过油管封隔器设计【说明书+CAD】
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过油管封隔器设计学 生:陈 聪,机械工程学院指导教师:周志宏,机械工程学院摘要本文研究的封隔器是油气井作业工具中使用广泛的一种井下工具,其作用是在油井深度方向实现分层作业。随着油气田开采的深入,地层情况越来越复杂,分层作业越来越普遍,对封隔器的使用要求也越来越高。封隔器系统失效的情况时有发生,给生产造成损失。本文概述了油田常用的封隔器的类型、参数、命名及其工作原理。讨论了目前封隔器所用的胶筒的发展现状;分析了钢片叠层的密封机理;分析了过油管封隔器的工作原理以及结构特征并对各重要零部件进行了强度校核,进而完成封隔器的设计,得出结论。关键词 过油管 封隔器 钢片叠层 Design of the thru-tubing packerAbstract Packer of this study is widely used in oil and gas wells operating a downhole tool, its role is to realize the depth direction in the well stratified operation.With the deepening exploiation of oil and gas field, stratigraphic situation more complex, layered work more and more common, the use of packer demand more and more, packer system failure situations have occurred, causing damage to production. This article outlines the common oilfield packer type, parameters, name and the working principle; discuss the current packer cones used in the development of the status quo; analyse seal mechanism of the stacked steel and the thru-tubing packer works and structural characteristics and strength check of all major components, and then complete the thru-tubing packer Design, draw a conclusion.Keyword thru-tubing packer stacked steelXV江大学毕业设计(论文)任务书学院(系) 机械工程 专业 过程装备与控制工程 班级 装备091 学生姓名 陈 聪 指导教师/职称 周志宏/教授 1毕业设计(论文)题目:过油管封隔器设计2毕业设计(论文)起止时间:2013年4月1日2013年6月8日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据(指导教师选定部分)资料:i. 程心平,陈桂和. 高效膨胀式封隔器的设计和试验-国外石油机械1999年03期ii. Thru-Tubing Inflatable Systems, Baker Oil Tools, iii. George Arnold, Enrico Suwandi. Innovative Inflatable System Enables the Underbalanced Deployment of Sand Control Screens, SPE84900原始数据:未膨胀外径:70mm膨胀外径:200mm密封段长度:1.5m4毕业设计(论文)应完成的主要内容(1)过油管膨胀式封隔器发展概述(2)过油管膨胀式封隔器工作原理(3)过油管膨胀式封隔器参数计算(4)过油管膨胀式封隔器强化钢片设计计算(5)过油管膨胀式封隔器强化钢片应力分析(6)密封计算(7)装配图与部分零件图设计5毕业设计(论文)的目标及具体要求总装配图1张;零件图若干张;三维装配图。6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求ANSYS或Comsol软件,上机100小时任务书批准日期 2013 年 3 月10日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2013 年 4月1日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生(签名) II增强封隔器有限变形的薄膜理论 C.阿特金森*和B.珀尔帖 著 陈聪 译摘要利用薄膜理论,来为用不可伸长的帘线加固的封隔器薄膜的形变求解。此模型给出了该膜的形变以及帘线和薄膜应力形变的程度。该模型可使人研究封隔器在各种设计参数及其完整性封隔影响下的行为。基于模型的输出,对封隔器的设计提出了建议,预计将有实际意义。符号2h初始膜厚度(L);W 应变能(MLT); 经络延伸; 径向延伸;最大值 ,即封隔的膨胀比;2l 初始膜的长度(L);P相对充气压力(MLT);张力线(ML T); 初始线之间的间距(L)1. 引言开展压力测试或油井的水力压裂试验中,复合膨胀性封隔器也常常用于密封指定压力的任一裸眼井的或套管井。设计成安全和可重复使用的封隔器需要进行必要压力扩展(3:1增大)。本文重点在于研究复合式封隔器在井下实际条件下的薄膜变形,并作为一个例子分析如何应用变形理论来增强复合材料的强度。尝试对井下封隔器变形做一个相对简单的分析,下面我们将应用纤维膜理论来讨论增强橡胶对封隔器带来的影响。在Kydoniefs1中已阐述了增强薄膜的基本理论。这个理论能计算薄膜膨胀后的形状,给出了弹性体内部压力(这是从实验中获得)和帘线形状和分布的应变能函数的表达式。该理论还能在弹性体材料对绷直的帘线进行计算。2. 通用方程轴对称柱的变形被认为是具有应变能函数W = W(I,I)及被具有完全弹性和不可伸长帘线这两个系列特性增强的具有均相各向同性弹性及不可压缩性的材料构成的初始圆柱形薄膜厚度2h。假设未发生薄膜变形的母线上两个系列的帘线形成恒定的角度。还假定在一个系列任一条帘线上的截距的长度与另一系列相邻的帘线在膜上的位置是无关的,并且与变形或未变形的薄膜上的任一点的曲率半径相比是很小的。此外,假设没有两个同一系列的帘线接触作为形变的结果,并且两个系列相交的帘线在交点处不相互移动。任一圆柱形薄膜能在其表面变形为没有扩展的圆柱面,则可不失一般性的假设未变形的薄膜是圆柱面形状。形变涉及圆柱形极坐标并记为(,),值=常量,在未变形结构中的一点在形变状态下具有坐标(r,z)。由于形变是轴对称的,有 (1)未变形和变形组态中要素的长度,将分别表示为dS的和ds。未薄膜变形的母线和dS的角度,将表示为a而且变形的子午线要素将表示为d。然后,它可以表示为1,2 (2)其中被应用的符号 (3)根据系统的对称性和材料的不可压缩性,遵循,和,应变的不变量I的主要延伸率无论在哪可由下式给出 (4) (5)由于帘线不可伸长,因此给出,和,我们得到a=,有 (6)设()为两个系列帘线与部分变形子午线的角度。然后,如果dS存在,则ds是在相同的帘线上, rsin()dS=sin()ds (7)和 cos()ds=d=cos()dS (8)从这些关系中,我们得到 sin()= sin() (9)和 cos()= cos() (10)在未变形和变形的薄膜上,分别用和表示相邻的帘线之间的距离。根据 =cos()d ,=rcos()d和上述关系中的sin和cos,得到 = (11)进一步假设,变形薄膜的子午线C不与z轴相交,而且没有平行或垂直于z轴的有限元。此外,不失一般性,假定为C的切线是都不平行或垂直于z轴,也许除了上面C的端点,否则C可以在条件不成立下被划分成段。当我们认为膨胀器符合套管的情况下,这种条件将有所放宽。有了这个假设,则平衡方程为 (rT) =T (12)和 T + T= (13)对任何轴对称变形的膜是有效的,可以写成如下形式: (rT) =T (14) 和 T+ T= P (15)在经络和纬度圈的方向,变形的膜每单位长度的应力合成分别用T1,T2表示。是主曲率,是经络的曲率,P是内部压力。