毕业设计论文防中途坐封封隔器设计.doc

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1、西安石油大学毕业设计（本科论文）毕业设计说明书题 目： 防中途坐封封隔器设计 所在院系： 机械工程学院 石油机械 班 级： 机械0703 姓 名：指导老师：完成日期： 2011年 月 日 目录中文摘要英文摘要1. 绪论.1 1.1 题目的意义.1 1.2 国内封隔器的发展与应用.2 1.3 封隔器的设计原则.4 1.4 封隔器基本标准.5 1.4.1 封隔器的分类.5 1.4.2 封隔器的型号编制.5 1.4.3 代号说明及应用举例.5 1.4.4 油田用封隔器通用技术条件.6 1.5 主要设计内容.7 1.5.1 设计技术参数.7 1.5.2 结构及性能特点.72. 总体方案与结构设计.9

2、2.1 总体方案设计.9 2.1.1 结构组成.9 2.1.2 工作原理.10 2.2 结构设计.10 2.2.1 锁紧机构的设计及选择.11 2.2.2 锚定方式的选择.12 2.2.3 解封方式的选择.14 2.2.4 丢手机构的设计.14 2.3 设计计算.192.3.1 胶筒的设计计算.192.3.2 卡瓦的设计计算.232.3.3 活塞的行程计算.262.3.4 弹簧的设计计算.272.3.5 剪钉的设计计算.272.3.6 封隔器坐封高度计算.302.3.7 密封的设计.32 3. 强度校核.35 3.1 内中心管的校核计算.35 3.2 油缸的校核计算.363.2.1 活塞杆的强

3、度校核.363.2.2 缸筒壁厚的校核.37 3.3 上接头凸台处受力校核.37 3.4 锁紧机构的校核.37 3.4.1 外中心管上锁紧机构的校核.37 3.4.2 衬管上卡簧片的校核.384. 经济性分析.395. 设计总结.40参考文献.41 防中途坐封封隔器摘要 为了使封隔器在油田能够得到进一步的广泛应用，在此主要针对常规封隔器在作业时存在的中途坐封、丢手失败、承受双向压力能力差导致一次成功率低的问题，进行防中途封隔器的设计。该封隔器设计了防中途坐封装置、后处理装置和分压装置，采用了液压坐封丢手、双向锥体卡瓦锚定、机械内锁紧和上提下放管柱解封结构，具有抗碰撞、坐封丢手灵活、防上滑、悬挂

4、能力强、通径大及结构简单综合性能强等特点，可用于悬挂管柱、作桥塞、卡封及堵水。关键词 封隔器 坐封 丢手 解封 结构 Packer with haifway seatingAbstract In order to makethe conventional packers packers used further widely in oil field , in mainly aiming at halfway seating ,failure of giving up ,badly bearing ability of two-way pressure leading to the probl

5、em of a low success , we are ready to design the packer with halfway seating . The packer has been designed ,including halfway seating device , post-processing device and partial pressure device ,in the same time the hydraulic giving up sealing , two-way sit cone card tile anchor mechanical lock and

6、 string deliding through carring on or putting down structure have been adopted . It has the resistance of impacting ,giving up flexible ,avoiding the sealing slippery ,better hanging ability ,large drift diameter and better comprehensive structure characteristic. In addition,it can been also used a

7、s hanging pipe column ,bridge plug , type packer and water plugging.Keyword packer sealing giving up deblocking structure1 绪论1.1 题目的意义封隔器是油田采油工具中重要井下工具之一，它位于套管和油管之间。油井封隔器应用于采油作业。在疏松砂岩油藏的防砂施工中使用的悬挂丢手工具性能的优劣是防砂能否一次成功的关键。常规的封隔器防中途坐封能力不强，当悬挂较长防沙管或在大斜度井中下井过程中，管柱受力复杂，封隔器极易中途坐封而降低一次施工成功率，大大增加了作业费用。另外，常规封隔器

