封隔器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[深層薈萃]

1、Y241-114封隔器設(shè)計(jì)摘 要：本文研究的封隔器是油氣井作業(yè)中使用廣泛的一種井下工具，其作用是在油井深度方向?qū)崿F(xiàn)分層作業(yè)。封隔器上的卡瓦錨定后起到支撐封隔器、鎖定膠皮筒的作用，其性能的好壞直接影響到油井的產(chǎn)量和生產(chǎn)安全。隨著油氣田開(kāi)采的深入，地層情況越來(lái)越復(fù)雜，分層作業(yè)越來(lái)越普遍，對(duì)封隔器的使用要求也越來(lái)越高，封隔器系統(tǒng)失效的情況時(shí)有發(fā)生，給生產(chǎn)造成損失。 本文概述了油田常用的封隔器的類(lèi)型、參數(shù)、命名及其工作原理；討論了目前封隔器所用的膠筒的發(fā)展現(xiàn)狀；分析了卡瓦對(duì)套管的損壞機(jī)理，討論了卡瓦齒形對(duì)其受力的影響及對(duì)套管損壞的影響；分析了Y241-114封隔器的工作原理以及結(jié)構(gòu)特征并對(duì)各重要零部件

2、進(jìn)行強(qiáng)度校核，進(jìn)而完成對(duì)Y241-114封隔器的設(shè)計(jì)，得出結(jié)論。Y241-114型封隔器主要用于分層注水中，該型封隔器中設(shè)計(jì)的內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的重復(fù)坐封，提高了承壓能力，采用的單向卡瓦結(jié)構(gòu)，對(duì)注水工藝管柱進(jìn)行扶正和錨定，提高了傳統(tǒng)的無(wú)卡瓦封隔器的承壓能力與解封力。同時(shí)還采用新型膠筒材料，能使密封元件更好耐高溫、高壓。因此該封隔器具有承壓能力高，使用壽命長(zhǎng)，密封效果好，能夠滿足高壓分注工藝要求。關(guān)鍵詞：封隔器；高壓；注水；設(shè)計(jì)The Design of Packer of Y241-114 formAbstract: Packerof this studyiswidelyused inoi

3、l and gaswellsoperatinga downhole tool,its role is torealizethe depth directionin the well stratifiedoperation. Slipson thepackerpackersupportafter theplay, lockthe role ofrubbertube, the performancehas a directimpact onoil production andproduction safety.Withthe deepeningexploitation ofoil and gas

4、fields, stratigraphic situationmore complex,layeredworkmore and more common,the useofpackerdemand more and more, packersystem failure situationshave occurred,causingdamageto production.This article outlines thecommonoilfieldpackertype, parameters, nameand the working principle;discuss the currentpac

5、kercones used inthe development ofthe status quo;oftheslipofthe casing of thefailure mechanism,gearslipsdiscussedThe influenceof its shapeandthe influenceofcasing damage of the Y241-114 packer works and structural characteristicsandstrength checkof all major components, and thencomplete theY241-114p

6、ackerDesign,draw a conclusion.Y241-114 packer is mainly used in water injection. It has the locking mechanism, and makes the realization of 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 a

7、lso enhances the traditional non-slip packer capacity and the pressure of being lifted. The packer also adoptes the new rubber material to 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 inje

8、ction.Key words: packer; hypertension; water injection; design目 錄1 緒 論11.1 前言11.2 封隔器的發(fā)展11.3 封隔器的應(yīng)用21.3.1 封隔器基本用途21.3.2 封隔器選用依據(jù)21.4 封隔器的結(jié)構(gòu)31.4.1 密封部分31.4.2 錨定部分31.4.3 扶正部分31.4.4 坐封部分41.4.5 鎖緊部分41.4.6 解封部分41.5 封隔器的類(lèi)型41.5.1 封隔器的分類(lèi)41.5.2 封隔器型號(hào)編制41.6 常用封隔器的工作原理62 Y241-114封隔器的設(shè)計(jì)102.1 總體方案設(shè)計(jì)102.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)102.

9、3 工作原理112.3.1 坐卡、坐封過(guò)程112.3.2 解卡、解封過(guò)程112.4 密封元件的設(shè)計(jì)122.4.1 合理形狀和尺寸的確定122.4.2 密封元件材質(zhì)的選用142.5 卡瓦部分的設(shè)計(jì)172.5.1 普通卡瓦封隔器對(duì)套管的損壞172.5.2 普通卡瓦的受力分析182.5.3 卡瓦的設(shè)計(jì)222.6 其他零部件的設(shè)計(jì)262.7 技術(shù)參數(shù)的確定262.7.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定262.7.2 主要工作性能參數(shù)的確定273 井下管柱受力分析323.1 溫度效應(yīng)323.2 活塞效應(yīng)323.3 膨脹和反膨脹效應(yīng)333.4 螺旋彎曲效應(yīng)344 關(guān)鍵零部件的校核364.1 坐封剪釘?shù)男：?64.2

10、中心管強(qiáng)度校核374.3 鎖定套抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算385 綜述405.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)405.2 使用說(shuō)明405.3 注意事項(xiàng)42結(jié) 論43參考文獻(xiàn)44致 謝451 緒 論1.1前言本文研究的封隔器是油氣井作業(yè)中使用廣泛的一種井下工具，其作用是在油井深度方向?qū)崿F(xiàn)分層作業(yè)。封隔器上的卡瓦錨定后起到支撐封隔器、鎖定膠皮筒的作用，其性能的好壞直接影響到油井的產(chǎn)量和生產(chǎn)安全。隨著油氣田開(kāi)采的深入，地層情況越來(lái)越復(fù)雜，分層作業(yè)越來(lái)越普遍，對(duì)封隔器的使用要求也越來(lái)越高，封隔器系統(tǒng)失效的情況時(shí)有發(fā)生，給生產(chǎn)造成損失。 本文概述了油田常用的封隔器的類(lèi)型、參數(shù)、命名及其工作原理；討論了目前封隔器所用的膠筒的發(fā)展現(xiàn)狀；分

11、析了卡瓦對(duì)套管的損壞機(jī)理，討論了卡瓦齒形對(duì)其受力的影響及對(duì)套管損壞的影響；分析了Y241-114封隔器的工作原理以及結(jié)構(gòu)特征并對(duì)各重要零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，進(jìn)而完成對(duì)Y241-114封隔器的設(shè)計(jì)，得出結(jié)論。1.2封隔器的發(fā)展所謂封隔器，是指具有彈性密封元件，并藉此封隔環(huán)空、隔絕氣層，以控制產(chǎn)(注)液,保護(hù)套管的井下工具。隨著石油工業(yè)的興起和發(fā)展，伴隨著封隔器的問(wèn)世和演變。據(jù)記載，世界上最早使用的封隔器是美國(guó)“種子袋”封隔器，由早期的油田經(jīng)營(yíng)商拉夫納兄弟等人開(kāi)始使用。1861年，經(jīng)木質(zhì)的表層導(dǎo)管下入的早期油管柱就帶有這種封隔器。1865年，世界上第一次使用小尺寸的套管，其底端所接的也是這種封隔器。

