..vY241-114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。隨著油氣田開采的深入，地層情況越來越復(fù)雜，分層作業(yè)越來越普遍，對封隔器的使用要求也越來越高，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；分析了卡瓦對套管的損壞機(jī)理，討論了卡瓦齒形對其受力的影響及對套管損壞的影響；分析了Y241-114封隔器的工作原理以及結(jié)構(gòu)特征并對各重要零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，進(jìn)而完成對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)，對注水工藝管柱進(jìn)行扶正和錨定，提高了傳統(tǒng)的無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，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)TheDesignofPackerofY241-114formAbstract:Packerofthisstudyiswidelyusedinoilandgaswellsoperatingadownholetool,itsroleistorealizethedepthdirectioninthewellstratifiedoperation.Slipsonthepackerpackersupportaftertheplay,locktheroleofrubbertube,theperformancehasadirectimpactonoilproductionandproductionsafety.With

thedeepening

exploitationof

oilandgasfields,stratigraphicsituation

morecomplex,

layered

work

moreandmorecommon,

theuse

of

packer

demandmoreandmore,packer

systemfailuresituations

haveoccurred,

causing

damage

toproduction

.Thisarticleoutlinesthe

common

oilfield

packer

type,parameters,name

andtheworkingprinciple;

discussthecurrent

packer

conesusedin

thedevelopmentof

thestatusquo;