如果/ 2表示变形的薄膜的子午线切线和对称轴所形成的角,则 =cos() (16) =cos() /r (17)通过使用(3),(16)和(17),方程(14)和(15)被还原为 (18)应力合成T可以分解成两部分: (19)其中T是由于材料的形变产生,用应变能函数W可以表示为 (20)和 (21)T 是由于帘线中的张力造成的,这些表达式可以写成如下形式: (22)通过使用(19)(22),第一个平衡方程(18)可解为 3 (23)其中,A为积分常数。自定义的不变量(4)和(5)与,根据(6)和给出的表达式(22)和(23)我们得到的T做为的函数。连同表达式(20)和(21),在不管值如何时,给出的力的T和积分常数A。它仍然结合第二个方程(18),在一组给定的边界条件下,无论怎么变化取得。2.1应用如上文所述,我们仍然需要对(18)方程进行第二次整合对给定的问题给出求解方法。对于恒定压力P下加载的薄膜,有 (24)其中,C为任意常数。封隔器自由端中= 1,在轴向方向上的相应的力应为零。故 (25)由= 1。因此,常数 (26)因为给定的压力膜的最大膨胀比,当=时除了=0,则(24)式可写为 (27)从方程(20)和(22),回代 (28)运用(23)和(27),给出了常数A,(24)式给出了cos()和形状以及在必要条件下,运用适当的非线性方程,运用下面列出和解出的积分给出薄膜的其他属性。如果在扩展的膜的情况下,根据自由指定的初始长度求解膜的方程。应变能函数进一步进行求解,我们需要弹性体的能量密度的表达式。这已经从实验测试中推导了出来。在国际单位(SI)中,表示为 (29)使用此表达式,根据方程(20)和(21)我们可以推断在弹性体力的函数。2.2. 扩展的膜的形状一旦角已获得(24)的形状的膜,可确定最大膨胀的膜已经被发现的情况下,在指定的压力下扩张的条件,判断膜的初始长度被指定为2 l。 (30)为了实现这个方程的一个解决方案,它有助于解决问题的值的范围在其中一个解决方案可能会出错。 = 0的情况下,下限的压力P提供最大膨胀比可推导出 (31)变形的膜的形状,通过绘制,膨胀比r / ,对z的轴向变形的坐标系中的坐标确定 (32)和用于根据是否2的增加或减少的函数,=0用于z= 0的加号或减号。长度由下式给出的变形的(半)子午线 (33)正如上文所述的自由膨胀封隔器,一个必须解决的最大膨胀比方程(30)。但是,对于该情况中,当封隔器膨胀对一个刚性壳体的程序是不同的4。对于这种情况下指定和中央部,其是在与墙壁接触的一半长度由下式给出 (34)在上述方程中的积分符号之外因子评价在最大膨胀比。膜的其余部分的形状被确定为以上惟现在由方程(32)给出由z+ z取代。3. 数值结果和工程方面的考虑从薄膜理论预测的结果来看,三种情况下的膨胀被认为是帘线角具有四个值。的影响,从设计角度来看,值的影响具有特别意义。其中0,100,12,15),对于每一个已被封隔器充气膜触摸borewall对应于2=3的膨胀比的地步。计算,然后一直延伸到触壁压力加0.1 MPa和触壁的压力加上封隔器的运行工况仿真每个值10.0兆帕。在下列实施例中使用的数值是10厘米(p值=0.05),直径1米(L= 0.5)与1厘米的(h= 0.005)厚的膜的材料的应变能函数表示的(29)的长封隔器加强线每间隔5毫米(= 0.005)。只出现在最后的计算和。需要注意的是在变形的配置的帘线的角度3可以由关系式(9),即 (35)一旦已被确定为位置的函数的对膜的扩展率。通胀的压力和线张力增加值的一个所需要的封隔器充气压力P的增加值达到相同的膨胀比, =3。图1a示出的形状的自由变形的膜上面的四个值的。各自的通胀压力(0.143,0.190,0.237和0.639兆帕)增加了33,66和347,对于通胀压力=0。这样的效果,结合(是大致成正比1/cos)的直接作用,封隔器的性能是不利的,因为它导致增加帘线的张力水平。图1b显示在帘线的最大张力再次增加了82,154和809,相对于帘线的张力对= 0。需要注意的是达到的最高水平的帘线张力膜满足墙上的地步。 半径(米) 半径(米) 半径(米)图1。 P=接触壁面的压力。由于通胀压力超越了触摸侧壁值增加时,膜被限制由borewall;最大剪应力保持不变(图。1c,2c和3c的),因为它是由膨胀比控制,本身就限制了由borewall张力线的增加,虽然相对的下降的影响,其效果仍然十分可观,即使在压力高达触壁压力加10兆帕(+20,+34和+74;图3B)。另外值得一提的是半长的膜和borewall的由原来的0.359米至0.295米(-18)0.262米(-27)和0.175米(-51之间的接触的效果)四个各自的值,在高企的通胀压力(图3a)。 半径(米) 半径(米) 半径(米) 图2。P=触摸壁压力+0.1MPa通胀压力和触摸壁压力之间的差异是与被压靠在的borewall(忽略的borewall变形),其中膜的压力。这是压力吸合封隔器的密封作用。因此,低触壁压力将导致在一个较低的通胀压力最终一个同样的密封作用。弹性体的剪切应变增加的结果的值在增加在弹性体中的剪应变的值,虽然这样的效果不显着低的值。图4示出了作图 1,3 0,12,15,20)的五个值。场地从= 0到= 10,增加了剪切应变10,发泡倍率为3。图中可以看出,这种作用显着增加的值较高,但相关性较低。注意剪力的高水平(=0.78(r/4)被折叠到45,90的角度相对应)上的弹性体施加在即使= 0,= 3的膨胀比。剪切应变的角度(以弧度为单位)由一个/2的角度的变形,即 (36)合并得到下面的表达式(6),作为和2的函数。 (37)在弹性体中产生的剪切应力列于图中。1c,2c和3c。 膨胀率图4,剪切应变与膨胀标记a的值确定几何形状可能的最大膨胀比(6): (38) (39)多层片状线应当指出,这两个相互交叉的帘线层(0)是一个设计功能,这不是必需的封隔器的完整性。线加固需要支持经络张力高,其中发生在薄膜部分位于环之间的borewall的压紧心轴。此经络加固抑制膜轴向扩大,由于径向扩张受制于borewall方位角(箍)需要增援。因此,的值= 0是可以接受的,甚至是可取的,在考虑的影响通货膨胀压力P的帘线张力和弹性体剪力应变的前视图。从等式(11)和(6)的线之间的间距是 (40)通过2求的导数 (41)求出的最大的值表1中。线之间的最大间距 (42)对线之间的最大间距max的影响示于表1。该第二列显示值在max处发生。通常用于两层紧密间隔的线,以限制线之间的弹性体的挤出。不幸的是,这种方法往往会达不到自己的目的:间隔紧密的线留下一些弹性体材料造成破坏性的水平在周围的弹性体的剪力线之间。导致脱粘线,然后没有更多的保持等距,往往捆绑不受支持的弹性体受挤压留下很大的差距,在高通胀压力下。这已被证明的情况下由纽本实验5。设计建议鉴于这些考虑,提出了以下的设计方法。该膜是由一个单一的层的帘线敷设封隔器(= 0)沿经络。将电源线之间的间距是这样的孔或凹口之间的每对线,如图5所示,以限制由于应变水平在该弹性体中的帘线之间留下空间。此功能是为了避免脱粘线,从而保持等距的线。6的实验证据表明,在弹性体中的均匀性可以导致导致nonequal间距的帘线和弹性体挤出的弹性体的非均匀拉伸。但是,预计的孔或切口安排本身是足以保持等距隔开的帘线,作为进一步的补救的办法可能是有用的约束由一系列的软线的线之间的最大间距沿径向放置在孔或线之间的缺口。作为一个例子,一个最大的封隔器的膨胀比为3,会导致电线的长度,限制局部的膨胀比,例如,3.3。未拉伸 拉伸 未拉伸 拉伸图5.Borewall剪力封隔器两头可自由轴向移动,一端是建立滑动的封隔器芯棒;另一端固定在芯棒可轴向移动与小克制的字符串抱着封隔器工具在洞里。因此,芯棒并没有提供轴向支撑膜和轴向力产生的跨膜压力在环部分是完全支持之间的摩擦膜和borewall。当一个高压差是强加在封隔器,轴向力应用于封隔器导致高水平的剪切应力之间的界面膜和borewall这可能领先,尤其是在软弱地层,openhole滑移、高变形和破坏的封隔器。4结论使用膜理论,分析解决方案已经达到了一个封隔器膜变形钢筋与不能伸展的连线。该模型给出了膜的变形和水平的应变和应力的膜和绳子。虽然,因为它是,模型显示了影响的各种设计参数对行为和完整性的封隔器,该模型现在应该检查与实验数据来确定其有效性的极限。膜的完整性的主要问题似乎是在非等距隔开的线之间的弹性体的挤出。传统的设计两层帘线相互交叉,不保证处于膨胀状态,因为剥离线的等距线。有人建议,一个单一的层的帘线敷设沿经络的封隔器,并在该弹性体之间的帘线(孔或切口)与一些补充遵守inbedded更可能提供一个解决方案。致谢笔者想感谢戴尔纽伯恩的一系列启发性讨论。参考文献1 AD Kydoniefs,用不可伸长线最初圆柱形膜有限轴对称变形钢筋。 