12、早期的封隔器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用途單一，性能低下。十九世紀(jì)八十年代美國(guó)相繼發(fā)明了裸眼封隔器和單膠筒封隔器，隨著美國(guó)對(duì)封隔器研究工作步伐的加快，蘇聯(lián)本國(guó)也相繼對(duì)其研究發(fā)明。為了合理的開(kāi)發(fā)多油層非均質(zhì)油田，避免層間干擾和確保隔層有效生產(chǎn)，三十年代末，美國(guó)和蘇聯(lián)相繼開(kāi)始了分層開(kāi)采工藝技術(shù)的研究如分層注水，這就導(dǎo)致了分層開(kāi)采工藝技術(shù)的各種封隔器的發(fā)展。1942年，第一次雙層完井使用了美國(guó)貝克公司制造的封隔器。隨后幾十年，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(duì)封隔器提出了種種更高的要求，因而促使封隔器的研制工作趨向?qū)I(yè)化，研制的產(chǎn)品日益豐富。近幾十年來(lái)，由于人類(lèi)對(duì)石油后備儲(chǔ)量勘探的需要

13、，不得不在越來(lái)越惡劣的環(huán)境極端高溫，極端高壓，極端復(fù)雜的條件下進(jìn)行鉆井和完井。為了適應(yīng)這種需要，密封腔容座完井法應(yīng)運(yùn)而生，用作苛刻條件下的密封材料相繼問(wèn)世，因而突破了封隔器只限于外密封的舊觀念，開(kāi)拓了封隔器實(shí)現(xiàn)內(nèi)密封的新途徑。隨后，出現(xiàn)了一種新型的高壓完井工具可取式下放短節(jié)，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靈活性和更好的控制性，從而導(dǎo)致油氣井完井工藝的重大改革。封隔器正向高性能、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，近幾十年來(lái)，隨著鉆井、完井工藝不斷向高壓、高溫復(fù)雜的深部地層方面發(fā)展，對(duì)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

14、。1.3封隔器的應(yīng)用1.3.1封隔器基本用途 如前所述，封隔器適用范圍之廣，幾乎遍及勘探和開(kāi)發(fā)的各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。之所以應(yīng)用封隔器，除了可滿足生產(chǎn)中的各個(gè)工藝要求外，也有經(jīng)濟(jì)上和操作上的考慮，因?yàn)榻柚飧羝鬟M(jìn)行井下作業(yè)，比之其他的井下工具更為合算、更為方便。封隔器一旦在井下有效工作，就可以達(dá)到下列目的：（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，防止層間液體和壓力互相干擾，以適應(yīng)各種分層技術(shù)措施的需要，或便于進(jìn)行堵漏、堵竄等修井作業(yè)；（3）保存并充分利用地層能量，以提高油井生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)其工作時(shí)間；（4）使井的控制僅限于地面油管，以確保安全和最大限度

15、的控制地層；（5）便于采用機(jī)械采油的方式；（6）用在氣井中（尾管下至射孔段以下），可以緩和氣井液面過(guò)早上升。通常，封隔器不能用在下列場(chǎng)合：（1）桿式泵抽油井；（2）電潛泵抽油井；（3）靠環(huán)形空間生產(chǎn)的低硫高產(chǎn)油井；（4）油套同出的低硫干氣井。1.3.2封隔器選用依據(jù)封隔器選用得當(dāng)，就會(huì)確保甚至提高井下工作效果。因此，必須對(duì)預(yù)定的井下作業(yè)的目的進(jìn)行分析。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該結(jié)合油井現(xiàn)在的和將來(lái)的情況，并在預(yù)計(jì)到要可能進(jìn)行其他作業(yè)的情況下，選擇既盡可能達(dá)到多項(xiàng)使用目的，而總成本最低的封隔器類(lèi)型。下面簡(jiǎn)要列舉了選用封隔器應(yīng)當(dāng)考慮的一些因素。（1）封隔器的結(jié)構(gòu)性能封隔器的結(jié)構(gòu)性能是決定使用效果和成本的關(guān)鍵因

16、素，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先予以考慮。通常，對(duì)封隔器性能上的基本要求是下的去、封得嚴(yán)、能耐久。具體來(lái)說(shuō)，包括坐封或解封動(dòng)作是否簡(jiǎn)單、耐壓、耐溫、抗腐蝕的程度和連續(xù)密封的時(shí)間和最為適合何種作業(yè)。（2）封隔器的價(jià)格和使用成本在許多情況下，可能有好幾種可選擇的封隔器，能同時(shí)滿足某一種工藝要求，但多半選擇其價(jià)格較低者。值得注意的是，封隔器的性能是影響封隔器成本的主要因素，一定要結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)。（3）井下流體性質(zhì)和種類(lèi)井下流體的性質(zhì)和種類(lèi)，對(duì)于封隔器的使用效果和壽命長(zhǎng)短有一定的影響。當(dāng)井中含有二氧化碳和硫化氫時(shí)，選用封隔器必須考慮到加工封隔器的材質(zhì)。（4）地面設(shè)備和井下工具的相互關(guān)系坐封封隔器時(shí)，一般要進(jìn)行地面操作，例如

17、，上提下放油管柱，正反轉(zhuǎn)油管柱或通過(guò)油管施加壓力。因此，選用封隔器必然涉及到井口設(shè)備。由于完井是一種協(xié)同作業(yè)，所以應(yīng)當(dāng)選用可以互相配合的地面設(shè)備和井下工具，以確保安全、可靠地進(jìn)行作業(yè)。1.4封隔器的結(jié)構(gòu)目前，盡管?chē)?guó)內(nèi)外研制的封隔器花樣繁多，但基本結(jié)構(gòu)相差無(wú)幾。主要包括密封、錨定、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，發(fā)生動(dòng)作，最終密封環(huán)形間隙，防止流體通過(guò)的機(jī)械。它是封隔器的關(guān)鍵部分，主要有彈性密封元件，賴(lài)以安裝密封元件的鋼腕，隔環(huán)和各種防止元件“肩部突出”的“防突”部件構(gòu)成。其中密封元件是至關(guān)重要的核心部件，通常制作成圓筒狀，

18、所以也俗稱(chēng)膠筒。1.4.2錨定部分它也叫“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?；蛞鸱飧羝鬟^(guò)早解封，主要包括水力錨和卡瓦。水力錨使用比較廣泛。它通常有許多卡瓦牙或鋸齒形錨爪構(gòu)成的。它既可與封隔器設(shè)計(jì)成一體與卡瓦配合使用，也可以單獨(dú)使用接在封隔器上?？ㄍ咭彩且环N常見(jiàn)的起錨定作用的機(jī)構(gòu)，美國(guó)使用最早。早期的封隔器由于下入深度淺或承壓能力低，一般無(wú)需帶卡瓦，或只在膠筒上部用卡瓦。隨著下入深度的加深和地質(zhì)的惡劣，單級(jí)卡瓦和多級(jí)卡瓦應(yīng)運(yùn)而生。為了防止封隔器的縱向移動(dòng)。特別是在深井和高壓作業(yè)中，往往采用正、反多級(jí)卡瓦或附加上水力錨。1.4.3扶正部分它主要是起