of

the

slip

of

thecasingofthe

failuremechanism,

gear

slips

discussed

Theinfluence

ofitsshape

and

theinfluence

of

casingdamageoftheY241-114packerworksandstructuralcharacteristics

and

strengthcheck

ofallmajorcomponents,andthen

completethe

Y241-114

packer

Design,

drawaconclusion.Y241-114packerismainlyusedinwaterinjection.Ithasthelockingmechanism,andmakestherealizationoftherepeatedclosures.Itcanbearshighpressure.Thepackerusingaone-wayslipstructuremakesthewaterinjectionstringcentralizedandanchored,anditalsoenhancesthetraditionalnon-slippackercapacityandthepressureofbeinglifted.Thepackeralsoadoptesthenewrubbermaterialtosealbetterunderhighpressureandhightemperature.Soitcanbebearshigh-pressure,andhaslongservicelife,sealseffectly,andmetthehigh-pressureinjection.Keywords:packer;hypertension;waterinjection;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封隔器的類型41.5.1封隔器的分類41.5.2封隔器型號編制41.6常用封隔器的工作原理62Y241-114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)102.3工作原理112.3.1坐卡、坐封過程112.3.2解卡、解封過程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使用說明405.3注意事項(xiàng)42結(jié)論43參考文獻(xiàn)44致45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。隨著油氣田開采的深入，地層情況越來越復(fù)雜，分層作業(yè)越來越普遍，對封隔器的使用要求也越來越高，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；分析了卡瓦對套管的損壞機(jī)理，討論了卡瓦齒形對其受力的影響及對套管損壞的影響；分析了Y241-114封隔器的工作原理以及結(jié)構(gòu)特征并對各重要零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，進(jìn)而完成對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，伴隨著封隔器的問世和演變。據(jù)記載，世界上最早使用的封隔器是美國“種子袋”封隔器，由早期的油田經(jīng)營商拉夫納兄弟等人開始使用。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。早期的封隔器，結(jié)構(gòu)簡單，用途單一，性能低下。十九世紀(jì)八十年代美國相繼發(fā)明了裸眼封隔器和單膠筒封隔器，隨著美國對封隔器研究工作步伐的加快，蘇聯(lián)本國也相繼對其研究發(fā)明。為了合理的開發(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，美國和蘇聯(lián)相繼開始了分層開采工藝技術(shù)的研究如分層注水，這就導(dǎo)致了分層開采工藝技術(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，由于人類對石油后備儲(chǔ)量勘探的需要，不得不在越來越惡劣的環(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世，因而突破了封隔器只限于外密封的舊觀念，開拓了封隔器實(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，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。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，幾乎遍及勘探和開發(fā)的各個(gè)生產(chǎn)過程。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早上升。通常，封隔器不能用在下列場合：（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，必須對預(yù)定的井下作業(yè)的目的進(jìn)行分析。一般來說，應(yīng)該結(jié)合油井現(xiàn)在的和將來的情況，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型。下面簡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)鍵因素，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先予以考慮。通常，對封隔器性能上的基本要求是下的去、封得嚴(yán)、能耐久。具體來說，包括坐封或解封動(dòng)作是否簡單、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)合起來評價(jià)。（3）井下流體性質(zhì)和種類井下流體的性質(zhì)和種類，對于封隔器的使用效果和壽命長短有一定的影響。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，上提下放油管柱，正反轉(zhuǎn)油管柱或通過油管施加壓力。