Q.J.M.A.M. 23(1970)481-488。2A.J.M.斯宾塞,静态理论的有限弹性。 J.研究所。数学。 APPLICS。 6(1970)164-200。3A.C.皮普,Z. Angew。数学。物理。 19(1968)818。4.AD Kydoniefs,有限的轴对称变形最初圆柱形弹性膜封闭刚性身体。Q.J.M.A.M. 22(1969)219-331。毕业论文(设计)题目名称: 过油管封隔器设计 题目类型: 毕业设计 学生姓名: 陈聪 院 (系): 机械工程学院 专业班级: 装备10901班 指导教师: 周志宏 辅导教师: 周志宏 时 间: 2013.3 至 2013.6 长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 过油管封隔器设计 院 (系) 机械工程学院 专 业 班 级 装备10901班 学 生 姓 名 陈聪 指 导 教 师 周志宏 辅 导 教 师 周志宏 开题报告日期 2013年4月17日 过油管封隔器设计1 题目来源生产实践2 研究目的和意义封隔器是指用来密封环空或隔离目的层段,控制注入或采出流体,并能承受压差的井下工具。封隔器一般用钻杆或电缆下井,80年代开始发展、90年代成熟的连续油管技术提供了一种新的输送方式,其中连续油管的主要作用有:输送流体;传送下井仪器;利用其刚性在大斜度井或水平井中将下井仪器推过造斜井段,或者使其在水平井段推进;因其外径小,可做过油管测量工具。根据连续油管输送流体的性能及传送性能,连续油管可用于钻井,采油以及侧井,射孔,防砂,打捞等作业。对比传统开采技术,连续油管有高效率、低成本、操作方便、安全可靠的作业优势,能更好的为油田生产服务。这样的连续油管技术为封隔器下井作业提供了一个新的作业技术过油管膨胀技术。因而研制出一套与过油管膨胀技术适应的井下工具对石油的开采起着极为重要的作用。封隔器作为过油管工具的重要组成部分自然成为了研制对象之一。但在采油井下作业时,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。在本次毕业设计中,进行了过油管封隔器的设计。3 阅读的主要参考文献及资料名称1陈媛媛. 应用过油管膨胀技术堵水J-国外油田工程2007年第23卷第11期2王世倩. 连续油管采油技术的概况、应用与现状分析J-科技创新导报 2010年第15期3程心平,陈桂和. 高效膨胀式封隔器的设计和试验J-国外石油机械1999年03期4 索美娟,方志刚,刘颖,冯仁东,勒庆珍. 小直径膨胀式封隔器在吐哈油田的应用J-吐哈油气2006年第11卷第4期5 张承武,王兴建,陈建刚. 分段压裂封隔器叠层钢片膨胀简的密封机理J-石油机械2007年第35期第3期6 张立新,沈泽俊,李益良,张国文,高向前. 我国封隔器技术的发展与应用J- 石油机械2007年第35卷第8期7 徐 鑫,魏新芳,余金陵. 遇油遇水自膨胀封隔器的研究与应用J-石油钻探技术2009年第37卷第6期8刘鸿文.材料力学M.第五版.北京:高等教育出版社,2003.9 油田用封隔器及井下工具手册编写组.油田用封隔器及井下工具手册M.石油工业出版社.10李桐,马庆贤,崔奋.封隔器卡瓦咬合过程受力模拟研究J.石油矿场机械,2004,33:11-13.11油田用封隔器及井下工具手册编写组.油田用封隔器及井下工具手册M.石油工业出版社.12赵磊.简明井下工具使用手册M.北京:石油工业出版社,2004,1113周开勤.机械零件手册M.第五版.北京:高等教育出版社,2001.14机械设计手册联合编写组.第二版.北京:化学工业出版社,1979,10.15 Clem Rowe-Age Developments Pty.Ltd. INFLATABLE PACKER APPLICATIONS16 C.ATKINSON* and B.PELTIER. The finite deformation of a reinforced packer, membrane theory,Journal of Engineering Mathematics 27: 443-454, 1993.17 George Arnold, Enrico Suwandi. Innovative Inflatable System Enables the Underbalanced Deployment of Sand Control Screens, SPE8490018 H. Lee, C. Torres-Verdn, and K. Sepehrnoori. Coupled Pressure-Transient Behavior and Geomechanical Deformation in the Near-Borehole Region of Unconsolidated Clastic Rock Formations, SPE 10290419 Ruy Marcelo de Oliveira Pauletti and Reyolando M.L.R.F. Brasil, STRUCTURAL ANALYSIS AND CONSTRUCTION OF THE MEMBRANE ROOF OF THE “MEMORIAL DOS POVOS DE BELM DO PAR”20 Thru-Tubing Inflatable Systems, Baker Oil Tools,4 国内外现状和发展趋势与研究主攻方向4.1 国内外现状早期的膨胀式封隔器从送入起出机理到取得专利可追溯到四十年代的战争期间。当时,这种封隔器受到许多常见问题的困扰,有待需要新的技术改进,同时也缺乏现在的经验。当时的最好弹性材料是天然橡胶,但它却不能耐油。经过五十年来的产品设计试验,弹性件的开发和井下条件的需要,已经把这类产品广泛用于具有多种用途的先进的工具体系。通常,那些下入井里坐在管材或套管中的一般都是井壁悬挂式封隔器,它们不同于膨胀式封隔器。膨胀式封隔器的一个优点就是它坐封在裸眼井的功能与坐封在套管或油管中的功能相同。如今绝大多数膨胀式封隔器在膨胀条件下都能使其直径增长两倍,而井壁悬挂式封隔器则一般每英寸膨胀不到英寸。因此,膨胀式封隔器已经赢得了在下入有限井筒,以及在更大井径中坐封的条件下需用封隔器的市场,而且根据不同的工艺技术形成了不同的产品,其中与过油管技术结合形成了过油管膨胀式封隔器。目前,国内为适应各种井下条件生产的过油管膨胀式封隔器技术还不先进,主要表现在原材料,加工工艺等方面,特别是井下密封材料没有重大突破,但是相关的研究有很多。在封隔器性能试验上,大庆油田采油一厂开展了封隔器性能检测地面简易装置的研制工作,可最大限度地在地面模拟井下封隔器工作状态,可以完成中心管加压、油套环空加上压、加下压检测封隔器密封性及反洗井压力、排量的测试。中原油田针对橡胶材料随温度的上升其力学性能,如抗张强度、弹性延伸率大幅下降等情况,研制了高温性能试验系统。油浸试验系统主要由油浸试验井、试验系统流程、自动化监控及配套设施4部分组成,可模拟井下封隔器工作状态。王海兰等对胶筒硫化橡胶的标准试样在不同压力和不同温度条件下的性能进行试验,获取应力应变关系曲线及橡胶的压缩模量、杨氏模量等数值,为分析封隔器的工作性能提供基本依据。李化甫等研制了封隔器圆度、同轴度检测装置。大庆油田采油工程研究院设计了可准确测量不同型号的扩张式胶筒偏心距实验装置。对封隔器作业工艺参数计算和数值模拟中,周先军等较早利用ANSYS对封隔器胶筒的接触应力进行数值模拟计算,得到了接触应力沿胶筒轴向分布情况,后续工作对3种压缩式封隔器胶筒与套管内壁接触压力大小和分布规律进行了分析计算,并对结构性能进行了比较。杨秀娟等认为上胶筒与套管的接触压力最小,中胶筒和下胶筒的接触压力依次增大,整体分布呈二次曲线形式,结果表明,摩擦因数变化对封隔器胶筒的接触压力有明显影响,为胶筒的优化设计提供了一定依据。在国外,用于分层采油的永久式和可取式封隔器已形成系列化产品。贝克公司和哈里伯顿公司的产品基本代表了国外的水平。其显著特点是耐温高、承压能力强、工作寿命长。如可取式封隔器:耐温150,耐压50MPa,工作寿命3年以上;永久式封隔器:耐温220,耐压70MPa,工作寿命10年以上。1994年美国初步研制出 2in高效可锚定单级膨胀式封隔器 (inflatable anchoring element)与以往的相比具有更高的耐压 、耐温和抗腐蚀性能 。它一般由坐封机构和膨胀胶筒两部分组成,可在不压井或不起出生产管柱的情况下,用连续油管或电缆输送穿过油管下至井底,对生产管柱以下的油层进行永久性或暂时性分层作业以及选择性油层处理,如卡堵水、挤水泥和压力测试等。