y211-114封隔器设计与分析1Word格式.doc
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第2章封隔器结构设计 11
2.1密封元件结构设计 11
2.1.1胶筒的结构分析 11
2.1.2胶筒的耐压分析 14
2.1.3胶筒的尺寸设计 15
2.2.4组合式密封元件 16
2.2卡瓦的结构设计 17
2.3坐封的行程计算 19
2.4剪钉的设计计算 19
第3章封隔器材料的选择 21
3.1密封元件材料的选择 21
3.1.1密封元件材料的演变 21
3.2.2密封元件的常用材料 23
3.2常用钢材 26
3.3防腐材料 28
3.3.1表面防腐处理 28
3.3.2防腐材料 28
3.4材料的确定 30
第4章强度校核 32
4.1内中心管壁厚的校核计算 32
4.2剪钉的校核 33
第5章结论 34
致谢 35
参考文献 36
第1章绪论
第1章绪论
1.1题目意义
封隔器是用来将井下环空进行密封或者将目的层段进行隔离，以控制流体注入或者采出，并且能够承受压力差的一种井下工具[1]。
在油气田开采过程中占有十分重要的地位,油气井的正常生产以及各种井下钻采工艺的顺利进行,都需要封隔器提供有效的机械手段，其应用范围十分广泛，包括最初的钻井、测试、试油，到后来的生产、注入，以及增产作业。
近年来，随着油气田开采的不断升入，受地层复杂程度升高的影响，分层作业变得越来越普遍，这就对封隔器提出了更高的使用要求。
封隔器可靠性的高低以及各种性能的好坏对油气井的开采成功率和生产安全会产生直接影响，因此向来受到石油行业人士的重视。
1.2国内外发展现状
1.2.1封隔器的发展
封隔器是一种问世非常早的的井下采油工具,它的产生和演变,见证了石油工业的起源和发展。
根据资料记载，美国人最先发明并使用了封隔器，当时取得名字十分有趣，叫做“种子袋”，也就是世界上最早的封隔器，有一批叫做J.拉夫纳兄弟（Ruffners）的油田经营者,对封隔器进行了最早的应用。
早在1861年，油管柱是由木质的表层导管下入，那时的油管柱上就安装了这种叫做“种子袋”的封隔器。
起初的套管尺寸比较大，到1865年，小尺寸套管第一次被采用，而这时所使用的封隔器依然是这种（哪种哇，私心觉得可以稍微带一下“这种……的封隔器”）。
封隔器出现的初期，其结构要比现在简单得多，用途也十分单一，并且性能低下。
十九世纪六十年代末，美国人布赖森（ Bryson）发明了一种封隔器，叫做裸眼封隔器。
到八十年代初，美国人斯图尔特（Stewart）又发明了一种封隔器，这种封隔器结构稍微复杂一些，开有油、套压连通孔，并且它的胶筒可以在椎体构件的楔入下完成膨胀过程。
封隔器在苏联的应用也比较早,在二十世纪三十年代初,一种叫做正反扣螺栓式封隔器的新型封隔器首先在阿塞拜疆油田被采用。
到1936年,尾管式封隔器在阿塞拜疆研制成功,这种封隔器结构已经比较完善了,但是有效下入深度依然比较浅,只有300-650米,而且最大有效工作压差只有2.5MPa。
由于部分油田是多油层非均质油田，在开发过程中不同层次间会相互干扰不能有效生产，所以在二十世纪三十年代末，美国人以及苏联人接连开始了相关的研究，主要是分层开采技术试验和其他一些分层工艺试验，例如分层注水，分层增产等。
这些技术的发展自然而然的带动了各种封隔器的研制，以此来适应分层开采工艺技术的要求。
美国贝克公司也较早涉足封隔器领域，在1942年，它的封隔器第一次被应用于双层完井作业。
1951年，出现了双管封隔器，这种封隔器可以用于多管完井作业。
近几十年以来,油气田的开发技术发展十分迅速,深井、超深井以及热采井在国内外大量出现。
以往的封隔器已然不能满足新的开发需要和生产要求，新型耐高压、耐高温封隔器的开发应用已成趋势。