19、扶正密封元件的作用，同時(shí)也起初卡作用，便于封隔器坐封。這種作用通常有一些扶正彈簧和狀如燈籠的扶正器承擔(dān)。在轉(zhuǎn)動(dòng)扶正管柱坐封封隔器時(shí)，扶正彈簧片以對(duì)套管壁的足夠的摩擦力，防止封隔器殼體隨管柱移動(dòng)。扶正器一般扶正彈簧罩、彈簧座和彈簧構(gòu)成，其作用靠外端呈圓柱面的扶正塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.4.4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)的機(jī)構(gòu)，通常，它包括坐封活塞、中心管、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：推動(dòng)錐體，使卡瓦張開(kāi)，并貼在套管壁上；壓縮彈性密封元件，使之脹大而密封。1.4.5鎖緊部分鎖緊部分使封隔器一旦坐封后，使之固定于坐封狀態(tài)的機(jī)構(gòu)。由于封隔器鎖緊及動(dòng)作方式在很大程度上

20、影響封隔器的可取性，因而是涉及可取式封隔器應(yīng)予重視的結(jié)構(gòu)部分。它通常由外中心管、銷(xiāo)釘、各種內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)構(gòu)成。1.4.6解封部分解封部分是使油、套壓連通，進(jìn)而導(dǎo)致卡瓦回收，膠筒恢復(fù)原狀、以利于起封的機(jī)構(gòu)。它使封隔器在井下工作狀態(tài)由定位密封轉(zhuǎn)為非工作的自由狀態(tài)的過(guò)程，是封隔器起出時(shí)一個(gè)必備的重要程序。1.5封隔器的類(lèi)型1.5.1封隔器的分類(lèi)封隔器按封隔件實(shí)現(xiàn)密封的方式進(jìn)行分類(lèi)。自封式：靠封隔件外徑與套管內(nèi)徑的過(guò)盈和工作壓差實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。壓縮式：靠軸向力壓縮封隔件，使封隔件外徑變大實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。擴(kuò)張式：靠徑向力作用于封隔件內(nèi)腔，使封隔件外徑擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。組合式：由自封式、壓縮式、擴(kuò)張式

21、任意組合實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。1.5.2封隔器型號(hào)編制編制方法：按封隔器分類(lèi)代號(hào)、固定方式代號(hào)、坐封方式代號(hào)、解封方式代號(hào)及封隔器鋼體最大外徑、工作溫度/工作壓差六個(gè)參數(shù)依次排列，進(jìn)行型號(hào)編制，其形式如下：（1）分類(lèi)代號(hào)：用分類(lèi)名稱(chēng)第一個(gè)漢字的漢語(yǔ)拼音大寫(xiě)字母表示，組合式用各式的分類(lèi)號(hào)組合表示，見(jiàn)表1。表1 分類(lèi)代號(hào)分類(lèi)名稱(chēng)自封式壓縮式 擴(kuò)張式組合式分類(lèi)代號(hào)ZYK用各式的分類(lèi)代號(hào)組合表示（2）固定方式代號(hào)：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，見(jiàn)表2。表2 固定方式代號(hào)固定方式名稱(chēng)尾管支撐單向卡瓦懸掛雙向卡瓦錨瓦代號(hào)12345（3）坐封方式代號(hào)：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，見(jiàn)表3表3 坐封方式代號(hào)坐封方式名稱(chēng)提放管柱轉(zhuǎn)動(dòng)管柱自

22、封液壓下工具熱力代號(hào)123456（4）解封方式代號(hào)：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，見(jiàn)表4。 表4 解封方式代號(hào)解封方式名稱(chēng)提放管柱轉(zhuǎn)動(dòng)管柱鉆銑液壓下工具熱力代號(hào)123456（5）鋼體最大外徑：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為毫米(mm)。 （6）工作溫度：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為攝氏度()。 （7）工作壓差：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為兆。應(yīng)用本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可將油田的名稱(chēng)加到封隔器型號(hào)的前面，特殊用途加到封隔器型號(hào)的后面。例如：Y211-114型封隔器，按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)表示封隔器封隔件的工作原理為壓縮式、單向卡瓦支撐、提放管柱坐封、提放管柱解封、鋼體最大外徑為114mm。華北K341-140型裸眼封隔器，按本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)表示為華北油田

23、封隔器，封隔件的工作原理為擴(kuò)張式、無(wú)支撐、液壓坐封、提放管柱解封、鋼體最大外徑為140mm，使用于裸眼井。1.6常用封隔器的工作原理隨著現(xiàn)場(chǎng)井況的變化，封隔器也隨之逐步改進(jìn)，形成了多種多樣、滿足各種條件的封隔器。但其最基本的原理是相通的。下面介紹幾種最基本的封隔器的結(jié)構(gòu)和原理。（1）Y211封隔器。結(jié)構(gòu)如下圖1所示。圖1 Y211封隔器結(jié)構(gòu)示意圖1-上接頭 2-調(diào)節(jié)環(huán) 3-“O”型圈 4-邊膠筒 5-隔環(huán) 6-中膠筒 7-中心管 8-楔形體帽 9-檔環(huán) 10-防松螺釘 11- 楔形體12-防松螺釘 13-限位螺釘 14-卡瓦 15-大卡瓦檔環(huán) 16-固定螺釘 17-連接環(huán) 18-小卡瓦檔塊 1

24、9-防松螺釘 20-護(hù)罩 21-彈簧 22-鎖環(huán)套 23-檔球套 24-檔球 25-頂套 26-扶正體 27-壓環(huán) 28-摩擦塊 29-壓簧 30-限釘壓環(huán) 31-滑環(huán) 32-軌道銷(xiāo)釘 33-防松螺釘 34-下接頭工作原理如下所述：坐封：按所需坐封高度上提管柱后下放管柱，由件2630組成的扶正器依靠彈簧29的彈力造成摩擦塊28與套管壁的摩擦力，扶正器則沿中心管7軌跡槽運(yùn)動(dòng)，軌道銷(xiāo)釘32從原來(lái)的短槽上死點(diǎn)A經(jīng)過(guò)B到達(dá)長(zhǎng)槽上死點(diǎn)C的坐封位置。由于頂套25的作用，擋球套23被頂開(kāi)解鎖，從而使卡瓦14被錐體11撐開(kāi)，并卡在套管內(nèi)壁上。同時(shí)，在管柱重量作用下，件1、2和7一起下行壓縮膠筒，使膠筒直徑變大