在Beta油田现场试验中温度大于 150 条件下, 当膨胀率为 21 时, 2in高效可锚定单级膨胀式封隔器可承压 34MPa; 当膨胀率为 31 时, 可承压 14MPa。在Beta油田的现场试验中它的成功率超过 90%。Schlumberger公司的Coilflate过油管膨胀式封隔器适用于高温、高压井,用油管输送入井,是目前唯一膨胀比大于 31的膨胀式封隔器。用 2个单层膨胀式封隔器封隔中间区域,可成功实现靶区的堵水作业,也可在恶劣环境下实现层位封隔。封隔器膨胀部件的最高工作温度为 190 ,适用于恶劣环境,而且在膨胀率很大时也能实现高压密封 (温度为 190 时,若压力大于 34148MPa,则膨胀比为 21,若压力大于 13179MPa, 则膨胀比为 31),此外不需要投球就可以实现膨胀或丢手作业。科威特北部 Sabriyah油田某井日产油 2 094桶,但含水质量分数从 2001年的 10% 增加到 2003年的 36%。由于出水和靶区位于多层产油区以及完井作业时井下工具使用受到限制,所以需要解决复杂区域封隔、生产问题,采用 Coilflate封隔器可以有效解决此问题,同时降低含水质量分数。4.2 发展趋势封隔器作为井下一种主要的分层工具,在油气井的分层开采中具有着重要的作用。传统的封隔器有支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水力压缩式、水力密封式、悬挂式等八种系列和多个种类。其中油田最常用的是扩张式和压缩式两种封隔器。传统封隔器均是依赖外力,操作机械结构进行封隔器坐封。该类型封隔器在下井时,易出现砂卡、提前坐封等现象,风险高,可靠性较差。 自膨胀式封隔器是一种新型的封隔器,该类封隔器可根据地层不同的油气含量、井筒条件、作业要求,胶筒在遇油或遇水自主膨胀来封隔地层。目前,世界上仅有哈里伯顿、贝克休斯、TAM等几个少数公司拥有该项技术。在国外,遇油/水自膨胀式封隔器主要应用在裸眼井内,其主要用途包括以下几个方面:1、代替普通管外封隔器,对裸眼水平井分段封隔,从而进行分层采油; 2、该类封隔器具有较高的耐压特性(70MPa),可以进行水平段的分段压裂; 3、封隔器+机械/液压滑套的综合应用,进行找堵水作业; 4、水平段采用遇油/水封隔器和调流筛管的综合应用,对水平井的后期出砂进行有效治理等; 5、封隔器直接下到水层,对水平段水层进行有效封堵。遇油自膨胀封隔器在国内油田也开始得到了的应用,冀东油田到目前为止,已应用该产品40多井次。该项产品结构简单,坐封可靠,但价格昂贵。中国石油勘探开发研究院装备所在经过2年多的实验室攻关和对120多种配方的橡胶材料性能测试、样机膨胀试验和打压试验的基础上,开发出系列膨胀式封隔器,成为了国内研制遇油/水自膨胀式封隔器成功的首家研究单位,填补了空白。4.3 研究主攻方向遇油遇水自膨胀封隔器与传统封隔器相比,具有以下优点:膨胀率高,膨胀效果好,能够有效封堵环空;施工工艺简单,能够有效降低完井成本;可以用于分段完井、封隔水层、辅助固井、防砂等作业中,用途广泛。所以今后需加强对自膨胀式封隔器的研究并对其进一步进行承压以及耐腐蚀等性能的研究,以便扩大其应用领域。5 研究主要内容、重点研究的关键问题与解决思路 5.1 研究主要内容(1)过油管膨胀式封隔器发展概述(2)过油管膨胀式封隔器工作原理(3)过油管膨胀式封隔器参数计算(4)过油管膨胀式封隔器强化钢片设计计算(5)过油管膨胀式封隔器强化钢片应力分析(6)密封计算(7)装配图与部分零件图设计5.2 重点研究的关键问题 叠层刚片膨胀筒是过油管膨胀式封隔器的重要部件,其密封性是指膨胀筒密封套管的最大工作压差 , 它是该封隔器的关键技术。从零件结构和材质特性等方面分析膨胀筒的密封机理是本次设计的关键问题。5.3 解决思路从以下方面入手: (1)叠层钢片膨胀筒的工作原理(2)叠层钢片膨胀筒的密封结构(3)渐开线钢片的参数设计6 所采用的方法,手段及步骤(1)采用的方法本次设计主要采用的方法是文献研究法,通过查阅和收集有关封隔器原理结构和在油气举升应用方面的论文、专利、期刊和书籍,了解普通封隔器采油装置的原理、结构以及存在的问题,针对问题提出投过油管膨胀式封隔器装置的的设计方案。(2)采用的手段应用封隔器基本方程、最优参数方程、装置性能方程来计算和选择射流泵性能参数,根据现有生产工艺水平确定相关零件的结构尺寸,并根据材料力学的理论进行强度校核。(3),对封隔器的零件进行设计,在设计过程中对零件的尺寸进行校核。通过查阅文献资料按有关标准进行设计,设计过程中充分考虑零件的加工方法和装备尺寸。(4)根据有关公式对易损零件或关键部位进行校核。(5)利用ANSYS等软件对零件进行应力分析。(6)利用AutoCAD等绘图软件完成过油管封隔器装配图和零件图。7 工作的主要阶段,进度与实间安排阶段周次主要内容11查阅有关资料,了解封隔器的结构和特性。22查阅关于封隔器技术的中文和外文论文和专利。334完成开题报告和外文翻译,着手做文献综述,并进行初步结构设计。45根据初步方案画出结构草图568根据任务书中所给数据,结合方案和结构图进行各种设计计算、校核和修改。6911画装配图和各零件的零件图。71215完成毕业设计论文。8 指导教师审查意见X长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名陈聪专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目过油管封隔器设计指导教师周志宏职 称教授评审日期2013年6月10日评审参考内容:毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果,难度及工作量,质量和水平,存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律,学生掌握基础和专业知识的情况,解决实际问题的能力,毕业论文(设计)是否完成规定任务,达到了学士学位论文的水平,是否同意参加答辩。评审意见: 指导教师签名: 评定成绩(百分制):_分(注:此页不够,请转反面) 长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名陈聪专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目过油管封隔器设计评阅教师眭满仓职 称副教授评阅日期2013年6月11日评阅参考内容:毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果,难度及工作量,质量和水平,存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况,解决实际问题的能力,毕业论文(设计)是否完成规定任务,达到了学士学位论文的水平,是否同意参加答辩。评语:评阅教师签名: 评定成绩(百分制):_分(注:此页不够,请转反面)长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名陈聪专业班级装备10901班毕业论文(设计)题目过油管封隔器设计答辩时间 2013 年 6 月 13 日 8:0017:40时答辩地点第1组的填“7教209”第2组的填“7教院会议室”一、答辩小组组成答辩小组组长:眭满仓成 员:张善彪 谢丽芳 钱利勤 黄天成 门朝威二、答辩记录摘要答辩小组提问(分条摘要列举)学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定(百分制):_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制):_答辩小组组长(签名) : 秘书(签名): 2013年 6月13日院(系)答辩委员会主任(签名): 院(系)(盖章) XIV目录毕业论文(设计)任务书开题报告.指导教师审查意见.XI评阅教师评语XII答辩会议记录.XIII中文摘要XIV外文摘要.XV 1 绪论11.1 研究背景11.2 封隔器介绍11.3 国内外封隔器研究现状及发展趋势81.4 关键技术及创新点102 过油管封隔器总体结构设计102.1 总体方案设计102.2 关键部分结构设计123 设计计算143.1 胶筒的设计计算143.2 中心管截面尺寸设计163.3 弹簧的设计计算173.4 叠层钢片的参数设计193.5 密封设计214 强度校核244.1 中心管壁厚的校核计算244.2 校核接箍油管的连接强度255 封隔器的三维实体模型265.1 模型装配过程265.2 产品实体建模266 设计总结30参考文献32致谢34致谢1 绪论1.1 研究背景目前在膨胀式密封元件设计方面的科技已经允许非传统作业技术通过油管进行实施。