《毕业设计（论文）可伸缩热采封隔器的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）可伸缩热采封隔器的设计.doc（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、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
2、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Scalable Packer Of Thermal RecoveryAbstract：Most of thermal recovery packers being used currently are thermal expansion packers. With poor sealing performance, those packers have no compensation device
3、 of the tubings thermal expansion and are all difficult to be released because lowering the downhole temperature is not easy to be achieved which is essential to releasing operation. To solve these problems, a scalable packer of thermal recovery is developed. It is composed of sealing mechanism, sea
4、ting mechanism, releasing mechanism, stabilizing and anchoring mechanism, compensation mechanism of thermal expansion and safety-ensured slip-relieving mechanism. With compensating pipe in the packer, it simplifies the structure and compensates the tubings thermal expansion. The application of V-exp
5、anded graphite ring increases the sealing quality, mechanical seating and releasing system ensuring the reliability of seating and releasing. Compared with conventional thermal recovery packer, this packer has such advantages as accurate seating, bearing just one directions pressure during downhole
6、operation, good sealing performance, simple but reliable releasing system and so on. Key words：thermal recovery packer；compensating pipe；thermal compensation； sealing；structural design 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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，
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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：
18、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
19、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： Y411-135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. 华北K341-14
20、0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
21、） 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 0.7 1.0 1.5 2.0 2.5 3.5 5.0 7.0 10.0工作温度数值从以下给出的系列中选取。单位/温度 55 70 80 90 120 150 180 300 370（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 90 95 100 105 115 120 135 140 144 148 152 165 185（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 38 40 46 50 55 62 76 85 95
22、100 1052.5 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：（1） 隔绝井液和压力，保护套管不受损坏，改善套管工作条件。（2） 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。（3） 保存并冲分利用底层能量，提高油井生产效率（4） 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。（5） 利于采用机械采油的方式。（6） 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
23、列场合：（1） 杆式泵抽油井（2） 电潜泵抽油井（3） 靠环形空间生产的低硫高产油井（4） 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
24、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
25、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
26、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
27、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
28、，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
29、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
30、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34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
31、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
32、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3.2 结构设计结构设计的主要任务
33、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。1） 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
34、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
35、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3.4 BK361系列补偿式热采封隔器结构示意图1- 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
36、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
37、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
38、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3.5 Y411-115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 2
39、9-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36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36 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
40、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
41、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37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37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
42、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
43、，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
44、动都可以实现自锁，其结构示意图如图38所示。图38 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
45、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3.9卡簧式锁进机构示意图1卡簧体2承压环3卡簧4卡簧座这种锁紧机构由卡簧、卡簧座、承压环组成，卡簧可以在卡簧座单方向移动步进，反方向移动锁紧。设计时，封隔件回弹距一般控制在4mm之内，这种锁紧方式机构尺寸较长。如图3.9为卡簧式锁紧机构的结构示意图。其卡簧数一般为3个，卡簧座单方向移动或者卡簧移动卡簧座固定均可实现锁紧目的。 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3.10 用胶件的密闭式锁进机构示意图