25、，封隔油套環(huán)形空間。解封：上提管柱，上接頭1、調(diào)節(jié)環(huán)2和中心管7一起上行，結(jié)果軌道銷(xiāo)釘32又運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)B，錐體11退出卡瓦14。同時(shí)由于扶正器的摩擦力，產(chǎn)生一個(gè)向下的拉力，從而卡瓦準(zhǔn)確回收及鎖球24復(fù)位，擋球套23在彈簧21的作用下，自動(dòng)復(fù)位，鎖緊裝置恢復(fù)。與此同時(shí)，膠筒收回解封。（2）Y221封隔器。結(jié)構(gòu)如下圖2所示圖2 Y221封隔器結(jié)構(gòu)示意圖1-上接頭 2-調(diào)節(jié)環(huán) 3-“”型圈 4-長(zhǎng)膠筒 5-隔環(huán) 6-短膠筒 7-軌道中心管 8-楔形體 9-檔環(huán) 10、12、19、30、31-防松螺釘 11-楔形體 13-限位螺釘 14-卡瓦 15-大卡瓦檔塊 16-小卡瓦檔塊 17-固定螺釘 18

26、-連接環(huán) 20-護(hù)罩 21-扶正體 22鎖環(huán)套 23 檔環(huán)套 24-鎖球 25-頂套 26-扶正體 27、32-限位壓環(huán) 28-摩擦環(huán) 29-彈簧 33-轉(zhuǎn)環(huán) 34-軌道銷(xiāo)釘 35-下接頭工作原理如下所述：坐封：按所需坐封高度上提管柱后轉(zhuǎn)動(dòng)管柱，然后下放管柱，由件2632組成的扶正器，依靠彈簧30的彈力而造成摩擦塊28與套管壁的摩擦力，依靠滑動(dòng)銷(xiāo)釘34扶正器就沿中心管7的“J”形槽運(yùn)動(dòng)，結(jié)果，件34就從下井時(shí)槽的末端運(yùn)動(dòng)到坐封位置時(shí)的頂端，由于頂套25的作用，擋球套23被頂開(kāi)解鎖，從而卡瓦14被錐體11撐開(kāi)，并卡在套管壁上。同時(shí)，件1、2、7就一起下行壓縮膠筒，使膠筒直徑變大，封隔油套環(huán)形空間

27、。解封：上提管柱，上接頭1、調(diào)節(jié)環(huán)2和中心管7一起上行，膠筒收回解封，而軌道銷(xiāo)釘34從中心管7“J”形槽的頂端回到末端，錐體11退出卡瓦14，卡瓦就回收解卡，鎖球套23在彈簧21的作用下，自動(dòng)復(fù)位，鎖緊裝置恢復(fù)。（3）Y341注水封隔器。結(jié)構(gòu)如下圖3所示。圖3 Y341注水封隔器1-上接頭 2-“”型圈 3-洗井閥 4-頂套 5-外中心管 6-內(nèi)中心管 7-膠筒 8-隔環(huán) 9-密封環(huán) 10-防座剪釘 11-卡瓦座 12-卡瓦 13-鎖套 14-解封套 15-活塞 16-連接頭 17-下接頭工作原理如下所述：坐封：從油管內(nèi)加液壓，通過(guò)連接頭16的小孔作用在上、下活塞15上，使活塞推動(dòng)鎖套13和密

28、封環(huán)9上行，壓縮膠筒，使膠筒7直徑變大，封隔油套環(huán)形空間，同時(shí)液壓通過(guò)上接頭1的小孔作用在洗井閥3上，使洗井閥3下行與外中心管5的內(nèi)錐面密封，封閉內(nèi)外中心管的環(huán)形空間。放掉油管壓力，因卡瓦12和鎖套13上的內(nèi)外齒相互嚙合在一起，使膠筒不能返回。洗井：從套管內(nèi)加液壓，通過(guò)頂套4上的側(cè)孔進(jìn)入內(nèi)外中心管6和5的環(huán)形空間，經(jīng)鎖套13上的側(cè)孔進(jìn)入下層。解封：上提管柱，上接頭1帶動(dòng)內(nèi)中心管6，連接頭16上行，而外中心管5、鎖套13和卡瓦座11、卡瓦12等部件，連接頭上行使解封套14上升，件14的內(nèi)錐面內(nèi)抱卡瓦12，使卡瓦和鎖套13分離，則鎖套13和密封環(huán)9等部件在膠筒7的彈力作用下下行，從而膠筒恢復(fù)。（4

29、）K344封隔器。結(jié)構(gòu)如下圖4所示。圖4 K344封隔器結(jié)構(gòu)示意圖工作原理如下說(shuō)所述：從油管內(nèi)加液壓，液壓經(jīng)濾網(wǎng)罩8，下接頭9的孔眼和中心管6的水槽作用在膠筒5的內(nèi)腔，使膠筒5脹大，封隔油套環(huán)形空間。放掉油管壓力，膠筒即收回解封。2 Y241-114封隔器設(shè)計(jì)Y241-114型封隔器，按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)表示封隔器封隔件的工作原理為壓縮式、單向卡瓦支撐、液壓坐封、提放管柱解封、鋼體最大外徑為114mm。2.1總體方案設(shè)計(jì)結(jié)合Y211-114和Y341-114型封隔器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用現(xiàn)狀提出Y241型封隔器的設(shè)計(jì)方案一、Y211-114封隔器與Y111-114封隔器配套堵水工藝分析（1）工藝原理：采用單向卡瓦，

30、上提、下放管柱坐封，上提解封。（2）適用范圍：堵上、中層水。（3）優(yōu)點(diǎn)：有效期長(zhǎng)。（4）缺點(diǎn)：管柱部分油管受壓處于彎曲；不能多級(jí)使用；深度超過(guò)3000米時(shí)，換向和坐封就不十分可靠。二、Y341-114封隔器堵水工藝分析（1）工藝原理：液壓方式坐封，上提解封，具有鎖緊裝置。（2）適用范圍：堵上、中、底層水均可。（3）優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)多種堵水工藝。（4）缺點(diǎn)：封隔器本身無(wú)卡瓦，井深超過(guò)1000米，由于油管“呼吸”作用，封隔器易失效，封堵有效期短。針對(duì)上述情況，提出設(shè)計(jì)具有強(qiáng)收卡瓦，液壓坐封，上提管柱的Y241-114封隔器的設(shè)計(jì)方案與要求：（1）封隔器具有卡瓦錨定，且卡瓦具有強(qiáng)收功能；（2）液壓坐封，

31、井口可提一部分管柱重量，防止管柱彎曲；（3）具有鎖緊裝置，防止泄壓后膠筒退回；（4）上提管柱解封，操作簡(jiǎn)便可靠。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由上接頭、膠筒管、隔環(huán)、膠筒、O型圈、上缸筒、 中心管、 錐體、卡瓦牙、卡瓦片簧、片簧螺釘、扶正體、 摩擦片、 弓簧、扶正體下體、穩(wěn)釘、下缸筒、下接頭、坐封鎖環(huán)、解封環(huán)、解封剪釘、坐封鎖套、支承環(huán)、坐封剪釘、調(diào)節(jié)環(huán)、下壓帽組成（如圖5）。圖5 Y241-114結(jié)構(gòu)示意圖 1 上接頭；2 膠筒管；3 隔環(huán)；4、5 膠筒；6、7、10、20、22 O型圈；8 上缸筒；9 中心管；11 錐體；12 卡瓦牙；13 卡瓦片簧；14 片簧螺釘；15 扶正體；16 摩擦片；17 弓簧