这些部件改进了的性能,加上新的工具设计,使得能够用连续油管或电缆完成作业已经广泛地运用开来。这些作业包括选择分层化学处理剂、暂时和永久性回堵操作、过渡带封堵、生产和注入流动剖面的修正和地层压裂。完成这些作业不用将油管从井中起出,这样井上就不需要装备。由于这些工具可用连续油管或电缆不压井起下,这样就消除了压井的必要,可引起地层伤害的高相对密度压井液也就不需要了。这些工具设计用液压和在连续油管限度内的工作管柱的张力来进行操作。与常规设备作业技术相比,这种技术的改进已导致了主要成本的节约。目前,这些设备所产生的改进已经明显地改善了这些方法的性能和灵活性。主要的操作公司在他们的作业方案中利用这些方法已经实现了明显的成本节约。这种设备设计为可通过大部分尺寸的油管,并安装在生产套管下部。膨胀部件有这样的特性,它们可以固定在三倍于它们试转直径的套管内。这些工具也可以在比原先的技术允许的温度还要高的情况下,在井中应用。在过油管封隔作业系统中,膨胀式封隔器是其中重要的膨胀部件,过油管膨胀式封隔器与常用的封隔器相比,膨胀程度更大,大约是其运行直径的3倍。而且其结构,坐封、解封方式简单。因而研制出一套与过油管封隔技术适应的封隔器对石油的开采起着极为重要的作用。但在采油井下作业时,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。在本次毕业设计中,进行了过油管封隔器的设计。1.2 封隔器介绍1.2.1 封隔器的概念封隔器就是下入套管中,利用封隔器的密封部分受压缩后膨胀来封隔油层的一种最重要的井下工具。将封隔器连接在油管柱上,这种带有封隔器或者其他的井下工具的油管柱叫做井下工艺管柱。利用封隔器分隔产层;利用工艺管柱上的其它的工具(油、水配产器、喷砂器等井下工具)控制产液(或产层),从而实现对多油层油田的单井分采、分注和分层采取等措施,是保证合理开发油田,使其长期稳产高产,提高采油的效率的重要手段。此外封隔器还用于钻井、试油、卡堵水、热采、修井、保护套管等领域。封隔器的密封作用,使油田中的油井可以正常的生产,以便实现油井中的各种工艺措施的实施。其工作示意图如图1 所示。 图1 封隔器工作示意图1.2.2 封隔器选用依据封隔器选用得当,可以确保甚至提高井下工作效果。因此,必须对井下作业的目的进行分析。一般来说,应当结合油气井现在的和将来的情况,在预计可能要进行其他作业的情况下,选择尽可能达到多项使用目的,而总成本又最低的封隔器类型。下面简要列举了选用封隔器应当考虑的一些因素:(1) 施工工艺要求 施工工艺要求是决定选用何种类型封隔器的首要考虑因素。如进行堵水施工,一般应选用不带反洗通道的堵水封隔器;如进行压裂措施,封隔器一般需要瞄定机构。如需要拖动管柱作业,则要求封隔器可重复坐封。如高压井措施后需要完井生产,则需要选用永久式封隔器。有时,还必须考虑到多种措施作业或后期修井作业的需要。(2) 封隔器的结构性能封隔器的结构性能是决定使用效果和成本的关键因素。通常,对封隔器性能上的基本要求是下得去、封得严、耐得就、起的出。具体来说,包括坐封或解封动作是否简单有效,耐压、耐温、抗腐蚀性能是否可靠,密封有效期是否足够长,以及适合何种作业。在结构设计上,可取式封隔器要求具有可取性,必要时采用动管柱和其他非破坏手段即可解封取出:永久式封隔器要求具有可钻性,其零件系可钻材料加工,在选取此类封隔器时,必须考虑磨铣效率。(3)井下工作状况完井方式、井身结构、固井质量、井深、井径、井下流体性质和种类、井下压力和温度条件对于封隔器的选用都是必须考虑的重要因素。此外,井下流体性质和种类对于封隔器的使用效果和寿命长短有较大影响,如当井中含有硫化氢和二氧化碳时,必须考虑到封隔器材质的选用,以确保封隔器具备足够的抗硫和防腐能力。(4)地面设备和井下工具的配套坐封封隔器时,一般要进行地面操作,例如,提放、旋转管柱或通过油管施加压力。因此,选用封隔器必然涉及井口设备和井下配套工具,以确保安全、可靠地进行作业。1.2.3 封隔器的基本结构封隔器的种类有很多种,如压力式、液压式和水泥式等,但封隔器的基本组成结构大致相同,图 2 所示为压力式封隔器的基本结构。封隔器的基本结构由密封、锚定、扶正、坐封、锁紧和解封六大部分组成,而每个部分又是由很多个零件组成的。并不是封隔器都会包含六大部分,这与封隔器的使用要求有关。以下通过压力式封隔器来认识封隔器的基本结构。 图2 压力式封隔器的基本结构(1)封隔部分封隔部分是在机械力或液压力的作用下发生膨胀来密封油井套管,以防止石油进入封隔器封隔的另一段。封隔部分是整个封隔器的起到密封作用的主要部分,封隔器的作用就是由封隔部分来实现的。封隔部分是由弹性密封元件、隔环和压环等零件构成,如图 2 中的件 35。其中,膨胀机构是封隔器的核心部件。(2)锚定部分锚定部分也叫支撑部分,它的作用是在封隔器受力坐封时,防止封隔器跟随管柱运动,导致封隔器不能坐封。卡瓦是锚定部分主要部分。单卡瓦只能承受向下的力,而整体式卡瓦可以承受双向压差。单卡瓦可以位于胶筒的上部也可以在胶筒的下部,图 2中件 713 即为起锚定作用的部分,起支撑件为单卡瓦。(3)扶正部分扶正部分主要作用是起扶正作用,使封隔器能够顺利前进,尤其是在井本身质量不好的井中。在封隔器坐封时,弹簧给摩擦块一个压力,使摩擦块与套管内壁之间产生摩擦力,来防止扶正部分随中心管运动。扶正器一般由摩擦块、顶帽、弹簧等构成。在图2 中,件 1419 即起扶正作用。(4)坐封部分坐封部分是在封隔器到达指定位置后,是使膨胀体受压缩力膨胀分隔套管的机构。封隔器中的零件几乎都会参加坐封,如图 2 中 120 均参与坐封。坐封部分通常起到两个作用:对带有卡瓦的封隔器,推动楔形体使卡瓦张开,并使卡瓦支撑在套管内壁上并给套管内壁一个作用里;压缩密封元件,使密封元件变形胀大紧贴于套管内壁,起到密封作用。(5)锁紧部分锁紧部分就是在封隔器工作以后,防止封隔器自己起封的机构。(6)解封部分解封部分就是在压力去除以后,使封隔器能够正常起封的机构。1.2.4 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。1.2.5 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3所示。 图3 代号示意图1.2.6 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的规定。表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规定。表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3规定。表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4规定。表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。1.2.7 常用封隔器的工作原理随着现场井况的变化,封隔器也随之逐步改进,形成了多种多样、满足各种条件的封隔器。但其基本原理是相通的。下面介绍压缩式封隔器和扩张式封隔器的工作原理。其中压缩式封隔器见上面图2。压缩式封隔器的工作过程主要包括坐封和解封。封隔器在工作时是通过上提或下放管柱,使扶正体上的销钉在中心管上的轨道槽中运动,以完成封隔器的坐封,销钉轨道槽如图4 所示。坐封:封隔器下入油井时,轨道销钉位于轨道槽中 A 点,顶帽和扶正体相互脱离,楔形体和卡瓦也相互脱离。当管柱向下运动的时候,轨道销钉通过轨道上的 A 点迫使由压环、摩擦块、扶正体、限位压环、压簧组成的扶正体随管柱向下运动。封隔器的其它部分也随之向下运动。当封隔器下入到井内到达正确位置后,将管柱向上提。由于扶正体上的摩擦块与套管内壁之间摩擦力的作用,扶正体保持不动。当管柱上升到一定高度后,轨道销钉到达轨道槽的 B 点,继续上提管柱,由于轨道改变方向,轨道销钉只能沿BC 段方向运动,迫使压环旋转一个角度。然后下放管柱,由于轨道的限制,轨道销钉只能沿着 CDEF 运动到 F 点,同时也迫使压环做相应的转动。管柱继续向下运动时,轨道销钉位于 FG 长槽内,轨道不再迫使销钉以及扶正体运动,扶正体处于静止状态。管柱继续向下运动,顶帽压在扶正体上,于是顶帽顶住挡球套,挡球退出锁定位置,使管柱相对于锁环套向下运动。在上接头的带动下,楔形体向下运动撑开卡瓦,并使之卡在套管内壁上。同时在一定管柱的重量作用下,上接头和调节环一起下行压缩膨胀机构,使膨胀机构发生膨胀变形,以实现密封套管的目的。