼，并可知該材料的抗拉強(qiáng)度為315MPa。（2）防轉(zhuǎn)螺釘?shù)陌霃皆O(shè)計(jì) 根據(jù)公式 （6-16）只要F足夠大，防轉(zhuǎn)螺釘即可剪斷，從而實(shí)現(xiàn)解封。式中參數(shù)說明：防轉(zhuǎn)螺釘承受剪切力，有前述可知，同前取1.3，則=242.3MPa ，取系數(shù)為0.8，則=193.85MPa。取F為500800N，由計(jì)算可得：A4.13，即4.13，從而可得： 1.25 mm，取=1.25mm查機(jī)械制圖P329附表6，選取M2.5的開槽盤頭螺釘，其長度取為6mm。

44、6.2.13 軌道螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì)軌道螺釘?shù)闹饕饔檬钱?dāng)防轉(zhuǎn)螺釘剪斷后，右轉(zhuǎn)油管，當(dāng)軌道螺釘從上接頭圓周方向的槽內(nèi)滑入與軸線平行的直槽內(nèi)，上提油管，從而就能解封封隔器，因此軌道螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度就必須大。（1）軌道螺釘材料的選擇 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?5鋼，并可知該材料的抗拉強(qiáng)度為315MPa。（2）軌道螺釘?shù)氖芰Ψ治鲈谳S線方向上，當(dāng)承受上壓的時(shí)候，有一部分的作用力是通過襯套傳遞到軌道螺釘，在傳遞給上接頭，因此軌道螺釘必須有足夠的強(qiáng)度，螺釘需經(jīng)淬火處理使其強(qiáng)度大大提高，經(jīng)淬火后的螺釘其強(qiáng)度可達(dá)到8001000MPa，取為800MPa。因?yàn)樵诔惺苌蠅簳r(shí)，封隔器的主要承

45、力件為軌道螺釘，因此其受壓力為50MPa，取F=100KN，根據(jù)公式 （6-17）式中 ， 同前取1.3，則=615.4MPa ； F-為承受的一部分力，取F=100KN。 則A 16.2，即 16.2，求得3mm查機(jī)械制圖P330附表7，選取M6的開槽沉頭螺釘，其長度取為l20mm。6.2.14 確定中心管與上接頭的螺紋連接尺寸由于在確定中心管的內(nèi)徑時(shí)是根據(jù)采油技術(shù)手冊P685（牙型角55圓錐管螺紋連接尺寸表）的公扣內(nèi)徑最大為51mm，以及封隔器最小尺寸只有50mm符合要求，因此，選擇中心管與上接頭的連接采用2TBG的接頭，其相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸參見牙型角55圓錐管螺紋連接尺寸表。6.2.15 確

46、定封隔器與油管連接的接頭尺寸本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)最初就根據(jù)目前井場上常用的油管尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般井場上常用的油管，因此本設(shè)計(jì)也選用該油管，封隔器與上下油管相連接的公扣與母扣相關(guān)尺寸參見采油技術(shù)手冊P838（國產(chǎn)平式、外加厚油管接頭規(guī)范表），選用外加厚油管，其表達(dá)為加厚TBG。6.2.16 內(nèi)鎖緊與解封機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)原則：內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)在封隔器的工作中起鎖緊作用，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到封隔器是否能正常密封，其強(qiáng)度必須達(dá)到坐封的要求，同時(shí)解封過程簡單，能實(shí)現(xiàn)封隔器的重復(fù)坐封。（2）組成部分：內(nèi)鎖緊及坐封與解封機(jī)構(gòu)由中心管，襯套、卡簧座、卡簧體、卡簧總成以及鎖塊組成（3）工作原理：卡簧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

47、是根據(jù)軟卡瓦注水封隔器的研制與應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)，在入井前組裝時(shí)利用鎖塊撐起卡簧使其處于工作狀態(tài)；在坐封過程中，液缸上行推動(dòng)卡簧座上行，當(dāng)卡簧座上行時(shí)其內(nèi)赤與卡簧嚙合，并且單向鎖緊，封隔器坐封；在解封過程中，中心管上行使鎖塊落入其上的小徑槽中，卡簧在其本身的結(jié)構(gòu)作用力下收回，封隔器解封。（4）內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)： 采用內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)，可以使封隔器的坐封和解封過程中始終保持密封和卡簧的重復(fù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了封隔器愛井下能重復(fù)坐封。（5）內(nèi)鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）卡簧體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)a材料選取：根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P479，選擇液缸的材料為35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為539.2MPa。b結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：參見軟卡