32、；18 扶正體下體；19 穩(wěn)釘；21 下缸筒；23 下接頭；24 坐封鎖環(huán)；25 解封環(huán)；26 解封剪釘；27 坐封鎖套；28 支承環(huán)；29 坐封剪釘；30調(diào)節(jié)環(huán)；30下壓帽（1）密封膠筒總成：密封膠筒總成由上接頭、膠筒、隔環(huán)、上缸筒等組成。采用的三膠筒結(jié)構(gòu)形式有效地保護(hù)了工作膠筒，防止由于管柱的蠕動(dòng)而使封隔器的密封元件受到損壞。（2）內(nèi)鎖緊及坐封、解封機(jī)構(gòu)：內(nèi)鎖緊及坐封、解封機(jī)構(gòu)主要由中心管、膠筒管、坐封鎖環(huán)、解封環(huán)、坐封鎖套、坐封剪釘、解封剪釘、支承環(huán)、調(diào)節(jié)環(huán)等組成。（3）液缸機(jī)構(gòu)：液缸機(jī)構(gòu)主要由中心管、錐體、上缸筒、下缸筒等組成。（4）單向卡瓦機(jī)構(gòu)：?jiǎn)蜗蚩ㄍ邫C(jī)構(gòu)主要由錐體、卡瓦、卡瓦片簧

33、、中心管等組成?？ㄍ卟牧蠟?0CrMoTi，同時(shí)通過(guò)滲碳處理后，達(dá)到很高的強(qiáng)度，從而滿足工況要求，卡瓦采用四瓣的結(jié)構(gòu)形式，卡瓦頂為R=0.2的圓弧，對(duì)套管壁損傷小，進(jìn)而保證了封隔器在套管微小的變形下達(dá)到正常坐封。（5）扶正機(jī)構(gòu)：扶正機(jī)構(gòu)主要由扶正體、摩擦片、弓簧、扶正體下體等組成。2.3工作原理2.3.1坐卡、坐封過(guò)程從油管內(nèi)加液壓，液壓經(jīng)膠筒管2和中心管9的孔眼作用在上缸筒8和下缸筒21上，坐封剪釘29被剪斷，推動(dòng)下缸筒21、坐封鎖套27、支承環(huán)28、卡瓦12和扶正體15等部件一起上行，進(jìn)而通過(guò)推動(dòng)錐體11和上缸筒8而壓縮膠筒4、5，在此過(guò)程中，卡瓦12沿著錐體11上行，并卡牢在套管壁上，繼

34、而使膠筒壓緊，封隔油、套管環(huán)形空間。放掉油管壓力，因坐封鎖套27被坐封鎖環(huán)24卡住，卡瓦12始終在套管內(nèi)壁上，上缸筒8、下缸筒21和扶正體15等部件就不能在膠筒4、5的彈力作用下退回，膠筒4、5就始終處于封隔油、套管環(huán)形空間狀態(tài)。2.3.2解卡、解封過(guò)程上提油管柱，因上接頭1、膠筒管2、中心管9和下接頭23與管柱相接向上運(yùn)動(dòng)，而上缸筒8和下缸筒21等部件依靠卡瓦12和膠筒4、5與套管的摩擦力不動(dòng)，結(jié)果解封剪釘26被剪斷。上缸筒8和下缸筒21等部件在膠筒4、5的彈力作用下一起下行，膠筒4、5就收回解封，上提管柱，卡瓦12強(qiáng)行收回，解封、解卡完畢。2.4密封元件的設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)典型的可取式封隔器，它

35、必須符合三條基本要求： 能順利下井； 在工作介質(zhì)中密封可靠，壽命長(zhǎng)； 需要時(shí)便于起出。為了滿足以上要求，封隔器密封元件必須設(shè)計(jì)合理，選材得當(dāng)，從而獲得符合要求的變形功能，良好的恢復(fù)特性和一定的耐溫、耐壓、抗流體浸蝕的能力。2.4.1合理形狀和尺寸的確定眾所周知，封隔器工作可靠性，關(guān)鍵取決于密封元件的物理機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的合理。在生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常碰到由于膠筒的粘彈性變形使得封隔區(qū)之間密封失效，或者膠筒產(chǎn)生殘余變形，造成“撥活塞”，因而起封困難等復(fù)雜情況。所有這類(lèi)現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于缺乏科學(xué)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，使得膠筒的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸不合理造成的。在設(shè)計(jì)壓縮式密封元件的幾何形狀時(shí)，首先要考慮的是

36、，密封元件在承載變形時(shí)，要求應(yīng)力分布均勻，盡量避免和減少膠筒上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。蘇聯(lián)阿塞拜疆聯(lián)合企業(yè)從54口井中取出的76只封隔器表明，出現(xiàn)裂痕和殘余變形主要發(fā)生在邊緣應(yīng)力集中區(qū)，這是由端面形狀不合適造成的。室內(nèi)試驗(yàn)表明，選用60內(nèi)斜角的端面形狀，雖容易坐封，但在離加載端三分之一長(zhǎng)度處有應(yīng)力集中區(qū)（由于支承環(huán)的楔入作用），易造成變形過(guò)大，促使密封元件損壞，以致解封困難。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用外斜角為3040的膠筒最好，不僅應(yīng)力集中小，且不易發(fā)生“突出”現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中，膠筒的側(cè)面形狀也必須有所考究。據(jù)認(rèn)為采用“桶形”膠筒最佳。因?yàn)檫@種膠筒承載變形時(shí)，應(yīng)力分布比較均勻。實(shí)踐表明，“桶形”膠筒的壽命一般要

37、比普通圓柱形膠筒長(zhǎng)一倍。這是因?yàn)?，膠筒變形時(shí)，中間部分先接觸套管，邊緣部分受強(qiáng)彈性變形，但總體積不變，故壓緊時(shí)，整個(gè)膠筒仍為彈性變形，且不超過(guò)彈性范圍。桶形膠筒在蘇聯(lián)阿塞拜疆卡拉格油礦457號(hào)井試驗(yàn)，工作兩個(gè)月后，起出完好，而非桶形膠筒只能用一個(gè)月左右。但是，也有人認(rèn)為，這種“桶形”膠筒設(shè)計(jì)并不十分合理。其理由是：因?yàn)槟z筒端部呈外截錐，支撐環(huán)緊靠端面，所以，當(dāng)封隔器坐封，彈性元件產(chǎn)生軸向壓縮時(shí)，在膠筒端面和支承環(huán)之間產(chǎn)生的摩擦力就會(huì)沿“桶形”的高度產(chǎn)生不均勻的徑向變形。于是，迫使膠筒壓向套管壁的比壓，在靠近端部處就減弱了，因而其密封性也就變差了（因?yàn)橐宰銐虻拿芊獗葔褐祲壕o套管壁的膠筒長(zhǎng)度大大減