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，盡管國內(nèi)外研制的封隔器花樣繁多，但基本結(jié)構(gòu)相差無幾。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，所以也俗稱膠筒。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。或引起封隔器過早解封，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常見的起錨定作用的機(jī)構(gòu)，美國使用最早。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，單級卡瓦和多級卡瓦應(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、反多級卡瓦或附加上水力錨。1.4.3扶正部分它主要是起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，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封隔器的類型1.5.1封隔器的分類封隔器按封隔件實(shí)現(xiàn)密封的方式進(jìn)行分類。自封式：靠封隔件外徑與套管內(nèi)徑的過盈和工作壓差實(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)張式任意組合實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。1.5.2封隔器型號編制編制方法：按封隔器分類代號、固定方式代號、坐封方式代號、解封方式代號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)行型號編制，其形式如下：（1）分類代號：用分類名稱第一個(gè)漢字的漢語拼音大寫字母表示，組合式用各式的分類號組合表示，見表1。表1分類代號分類名稱自封式壓縮式擴(kuò)張式組合式分類代號ZYK用各式的分類代號組合表示（2）固定方式代號：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，見表2。表2固定方式代號固定方式名稱尾管支撐單向卡瓦懸掛雙向卡瓦錨瓦代號12345（3）坐封方式代號：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，見表3表3坐封方式代號坐封方式名稱提放管柱轉(zhuǎn)動(dòng)管柱自封液壓下工具熱力代號123456（4）解封方式代號：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，見表4。表4解封方式代號解封方式名稱提放管柱轉(zhuǎn)動(dòng)管柱鉆銑液壓下工具熱力代號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)，可將油田的名稱加到封隔器型號的前面，特殊用途加到封隔器型號的后面。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)表示為華北油田封隔器，封隔件的工作原理為擴(kuò)張式、無支撐、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1Y211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19-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26～30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)，軌道銷釘32從原來的短槽上死點(diǎn)A經(jīng)過B到達(dá)長槽上死點(diǎn)C的坐封位置。由于頂套25的作用，擋球套23被頂開解鎖，從而使卡瓦14被錐體11撐開，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，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2Y221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-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26～32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被頂開解鎖，從而卡瓦14被錐體11撐開，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。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3Y341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）K344封隔器。結(jié)構(gòu)如下圖4所示。圖4K344封隔器結(jié)構(gòu)示意圖工作原理如下說所述：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。2Y241-114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，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。（4）缺點(diǎn)：管柱部分油管受壓處于彎曲；不能多級使用；深度超過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)：封隔器本身無卡瓦，井深超過1000米，由于油管“呼吸”作用，封隔器易失效，封堵有效期短。針對上述情況，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，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5Y241-114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、22O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；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)：單向卡瓦機(jī)構(gòu)主要由錐體、卡瓦、卡瓦片簧、中心管等組成?？