此时轨道销钉已运动到 G 点。 图4 销钉轨道解封:上提管柱,上接头和调节环一起上行,轨道销钉运动到 H 点,楔形体从支撑卡瓦的位置离开,并使卡瓦可以径向运动,挡球复位,同时挡球套在弹簧的作用下自动复位,锁紧装置恢复锁紧状态。此时,胶筒承受的压力消除,实现解封。扩张式封隔器代表有K344封隔器,其结构图如下图5。 图5 K344封隔器结构示意图工作原理如下所述:从油管内加液压,液压经滤网罩8,下接头9的孔眼和中心管6的水槽作用在胶筒5的内孔,使胶筒5胀大,封隔油套环形空间。放掉油管压力,胶筒即收回解封。1.3 国内外封隔器研究现状及发展趋势封隔器的最早使用是在美国开始使用的,当时的封隔器结构非常简单,能够起到的作用也小。在九十世纪八十年代初,美国研发出了一种单胶筒的封隔器,它是用楔形体进入到胶筒内部,使胶筒变形膨胀,来密封套管。在二十世纪三十年代初,国际上开始重视封隔器的研究工作,在二十世纪三十年代中期,苏联研制出了一种尾管式封隔器,但是这种封隔器能够下入的深度不大,并且它能承受的压差也比较小。在三十年代末,美国和苏联为了能够更加合理的开发油田,提高油田的产量,避免各个油层之间压力相互干扰,以确保每个油层都能够有效的生产,开始了分层开采的研究实验,由于封隔器是最适合于分层开采的工具,于是封隔器便进入了高速发展期。1942 年,封隔器第一次使用在了双层完井的开采中。随着石油的不断开发,石油的储备量越来越少,能够轻易开发的油田也越来越少,所以,石油开采所面临的自然环境也越来越恶劣,以及越来越复杂的石油开采情况,封隔器也在迅速发展。现在封隔器朝着结构更加简单、性能更高、用途更广的发展。国外的研究人员研发出一种可拆卸式封隔器,来代替传统中的可取式的封隔器,使封隔器更加容易起封,爪哇西海油田研发出了一种水泥式的永久封隔器,它所需要的设备非常简单,只使用了泵辅助设备和测井电缆,是封隔器的费用降低了 60%以上,大大的降低了封隔器的使用成本。目前,我国对封隔器的主要研究内容和方向是在新产品的开发、封隔器的性能及受力分析上和封隔器室内实验及模拟实验等几个方面。封隔器是否能够满足工作要求,是否能够起到封闭套管达到分层开采的目的,主要取决与密封部分是否满足使用要求,所以密封部分是封隔器的核心部分。研究人员也将研究重点放在封隔器的密封部分上,但是由于胶筒的主要材料是橡胶,而橡胶是非线性材料,并且是在橡胶受压缩发生大的变形量的情况下才能起到密封的作用,所以它的理论研究工作比较困难。现在我国主要在研究封隔器的工作性能分析和室内模拟实验,密封橡胶新材料的开发和卡瓦的受力分析也进行了大量研究。另外,现在在封隔器的研究开发过程中,不断的应用现代设计中的一些技术手段,比如一些三维建模技术和数值模拟技术得到了广泛的应用,既节省了设计成本,又极大的缩短了设计周期,对封隔器的发展起到了极大的促进作用。目前国内外也有学者研究小直径封隔器,他们都是针对套管微量变形,通过研制胶筒新型材料或改进胶筒的几何形状来增加膨胀量达到密封目的,而对大膨胀量的橡胶与金属相结合的复合结构的研究尚为少见。1.4 关键技术及创新点1.4.1 关键技术软件ANSYS可以在计算机中进行各种类型的数值模拟,利用软件可以建立三维实体模型和力学模型,并对模型进行力学分析,大大节约了成本及时间,同时利用有有限元分析方法,对复杂的重要结构进行综合性的力学分析,并对其结构优化提供参数依据。1.4.2 创新之处采用叠层钢片膨胀筒作为过油管封隔器的最主要部分,对其密封机理进行分析,设计膨胀胶筒的结构,对渐开线钢片的参数进行设计。2 过油管封隔器总体结构设计我国目前封隔器的使用都是根据国家标准来选择的,根据套管内径来选择相匹配的封隔器。如套管内径为 124mm 选择外径为 120mm 的封隔器,封隔器的膨胀胶筒单边膨胀 2mm 就可以将套管封隔。但由于井下工况复杂,传统封隔器膨胀率较小,需多次坐封才能保证封隔器达到封隔要求,费人力物力,而过油管膨胀式封隔器具有较大的膨胀率,可膨胀至三倍,可减少操作时间,且封隔效果好。本次设计通过对封隔器机构改进设计,使封隔器满足油田的使用需求。2.1 总体方案设计提供的封隔器技术参数如下:(1) 封隔器的结构形式:扩张式封隔器(2) 油管内径尺寸:2in(3) 套管内径尺寸:5in(4) 封隔器未膨胀时外径:70mm(5) 封隔器膨胀时外径:200mm(6) 密封段长度:1.5m设计完成后整体结构如图6所示。 图6 过油管膨胀式封隔器的整体结构图1- 接箍; 2-中心管; 3-挡圈; 4密封箍; 5-丝堵; 6-密封圈;7-胶筒总成;8-阀头总成; 9-短节2.1.1 结构组成密封胶筒总成:密封胶筒总成由密封箍,内外胶筒,叠层钢片,密封箍等组成。采用在内外胶筒之间加入钢片叠层结构,使封隔器具有更大的膨胀空间,而且叠层钢片结构能够起到锚定作用。内锁紧机构及坐封、解封机构:内锁紧机构及坐封、解封机构主要由中心管,钢片叠层,支撑环,控制阀等组成。2.1.2 工作原理(1)坐封 过油管封隔器的中心管与控制阀连接,中心管上有膨胀液注入孔,使膨胀液进入内胶筒,控制阀上的单流阀关闭膨胀液保证封隔器膨胀后仍处于坐封状态。控制阀结构如下图7图7 控制阀(2)解封 放掉油管压力,胶筒即收回解封。2.2 关键部分结构设计叠层钢片膨胀筒是过油管膨胀式封隔器的重要部件,所以对叠层钢片膨胀胶筒的结构设计尤为重要。2.2.1 叠层钢片膨胀筒的工作原理图8示出叠层钢片膨胀筒结构,其工作原理是::从中心管打压,内胶筒进液膨胀,撑开叠层钢片和外胶筒,紧压在套管内壁上,阻断膨胀筒前后的液体通道,从而起到封隔套管的作用。钢片的裸露部分用于锚定套管,硫化在钢片上的外胶筒用于密封套管。 图8 叠层钢片膨胀筒的结构1- 中心管; 2-叠层钢片; 3-外胶筒; 4-内胶筒2.2.2 叠层钢片膨胀筒的密封结构叠层钢片膨胀筒的密封结构如图9所示。从外胶筒的横截面来看,由内到外是内胶筒、叠层钢片和外胶筒,共同承担密封套管的任务。所以叠层钢片膨胀筒的密封包括 4个方面:套管与外胶筒的密封;外胶筒与钢片的密封;钢片之间的密封;钢片与内胶筒的密封。套管与外胶筒的密封属于常规密封,这里只分析后 3种密封,这是叠层钢片膨胀筒的密封难点。图9 膨胀筒的密封结构(1)外胶筒与钢片的密封 钢片层叠排列后,在叠层钢片的内外表面形成锯齿形纵向沟槽(见图9),如果该沟槽不能被内外胶筒的橡胶所充填,就构成液体漏失道,不能实现膨胀筒的密封。所以将外胶筒直接硫化在叠层钢片上,叠层钢片的外表面沟槽就被橡胶所充填。膨胀筒坐封时,外胶筒和钢片在内胶筒的作用下均匀展开,叠层钢片的外表面沟槽会稍有增大,因为外胶筒有一定的塑性,在叠层钢片对外胶筒的粘结作用和挤压作用下,沟槽内的橡胶跟随钢片变形,仍能充填外表面沟槽,从而实现外胶筒与钢片的密封。(2)钢片与内胶筒的密封 由于结构和制造工艺的限制,内胶筒难以像外胶筒那样直接硫化在叠层钢片上,而是先压制成型,然后穿入叠层钢片的内孔中。叠层钢片的内表面沟槽靠内胶筒来密封。最初设计的内胶筒外表面是光的,坐封时内胶筒在钢片的作用下很难压变形去充填钢片的内表面沟槽,因此密封能力只有 4.5 MPa。如果将内胶筒的外圆加工出周向纹理,形成环形密封齿。由于内胶筒具有很好的塑性,坐封时,这些密封齿在叠层钢片的挤压下变形,可以充填叠层钢片的内表面沟槽,密封能力提高到 15 MPa。钢片与内胶筒的密封与内胶筒的材质也有很大关系,塑性越大,密封性越好,但过分加大内胶筒的塑性,内胶筒的强度将得不到满足。我们在满足强度要求的前提下优化内胶筒的塑性,密封能力由15 MPa提高到 22 MPa。所以钢片与内胶筒的密封要通过优化内胶筒的结构和橡胶性能来实现。(3)钢片与钢片之间的密封 再来观察图9,即使钢片与内、外胶筒的密封都解决了,如果钢片与钢片的贴合面有缝隙,仍不能完全密封。这就要求所有钢片零间隙贴合。要满足钢片零间隙贴合,钢片的内外型面是决定因素。下面在保证钢片零间隙贴合的前提下推导钢片内外型面的截面曲线。钢片的内外型面原来是按圆弧加工的,事实上不可能是圆弧。如果钢片的内外型面是圆弧,对于壁厚均匀的钢片,外型面圆弧半径一定大于内型面圆弧半径,不管 2个钢片怎么贴合,不等半径的内钢片外弧面与外钢片内弧面是不可能重合的,如图10所示。所以钢片的内外型面不可能是圆弧。图10 2个圆弧钢片的贴合情形因为钢片两两之间是零间隙贴合的,所以钢片与钢片贴合面的截面曲线就是钢片内、外型面的截面曲线。因为钢片的壁厚均匀,所以任意一个钢片内外型面的法向距离处处相等,即任意一个钢片与相邻两钢片的贴合面法向距离处处相等。我们知道,渐开线齿轮同侧齿面的法向距离处处相等,这是渐开线的主要特性。