38、少了）。為了保障均勻的徑向變形，據(jù)認(rèn)為，膠筒端部的設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)法使端面上軸向載荷的徑向分量和摩擦力相抵消。其具體辦法是，在膠筒端部開(kāi)一截面為圓錐的環(huán)形凹槽，此凹槽與支撐環(huán)上幾何形狀相對(duì)應(yīng)的凸起相配，凹槽與凸起的錐角=arc tg1f（式中f為支撐環(huán)與膠筒間的摩擦系數(shù)）。除了考慮膠筒合理外形外，還必須重視膠筒的穩(wěn)定性。井下膠筒如果缺乏足夠的穩(wěn)定性，就會(huì)在其表面上產(chǎn)生許多縱向波紋和折皺，從而造成膠筒損壞和喪失密封性。而膠筒的穩(wěn)定性與膠筒的長(zhǎng)度和膠筒與套管壁之間的間隙關(guān)系很大。有的文獻(xiàn)指出，在確定膠皮元件高度時(shí)，是從這樣一個(gè)條件出發(fā)，即在變形時(shí)，膠皮表面積不變。并以此視為元件穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。也有的文獻(xiàn)認(rèn)為

39、，這一結(jié)論不符合彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論，不過(guò)試驗(yàn)已經(jīng)表明，對(duì)于具有所需要硬度的膠筒，采用長(zhǎng)度為130180毫米的膠筒是合理的，可在現(xiàn)場(chǎng)條件下施加一定量載荷，結(jié)果達(dá)到了可靠密封。關(guān)于膠筒和套管間的合理間隙，據(jù)認(rèn)為應(yīng)保持26毫米，即對(duì)于168毫米的套管外徑，不得小于138毫米；對(duì)于146毫米的套管，外徑應(yīng)取為121毫米。對(duì)于裸眼封隔器，據(jù)使用效果分析，其直徑應(yīng)按照合理的密封系數(shù)K確定：1.10K1.16(K=D1D2; D1井徑；D2封隔器直徑)。在密封元件的設(shè)計(jì)中，還必須考慮另一重要因素密封元件上的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。前面已經(jīng)談到，密封元件的密封性主要決定于接觸應(yīng)力。如果這個(gè)接觸應(yīng)力足以形成密封且能長(zhǎng)時(shí)

40、間保持不變，則封隔器的井下工作壽命就長(zhǎng)。然而，實(shí)際情況并非那么理想。處在井下工作條件的膠筒往往要發(fā)生一種應(yīng)力松弛現(xiàn)象，這是由于隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，膠筒塑性變形增加，彈性變形相應(yīng)減少，因而導(dǎo)致初接觸應(yīng)力減少。這種現(xiàn)象隨環(huán)境溫度升高更趨嚴(yán)重。為了消除上述現(xiàn)象，提高封隔器的工作壽命，有人提出了一種用于油介質(zhì)的新型膠筒結(jié)構(gòu)。這種膠筒外層為耐油膠皮組成。內(nèi)層為低應(yīng)力松弛的高彈性膠核（占總量的55%），它牢固地和外層膠粘合在一起。這種高彈性體可以補(bǔ)償外層膠的殘余變形（減少應(yīng)力松弛），在低載荷下建立密封，并且大大減小膠筒的殘余變形。采用這種結(jié)構(gòu)，可以把以往所用膠筒的應(yīng)力松弛量由原來(lái)的5%降到0.2%。顯然，

41、這就可以靠使用這種低應(yīng)力松弛的膠筒，保持接觸應(yīng)力，從而達(dá)到較長(zhǎng)時(shí)間的密封。此外，蘇聯(lián)有人提出了另一種用降低應(yīng)力松弛的辦法來(lái)提高密封元件密封性的新型膠筒結(jié)構(gòu)。這種膠筒的內(nèi)部含有多個(gè)帶有彈性膠核的膠殼，膠殼呈球形，彼此間靠彈性介質(zhì)聯(lián)結(jié)起來(lái)。當(dāng)膠筒變形時(shí)，球形膠殼中應(yīng)力均勻分布，不會(huì)形成應(yīng)力集中。于是導(dǎo)致應(yīng)力沿膠筒整個(gè)地重新分布，從而大大提高了膠筒壽命。一旦去掉軸向載荷，膠殼能很好地恢復(fù)原狀，以致于使膠筒上的應(yīng)力松弛降到最小程度。為了使壓縮式密封元件真正達(dá)到密封可靠，解封靈活，人們還在膠筒的端部結(jié)構(gòu)上采取某種加強(qiáng)措施。比如，有一些壓縮式長(zhǎng)膠筒就采用了硫化鋼碗端部結(jié)構(gòu)。但是，后來(lái)在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，起封隔器

42、時(shí)，經(jīng)常發(fā)生拉脫硫化鋼碗的現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，于是把硫化鋼碗改成筒形硫化頭。這種硫化頭壁上有許多孔，膠皮可以通過(guò)孔眼把硫化頭緊緊抱住，從而大大提高了膠筒與硫化頭的粘合力。試驗(yàn)表明：對(duì)于直徑為140毫米的硫化頭，其抗拉脫強(qiáng)度比碗化鋼碗高34倍。此外，還采用棉簾線和棉簾布來(lái)加固金屬頭和膠皮，這些東西在膠皮與硫化頭聯(lián)接部位起到加強(qiáng)作用。當(dāng)用78噸的拉力拉上述具有加固頭膠筒時(shí)，盡管伸長(zhǎng)率達(dá)到350%，膠筒仍不會(huì)破壞。2.4.2密封元件材質(zhì)的選用一、密封元件材料的演變封隔器在井下工作的可靠性，固然取決于密封元件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也與密封元件所用材料是否得當(dāng)關(guān)系很大?；仡櫭芊庠牧系陌l(fā)展歷史，大致

43、上經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代密封元件是非橡膠的，系1860年以前采用牛、羊皮（后來(lái)又用特制帆布）制成，其形狀如袋子，袋內(nèi)裝以亞麻種子，這種亞麻種子有遇水膨脹的特性。第二代密封元件是以橡膠為主要材料。橡膠的引用使封隔器的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)大的飛躍。1867年以后，開(kāi)始出現(xiàn)橡膠式封隔器，1880年，首次出現(xiàn)單膠筒封隔器。此后，各種類(lèi)型的膠筒相繼出現(xiàn)。起初，主要采用天然膠筒，后來(lái)也逐步采用添加各種填料的改性膠筒，藉以提高膠筒的工作指標(biāo)。第三代密封元件是各種高分子材料（如合成橡膠，熱塑性塑料和熱固性塑料）。直到六十年代，至少有兩種主要的彈性材料丙烯橡膠和氟碳橡膠問(wèn)世。1975年，Kalrez（全氟橡膠）這一新