8、不具备后处理安全装置，在进行打捞作业时，若悬挂的管柱被砂埋，使得封隔器极易被拔断，打捞难度大大增加。针对这些问题，在本次毕业设计中，进行了防中途坐封安全处理封隔器设计。油田的地下油层往往是多油层和非均质（油水等比例及密度不一致）的。各层的渗透性能、压力和含水程度差别会很大，如果采油时对多层笼统开采，处在同压力作用下，渗透性好、压力高的地层就产油多，而中低渗透层及压力较低的油层，则因生产压差小，不能发挥生产能力。因此，要使非均质、多油层的油田确保高产、稳产，就要调整各层之间的矛盾，使不同渗透性和压力的油层能够比较合理的开采。实行分层配产方法就是在油井内下放一套分层配产管柱，以控制各层，使其在合理

9、压差下生产出油。分层配产管柱由油管、活动油管头、工作筒、偏心配产管柱、封隔器、支撑卡瓦、撞击筒、丝堵、套管构成的。其中最重要的是封隔器和偏心配产器。其工作原理为：分层配产管柱下入井中后，根据油井内各油层的性质，用封隔器将层分隔开来，并选择不大小的井底油嘴，控制油的产出量，以此控制生产压差，使是各层段按其自身特点进行生产。图1.1 封隔器结构示意图： 1-上接头 2-调节环 3-“O”型圈 4-边胶筒 5-隔环 6-中胶筒 7-中心管 8-楔形体帽 9-档环 10-防松螺钉 11- 楔形体12-防松螺钉 13-限位螺钉 14-卡瓦 15-大卡瓦档环 16-固定螺钉 17-连接环 18-小卡瓦档块

10、 19-防松螺钉 20-护罩 21-弹簧 22-锁环套 23-档球套 24-档球 25-顶套 26-扶正体 27-压环 28-摩擦块 29-压簧 30-限钉压环 31-滑环 32-轨道销钉 33-防松螺钉 34-下接头封隔器主要由坐封装置、密封装置、锁紧装置、悬挂装置和丢手装置组成，还设计了防中途坐封装置、后处理安全装置和分压装置。防中途坐封装置包括防中途坐封束爪、活塞、剪钉、衬管、中心管、上锥体、卡瓦筒、卡瓦、弹簧、下锥体和调节螺帽。后处理安全装置包括下锥体、悬挂销钉、解封环、解封销钉、下接头和丢手束爪。此装置通过解封环和解封销钉安装在中心管上，丢手束爪一端与悬挂管连接，另一端为悬挂爪型结构

11、，与下接头内螺纹相连，内表面由球座上的支撑环支撑。分压装置包括分压环、补偿胶筒和胶筒压帽。此装置安装于衬管上，胶筒压帽与上锥体相连。1.2 国内封隔器的发展与应用 封隔器是井下管柱的核心部分在采油工艺中起着极其重要的作用。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，单向锚定封隔器只有较高的单向承压能力，而双向锚

12、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，分层试油和油井热油循环清蜡等。在当前各大油田中，

13、大多使用的封隔器为以上几种形式，但是还不能解决问题。随着油、气井增多和复杂程度，封隔器的要求也要提高，例如，中原井下研究所研制成功开窗侧钻导斜封隔器，主要解决油田老区块具有开发价值的加深井，变形和事故井恢复生产的难题，它比打新井投资少，周期短，是油田原油上产的重要措施之一。以前，套管开窗打水泥塞，座斜向器，开窗至少需要下三趟钻，施工周期长，侧钻成本高。开窗侧钻导斜封隔器开窗侧钻中，只需一趟就可将封隔器、斜向器和开窗钻头送入设计深度，实现坐封，定向，开窗一次成功。我国封隔器分类及型号标准：第1位字母代表分类方式(z自封、Y压缩、x楔入、K扩张)。第1位数字代表支持方式(1尾管、2单向卡瓦、3无卡

14、瓦、4双向卡瓦、5锚定)；第2位数字代表坐封方式(1提放管柱、2转管柱、3自封、4液压、5下工具)；第3位数字代表解封方式(1提放管柱、2转管柱、3钻铣、4液压、5下工具)。很多油田和制造厂的封隔器产品另有命名方法，导致标准化工作混乱。由于油田老化，为保证稳产，二次采油及三次采油对封隔器的性能要求更苛刻；与深井、超深井、水平井及分支井作业相匹配的封隔器严重缺乏。因此有必要系统总结现有封隔器技术及产品，加大新材料研发力度，开展新的坐封方式和作业工艺研究，为油田开发提供有力支持。 一般封隔器产品及配套工具。压缩式封隔器是主流产品，卡瓦式其次。目前应用的主要封隔器产品系列包括：Y111、Y2ll、Y