ㄍ卟牧蠟?0CrMoTi，同時(shí)通過滲碳處理后，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，卡瓦頂為的圓弧，對套管壁損傷小，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)而通過推動(dòng)錐體11和上缸筒8而壓縮膠筒4、5，在此過程中，卡瓦12沿著錐體11上行，并卡牢在套管壁上，繼而使膠筒壓緊，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)對于一個(gè)典型的可取式封隔器，它必須符合三條基本要求：①能順利下井；②在工作介質(zhì)中密封可靠，壽命長；③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，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30～40°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”膠筒的壽命一般要比普通圓柱形膠筒長一倍。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，且不超過彈性范圍。桶形膠筒在蘇聯(lián)阿塞拜疆卡拉格油礦457號井試驗(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套管壁的膠筒長度大大減少了）。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)上幾何形狀相對應(yīng)的凸起相配，凹槽與凸起的錐角=arctg（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，這一結(jié)論不符合彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論，不過試驗(yàn)已經(jīng)表明，對于具有所需要硬度的膠筒，采用長度為130～180毫米的膠筒是合理的，可在現(xiàn)場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2～6毫米，即對于168毫米的套管外徑，不得小于138毫米；對于146毫米的套管，外徑應(yīng)取為121毫米。對于裸眼封隔器，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=;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時(shí)間保持不變，則封隔器的井下工作壽命就長。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，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)力松弛量由原來的5%降到0.2%。顯然，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。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，有一些壓縮式長膠筒就采用了硫化鋼碗端部結(jié)構(gòu)。但是，后來在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，起封隔器時(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：對于直徑為140毫米的硫化頭，其抗拉脫強(qiáng)度比碗化鋼碗高3～4倍。此外，還采用棉簾線和棉簾布來加固金屬頭和膠皮，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7～8噸的拉力拉上述具有加固頭膠筒時(shí)，盡管伸長率達(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。回顧密封元件材料的發(fā)展歷史，大致上經(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，各種類型的膠筒相繼出現(xiàn)。起初，主要采用天然膠筒，后來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世。1975年，Kalrez（全氟橡膠）這一新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70～95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（聚四氟乙烯）和Ryton（聚苯撐硫樹脂），常用熱固性塑料有環(huán)氧和酚醛之類模壓成形的材料。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、伸長率、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。不過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，以酚醛樹脂作為支撐件，可以用于300°F(148℃)至350°F（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、45.7大氣壓的蒸汽條件，在148℃以下時(shí)，它對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300°F（148℃）的硫化氫環(huán)境勉強(qiáng)可行，但用于長時(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)300°F（148℃）的高壓含硫化氫的井液的侵蝕。這種材料用于450°F（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門的混合膠（其化學(xué)性質(zhì)目前文獻(xiàn)還未見報(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，對含硫化氫的井液表現(xiàn)惰性，不過硫的浸蝕可使其強(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，已在美國東南部油田生產(chǎn)井測試：（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%，溫度300°F（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）塑料類塑料密封元件主要用于內(nèi)密封。