44、型的彈性體投入工業(yè)性生產(chǎn)，用它制作的“V”形密封元件用于內(nèi)密封，使封隔腔容座式封隔器作為一種新型的完井工具適用于各種極端條件下的完井工藝。用于井下封隔器具的密封材料（包括內(nèi)密封和外密封），種類(lèi)繁多，舉不勝舉。常用的有：橡膠、塑料、石棉-石墨、金屬（鉛、銅、鋁等）及其他材料。隨著深井完井的需要和合成材料的發(fā)展，密封材料日趨多樣化，性能也不斷提高。用于高壓井完井的聚合物密封材料通?？煞譃楹铣上鹉z、熱塑性塑料和熱固性塑料。常用的橡膠材料有氯丁膠、腈橡膠和氟橡膠。用于油田的耐高壓橡膠材料，其硬度范圍為7095度（洛氏），就熱塑性的硬度范圍而言，應(yīng)取中等硬度的塑料。普通的熱塑性塑料是Teflon（聚四氟

45、乙烯）和Ryton（聚苯撐硫樹(shù)脂），常用熱固性塑料有環(huán)氧和酚醛之類(lèi)模壓成形的材料。通常認(rèn)為，合成橡膠在惡劣的條件下單獨(dú)使用，不是可靠的密封材料。這是由于下列原因造成的。比如，由于原油、天然氣、熱水成硫化氫（或有關(guān)緩蝕劑）的影響，使橡膠性能變脆、變軟或膨脹，或者由于高溫作用而造成橡膠繼續(xù)發(fā)生關(guān)聯(lián)和硬化作用。還有，壓差會(huì)促使已變脆弱或者保護(hù)不當(dāng)?shù)南鹉z件很快破壞。為了彌補(bǔ)上述不足，往往要將熱塑料和一般塑料與橡膠配合使用，以便對(duì)橡膠起到補(bǔ)強(qiáng)和保護(hù)作用（用作密封保護(hù)圈）。衡量油田所用合成彈性材料性質(zhì)的指標(biāo)，主要有：硬度、熱膨脹性（井下環(huán)境溫度條件下）、塑性模量（單位變形所要求的負(fù)荷）、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、

46、抗撕裂強(qiáng)度或耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、在產(chǎn)液中的膨脹性和氣浸阻力等。為了改進(jìn)合成材料的性質(zhì)，對(duì)大部分密封元件材料都需要采用一些填充劑，常用的有石棉、玻璃纖維或二硫化鉬粉等。摻入這些填充劑可以提高材料的耐熱性和抗擠強(qiáng)度。二、密封元件常用的材料（一）橡膠類(lèi)1.丁腈橡膠（包括氫化橡膠）這是一種丁二烯和丙烯的共聚物，加有碳黑、增塑劑及填充劑，以便得到在一定溫度、壓力下為形成可靠密封和一定抗流變性所必需的柔韌性。這種橡膠廣泛用于不十分嚴(yán)重的環(huán)境。它的優(yōu)點(diǎn)較多，具有很好的抗油性和柔韌性。在高壓下還具有良好的抗擠性能。在油氣井中能適應(yīng)常有的大部分液體和氣體，保持足夠的柔韌性，因而解封封隔器時(shí)能縮回原狀易于起出。不

47、過(guò)這種橡膠也有一定的局限性。即不斷硬化，在149以上更為嚴(yán)重。丁腈橡膠在107的含硫化氫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作后，起出地面觀察，發(fā)現(xiàn)有一些硬化，但由于它是橡膠浸泡在井中有壓力的液體內(nèi)，所以能保持密封。因此這種材料用于長(zhǎng)期不動(dòng)的條件是可行的。2.氯丁橡膠它是由氯丁二烯（氯丁二烯丁二烯與其他單體共聚）聚合而成。它能抵抗芳香的低溫油品，但在熱水（蒸汽）中，會(huì)很快失去強(qiáng)度。用石棉填充的氯丁膠“V”形密封，以酚醛樹(shù)脂作為支撐件，可以用于300F(148)至350F（176），但它在高溫下會(huì)泡脹而造成滯塞。3.乙丙橡膠其主要原料是乙烯和丙烯?？煞譃槎冶鹉z和二聚乙丙橡膠（EPDM）。它能經(jīng)受246高溫、45

48、.7大氣壓的蒸汽條件，在148以下時(shí)，它對(duì)含硫氣體有良好的抗力，但在熱油中會(huì)很快損壞。這就意味著這種橡膠不能應(yīng)用于與油密切接觸的條件，同時(shí)這種橡膠還有一個(gè)缺點(diǎn)，即很難和金屬件硫化。4.氟碳橡膠這種橡膠廣泛用于中等惡劣環(huán)境。石棉填充的Viton用于深氣井頗為流行。據(jù)伯利報(bào)道，Viton短時(shí)間用于300F（148）的硫化氫環(huán)境勉強(qiáng)可行，但用于長(zhǎng)時(shí)間的高溫條件，則不太令人滿意。這種化合物具有好的抗硫化氫侵蝕特性，但不能與胺類(lèi)阻蝕劑接觸這是用于含硫井的一個(gè)主要限制條件。5.TRW9203橡膠化合物此種橡膠用在惡劣條件，被認(rèn)為優(yōu)于氟碳橡膠和丁腈膠。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：它在油中比在氣體中損壞更為嚴(yán)重，但能耐高達(dá)3

49、00F（148）的高壓含硫化氫的井液的侵蝕。這種材料用于450F（232）的高溫時(shí)，明顯軟化。因此用于高溫條件時(shí)，要求采用緊配合或者間隙為零的“防突”止擋件。此種化合物是一種專(zhuān)門(mén)的混合膠（其化學(xué)性質(zhì)目前文獻(xiàn)還未見(jiàn)報(bào)道）。6.卡爾雷茲（Kalrez）全氟橡膠這是一種最新型的，也是目前用于惡劣條件的最好材料，它是聚四氟乙烯及氟碳橡膠的結(jié)合物，對(duì)含硫化氫的井液表現(xiàn)惰性，不過(guò)硫的浸蝕可使其強(qiáng)度有所降低。但試驗(yàn)表明，仍有良好的抗硫性。這種材料通常用玻璃纖維來(lái)提高強(qiáng)度?？柪灼澴鳛樾滦偷摹癒TR”密封組合系統(tǒng)的心臟，已在美國(guó)東南部油田生產(chǎn)井測(cè)試：（高溫、高含硫）中獲得成功。其井下工作條件為：含硫化氫達(dá)14

50、%，溫度300F（149）壓差為7000磅英寸2（490公斤厘米2）。工作兩年后，因其他原因起出。提升負(fù)荷很小，未發(fā)現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，而且密封件狀況良好。（二）塑料類(lèi)塑料密封元件主要用于內(nèi)密封。對(duì)密封元件起到補(bǔ)強(qiáng)和“防突”作用。1.聚四氟乙烯作為中等硬度的密封材料，它在高壓井中特別有用；它還是一種用于密封腔容座的很好的低摩擦及防腐的涂層材料。未加填充物的聚四氟乙烯，化學(xué)上顯惰性，但在高溫（約240）下會(huì)很快變脆軟，且易突出，因此通常用玻璃纖維填充以提高強(qiáng)度，它可以用在一個(gè)被保護(hù)的密封設(shè)計(jì)中靠機(jī)械擠壓形成一種“彈性密封”。2.聚苯撐硫樹(shù)脂雷東（Ryton）這種材料在600F（315.5）條件下會(huì)蒸發(fā),