15、221、Y241、Y341、Y342、Y344、Y441、Y442、Y443、Y445、Y541、K331、K34以上产品基础上的变形产品较多，通过调整一些细小结构，以适应不同的工况要求，如压裂、正洗井、反洗井、小直径堵水、注汽热采、逐级解封、免释放可洗井、可取可钻等，其中Y341的变形产品最多。对浅井及较好的工况，封隔器多采用单向卡瓦或无卡瓦，解封方式也多为机械式，即提放管柱或旋转管柱；工况恶劣井和大井径往往采取双向卡瓦，甚至是锚定，由于作业难度增加，解封方式倾向于液压、钻铣等方式。使用封隔器的工艺管柱包括层位封堵工艺管柱、分层注水工艺管柱(井下定量分注、轮流注水管柱、油管分注技术、可反洗井

16、注水管柱、可保护套管多次正反洗井的深井超深井污水回注管柱等)、酸化压裂及分层压裂工艺管柱、分层换层采油工艺管柱、油井测试工艺管柱等测试工艺管柱等。在钻完井、修井等作业中，与封隔器配套的其他工具大多数已经固定，如水力锚、配水器、喷砂器、换层开关等，但随着工艺需要的多样化，更多工具被加入到封隔器管串中，提高其封隔效果和可靠性。黄煜鹏等设计了启动器，通过投球憋压启动封隔器。刘海玲设计了小直径丢手接头、小直径偏心开关等配合封隔器组成小直径丢手堵水工艺管柱。童广岩等针对分层注水井中因洗井、停注及压力波动等原因造成封隔器蠕动，研制了蠕动消除器，消除器有平衡伸缩机构，目前很多封隔器采用此结构。1.3 封隔器

17、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

18、，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

19、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。1.4 封隔器基本标准1.4.1 封隔器的分类 分类方法：按封隔器封隔件的工作原理分类，可分为 (1)自封式：靠封隔器外径与套管内径的过

20、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：靠楔入件使封隔件直径变大来实现密封的封隔器。 （4）扩张式：一定压力的液体作用于封隔件内使封隔件直径变大来实现密封的封隔器。1.4.2 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1.2所示。1.4.3 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1.1的规定。表1.1 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

21、示，方式应符合表1.2规定。表1.2 支撑方式代号支撑方式名称尾管单项卡瓦无支撑双向卡瓦锚定代号12345（3）坐封方式代号：用阿拉伯数字表示，方式应符合表1.3规定。表1.3 坐封方式代号坐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1.3规定。表1.4 解封方式代号解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，可将油田名城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

22、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K341-140型裸眼封隔器。意为：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，适用于裸眼井。1.4.4 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，使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

23、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）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 （2）工作温度 工作温度数值应从以下给出的系列中选取。单位/ 温度 55 70 80 90 120 150 180 300 370 （3）刚体最大外径 刚体最大外径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 （4）刚体内通径 刚体内

24、通径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 95 100 1051.5 主要设计内容1.5.1 设计技术参数 适用套管内径：154.79159.41mm 刚体最大外径：150mm 刚体最小通径：75mm 坐封压力：1113MPa 丢手压力：1719MPa 工作压差：15MPa 悬挂能力：250kN 解封力：6080kN 工作温度：120 1.5.2 结构及性能特点 本次设计的防中途坐封安全处理封隔器，其主要特点如下：（1）设计防中途坐封装置，封隔器在下井过程中所受的力都作用在中心管上，无论怎样碰撞，都不会中途坐封；（2）丢手泄压互

25、为一体，只有丢手时才可以泄压，完全避免了泄压后不能丢手的问题；（3）设计了后处理安全装置，下井安全，后处理方便；（4）设计了防上滑装置，有效地防止了封隔器上滑问题，提高了封隔器的双向承受能力；（5）留井部分通径大，可做桥塞使用；（6）设计新颖，结构紧凑、综合性能优越。2 总体方案与结构设计2.1 总体方案设计在疏松砂岩油藏的防砂施工中使用的悬挂丢手工具性能的优劣是防砂能否一次成功的关键。目前，各油田使用的相关类型的封隔器都不同程度的存在着如下问题：（1） 封隔器防中途坐封能力不强，当悬挂较长防沙管或在大斜度井中下井过程中，管柱受力复杂，封隔器极易中途坐封而降低一次施工成功率，大大增加了作业费用