對密封元件起到補(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.聚苯撐硫樹脂——雷東（Ryton）這種材料在600°F（315.5℃）條件下會(huì)蒸發(fā),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?？捎貌ＡЮw維提高強(qiáng)度。在“V”形多級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（如環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等），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-石墨一類的耐熱密封材料。（四）金屬類對用于井深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-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，具體尺寸見零件圖。圖6Y241-114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)空沒有水泥環(huán)膠結(jié)，則當(dāng)卡瓦壓力超過套管的機(jī)械性能極限時(shí)，套管將被擠壓成多邊形。同時(shí)粗牙卡瓦對套管內(nèi)壁的傷害較大，加速了套管的腐蝕變形。封隔器卡瓦損傷套管的模擬試驗(yàn)研究在油田開發(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。通過在套管壁周圍分布位移傳感器，測得卡瓦錨定后切入套管壁深度。判斷卡瓦對套管的損傷程度，這對封隔器的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場使用具有十分重要的意義。封隔器的工作原理是通過水力或機(jī)械作用，使膠皮筒在套管內(nèi)環(huán)形空間膨脹，把上下油層分開，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，使卡瓦對套管壁的損傷程度減少到最低，優(yōu)化卡瓦對套管的作用力，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)下對套管壁切入深度。試驗(yàn)結(jié)果對優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和封隔器現(xiàn)場使用提供了理論依據(jù)。在設(shè)計(jì)工作中通過模擬試驗(yàn)可以優(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)果對封隔器設(shè)計(jì)和現(xiàn)場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?？茖W(xué)地制訂使用卡瓦式封隔器的技術(shù)措施，對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。卡瓦式封隔器通過卡瓦坐封在套管上，通?？蓪⒖ㄍ甙淳鶆蜷g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，目前尚無實(shí)用的簡化計(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)較簡化的方法，建立一個(gè)能夠同時(shí)考慮雙向彎曲作用的工程算法，對封隔器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用有重要的現(xiàn)實(shí)意義。（1）卡瓦式封隔器坐封后套管的受力狀態(tài)先不考慮套管外壁所受的壓力，并將卡瓦牙面與套管內(nèi)壁接觸面積上的徑向力q看成是均勻分布的，如下圖7所示。圖7封隔器坐封后套管受力分析由文獻(xiàn)查得：式中，q為單位卡瓦牙面與套管內(nèi)壁接觸的徑向力，N/m2；θk為卡瓦牙面的半角，（°）；l為卡瓦牙面的軸向長度，m；r為套管內(nèi)半徑，m；n為卡瓦片數(shù)；α為卡瓦楔角；（°）；W為卡瓦式封隔器的坐封載荷，N。（2）靜力等效1）等效方法：為了計(jì)算環(huán)向受等間距分散載荷作用的圓柱殼應(yīng)力分布，可以將圓柱殼等效地分成兩個(gè)等效結(jié)構(gòu)，一個(gè)是等效圓環(huán)（從圓柱殼上切出的一片寬度為1的圓環(huán)）受等間距等效分散載荷作用；另一個(gè)是等效圓柱殼受等效環(huán)向分布載荷作用，如下圖8所示。圖8等效結(jié)構(gòu)對于等效結(jié)構(gòu)（b）和（c）再按現(xiàn)有的解法求解，這些解都有現(xiàn)成的公式可直接查出。2）等效條件：綜上所述，建立等效結(jié)構(gòu)的方法是將受等效間距分散載荷作用的圓柱殼，分解成一個(gè)受等間距分散載荷作用的圓環(huán)和一個(gè)受均勻分布載荷的圓柱殼。各自所受的載荷稱為等效載荷。建立如圖5等效結(jié)構(gòu)的條件是：①等效結(jié)構(gòu)厚度與原結(jié)構(gòu)厚度相同；②兩部分等效載荷的合力等于原載荷；③等效圓環(huán)的徑向位移等于原結(jié)構(gòu)徑向位移；④等效圓柱殼在其等效載荷作用下所產(chǎn)生的軸向彎矩與原載荷組作用在原殼體上產(chǎn)生的軸向彎矩相等。3）等效載荷的計(jì)算：在如圖9的等效結(jié)構(gòu)中，q為原載荷；、為等效載荷。再做圖6靜力載荷。其中根據(jù)等效條件得：圖9等效結(jié)構(gòu)由文獻(xiàn)查得：并且：整理得：令則：最后代入整理得：套管壁應(yīng)力計(jì)算公式：式中，R為套管平均半徑，m；δ為套管壁厚，m；為環(huán)向應(yīng)力，Pa。（3）結(jié)論從以往對卡瓦的受力研究分析得出，楔面作用力位置對于卡瓦牙的受力具有重要影響，楔面作用力前移或者后移會(huì)使牙形受力分布發(fā)生很大的變化，直接影響卡瓦的壽命。