永久封隔器的研制使得高温井、深井以及大斜度井能够有效开发，较最初封隔器2.5MPa的工作压差相比，它可以在高达137MPa的压力环境下正常工作，而且工作温度可以达到316℃。
而供热采专用的热采封隔器的可适应温度更高，达到360℃[2]。
金属密封封隔器的出现提高了通径尺寸，提高了密封效果[3,4]。
这种封隔器的关键就在于密封件，密封件的性能优劣直接影响工作过程可靠性和安全性的高低。
这种封隔器采用多种密封件，其中一种由易熔合金加工而成，在受热条件下，容易被熔化，熔化的金属液可以将套管与封隔器“焊接”，从而使环形空间密封。
不久之后,又出现了一种金属密封封隔器,这种封隔器密封原理与前一种不同,其密封件不是易熔合金,而是超弹性合金。
当入井管柱被锚定在预定位置后，封隔器上椎体部件在管柱的应力负荷作用下向超弹性密封件施压，使得密封件横向受力发生膨胀，这样就可将油套环空密封。
此外,国外公司依照胶筒在井下遇到水或者油能够自主进行地层封隔的要求,开发了自膨胀封隔技术,进而研制了自膨胀封隔器，以适应在不同井筒条件和油气含量条件下的作业要求[5]。
最初，该项技术功能单一，只用于完井作业，后来经过发展，又应用于防砂作业和封隔水层等。
该项技术应用广泛，问世之后，在中东地区油田和欧洲北海油田被大量使用，目前成功约1200次。
典型的就是在北海油田一口油层复杂的油井中，该系统被同时下入12个，成功将各个油层进行了隔离。
在国内，自膨胀系统也开始被各个油田应用，比如塔里木油田、胜利油田，还有冀东油田等。
近年来,人工智能技术日趋成熟,其在石油工业上的应用使得许多石油装备得到发展,其中就有智能井用封隔器[6]。
这种封隔器是一种直通隔离封隔器，也称作贯通式封隔器。
（感觉少主语）用于进行传输和控制的供电电缆以及直通系统能够从封隔器内穿过，将地下阀件和其水力控制系统连接。
使用这种封隔器可以避免光缆在泵送时受到伤害，这样就可以提高光缆光学性能，从而减少故障的发生，提高工作效率。
目前油气的开采不断向深部地层方面发展,高温高压,甚至酸性腐蚀等复杂的工作环境,使得封隔器需要具备更高的要求。
因此封隔器的研制开发更受重视,高性能、强适应性的封隔器成为新的发展方向。
1.2.2封隔器的组成
目前使用的封隔器种类千差万别,但是结构组成基本一致,主要由密封、锚定、坐封、锁紧、反洗、解封、扶正和防坐机构八大机构组成，而其中每一机构又包含许多零件。
图1-1Y211封隔器结构示意图
（1）密封机构
密封机构是封隔器的关键,是密封环形空间以阻止流体通过的机构，通常在外力作用下发生动作。
该机构主要由密封元件、防突部件、钢腕和隔环组成，其中密封元件是核心部件，也就是我们所说的胶筒，防突部件的作用是防止密封元件突出。
压缩距和后坐距是密封元件的两个主要参数。
压缩式封隔器在坐封过程中，密封元件会被轴向压缩，压缩的长度叫做压缩距；
泄压后，密封元件发生回弹，回弹的长度叫做后坐距。
这两个数据直接取决于密封元件的材料和尺寸，当然也会受到锁紧机构的影响。
（2）扶正机构
图1-2扶正块
扶正机构的作用就是将密封元件扶正，以使密封元件能够正常工作，同时也起到出卡的作用。
其组成为弹簧、弹簧座和扶正弹簧罩，其功能的实现靠扶正块。
扶正块和套管壁之间能产生较大的摩擦，这样在坐封过程中，能防止封隔器歪斜，顺利进入正常状态。
扶正机构在斜井中使用尤为重要，由于坐封困难，基本上要使用单独的扶正器。
（3）锚定机构
图1-3单卡瓦双锥体结构示意图
封隔器在工作时需要固定以防止轴向移动，这一功能由锚定机构实现。
该机构有卡瓦和锚爪组成，二者均安装于封隔器外表面。
最初封隔器承压低、深度浅不携带卡瓦，随着油井深度增加和工作环境更加恶劣，卡瓦开始被使用。
最初的卡瓦是由美国人发明的。
目前卡瓦有单向卡瓦和双向卡瓦之分，有的封隔器只安装一个单向卡瓦，称作单向卡瓦封隔器，有的封隔器上下安装两个单向卡瓦或者安装一个双向卡瓦，称作双向卡瓦封隔器。