26、。（2） 常规封隔器不具备后处理安全装置，在进行打捞作业时，若悬挂的管柱被砂埋，使得封隔器极易被拔断，打捞难度大大增加。（3） 在结构上，泄压和丢手装置互不关联，丢手失败的情况屡屡发生。（4） 承受双向压力的能力较差。上述问题的存在，导致这类封隔器一次成功率低，推广应用受到了很大的限制。此次设计的防中途坐封封隔器方案如图2.1所示。该型封隔器设计了防中途坐封装置、后处理安全装置和分压装置。采用了液压坐封丢手、双锥体卡瓦锚定和上提下放管柱解封的结构形式，具有抗碰撞、液压丢手灵活、防上滑、后处理方便、悬挂能力强及通径大等特点。在直井、斜井和水平井作业中，可用于悬挂管柱、作桥塞、卡封及堵水等。图2.

27、1 封隔器结构示意图2.1.1 结构组成锚定机构采用卡瓦套19、卡瓦18、上锥体16和下锥体22，其主要作用是锚定封隔器，承受封隔器以下管柱重力和封隔件以上压力对封隔器产生的载荷，并锚定封隔器不上下移动和蠕动。坐封部分主要由活塞3、缸套2、坐封剪钉6组成，其主要作用是为封隔器提供坐封载荷。采用液压坐封，从井口加压，实现封隔器坐封，工作结束以后，上提管柱解封，这种作业方式操作方便、省力。密封部分主要由密封胶筒11、12、14及其密封滑组成的密封结构。主要作用是封闭油套环形空间。锁紧部分主要由卡簧、卡簧座16等组成，其主要作用是防止卡瓦、封隔件回弹，保证封隔器的长期密封。解封部分主要由解封剪钉24

28、、下接头27、悬挂销钉23等组成。解封剪钉的主要作用是控制其解封力。剪断解封销钉即可实现解封。丢手部分主要由丢手束爪26、丢手短节30、丢手剪钉29、防脱块28等组成。其主要作用是将管柱内的高压液体泄掉，保证封隔器正常工作。防中途坐封装置包括活塞5、坐封剪钉7、衬管16、外中心管8、上锥体17、卡瓦18、卡瓦套21、下锥体20等，封隔器在下井过程中受到的力都通过剪钉及外中心管上的凸台作用到中心管上，无论怎样碰撞，都不会将力作用到卡瓦上而使卡瓦张开造成中途坐封。2.1.2 工作原理（1）坐封 封隔器下到设计位置后，投入钢球，待钢球落到封隔器球座上，从井口的油管加液压，液压力经油管传到封隔器，压力

29、达到5-7MPa时，坐封剪钉被剪断，坐封活塞下移，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，撑开卡瓦，同时，锁紧机构锁紧，继续加压，则剪断胶筒处剪钉，活塞推行胶筒下移，待压力达到11-13MPa时，胶筒压缩到最大值，密封油套环形空间，弹簧片卡入衬管中锁紧胶筒。泄压后，由于锁紧机构和弹簧片的缩紧作用，卡瓦仍处于扩张状态，胶筒也处于密封状态。（2）验封 坐封完成后，泄压，缓慢下放管柱，悬重下降1-2t后，将管柱上提到原坐封位置，说明封隔器悬挂良好；然后，从套管加压15MPa，15min后压降在0.5MPa以内，说明胶筒密封完好。（3）丢手 从井口油管加液压至18MPa左右，丢手剪

30、钉被剪断，丢手短节下行，由于防脱块的作用，丢手短节被防脱块挡住，液体从丢手束爪上的缝隙流出，实现丢手泄压。（4）解封 上提管柱，外中心管将随管柱一起上移，剪断解封销钉，下锥体向下移，卡瓦收回，胶筒也向下移动收回，实现解封，提出封隔器及其携带的管柱。如遇封隔器下面的管柱被卡，可加力上提，剪断悬挂销钉，此时，下锥体掉入井中，可保证封隔器被安全起出。2.2 结构设计结构设计的任务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、精度以及与其他零件的相互关系等问题。所以，结构设计是此设计中涉及

