封隔器设计计算

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 强度校核1.1 内中心管壁厚的校核计算内中心管材料选用20CrMo钢，其许用应力为=600MPa，设计壁厚t5mm。如图1.1所示，内中心管在力的作用下处于空间应力状态，有：图1.1 内中心管空间应力状态图1.2 应力分布图由于此内中心管只受到内压而无外压，这时在上述公式中，令P00，得到应力计算公式：上式表明，r恒为压应力，而恒为拉应力，沿筒壁厚度，r和的变化情况如图1.2所示：在筒壁的侧面处，ra，两者同时达到极值，因为两者同为主应力，故可记为：1，r3。根据最大剪应力理论，塑性条件和强度条件分别为：式中s为材料的屈服极限，以r和代替3和1，并令ra，则化为：式中 是筒壁内侧面处开始出现塑形变形时的内压力。此内中心管内径d40mm，外径D50mm，Pi19MPa，即a20mm，b25mm，在中心管内壁上及r同为最大值，于是计算出第三强度理论的相当应力为： MPa即： 故内中心管安全。2.3 设计计算2.3.1 胶筒的设计计算2.3.1.1 胶筒的材料及性能压缩式胶筒（以下简称胶筒）是压缩式封隔器的心脏，当封隔器胶筒承受轴向载荷时，封隔器胶筒将产生较大变形，使胶筒与套管之间产生接触压力，借此封隔环空，隔绝产层，保护套管。胶筒的耐温、耐压能力是衡量封隔器好坏的技术指标。胶筒的耐温性能与材质密切相关。胶筒耐压能力与是否采用“防突”装置及该装置结构是否合理关系甚大。所谓“防突”，就是在胶筒端部安放某种阻挡环、支撑环，限制装置和保护件等，用以阻止和限制封隔器坐封时胶筒朝油套环形空间“突出”或“流动”，从而提高和保持接触压力，以获得良好的密封性。（1） 胶筒的耐温性能胶筒的工作温度主要受胶料及硫化体系的影响。目前橡胶硫化体一般采用无硫硫化体系，有利于提高其耐温性能。下面就不同胶料的胶筒耐温性能作简要阐述。1） 丁腈橡胶压缩式封隔器胶筒采用丁腈橡胶较好。这是因为丁腈橡胶不仅具有较高的耐温性能、良好的耐油性、较高的抗张强度和较好的弹性，而且易于成型和价格低廉。未加补偿填充剂丁腈橡胶的抗张强度为34.5MPa，而加补强填充剂后抗张强度增大到2530MPa。与天然橡胶和丁苯橡胶相比，丁腈橡胶耐热性较好，其制品一般能在120下连续使用，在热油中也能耐温150。上海橡胶制品研究所新进研制的701型橡胶，在150下基本上能耐压35MPa，最终因受结构的限制，在高温高压下，其不饱和双键易断开，使链状结构受到破坏而导致胶筒失效。2） 氟橡胶氟橡胶具有良好的耐温、耐热和抗老化性能，但强力性能和硬度均温度的升高而明显降低，其中抗张强度的变化特点是：在150以下，抗张强度随温度的升高而迅速降低；在150260之间，则随温度的升高而下降较慢。见表2.1。显然，对于耐温要求小于或等于150的胶筒，氟橡胶并不合适，其可塑性差，难以加工成型，且价格比丁腈橡胶贵。有人曾用氟橡胶制作胶筒，未获成功。表2.1 氟橡胶在不同温度下的性能变化性能温度（）24150260抗张强度（MPa）17.23.52.1伸长率（%）33012080硬度（邵尔A）7565633） 氢化丁腈橡胶氢化丁腈橡胶是国外80年代中期开发并投入批量生产的一种新型橡胶，具有以下性能特点：耐热性能好。由于对热敏感的双键部分被消除，因而耐热性能明显提高，加之保留了氰侧基（CN），仍具有丁腈橡胶的耐油性能；强伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氢化丁腈橡胶的抗张强度达30MPa以上，有特别要求的，可达60MPa；耐寒性优于丁腈橡胶，而其加工性与丁腈橡胶相似。4） 氢化丁腈橡胶与丁腈橡胶性能对比氢化丁腈橡胶与丁腈橡胶的性能对比见表2.2。从耐温性及抗张强度考虑，氢化丁腈橡胶有着广阔的发展前景，但存在永久性变形大和价格较贵等问题。表2.2 丁腈橡胶与氢化丁腈橡胶性能对比性能中胶筒端胶筒丁腈氢化丁腈丁腈氢化丁腈抗张强度（MPa）162711.626.7伸长率（%）300280175210硬度（邵尔A）78789086永久变形（%）2.5217.518图2.18 封隔器胶筒受力分析综上所述，封隔器胶筒的耐温性能与材质密切相关，对于耐温和耐压不高，或工作温度较高而工作时间较短的胶筒，可优先选用丁腈橡胶。对于耐温和耐压要求较高的胶筒，则优先选用氢化丁腈橡胶。（2） 胶筒的耐压性能对不加“防突”结构的封隔器胶筒进行受力分析，如图2.18所示。在工作状态下，胶筒受力平衡方程为：式中 Fm胶筒与套管间的摩擦力,N; Ft胶筒的抗剪切力，N； p胶筒承受的工作压差，Pa； R2套管内半径，m；R1胶筒座外半径，m。由上式整理得， 由此可见，若胶筒与套管壁间的摩擦力Fm增大，胶筒的抗剪切力Ft提高，胶筒做外半径R1增大，则胶筒抗压能力增强，反之则反。2.3.1.2 胶筒的计算1）胶筒的选择选择压缩式胶筒即压缩胶筒长度,从而使直径变大,以达到封隔油、套筒环形空间的目的。图2.19a 长胶筒选择YS-150-36-50型胶筒，这种胶筒可用于中深井和深井的各种井下采油工艺措施。这种胶筒结构为三单元胶筒，有两个长胶筒和一个短胶筒组成。短胶筒位于图2.19b 短胶筒两个长胶筒之间，长胶筒的结构如图2.19a所示；短胶筒的结构如图2.19b所示。2） 胶筒的技术参数 主要技术参数 工作压力： 50公斤/平方厘米工作温度： 120摄氏度使用套管内径: 154.79-159.41毫米3） 胶筒配方及物理性质YS-150-36-50型胶筒的胶料配方有长胶筒用的501号和短胶筒用的29号两种配方，详见表2.3。表2.3 胶料配方配方编号501 号29 号丁腈-40胶80100液体丁腈-40胶20硬脂酸22氧化锌55硫磺0.2DCP21.5喷雾炭黑16080邻苯二甲酸二丁腈脂55防老剂PD0.5MB0.5促进剂DM1TMTD1共 计275193.54）物理机械性能 YS-150-36-50型胶筒胶料的物理机械性能见表2.4。 表2.4 物理机械性能 配方编号501号29号强度 （公斤/平方厘米）伸长（）变形 （)硬度（邵氏)130155089252250382