48、瓦注水封隔器的研制與應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，其具有扶正作用，連接方式采用管螺紋連接與襯套連接，在坐封過程中起支撐卡簧作用，同時(shí)與中心管的配合為松配合，但同時(shí)要保持一定的同軸度，因?yàn)樵诮夥鈩?dòng)作中，中心管向上運(yùn)動(dòng)，而卡簧體保持不動(dòng)，所以就要求他們之間必須有一定的同軸度，防止中途卡死而不能達(dá)到解封的要求。c與襯套的螺紋連接尺寸選?。浩淠┒说墓苈菁y參數(shù)的選取參見采油技術(shù)手冊P679，圓柱管螺紋基本尺寸表，選取TBG的管螺紋型號，長度的選取26.7mm，根據(jù)實(shí)際情形，選擇長度為39mm。2）卡簧的尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于卡簧起主要的鎖緊作用，需承載很大的作用力，因此對卡簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。a.材料選取根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上

49、冊第一分冊P467，選取卡簧的材料為70Mn，并可知該材料的拉伸極限強(qiáng)度784.3MPa。b.工作原理利用卡簧的材料為彈簧鋼，具有一定彈性，從而使在在工作中利用其彈性，當(dāng)液缸上行，其內(nèi)壁的內(nèi)齒與卡簧嚙合，從而鎖住上行的液缸，以防止液缸的后退，因此卡簧起著單向鎖緊的作用。在下井前的組裝中應(yīng)先使其處于工作張開狀態(tài)，坐封過程中就可以直接進(jìn)行單向鎖緊作用，解封時(shí)，上提油管柱，當(dāng)中心管處的小環(huán)槽向上移動(dòng)到鎖塊的位置，鎖塊退入環(huán)槽內(nèi)，卡簧的壓縮力取消，則此時(shí)卡簧收回，變回初始狀態(tài)。c.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參見軟卡瓦注水封隔器的研制與應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)構(gòu)上：將70Mn材料的管材，中間制造成

50、通孔，同時(shí)在周向上開四個(gè)小槽，使其在結(jié)構(gòu)上分成四瓣，在一端端部的內(nèi)壁加工成螺紋，從而使其與卡簧體連接，工作時(shí)，四瓣?duì)钕蛲鈴堥_。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)能比一般的注水封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力大一些，并且能實(shí)現(xiàn)重復(fù)坐封。d.卡簧的尺寸設(shè)計(jì)方法：卡簧的尺寸設(shè)計(jì)采用假設(shè)試算的方法?？ɑ傻慕Y(jié)構(gòu)采用四瓣結(jié)構(gòu)，每瓣為60，根據(jù)卡簧在鎖塊的作用下發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生位移，初步定一片卡簧橫截面寬度為4mm，總長為140mm。如下圖6-2所示，A點(diǎn)為卡簧端部，C點(diǎn)為鎖塊作用位置，AB=140mm為卡簧的長度，為卡簧工作狀態(tài)時(shí)上端的位移即桿件的最大撓度?？ɑ傻膬?nèi)徑為42mm，外徑為46mm，即卡簧的截面厚度為4mm，根據(jù)液缸的內(nèi)徑為

51、53mm，定出卡簧工作狀態(tài)下的位移即撓度為5mm。根據(jù)公式，見工程力學(xué)P385附錄，簡單載荷作用下梁的變形，序號3 圖6-2 卡簧工作前受力圖 （6-18）式中-絕對值最大撓度，=5mm；-鎖塊對卡簧的作用力；-鋼材的彈性模量，=200GPa；-極慣性矩；-卡簧的總長度，=140mm；-鎖塊到卡簧固定端的距離。的計(jì)算根根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P110，表1-63可得： （6-19）式中 -卡簧的外徑，=46mm；-卡簧的內(nèi)徑，=42mm； -瓣卡簧的半角，=30帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：=3.2710mm假設(shè)-鎖塊到卡簧固定端的距離為60mm，極慣性矩=3.2710mm，帶入（18）式，可求得鎖塊對卡簧的作用力：=4.09KN因此對僅有鎖塊對卡簧的作用力時(shí)的強(qiáng)度分析：由上圖可知卡簧端部A處為危險(xiǎn)截面，此時(shí) （6-20）式中-重心到相應(yīng)邊的距離；-卡簧在P點(diǎn)所受到的力矩；-極慣性矩。其中1)的求解公式見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊第一分冊P110，表1-63： （6-21）式中-卡簧的外徑，=46mm； -卡簧的內(nèi)徑，=42mm； -一瓣卡簧的半角，=30