31、问题最多、工作量最大的一个重要步骤。2.2.1 锁紧机构的设计及选择液压封隔器坐封泄压后，一般都采用锁紧机构锁紧以防封隔件回弹，目前封隔器锁紧机构大致有以下几种可供选择：（1）密闭式锁紧机构 封隔器坐封时，液体进入封隔器液缸由液压力推动活塞压缩封隔件（或扩张封隔件），泄压后密闭机构使液体只能进不能出，一直保持坐封压力。密闭机构可以采用针阀或球阀、单流阀结构，也可以采用胶体密封。采用这种锁紧方式，封隔件回弹距极小，结构非常紧凑。液压封隔器坐封泄压后，一般都采用锁紧机构锁紧以防坐封件回弹，目前封隔器的锁紧机构大致有以下几种可供选择：图2.2 用胶件的密闭式锁紧机构示意图1-心管 2密封圈 3钢套

32、4密封胶心1） 密封式锁紧机构 封隔器坐封时，液体进入封隔器液缸由液压力推动活塞压缩封隔件（或扩张封隔件），泄压后密闭机构使液体只能进不能出，一直保持坐封压力。密闭机构可以采用针阀或球阀、单流阀结构，也可采用胶件密封。采用这种锁紧方式，封隔件回弹距极小，结构非常紧凑。图2.2 是使用胶件的密闭式锁紧机构示意图 。 图2.3 卡簧式锁紧机构1-卡簧体 2承压环 3卡簧 4卡簧座由图看出，液体可通过传压孔进入液缸内，产生液压力压缩封隔件，泄压后由于密封胶心的单向作用，进入液缸内的液体不能泄出，一直保持坐封时的液压力。在设计这种机构时，可采用组合式密封，使用金属环保护密封胶心，以保证液缸内的压力能维

33、持较长的时间。密闭式锁紧机构主要存在慢泄压问题，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机构，一般情况下不宜选用。2）卡簧式锁紧机构 这种锁紧机构由卡簧、卡簧座等组成，卡簧可以在卡簧座单方向移动，反方向锁紧。设计时，封隔件回弹距可控制在4mm以内。这种锁紧方式机构尺寸较长。图2.3是卡簧式锁紧机构示意图。这种锁紧机构的卡簧数一般为3个，卡簧座可单方面移动，反方向锁紧。也可以设计成卡簧运动，卡簧座固定的形式。图2.4 双面螺纹步进锁紧机构1锁环座 2锁环套 3锁环3）双面螺纹步进锁紧机构 这种锁紧机构由双面带有特殊螺纹的锁环和锁环套等组成，其结构如图2.4所示。设计时，封隔

34、件回弹距可控制在4mm以内。这种锁紧机构主要存在问题是加工难度大。这种锁紧机构由于两面带有特殊螺纹的锁环，开口后要产生一定程度的变形，因此在设计和加工时应特别注意。图2.5 单面螺纹步进锁紧机构1锁环座 2限位套 3锁环 4锁环套4）单面螺纹步进锁紧机构 这种锁紧机构由一面带有特殊螺纹，一面带有锥面的锁环和锁环座等组成，其结构如图2.5所示。锁环可以在锁环座上单方向移动，反方向锁紧。设计回弹距可控制在4mm以内，结构紧凑。这种锁紧机构是在双面螺纹步进锁紧机构的基础上发展起来的，它解决了加工难度大的问题，同时提高了可靠性。从我国机械加工能力及使用可靠性等方面考虑，应优先选用单面螺纹步进锁紧机构。

35、根据所设计的要求，选用卡簧式锁紧机构。2.2.2 锚定方式的选择 封隔器承压能力与解封能力有关。由于这种封隔器采用中心管与下接头相连接的结构形式，采用上提解封方式，在承受由上而下的压差时，封隔器中心管将承受一定的上顶力。这个力可由下式求得：F=pS式中 F中心管承压时的上顶力，N；p封隔器上下压差，MPa；图2.6 锚瓦结构示意图1卡瓦托 2卡瓦3锥体 4封隔件 5锚爪S心管有效承压面积，mm2封隔器中心管承受的上顶力上顶管柱，使得封隔器产生解封的趋势，因此，封隔器承压能力越高，解封力就越大。为此，采用双向锚定方式。双向锚定封隔器目前有以下几种方式可供设计时选用：1）锚、瓦结构式是指水力锚和单