在高压和深井环境中，通常使用正、反多级卡瓦，以加强锚定作用。
图1-4锚瓦结构示意图
锚爪也称作水力锚，可以在封隔器上单独使用，但通常与卡瓦配合使用，尤其是在高压等复杂井下环境中。
（4）坐封机构
封隔器入井后，进入密封状态要靠坐封机构实现，该机构一般由上下接头、坐封活塞、中心管、滑环套等组成。
具体来讲，该机构具备两个功能，一是通过推动椎体使卡瓦张开，固定于套管壁上，因此也称之为坐封坐卡机构。
第二个功能是压缩密封元件，使之膨胀来进行密封。
坐封机构的关键是坐封活塞，活塞的级数决定坐封压力。
（5）防坐机构
防坐机构也叫防易坐机构，顾名思义，是防止封隔器下放入井时提前发生坐封的机构。
目前有多种防坐机构，作用相同，但是效果不一。
在一些情况复杂的油井中，封隔器极易发生提前坐封，这样就需要使用有效的防坐机构，并且需要很好地控制下放速度。
（6）锁紧机构
图1-5锁紧机构示意图
坐封动作完成后，要由锁紧机构进行锁紧，使密封状态得到保持。
该机构也是封隔器上一关键部件，直接影响封隔器的可取性。
对于锁紧机构主要有以下几点要求：
容易入锁、锁得牢固、容易解锁。
（7）解封机构
封隔器在取出之前需要由解封机构解封，也就是使封隔器由密封的工作状态转至自由状态。
对于一般的封隔器，只要将油管上提，利用摩擦使得锁紧部分发生相对移动便可解锁，但是丢手封隔器则需要由专门的解封工具进行解封。
解封机构的性能影响封隔器取出的难易程度。
（8）反洗机构
反洗机构是进行反循环洗井的机构，能够在井下压力差的作用下多次开合。
反洗机构也需要密封，一般由金属密封和密封圈密封共同实现。
由于反洗通道中易出现砂卡，该机构的反复开合功能极易受到影响。
如若密封性受到影响，将致使封隔器损坏，因此该机构的可靠性非常重要。
1.2.3封隔器的类型
（1）封隔器的分类
不同的井下条件和工艺措施需要使用不同的封隔器，总体来讲，主要由以下分类：
表1-1封隔器分类
分类依据
种类
按密封元件分
压缩式、自封式、扩张式、组合式
按使用目的分
注汽封隔器（或热采封隔器）、堵水封隔器、防砂封隔器、多功能封隔器、注水封隔器、注聚（合物）封隔器、压裂酸化封隔器和桥塞封隔器
按技术参数分
高温封隔器、小直径封隔器、抗硫封隔器、过油管封隔器
按取出特点分
永久封隔器（或可钻封隔器）和可取式封隔器，可取式封隔器包括丢手
封隔器
按内通道多少分
多管封隔器、双管封隔器和单管封隔器
按使用部分分
裸眼封隔器、套管外衬封隔器（管外封隔器）和套管封隔器（简称封隔器）
按承压方向分
双向承压封隔器和单向承压封隔器
按坐封原理分
机械式、金属封隔器、温控封隔器、电缆式封隔器、自膨胀封隔器（比如遇水膨胀、遇油膨胀封隔器）、水力式封隔器（或者液压式封隔器）、智能封隔器
按解封方式分
双解封封隔器和逐级解封封隔器
按固定方式分
悬挂式封隔器、尾管支撑式封隔器、卡瓦支撑式封隔器
（2）封隔器型号编制
根据我国石油天然气行业规定，封隔器编制形式如下：
1）型号组成
型号主要由以下部分组成：
2）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1-2。
表1-2分类代号
分类名称
自封式
压缩式
扩张式
组合式
代号
Z
Y
K
用各式的分类代号组合表示
3）固定方式代号
固定方式代号用阿拉伯数字表示。
见表1-3。
表1-3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
1
2
3
4
5
4）坐封方式代号
坐封方式代号用阿拉伯数字表示，见表1-4
表1-4坐封方式代号
坐封方式名称
提放管住
转动管住
自封
液压
下工具
热力
6
5）解封方式代号
解封方式代号用阿拉伯数字表示，见表1-5。
表1-5解封方式代号
解封方式名称