作同一基圆的圆周均布的n条渐开线,使渐开线的法向距离等于钢片厚度,即证明了钢片零间隙贴合的可能性,也给出了钢片内外型面的截面曲线。沿圆周均布的所有曲线,只有渐开线唯一满足法向距离处处相等。所以钢片内外型面的截面曲线只能是渐开线。3 设计计算3.1 胶筒的设计计算橡胶材料要求有很好的耐油和耐热性,且可以承受较高的压缩力,受轴向压缩力后能够弹性变形而不会破裂。常用作密封作用的橡胶材料如下:3.1.1 材料选择(1)丁腈橡胶丁腈橡胶它的耐高温性能比较好,可以在高温下工作;可以在油中正常工作,并且它的弹性较大,容易变形;而且价格也比较便宜。丁腈橡胶在没有加入加强填充剂的情况下,它的抗张强度为 34.5MPa,而在加入加强填充剂后,它的抗张强度可以达到 2530MPa。丁腈橡胶的耐热性也比较好,丁腈橡胶制品在 120的温度下可以长时间的使用,如果是在油中工作的话,其工作温度可以达到 150。上海某橡胶制品研究所研制出了一种新型的型胶筒,但是如果长时间在 150的温度下工作的话,橡胶中的不饱和双键会发生断裂而导致橡胶的失。(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5。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5 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)756563(3)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6。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6 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(%)2.5217.5183.1.2 选择结果在综合对比之下,由于选氢化丁腈胶耐油和耐热性较好,且可以承受较高张力,因此选择氢化丁腈胶。3.2 中心管截面尺寸设计3.2.1 中心管材料的选择根据机械设计手册上册第一分册P497,选择中心管的材料为35CrMo,并可知该材料的屈服强度为539.2MPa。3.2.2 安全系数的选择根据机械设计教科书P366,对用于材料均匀,载荷与应力计算精确时S=1.31.5,由于封隔器的工作条件较恶劣,因此选择S=1.5。3.2.3 中心管的内外径选择根据油田井下作业必备技术数据实用手册,已知刚体最大通径为70mm,则取中心管最小通径为34mm,即中心管内径为17mm,取外径为22mm。3.3 弹簧的设计计算3.3.1 材料选择弹簧是一种弹性元件,它可以在载荷作用下产生较大的变形。为了使弹簧能够可靠的工作,弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限,同时应具有足够的韧性和塑性,以及良好的可热处理性。表7 弹簧常用材料及许用应力(摘自GB1239-76)名称组别许用切应力许用弯曲应力切变模量GMPa弹性模量EMPa推荐硬度HRC推荐使用温度特性及用途弹簧类别弹簧类别类类类类类碳素弹簧钢丝组组组0.3B0.4B0.5B0.5B0.65B814007850020300201000-40+120强度高、韧性好,适用于做小弹簧特殊用途碳素弹簧钢丝甲组、乙组、丙组硅锰合金弹簧钢丝47162878578598178500196004550-40+200弹性好,回火稳定好,易脱碳,用于制造大载荷弹簧根据表7选择碳素弹簧钢,这种弹簧钢的优点是价格便宜,原材料来源方便;缺点是弹性极限低,多次重复变形后易失去弹性,且不能高于120的温度下正常工作。3.3.2 弹簧的尺寸计算由于选择的材料为碳素弹簧钢,根据上表可知 MPa (1)N/mm (2)N (3) (4) (5) mm (6)取d=2mm1.06mm.表8 弹簧的结构参数参数名称及代号计算公式结果中径D2D2=cd=52=1010内径D1D1=D2-d=10-2=88外径DD=D2+d=10+2=1212旋绕比cc=D2/d=10/2=55自由高度H0H0=nd=302=6060螺旋角取43.4 叠层钢片的参数设计3.4.1 钢片的材料据文献介绍,根据 300 (150) 时钢片的最大延伸率和在酸、HS 环境下钢片的抗裂强度来确定钢片的材质。钢片端头焊接在端部接头内,钢片材料应时效硬化恢复焊接热影响区的强度(淬火、退火的材料因易变形而不采用)。表9推荐了三种材料的特性对比,选铬镍铁合金 718 的钢片进行时效硬化以完善断裂韧性和抗H 2S 断裂应力(根据美国全国防蚀工程师协会的 0175 的机械性能切削指数规定R 40)。铬镍铁合金718C 环测试,加载达到其最大屈服强度130 Ksi(890MPa),处于28%HCl+缓蚀剂+150psi(1MPa)HS 和 400(250)环境下6小时,没有发生断裂,在 28%HCl+ 缓蚀剂+ 150 psi(1MPa)CO环境下也没有发生断裂。该材料四点弯臂测试,加载至最大屈服强度,处于 20%NaCl+ 150% 醋酸+ 150 psi(1M Pa)HS+ 150 psi(1MPa)CO和 200环境下 30 天,材料没有断裂。表9 150下推荐的三种钢片材料的物理性能由上述表格,选择材料为铬镍铁合金718.3.4.2 渐开线钢片设计方法渐开线的形状由基圆唯一确定,所以确定渐开线钢片的参数主要是确定基圆的直径。如图11所示,设 2渐开线的起点分别为A和B,过内侧渐开线的起点A作基圆的切线,交外侧渐开线于点C,则AC是2条渐开线的公法线 ,所以AC等于钢片的厚度h。由于AC是外侧渐开线从B点渐开到C点,弧段的展开长度,所以线段AC的长度等于BA的弧长,即 h =d/n。所以,基圆直径按式(1)精确计算 d =hn/ (7)图11 渐开线基圆直径计算趋向渐开线的起点,渐开线的曲率半径趋近于零,无论多软的钢片都不可能实现零曲率半径的弯曲。另外,渐开线钢片的截取越靠近基圆,钢片就越陡。钢片过于陡立,既有割破内胶筒的风险,也不利于钢片膨胀弯曲,所以实际钢片是截取远离基圆的一段渐开线。反之,基圆直径的选取应是小于钢片内径 d的某个值。如图12所示,d、d分别为叠层钢片的内径和外径。d由封隔器的结构决定,d- d决定叠层钢片的整体强度。图12 渐开线钢片的几何形状渐开线钢片的展开宽度由d、d和钢片的倾斜程度确定。d相对于d越小,钢片的倾斜程度越大,钢片的展开宽度就越大。若d相对于d过小,钢片展开宽度就过大,也不利于钢片膨胀弯曲。从钢片的弹塑性有限元分析可知,根据端部处钢片的塑性变形为 5% 来决定钢片的宽度。所以d相对于d不能太小。确定了d也就确定了 hn。对于确定的 hn值,如果增加厚度 h,钢片的个数 n就要减少,钢片个数过少,影响钢片对套管的锚定力,而厚度过大,钢片内外表面形成的沟槽就过大,钢片与内外胶筒的密封就困难。若过分减小钢片厚度,则影响钢片的强度。所以在保证钢片强度、锚定力和胶筒塑变能力的前提下,优化钢片的厚度 h和个数 n。设计时先根据封隔器的结构和钢片的材料特性优化基圆直径d,然后按照 hn =d计算 hn,进而优化钢片的厚度 h和个数 n,圆整 h和 n,反过来根据式(1)精确计算基圆的直径d,绘制渐开线,并根据d和d,确定钢片的展开宽度。渐开线根据参数方程(2)和(3)绘制。 = dcos(90t)/2 + tdsin(90t)/4 (8) y = dsin(90t)/2 - tdcos(90t)/4 (9)因封隔器最大外径为70mm,中心管外径44mm,据文献31介绍,取钢片数量为80片,厚h=1.0mm,宽20mm。经封隔器整体试验,测出钢片叠层对套管壁的摩擦系数便可设计出外胶筒两边裸露钢片叠层的长度,以获得一定的摩擦力锚定封隔器。用多种润滑剂模拟井下各种流体和沉积物,包括中、低密度的润滑油、蜡脂。除了在蜡脂中,钢片叠层对套管壁的摩擦系数为= 0.015,在其它条件下= 0.10;在所有上述介质中橡胶对套管壁的摩擦系数 0.01。根据试验结果,大多数井况下取 0.07,安全系数为 1.4,那么外胶筒两端每端裸露钢片叠层最小长度为:L = (10)式中D为胶筒外径,单位in。所以 Lmm因为过油管封隔器是靠钢片叠层来进行锚定,所以为保证封隔器的锚定能力,因胶筒长1.5m,则取外胶筒每端钢片长L=1.2m,即钢片总成为3.9m。3.5 密封设计液体从液缸高压腔泄漏到低压腔或泄漏到缸体外面去,将会造成工作机构运动不稳定和定位不准确,容积效率低,严重时使系统压力上不去,甚至整个系统无法工作。外泄还会造成工作环境污染、浪费油料等一系列弊病。因此密封装置的质量直接影响液压系统的性能,不能忽视。