封隔器毕业设计

封隔器毕业设计内容摘要：

（ 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，压力达到 57MPa 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 1113MPa 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 12t 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 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。 结构设计 西安石油大学毕业 设计 （本科论文） 16 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问题最多、工作量最大的一个重要步骤。 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： 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 是使用胶件的密闭式锁紧机构示意图。 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 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 ，卡图 用胶件的密闭式锁紧机构示意图 1心管 2－密封圈 3－钢套 4－密封胶心 图 卡簧式锁紧机构 1卡簧体 2－承压环 3－卡簧 4－卡簧座 西安石油大学毕业 设计 （本科论文） 17 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。 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 所示。 设计时，封隔件回弹距可控制在 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。 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 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。 根据所设计的要求，选用卡簧式锁紧机构。 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； 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 是指水力锚和单向卡瓦组合的锚定方式。 一般水力锚在封隔器的上图 锚瓦结构示意图 1－卡瓦托 2－卡瓦 3－锥体 4－封隔件 5－锚 爪 图 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 图 双 面螺纹步进锁紧机构 1－锁环座 2－锁环套 3－锁环 西安石油大学毕业 设计 （本科论文） 18 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。 由于上下锚定被分开，封隔器整体结构将被拉长（参见图 ）。 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 ）。 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。 （ 3）单卡瓦、双锥体结构式 即采用一套卡瓦、双 锥体结构 ,如图。 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，可在图 双卡瓦、双锥体结构示意图 5－锥体 4－卡瓦 3－卡瓦 图 单卡瓦、双锥体结构示意图 3－锥体 2－卡瓦 西安石油大学毕业 设计 （本科论文） 19 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。 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，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。 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 和图 所示），这些丢手机构主要应用于采油作业中。 西安石油大学毕业 设计 （本科论文） 20 图 液压投球式丢手机构 图 所示的丢手机构是一个动作机构内置的投球式丢手机构，它主要依靠锁块挂住连接套和下接头，从而挂住下部管柱。 将管柱下井到位后，投球加压，推动剪切活塞剪断销钉下行，在剪切活塞上加工有环形槽，允 许锁块退入环形槽内，此时锁块便于连接套脱开，实现丢手。 这种丢手机构的优点是内置式动作机构，确保在下井过程中不会因井壁摩擦发生误操作，不投球不工作，安全可靠。 图 为一个动作机构外置的非投球式丢手机构，同样用锁块将上下接头连接起来。 将管柱下到预定位置时，在管柱内加压，通过传导孔推动活塞剪断剪钉下行 ，并带动整个下滑套下行，在下滑套内加工有环形槽，可以使锁块回退到环形槽内，上 下接头脱开，完成丢手操作。 这种丢手机构与前一种丢手机构相比，原理相同。 但外置式动作机构有可能会随着管柱的上下活动而与外层管柱 的摩擦引起误操作，提前丢手。 因此，在丢手工具的上下必须加装刚性扶正器，以避免丢手工具与外层管柱相摩擦。 2) 螺纹联结式丢手机构 图 非投球式丢手机构 图 3. 10 液压非投球式丢手机构 西安石油大学毕业 设计 （本科论文） 21 螺纹联结式丢手机构主要应用于石油固井套管柱中，其特点是丢手之前必须在螺纹连接处卸去重力载荷，其结构如图。 丢手机构通过丢手螺母与套管柱相连，丢手螺母和下接头之间通过花键或八方传递扭矩，上接头与上部钻具相连接。 丢手机构随套管柱下井，当套管柱通过悬挂器挂在外层套管上或坐在井底时，继续下放一段管柱，让卸荷套与套管柱压紧，卸去丢手螺母上的轴向载荷，然后转动上部钻具，因丢手螺母加工 有反螺纹，随着钻具的转动便退入卸荷套内，与套管柱脱开。 这种丢手机构首先是承载能力大，可以承受几百吨的载荷；其次是卸荷套消除丢手螺母的轴向载荷后，丢手螺母与套管柱之间有相对运动时，减少了摩擦力的影响，确保丢手螺母顺利倒螺纹并脱开。 3) 自动爪式丢手机构 图 自动爪式丢手机构 自动式爪型结构是一种常用于油管柱和套管柱的自动丢手机构（如图 ） 它通过爪子将送入工具和管柱联接起来。 工作时，在管柱下井后，从井口头胶塞， 通过丢手机构，将堵塞剪断，露出传压孔，然后加压，压力通过传压孔作用在活塞上，推动活塞上行，活塞上设计有推动环，推动爪子向内收缩，从而将管柱遇下接头脱开，实现丢手。 这种机构只要加压就可以动作，完全自动，但有两个缺陷，第一是管柱质量依靠几个爪子得尖端来承担，额定载荷较小，同时丢手时，摩擦力较大，推动活图 螺纹联结式丢手机构 西安石油大学毕业 设计 （本科论文） 22 塞运动的液体压力较高，丢手较困难；第二是在下管柱过程中，当管柱遇阻或上下运动时，爪子前后摆动，有可能造成提前脱挂。 4） 滚珠式丢手机构 图 滚珠式丢手机构 这是最简单的丢手机构，主要用于油管柱和套管柱的丢手。