6）钢体最大外径
钢体最大外径用阿拉伯数字表示，单位为毫米（mm）。
7）工作温度
工作温度用阿拉伯数字表示，单位为摄氏度（℃）。
8）工作压差
工作压差用阿拉伯数字表示，单位为兆帕（MPa）。
这种标准在使用时，可以在封隔器型号之前加上相应的油田名称，在后面加上特殊用途。
比如：
型号为Y211-114-120/25的封隔器，我们根据上述标准可知为压缩式封隔器，单向卡瓦支撑，坐封与解封方式都为提放管柱，钢体最大外径为114mm，工作温度为120℃，工作压力为25MPa。
1.3封隔器的应用
（1）封隔器基本用途
封隔器应用广泛，参与油气开发的多个过程，它的使用，可以达到以下几个目的[7,8,9]：
1）将目的层隔开，避免层间干涉，以达到分层技术需求，或者易于进行堵漏、各种修复作业；
2）保证地面能够单独、安全的对地层控制；
3）缓解气井液面提前上升；
4）隔离套管，避免其受井下液体和压力影响；
5）保存地层能量，避免浪费，提升油井产率和寿命；
6）实现机械采油方法。
（2）封隔器选用依据
封隔器种类很多，不同的风格器有不同特点和功能，选用不同的封隔器也会达到不一样的使用效果。
在进行选用之前，要对井下状况进行准确的调查和分析，结合实际情况，对所要达到的目的和可行性进行预判，并考虑经济因素，以保证工作效果。
下面简单列举了选用封隔器应该考虑的一些条件：
1）封隔器的结构性能
首先应该靠考虑的就是封隔器的结构性能，这是影响工作效果的决定性条件。
封得严是对封隔器的最基本要求，其次还要有良好的使用寿命，这就要求坐封和解封机构简单、耐用。
2）井下工具和地面设备的关系
封隔器一般由地面进行控制完成各种动作，也就是说地面设备和封隔器进行的是协同作业。
因此在选用封隔器时要考虑是否能与地面设备有可靠地配合，以确保井下施工能够顺利安全的完成。
3）井下流体种类和性质
井下流体的种类和性质会影响封隔器的寿命和使用效果。
当井中存在腐蚀性流体时，要将封隔器材质考虑在内。
4）封隔器的价格和使用成本
封隔器的选用和其它油气装备一样，不能只考虑使用效果，在多种封隔器都能满足使用要求时，要尽可能的降低成本。
1.4工作原理
（1）坐封
将封隔器送入井下，当其到达指定深度后，再将钢球放入井中，等到钢球落到封隔器的球座上，位于井口的油管开始加压，井下封隔器经油管接受压力，当达到一定压力值，坐封剪钉被剪断，此时坐封活塞向下移动，推动锁紧机构、卡簧片、上下胶筒、补偿胶筒、挡环和上锥体下行，卡瓦被撑开，锁紧机构锁紧。
压力继续增加，胶筒处剪钉被剪断，胶筒在活塞压力下向下移动，当胶筒被压缩到极限，油套管环形空间就会被密封，并且胶筒被弹簧片锁紧。
压力卸载后，因为弹簧片和锁紧机构具有锁紧作用，卡瓦和胶筒状态不变。
（2）解封
将管柱上提时，外中心管会跟随向上移动，当解封销钉被剪断，下椎体就会下移，致使卡瓦收回，胶筒收缩，形成解封，封隔器就可以被取出。
当封隔器下面管柱被卡住时，需要加大上提管柱的力，将悬挂销钉剪断，封隔器可以被顺利取出，但是下椎体会留在井中。
1.5设计内容
1.5.1毕业设计说明书要求
（1）概述；
（2）Y211-114封隔器设计模型及运动学、动力学计算；
（3）Y211-114封隔器的技术性能参数的确定；
（4）Y211-114封隔器的结构设计，材料的选择；
（5）Y211-114封隔器主要零部件的强度、刚度的计算；
（6））结论与建议。
1.5.2计算机绘图部分要求
统一使用AutoCAD2010绘图软件，按机械制图国家标准规定绘图。
（1）Y211-114封隔器总装配图1张，为图；
（2）Y211-114封隔器使用状态图1张，均为图；
（3）Y211-114封隔器主要零件图各1张，均为图；
1.5.3技术参数
表1-6技术参数
工具型号
Y211-114
适用套管外径（mm）
139.7
适用套管壁厚（mm）
7.72