若能找到一個(gè)合適的楔面作用力點(diǎn)，則可以有效地改善卡瓦尖受力不均情況，大大提高了卡瓦坐封質(zhì)量。在實(shí)際使用中，卡瓦及其相應(yīng)的零件加工精度應(yīng)予充分保證，否則，將可能改變作用力位置，直接影響坐封質(zhì)量和使用壽命。為此，可以得出以下結(jié)論：1)卡瓦在實(shí)際坐封中存在著各齒受力不均情況，靠近傳力楔塊的卡瓦牙受力遠(yuǎn)大于其它卡瓦牙，導(dǎo)致此處最先發(fā)生破壞。2)卡瓦坐封時(shí)，其牙齒僅在尖處很小部分發(fā)生塑性變形，牙齒大部分處于彈性變形。3)若能使傳力楔塊對卡瓦的作用力后移，有助于保證卡瓦各牙齒受力均勻，提高卡瓦坐封質(zhì)量。2.5.3卡瓦的設(shè)計(jì)（1）原型卡瓦1)如下圖10所示，原型卡瓦下端相當(dāng)于與固定鉸鏈支座連接，當(dāng)錐體進(jìn)入卡瓦坐卡時(shí)，下端徑向不動(dòng)，其余部分徑向向外，以致卡住套管內(nèi)壁。圖10原型卡瓦結(jié)構(gòu)示意圖2)理想情況下坐卡時(shí)卡瓦牙與套管壁的接觸情形為：此時(shí)，d卡=d套+b式中，d卡為卡瓦牙工作時(shí)外徑，mm；d套為套管內(nèi)徑，mm；b為卡瓦牙嵌入套管內(nèi)壁深度，mm。3)存在問題實(shí)際工作中可能有在套管內(nèi)壁與卡瓦牙外徑不等的情況，從而坐封后卡瓦牙與套管壁接觸的數(shù)量減少了（如圖11所示）。一是坐卡不可靠；二是卡瓦牙與套管壁的接觸應(yīng)力增大，容易造成套管損壞；三是卡瓦容易折斷。圖11坐卡時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖（2）新型卡瓦上述問題的根本所在是封隔器的下端與類似于固定鉸鏈支座連接。為了去掉這種連接，可以采用如圖12所示卡瓦。該卡瓦在坐封時(shí)，錐體隨上部油管的一行可使卡瓦措徑向平行向外移動(dòng)，并保證所有卡瓦牙都卡住套管壁。圖13是處于裝配中的卡瓦工作示意圖?？ㄍ呤芰θ鐖D14所示，此時(shí)因箍簧以及下端面的作用力都小而忽略。圖12新型卡瓦結(jié)構(gòu)示意圖圖13處于裝配中的卡瓦工作示意圖圖14卡瓦受力圖由靜力平衡知整理得：式中，—錐體面對卡瓦的正壓力，Pa；—套管內(nèi)壁對卡瓦的正壓力，Pa；—錐體對卡瓦的摩擦力，KN；—套管內(nèi)壁對卡瓦的摩擦力，KN；M—坐卡時(shí)所需的上部管柱質(zhì)量，Kg；—錐體的半錐角，（°）；n—卡瓦數(shù)；—錐體與卡瓦的摩擦角，（°）；—卡瓦牙外圓弧面圓心角，（°）；—卡瓦牙與套管內(nèi)壁間接觸應(yīng)力，Pa；h—卡瓦牙嵌入套管內(nèi)壁厚度，mm；—卡瓦牙數(shù)。可見，此種卡瓦因保證了與套管的完全接觸，而保證了卡瓦牙數(shù)，從而使不能增大。結(jié)論：新型封隔器卡瓦在坐卡時(shí)沿徑向平行外移，從而坐卡可靠，不易損壞套管、卡瓦也不易折斷。（3）Y241-114型封隔器的卡瓦設(shè)計(jì)通過對卡瓦的上述研究，從而設(shè)計(jì)出Y241-114封隔器的卡瓦結(jié)構(gòu)如下圖15所示，其材料可從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（第五版）中選取為20CrMoTi。圖15Y241-114封隔器卡瓦的結(jié)構(gòu)示意圖2.6其它零部件的設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)有的Y211-114和Y341-114型封隔器的各零部件結(jié)構(gòu)以及材料的選用，根據(jù)所要設(shè)計(jì)的Y241-114型封隔器所適用的工作環(huán)境進(jìn)而設(shè)計(jì)出其它零部件的結(jié)構(gòu)形式和各自材料的選用，具體的結(jié)構(gòu)形式和尺寸詳細(xì)見各自的零件圖，這里不再贅述。2.7技術(shù)參數(shù)的確定2.7.1主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定（1）適用套管內(nèi)徑：Φ121～Φ127根據(jù)公式和公式可算出膠筒的壓縮量：η—縱向變形量；A0—元件變形前的橫截面積；A1—元件變形后的橫截面積；R0—密封元件內(nèi)半徑；R1—密封元件外半徑；R0σ—密封后套管的內(nèi)半徑或井半徑；Δh—單個(gè)膠筒的縱向壓縮量；h—單個(gè)膠筒的長度。當(dāng)被放于內(nèi)徑為121mm的套管內(nèi)坐封時(shí)，由公式對于中膠筒，其縱向壓縮量：對于邊膠筒，由于有兩個(gè)膠筒其縱向壓縮量所以總的壓縮量為由裝配圖可得出卡瓦的行程為所以總的行程為由裝配圖可得出該封隔器的最小行程為，最大行程為由于所以在內(nèi)徑為121mm的套管內(nèi)可以坐封工作。同理，在內(nèi)徑為127mm的套管內(nèi)同樣可以坐封工作。（2）封隔器總長：1500mm（3）鋼體最大外徑：Φ114（4）最小通徑：Φ502.7.2主要工作性能參數(shù)的確定（1）坐封壓力的確定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)，所承受的工作壓差及其它因素。根據(jù)密封元件的結(jié)構(gòu)特征及其所承受的壓差值求坐封力。已知封隔器承受的壓差為200公斤／厘米2，在內(nèi)徑為124mm的套管內(nèi)進(jìn)行坐封，R0=3.65厘米，R1=5.7厘米，R2=2.5厘米，h=24.0厘米。根據(jù)公式求出封隔器軸向相對變形，即由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（第五版）查的f=0.3，可得出坐封力為則坐封壓力為所以該封隔器在內(nèi)徑為124mm的套管內(nèi)的坐封壓力為12.4MPa。同理，在內(nèi)徑為121mm的套管內(nèi)進(jìn)行坐封時(shí)，計(jì)算如下：封隔器的軸向相對變形為：其坐封力為：即坐封壓力為：所以該封隔器在內(nèi)徑為121mm的套管內(nèi)的坐封壓力為11.6MPa。同理，在內(nèi)徑為127mm的套管內(nèi)進(jìn)行坐封時(shí)，計(jì)算如下：封隔器的軸向相對變形為：其坐封力為：即坐封壓力為：所以該封隔器在內(nèi)徑為127mm的套管內(nèi)的坐封壓力為13.2MPa。綜上所述，Y241-114封隔器的坐封壓力為11.6～13.2MPa。