对密封装置的一般要求是,密封性好,摩擦力要小且稳定,寿命长,装卸方便等。当用于高压液缸时,对密封性的要求更高一些。当用于低速运动的液缸时,则要求摩擦力更加稳定,这样运动平稳,不产生爬行。机械设备密封性能的好坏,是衡量设备质量的重要指标之一。因为漏油、漏水、漏气会使机械工作不稳定、效率下降、污染环境、影响产品质量,有时还会造成设备和人身事故。为防止油、水、气等流体介质的漏油,在液压和气动机械等设备中,经常要使用各种密封元件。以前这些具有重要作用的密封元件主要是用皮、革、麻、石棉等纤维质的材料,所以不能完全防止泄漏。此外,这种密封元件还存在安装沟槽较复杂,需要较大的安装空间等缺点。随着合成橡胶的发展,出现了耐油、耐热、耐磨等具有各种特点的合成橡胶密封材料。目前,用合成橡胶材料制成的O型密封圈之所以能够得到广泛的应用,一方面固然与合成橡胶的发展有关,另一方面还和O型密封圈的形状和安装沟槽结构简单,且密封性能的好坏有关。但在使用O型密封圈时必须根据机器的工作条件,选择适当的材料,进行正确的设计采取有效的维护措施,否则,不仅不能保证机器在运转时不产生泄漏,而且还会发生由于O型密封圈在运转过程中的损坏所造成意想不到的故障。O型密封圈一般用耐油橡胶制成,其截面是O形。它又分固定用O形圈和运动用O形圈两种,其尺寸大小使不一样的。预压缩量是保证初始密封所必需,当压力升高后,O形圈被压向沟槽一侧,受压力油的作用变形,在外径方向进一步扩大,更加贴紧在配合表面上,从而起到密封作用。O形圈的特点是:密封压力范围广,静密封可达2000105Pa。动密封低速时密封性很好,高速时有少量渗漏。结构简单而且一个密封圈可起到双向密封的作用,在这些密封圈中算它的安装空间最小,最适合与小尺寸的低压油缸配用。运动摩擦阻力最小,但启动摩擦阻力比运动摩擦阻力大34倍,这对高压缸影响不大,但对低压缸就可能产生动作迟钝、爬行、振动等。为此,一般用减少预压缩量,选用低硬度橡胶和摩擦系数小的聚四氟乙烯滑环等措施来减小起动摩擦阻力。总之,O形密封圈是一种被广泛应用的密封装置。O型密封圈与其它密封圈相比之下取有以下优点:(1)密封部位结构简单,而且重量较轻; (2)容易安装; (3)密封性能好,用于静密封时几乎没有泄漏; (4)尺寸和沟槽易被标准化,易于使用和外购。 其不足之处是: (1)启动时摩擦阻力大; (2)用于气动装置的密封时需要加润滑油,否则易磨损。 O型密封圈的材料应按不同的要求进行选择,适当地选择合成橡胶的种类和匹配,可使 O型密封圈在-60200的范围内使用,一般用于气动、液压等机械中的封材料有丁腈橡胶 、氯丁腈橡胶、苯乙烯橡胶、硅橡胶和氟橡胶。在这里我们选用氟橡胶。氟橡胶的特性:A种氟橡胶是六氟丙烯和偏氟乙烯的共聚物(CF2-CH2-CFF3-CF2-)n氟橡胶不仅适用于高温矿物油,而且在二脂润滑油、硅润滑油、硅油、卤族碳氢化合物、磷酸系液压油、酸等介质中也能很好地使用,但它耐酮和耐氨性较差。O型密封圈及其沟槽尺寸按GB3452.9-82和GB3452.3-88选用。选用的O型密封圈尺寸如下: 控制阀处密封圈分别为2.51.8、72、102 图13 密封圈4 强度校核4.1 中心管壁厚的校核计算封隔器内中心管材料选用35CrMo钢,其许用应力为=539.2MPa,设计壁厚t5mm。如图14所示,中心管在力的作用下处于空间应力状态,有:图14 内中心管空间应力状态图15 应力分布图 (11)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: (12)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15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: (13) (14)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: (15) (16)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d34mm,外径D44mm,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: 故中心管安全。4.2 校核接箍油管的连接强度接箍和油管的连接强度公式参考石油天然气工业-套管、油管、钻杆和管线管性能计算(46)式: P = Y0.7854(D-d) (17)其中:Y材料规定最小屈服强度,Y=78184psi; D接箍外径,D=2.23in; d接箍内径,d=1.96in。经计算可得:P=69468.284psi=479.09MPa封隔器的承压能力远小于接箍和油管的连接强度P,因此强度足够,满足工况要求。5 封隔器的三维实体模型三维实体建模是现代设计中最为关键的技术。三维建模的优点是不需要加工出实物模型,有效的优化产品的生产,大大缩短了产品的设计周期,降低了设计成本和能源消耗。本设计就是利用计算机建模技术,使用 Pro/E 软件强大的三维建模功能和设计分析功能,对封隔器的各个零件进行分别的建模。各个零件的三维模型建立好以后,可以方便的导入有限元分析软件进行力学分析,在产品的加工之前就可以评价产品的性能。本课题选择了 Pro/E 这种比较常用的三维建模的软件软件,它具有草图和零件设计模块,部件装配和总体装配模块。它具有统一的数据库,改变零件后,装配中的零件也随之改变。5.1 模型装配过程每一套机械都是有很多个的零件组成,将各个零件组装成机械的整个过程就称为装配。在将零件组装成机械的过程中,将机械的组成单元分为以下几种:(1)零件:零件是在装配中的最基本的单元,不能够再进行分解。一切建模的开始都是从最基本的单元零件开始建起。(2)组件:组件是由若干个零件组合而成。但它不能单独的发生作用,必须和其它的零部件结合在一起,共同作用才能发挥作用。(3)部件:部件是由若干个组件和零件组成的。部件可以不需要和其它的零件结合独立的发挥它的作用,这样的组件称为部件。在装配的过程中,就是零件和零件相互组合成组件,然后由零件和组件或组件和组件相互组成部件,最后组装成整个机械的过程,其过程就是不断的反复组装反复完善的过程。5.2 产品实体建模封隔器的装配及其复杂,整个封隔器有几十多个零件,模型建立过程中,对整个封隔器的各个零件分别进行建模,然后组装成部件,最后组合成整个封隔器,为了能够直观的看到封隔器内部的结构,将个别的零件设置为透明显示。在复合结构膨胀体的建模过程中,将钢片和其他部件的三维实体模型分别建立出来。进入到组件模块,先给定内部钢片一个固定位置,让其坐标系与整个复合结构膨胀体的装配图中的坐标系重合,这就使内部钢片的位置完全定义。然后根据钢片与胶筒的装配关系定义一个钢片的位置,对钢片进行圆周阵列,装配所有的钢片。然后定义另外一个片的位置,最后通过建立实体建出橡胶,整个复合结构膨胀体装配完毕。整个复合结构膨胀体的产品模型装配图如图 16 所示。 图 16 Pro/E 的装配流程图先画封隔器的各部分零件的三维实体模型用Pro/E建立起来,然后根据它们之间的装配关系将各个零件装配起来。零件图与总体三维装配图如下:图17 挡环的三维零件图图18 接箍的三维零件图图19 密封箍的三维零件图图20 胶筒接头的三维零件图 图21 过油管封隔器总装图6 设计总结在此次毕业设计中,主要是对过油管膨胀式封隔器进行了结构设计及原理分析。该型封隔器是一种新型扩张式封隔器,主要由坐封装置、密封装置、锁紧装置组成。采用了钢片叠层密封结构,简化了封隔器结构,并使封隔器具有3:1的膨胀率,提高了封隔器的工作效果。在设计的过程中出现了很多问题,大多数是自己粗心造成。通过这次毕业设计,我明白了细心在学习工作中的重要性,给我即将到来的工作之路提出了很多宝贵的意见,让我受益匪浅。在此衷心感谢学校给我的这次设计机会,同时感谢周志宏老师,在为期三个月的毕业设计中,周老师的不辞辛劳、悉心指导给了我莫大的帮助。周老师在百忙中抽出时间为我答疑,并为我查找相关的资料及为毕业论文和图纸做审核和校对工作,仅在此向他表示由衷的感谢。在设计中,也得到同学的积极帮忙,也向他们表示感谢。最后向论文中引用到学术论文、科研成果和科技书籍的作者表示感谢。参考文献1 吕瑞典油气开采井下作业及工具M北京:石油工业出版社,20082 索美娟,方志刚.小直径膨胀式封隔器在吐哈油田的应用J.西部探矿工程.2007,19(7):345347.3 江汉石.封隔器理论基础与应用M.北京:石油工业出版社,1983,3235.4 于同印,曹来庆等.封隔器失效原因J. 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