51、是比聚四氟乙烯更硬一些的另一種熱塑性塑料,具有良好的化學(xué)抗力。可用玻璃纖維提高強(qiáng)度。在“V”形多級(jí)硬度的組合密封裝置中，也可以用作支撐作用的終端“防突”件。以上兩種均屬于熱塑性塑料，并廣泛用于高溫高壓深井。此外，用于密封裝置中的塑料還有熱固性塑料一類(lèi)（如環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂等），主要是用作保護(hù)圈，起“防突”作用。（三）石棉-石墨材料隨著高溫深井完井和熱力采油工藝的需要，人們不得不尋找各種新的耐熱材料。除耐熱橡膠、塑料可用于高溫條件之外，還研制出了石棉-石墨一類(lèi)的耐熱密封材料。（四）金屬類(lèi)對(duì)用于井深3000米，地層壓力300公斤厘米2、地層溫度130的密封元件，目前普遍采用的密封材料有膠皮、石棉-

52、石墨、塑料、氟塑料等。這些材料往往因強(qiáng)度和可塑性不夠而不能保證可靠密封。為了克服上述不足，蘇聯(lián)試驗(yàn)了塑性高又耐磨的鉛密封元件，鉛表面涂有阻蝕薄膜，具有耐高溫（327），耐酸?？伤苄愿叩奶攸c(diǎn)，可用作機(jī)械式封隔器的密封元件。由于這種封隔器在高溫深井中密封可靠，并節(jié)省了作業(yè)時(shí)間和費(fèi)用，因而獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效果。 綜上所述，根據(jù)Y241-114封隔器所適用的工作環(huán)境以及最佳經(jīng)濟(jì)性的原則，確定該封隔器所用材料為丁腈橡膠，其結(jié)構(gòu)形狀如下圖6所示，具體尺寸見(jiàn)零件圖。圖6 Y241-114邊膠筒示意圖2.5卡瓦部分的設(shè)計(jì)2.5.1普通卡瓦封隔器對(duì)套管的損壞目前，許多在用的普通卡瓦封隔器均采用粗牙分瓣式卡瓦，對(duì)

53、套管的傷害較大。瓣形卡瓦在套管內(nèi)工作的接觸形式呈多邊形，若卡瓦坐封套管的環(huán)空沒(méi)有水泥環(huán)膠結(jié)，則當(dāng)卡瓦壓力超過(guò)套管的機(jī)械性能極限時(shí)，套管將被擠壓成多邊形。同時(shí)粗牙卡瓦對(duì)套管內(nèi)壁的傷害較大，加速了套管的腐蝕變形。2.5.1.1封隔器卡瓦損傷套管的模擬試驗(yàn)研究在油田開(kāi)發(fā)中封隔器是實(shí)現(xiàn)機(jī)械采油、分層注水、分層壓裂或酸化、機(jī)械卡堵水等注采工藝作業(yè)的主要井下工具之一，封隔器上的卡瓦是保證工作可靠性的重要元件，把卡瓦安裝在模擬試驗(yàn)裝置中。通過(guò)在套管壁周?chē)植嘉灰苽鞲衅鳎瑴y(cè)得卡瓦錨定后切入套管壁深度。判斷卡瓦對(duì)套管的損傷程度，這對(duì)封隔器的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用具有十分重要的意義。封隔器的工作原理是通過(guò)水力或機(jī)械作用，

54、使膠皮筒在套管內(nèi)環(huán)形空間膨脹，把上下油層分開(kāi)，達(dá)到分層分注的目的。封隔器上的卡瓦錨定后起到支撐封隔器、鎖定膠皮筒的作用，是保證封隔器工作可靠性的重要元件。一方面：由于套管是薄壁件，在進(jìn)行注采工藝施工過(guò)程中，套管外未固水泥或固井質(zhì)量較差的井段在封隔器卡瓦擠壓作用下，套管壁容易破壞造成不良后果；另一方面：在油井二次作業(yè)中，如果套管壁表面被卡瓦嚴(yán)重?fù)p傷，被咬傷的井段無(wú)法再進(jìn)行二次封隔。所以在封隔器設(shè)計(jì)中，應(yīng)在保證封隔器正常工作的情況下，使卡瓦對(duì)套管壁的損傷程度減少到最低，優(yōu)化卡瓦對(duì)套管的作用力，使作用力合理分布在模擬加載試驗(yàn)裝置中，進(jìn)行試驗(yàn)可以直觀準(zhǔn)確地獲得卡瓦實(shí)施封隔時(shí)可能施加的最大載荷及受壓狀態(tài)

55、下對(duì)套管壁切入深度。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和封隔器現(xiàn)場(chǎng)使用提供了理論依據(jù)。在設(shè)計(jì)工作中通過(guò)模擬試驗(yàn)可以?xún)?yōu)化出封隔器在封隔狀態(tài)下提高工作可靠性的多種有關(guān)的參數(shù)，如卡瓦材質(zhì)、卡瓦牙齒數(shù)量、幾何形狀及尺寸、相互間距、卡瓦硬度、加載方式等，使套管在封隔時(shí)受力情況發(fā)生變化，達(dá)到更合理的分布，保證良好的工作性能，根據(jù)卡瓦所受軸向力與切入深度之間的關(guān)系，確定出機(jī)械或液壓坐封下，封隔器能承受的最大坐封力，在實(shí)現(xiàn)油井工況下既能起到良好的密封效果又能保護(hù)好套管，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)封隔器設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用提供了重要的理論依據(jù)，具有十分重要的意義。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當(dāng)，會(huì)使一些套管變形，特別是在同心管熱液循環(huán)抽油井中常出現(xiàn)套管破裂現(xiàn)象。為了在采用卡瓦式封隔器進(jìn)行各項(xiàng)采油工藝措施時(shí)，能夠較準(zhǔn)確地進(jìn)行受力分析和計(jì)算。科學(xué)地制訂使用卡瓦式封隔器的技術(shù)措施，對(duì)卡瓦式封隔器及套管進(jìn)行較精確的受力分析是有必要的?？ㄍ呤椒飧羝魍ㄟ^(guò)卡瓦坐封在套管上，通常可將卡瓦按均勻間隔的分散分布作用在套管壁上，其力學(xué)模型應(yīng)屬于圓柱殼承受分散集中力作用的應(yīng)力分析，目前尚無(wú)實(shí)用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，能夠同時(shí)考慮圓柱殼受集中力作用時(shí)的雙向彎曲作用，只考慮了沿環(huán)向的彎曲，是一個(gè)較簡(jiǎn)