（2）解封壓力的確定由于該封隔器的解封結(jié)構(gòu)依靠解封剪釘來解封，所以只要計(jì)算出解封剪釘被剪斷所需的最小剪切力方可確定解封載荷的大小。解封剪釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)由M10螺釘改制而成如下圖16所示，數(shù)量為4個(gè)，所用材料為45鋼。圖16Y241-114封隔器解封剪釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第八版）查得剪釘?shù)募羟袕?qiáng)度條件為而式中：F—剪釘所受的工作剪力，N；—剪釘剪切面的直徑（可取為），mm；—剪釘材料的許用切應(yīng)力，MPa；—螺紋連接件材料的屈服極限（可取為），MPa；—安全系數(shù)（可取為）。將所取數(shù)值代入公式即：即至少用50240N的力可將剪釘剪斷，所以該封隔器的解封壓力為5.6MPa。（3）工作壓力從油田用封隔器通用技術(shù)條件即SY/T5106-1998標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的工作壓力系列（如下表5）中優(yōu)先選取，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)選取該封隔器的工作壓力為35MPa。表5工作壓力系列MPa壓差710152025355070100（4）工作溫度從油田用封隔器通用技術(shù)條件即SY/T5106-1998標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的工作溫度系列（如下表6）中優(yōu)先選取，根據(jù)所用膠筒材料的特性選取該封隔器的工作溫度為120℃。表6工作溫度系列℃溫度507090120150180200250300綜上所述，Y241-114型封隔器的主要技術(shù)參數(shù)見下表7所示表7主要技術(shù)參數(shù)型號規(guī)格工作壓力坐封壓力最大外徑適用通徑總長工作溫度適用套管Y241-11435MPa11.6-13.2MPaΦ114mmΦ50mm1500mm120℃121-127mm3井下管柱受力分析井下管柱受力分析計(jì)算主要是通過計(jì)算，著重分析管柱在承受井下深井時(shí)的受力，以此設(shè)計(jì)油管組成和封隔器坐封載荷，用以滿足施工要求。影響油管柱伸長或縮短的兩大因素是：溫室效應(yīng)和壓力效應(yīng)（活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)和螺旋彎曲效應(yīng)）。螺旋彎曲只能使油管柱縮短，而其他的效應(yīng)，既可以縮短又可以拉長油管柱。如果油管不能移動(dòng)，勢必誘發(fā)出張力或壓縮力，導(dǎo)致油管受力發(fā)生變化，這些受力變化有可能井下工具的性能和（或）傷害油管、套管。3.1溫度效應(yīng)井內(nèi)靜止溫度是隨井深增加而升高的，管柱下入井中時(shí)，溫度隨之升高，直到與井中流體相等。當(dāng)井內(nèi)溫度變化時(shí)，如向井內(nèi)注冷流體或蒸汽等，管柱溫度會(huì)隨之變化。管柱受冷縮短，受熱會(huì)伸長。熱膨脹或收縮，會(huì)引起油管長度的重大變化：式中：—熱膨脹系數(shù)，；—井內(nèi)油管平均溫度變化，；假如能夠確定起始條件和以后各次作業(yè)中的油管平均溫度，則可以迅速計(jì)算出油管長度的變化。在任何給定作業(yè)方式中的管柱平均溫度，都是油管柱頂部和底部溫度綜合的一半。是任何先后兩種作業(yè)方式的平均溫度差。假如油管的移動(dòng)受到限制，則溫度變化的結(jié)果將會(huì)誘發(fā)出力。溫度誘發(fā)力為：式中：F—力（根據(jù)T的方向不同而為張力或壓縮力），N；—油管截面積，。在多數(shù)情況下，當(dāng)從一種作業(yè)方式改變?yōu)榱硪环N作業(yè)方式時(shí)，溫度效應(yīng)會(huì)造成較大的長度和力的變化。3.2活塞效應(yīng)改變封隔器處環(huán)形空間和油管內(nèi)作用于不同面積上的壓力（見圖17），可引起因活塞效應(yīng)而誘發(fā)的長度變化和力。該力和長度變化，可按下式計(jì)算：式中：—封隔器孔徑面積，；—油管內(nèi)圓面積，；—油管外圓面積，；—油管截面積，；—油壓變化，—套壓變化，L—封隔器深度，；E—彈性模量，。圖17油管和封隔器系統(tǒng)（圖上附有計(jì)算位移和力所需要的各種面積和壓力）要指出，活塞力是兩個(gè)作用在兩種面積上（一為油管的面積，一為環(huán)空的面積）的壓力的代數(shù)和。圖14a所示為一大孔封隔器，環(huán)空壓力產(chǎn)生向下的力，而油管壓力則產(chǎn)生向上的力。對于小孔封隔器來說，情況正好相反（圖14b）。數(shù)量最大的力，將決定最終的力的作用方向。為了合理地確定面積、力和最終的力的作用方向，應(yīng)精確地繪出每種情況下油管和封隔器孔的示意圖。3.3膨脹和反膨脹效應(yīng)如果向油管柱內(nèi)施加壓力，只要內(nèi)壓大于外壓，水平作用于油管內(nèi)壁的壓力就會(huì)使管柱的直徑有所增大，我們把這種膨脹效應(yīng)叫做正膨脹效應(yīng)。反之，如果向環(huán)形空間施加壓力，只要外壓大于內(nèi)壓，則油管柱直徑有所減小，我們把這種效應(yīng)叫做反向膨脹。當(dāng)壓力大于油管內(nèi)壓時(shí)，油管直徑增大，而管柱長度變短；當(dāng)壓力作用于環(huán)形空間壓力時(shí)，油管直徑減小，而管柱長度增大，同時(shí)管柱的剛度也增加。如果管柱下端在封隔器不能移動(dòng)，則正向膨脹將使管柱承受張力，此力會(huì)作用到封隔器上；而反向膨脹將使管柱承受壓縮力，此力也會(huì)作用到封隔器上。膨脹效應(yīng)與壓力作用的面積有直接關(guān)系。由于管外壁面積大于管內(nèi)壁面積，所以在某一壓力條件下，反向膨脹效應(yīng)要比正向膨脹效應(yīng)稍大一些。與活塞效應(yīng)和螺旋彎曲效應(yīng)不同，膨脹效應(yīng)發(fā)生在整個(gè)管柱長度上，而井口壓力與井底壓力是不同的。所以，應(yīng)該考慮的是井口壓力與井底壓力的平均值。在計(jì)算活塞效應(yīng)及螺旋彎曲效應(yīng)時(shí)，主要考慮井底壓力的變化，而在計(jì)算膨脹效應(yīng)時(shí)，則主要考慮油管柱內(nèi)平均壓力的變化。油管內(nèi)壓力可引起油管膨脹或膨脹并使之縮短。