9.17
工具最大外径（mm）
115.3
工具长度（mm）
1820
最小通径（mm）
48
最大工作压差（Mpa）
50
耐温（℃）
120
推荐座封压力（KN）
100±
20
37
第2章封隔器结构设计
第2章封隔器的结构设计
由于封隔器存在许多种类并且有不同的使用目的，那么它的结构也不尽相同。
根据编制标准可知，Y211-114封隔器为压缩式封隔器，单向卡瓦支撑，坐封与解封方式都为提放管柱，钢体最大外径为114mm。
尽管如此，在结构上还存在其它许多不确定因素，在设计过程中，可以参考以下原则[10]：
（1）尽量选择较大的通径；
（2）如果存在大直径零件，尽量减小其法向尺寸；
（3）在保证可靠性的前提下，要使零件简单化；
（4）安装方便。
2.1密封元件结构设计
密封元件是封隔器的关键部件，它的结构参数以及机械性能决定着封隔器的使用可靠性。
在实际使用过程中，密封元件非常容易发生密封失效，再就是由于密封元件残余变形过大致使起封困难等情况。
这一系列的问题的出现主要原因是密封元件的结构、尺寸、形状不合理。
自从封隔器出现之后，人们在密封元件上花费了大量精力来进行各个方面的实验和研究，尤其是对实现外部密封的胶筒的研究，故而可以看出密封元件的重要程度。
2.1.1胶筒的结构分析
图2-1压缩式密封元件
从封隔器的型号来看，Y211-114封隔器采用压缩式密封元件。
使得密封元件在受力时，避免或者降低胶筒上的应力集中现象，使应力最大程度的均匀分布，（不通顺哇）这是我们设计过程中应该着重要考虑的方面。
在长时间的实际生产使用和实验过程中，人们在这方面已经积累了一些经验。
容易产生应力集中的区域主要是胶筒的边缘，在这一区域，会明显出现残余变形，比较严重的会有裂痕产生。
这一结论是阿塞拜疆的一家公司得出的，他们从油井中取出大量封隔器发现了这一现象。
而这种现象是因为胶筒的端面形状不合适造成的。
鉴于这一原因，研究人员做了大量实验，实验发现，当端面采用60°
内斜角时，会比较容易坐封，但是因为支撑环的存在，会在距加载端1/3长度的地方出现应力集中区，这样就会出现残余变形，破坏胶筒，从而难以解封。
如若改用外斜角且角度控制在30°
到40°
，这时的胶筒会达到最佳效果，尽管应力集中依然存在，但是会大大减小。
端面形状是胶筒结构设计最为重要的方面之一，其次就是侧面形状。
目前通常会采用桶形胶筒，这种胶筒的寿命是普通圆形胶筒的两倍，因为其在受力时避免了应力集中现象，从而延长了使用寿命。
桶形胶筒的形变过程由中间位置开始，两端发生强弹性变形，但是整个过程体积不会改变，并且自始至终是弹性变形。
阿塞拜疆油田曾经做过一个实验，将桶形胶筒在井下使用两个月后取出，发现完好无损，而其它胶筒一个月后就会损坏。
同时，有人对这种胶筒提出质疑，由于存在外截锥的端部，在坐封受压时，支撑环与胶筒之间的摩擦力使得密封元件在轴向上出现不均匀的径向形变。
因此，在近端部位置密封比压值会减小，从而影响密封效果。
图2-2桶形胶筒改进图
1-支撑环；
2-防突钢环；
3-套管；
4-胶筒；
5-中心管
鉴于上述原因，我们要对胶筒端部在原有基础上进行改进，改进的方向就是想办法使端面轴向受力在径向的分量抵消摩擦力。
方法是在胶筒端部添加一个环形凹槽[如图2-2（c）]，其截面是圆锥形,支撑环上的凸起部分正好能够与凹槽匹配[如图2-2（a）、（b）]，锥形
φ=tan-11f（2-1）
式中f----支撑环与胶筒摩擦系数。
密封元件的结构设计远不止这么简单，在最初能够达到密封要求的密封元件，在短时间使用后可能会失效，主要原因是出现了应力松弛因素。
实际上，胶筒密封作用靠的是弹性形变产生足够的接触应力，这一应力持续的时间与使用寿命成正比。
但
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