36、向卡瓦组合的锚定方式。一般水力锚在封隔器的上部，防止上顶，下部采用单向卡瓦支撑防止封隔器下滑。这种组合锚定方式的封隔器结构复杂，加工难度大。图2.7 双卡瓦、双锥体结构示意图1、5锥体 2、4卡瓦 3卡瓦由于上下锚定被分开，封隔器整体结构将被拉长（参见图2.6）。这种锚定方式的封隔器一般内中心管与下接头相连，虽然从承压原理上看存在着解封力与承压能力有关的不足之处，但有一个很大的优点，即避免了下锥体脱卡问题。 （2）双卡瓦、双锥体结构式即两套单向卡瓦、双锥体结构（见图2.7）。一般两套单向卡瓦和双锥体正反相接。正卡瓦用于防止封隔器上顶，反卡瓦防止封隔器下滑。这种封隔器结构与锚、瓦结构相比，结构紧

37、凑，加工容易。现有的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。图2.8 单卡瓦、双锥体结构示意图1、3锥体 2卡瓦（3）单卡瓦、双锥体结构式 即采用一套卡瓦、双锥体结构,如图2.8。封隔器的上下锚定点均在这套卡瓦上。承压时，上锥体下推卡瓦；城下压时，下锥体下推卡瓦，将力转移到套管上。这种结构是目前双向锚定封隔器中锚定方式最简单的一种，加工亦较容易。这种锚定方式同样也存在封隔器解封时的下锥体脱卡问题。除特殊情况以外，封隔器的锚定机构应位于封隔件的下部以利于封隔器的解封。虽然双锥体结构的锚定提高了封隔器的承压性能，但却大

38、大降低了封隔器解封的安全可靠性。目前现场上出现的许多卡封事故，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，严重时卡瓦无法收回，造成卡封。而有一些则是由于锚定机构本身问题，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，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双锥体双向锚定封隔器解封结构设计的一大难题。可以说，目前国内外设计的双锥体双

39、向锚定封隔器（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器出，应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以脱卡机构，其特点是该机构允许封隔器内中心管向上运动，当内中心管向下运动时，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。根据设计需要，选用双锥体锚定方式。2.2.3 解封方式的选择还应考虑封隔器坐封后的承压平衡，使封隔器不会因液压力而产生使其解封的力。这是反映封隔器技术水平的一项重要技术指标。例如，某一双向锚定封隔器采用上提管柱解封方式，封隔器坐封后承受上压差时，若封隔器的内中心管受一向上的力将上顶管柱，使封隔器有解封的趋势。因此，

40、在进行封隔器设计时，应考虑着一问题。一般只要在封隔器的结构设计上使内中心管向下的有效作用面积大于向上的有效作用面积，就可以解决这一问题。不同结构的封隔器，需要进行不同的承压平衡分析及设计。完善的承压平衡设计，应使封隔器在承压时，由液压力产生的力直接通过锚定机构作用到套管上，封隔器不会有因液压力解封的趋势。目前，封隔器的解封有上提管柱、转管柱、液压解封、下工具和钻铣解封等几种形式。为了操作方便，应优先考虑使用提放管柱解封方式。所以，在本次设计中，选用上提管柱的解封方式。2.2.4 丢手机构的设计石油工程用丢手机构是一种常用的井下工具，在钻井上通常以安全接头的形式出现，在固井和采油等方面通常叫做丢

41、手工具或自动脱挂结构。按用途来区分，有主动丢手机构和被动丢手机构。主动丢手机构主要应用在固井和采油方面，用来将套管柱和油管柱送入井下，然后自动脱开；被动丢手机构主要应用在钻井方面，当钻具在井下发生事故被卡时，不得已启动丢手机构，以保全丢手机构上边的钻具，同时便于下入处理事故的工具。因此，主动丢手机构一般不需要传递动力，其丢手动作的可靠性是第一位的；而被动丢手机构需要传递动力，往往在井下作旋转运动，其传递动力的能力和安全性是第一位的。（1） 不旋转的丢手机构1) 液压式丢手机构液压式丢手机构有投球的、盲板的、带活塞的及不带活塞的等，但其基本结构都采用锁块或锁环进行丢手（如图2.9和图2.10所示），这些丢手机构主要应用于采