另一方面，環(huán)空壓力可擠壓油管使之伸長。膨脹和反膨脹的長度變化和力，可由下式求出：式中：—泊松比，；R—油管外徑/內(nèi)徑值。3.4螺旋彎曲效應(yīng)壓力不僅沿油管軸線垂直作用于封隔器處的密封管和油管柱上，而且也水平地作用于整個(gè)油管柱的壁面上（從井口到封隔器）。如果緊靠封隔器上部的油管內(nèi)部壓力大于該處環(huán)形空間的壓力，則套管內(nèi)的油管就會(huì)發(fā)生螺旋彎曲。螺旋彎曲分為兩種，一種是彈性彎曲，一種是永久性螺旋彎曲。所謂彈性螺旋彎曲即為：使管柱螺旋彎曲的力一旦去掉，管柱就回復(fù)成原來的直線狀態(tài)。所謂永久性螺旋彎曲就是：當(dāng)使管柱螺旋彎曲的力去掉后，它仍保持螺旋彎曲狀態(tài)。通常所說的螺旋彎曲就是指彈性螺旋彎曲。只有當(dāng)大于時(shí)，油管柱才趨向于螺旋彎曲。其結(jié)果是使油管縮短，所發(fā)揮的力可忽略不計(jì)。油管的長度變化可用下式計(jì)算：式中：r—油、套管間徑向間隙，；J—油管截面積轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；—單位長度油管在空氣中重量，；—單位長度油管在液體中重量，；—單位長度油管所排開液體重量，。螺旋彎曲只能使油管縮短，而且在多數(shù)井中，這種縮短也是最小的。油管長度（或力）的總變化，為活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)和溫度效應(yīng)所引起的長度或力變化的總和。在累計(jì)這些長度變化時(shí)，必須要考慮到每種效應(yīng)長度變化（或作用力）的方向。由此可知，每改變一次條件時(shí)，某一種效應(yīng)所產(chǎn)生的位移（或力），有可能被某種其它效應(yīng)所產(chǎn)生的位移（力）所抵消或加強(qiáng)。4關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核4.1坐封剪釘?shù)男：擞闪慵D知坐封剪釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)和尺寸如下圖18所示，數(shù)量為4個(gè)，所用材料為H65。圖18Y241-114坐封剪釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第八版）查得剪釘?shù)募羟袕?qiáng)度條件為而式中：F—剪釘所受的工作剪力，N；—剪釘剪切面的直徑（可?。?，mm；—剪釘材料的許用切應(yīng)力，MPa；—螺紋連接件材料的屈服極限（可?。琈Pa；—安全系數(shù)（可取為）。將所取數(shù)值代入公式即：即坐封剪釘在坐封壓力下可以被剪斷，所以滿足設(shè)計(jì)要求。4.2中心管強(qiáng)度計(jì)算（1）中心管螺紋承載能力計(jì)算內(nèi)中心管螺紋牙允許承受的最大剪切載荷由下式?jīng)Q定：式中：d—螺紋外徑，；—螺紋牙底寬度，三角形螺紋其中：p為牙距，；z—螺紋有效牙數(shù)，—材料許用剪切應(yīng)力，其中：式中：—35CrMo鋼材料屈服極限，；—安全系數(shù)，。求得：。（2）中心管抗拉載荷計(jì)算內(nèi)中心管許用抗拉載荷由下式求得：式中：—內(nèi)中心管壁最薄處抗拉載荷，KN；—內(nèi)中心管受拉處最小內(nèi)徑，；—內(nèi)中心管內(nèi)徑，；—許用抗拉應(yīng)力，其中：；—安全系數(shù)，取1.5求得：比較、，則內(nèi)中心管允許承受的最大載荷為423.63MPa。（3）內(nèi)中心管承內(nèi)壓能力式中：—內(nèi)中心管承受內(nèi)壓，MPa；—35CrMo鋼材料屈服極限，—內(nèi)中心管最薄處壁厚，；—內(nèi)中心管最薄處外徑，；求得：。而實(shí)際坐封壓差為13.2MPa，故內(nèi)中心管承受內(nèi)壓能力滿足要求。4.3鎖定套抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算缸套抗內(nèi)壓能力按薄壁筒理論由下式?jīng)Q定：式中：—缸套抗內(nèi)壓能力，；—35CrMo鋼材料屈服極限，；—鎖定套壁厚，；—鎖定套外徑，。求得：。而實(shí)際坐封壓力為13.2，故鎖定套抗內(nèi)壓強(qiáng)度滿足要求。5綜述5.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）用液壓坐封。液壓坐封方式簡單、方便，避免了旋轉(zhuǎn)或提放管柱在深、斜井中坐封困難，施工風(fēng)險(xiǎn)大的弊病。（2）選用單向倒齒鎖緊機(jī)構(gòu)。在滿足鎖緊要求的情況下，選用小螺距倒齒齒形。由于封隔器坐封后膠筒會(huì)發(fā)生她是彈性回復(fù)，在膠筒總體積不變的情況下，回復(fù)多少，直接取決于膠筒的軸向移動(dòng)距離，膠筒回復(fù)越多，封隔器與套管間的接觸應(yīng)力就越小，容易造成封隔器坐不住封不嚴(yán)的情況。選用的小螺距倒齒鎖緊機(jī)構(gòu)，保證了封隔器的密封可靠性。（3）密封圈數(shù)量少。在液壓坐封封隔器中，膠圈數(shù)量越多，組裝、拆卸越困難，且封隔器坐封、解封運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力越大，多膠圈密封結(jié)構(gòu)中有一個(gè)膠圈損壞，則整套封隔器有可能失效。減少膠圈數(shù)量也就減少了膠圈損壞的隱患，并使其具有拆卸方便，坐封、解封靈活，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。（4）設(shè)有逐級坐封，快速解封機(jī)構(gòu)。封隔器坐封時(shí)，先坐卡瓦，后坐膠筒，從而保證了膠筒坐封后管柱不會(huì)移動(dòng)，膠筒也就不發(fā)生蠕動(dòng)，牢固地密封在油、套管環(huán)形空間上。解封時(shí)上提管柱，膠筒受壓減少，發(fā)生部分彈性回復(fù)，此時(shí)卡瓦解卡，膠筒下部失去支撐而回收，保證封隔器順利解封。（5）膠筒采用丁腈橡膠材料，能滿足50MPa的高壓和180℃的高溫，起到良好的密封性能。這種橡膠被廣泛用于不十分嚴(yán)重的環(huán)境，其優(yōu)點(diǎn)較多，不僅具有很好的抗油性和柔韌性，而且在高壓下還具有良好的抗擠性能。此外在油氣井中能適應(yīng)常有的大部分液體和氣體，保持足夠的柔韌