封隔器設(shè)計(jì)計(jì)算

1、1.4.4 油田用封隔器的通用技術(shù)條件 1）名詞及術(shù)語(yǔ) （1）封隔件直接起封隔井內(nèi)工作管柱與井壁環(huán)形空間作用的封隔器部件。 （2）坐封按給定的方法和載荷，使封隔件始終處于工作狀態(tài)。 （3）解封按給定的方法和載荷，解除隔件的工作狀態(tài)。 （4）穩(wěn)壓在不補(bǔ)充壓力和不改變工作條件的情況下，將已建立起的流體壓力，保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。 （5）坐封載荷封隔器坐封時(shí)，所需的外加載荷。 （6）解封載荷封隔器解封時(shí)，所需的外加載荷。 （7）換向疲勞封隔器坐封后，改變工作壓差方向的次數(shù)。 2）封隔器的基本參數(shù) （1）工作壓力 工作壓力數(shù)值應(yīng)從以下給出的系列中選取。單位/MPa。 壓力 0.7 1.0 1.5 2.0

2、 2.5 3.5 5.0 7.0 10.0 （2）工作溫度 工作溫度數(shù)值應(yīng)從以下給出的系列中選取。單位/ 溫度 55 70 80 90 120 150 180 300 370 （3）剛體最大外徑 剛體最大外徑數(shù)值優(yōu)先從以下給出的系列中選取。單位/mm 最大外徑 90 95 100 105 115 120 135 140 144 148 152 165 185 （4）剛體內(nèi)通徑 剛體內(nèi)通徑數(shù)值優(yōu)先從以下給出的系列中選取。單位/mm 剛體內(nèi)通徑 38 40 46 50 55 62 76 85 95 100 1051 強(qiáng)度校核1.1 內(nèi)中心管壁厚的校核計(jì)算內(nèi)中心管材料選用20CrMo鋼，其許用應(yīng)力為

3、=600MPa，設(shè)計(jì)壁厚t5mm。如圖1.1所示，內(nèi)中心管在力的作用下處于空間應(yīng)力狀態(tài)，有：圖1.1 內(nèi)中心管空間應(yīng)力狀態(tài)圖1.2 應(yīng)力分布圖由于此內(nèi)中心管只受到內(nèi)壓而無(wú)外壓，這時(shí)在上述公式中，令P00，得到應(yīng)力計(jì)算公式：上式表明，r恒為壓應(yīng)力，而恒為拉應(yīng)力，沿筒壁厚度，r和的變化情況如圖1.2所示：在筒壁的側(cè)面處，ra，兩者同時(shí)達(dá)到極值，因?yàn)閮烧咄瑸橹鲬?yīng)力，故可記為：1，r3。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，塑性條件和強(qiáng)度條件分別為：式中s為材料的屈服極限，以r和代替3和1，并令ra，則化為：式中 是筒壁內(nèi)側(cè)面處開(kāi)始出現(xiàn)塑形變形時(shí)的內(nèi)壓力。此內(nèi)中心管內(nèi)徑d40mm，外徑D50mm，Pi19MPa，即a2

4、0mm，b25mm，在中心管內(nèi)壁上及r同為最大值，于是計(jì)算出第三強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力為： MPa即： 故內(nèi)中心管安全。2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1 膠筒的設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1.1 膠筒的材料及性能壓縮式膠筒（以下簡(jiǎn)稱膠筒）是壓縮式封隔器的心臟，當(dāng)封隔器膠筒承受軸向載荷時(shí)，封隔器膠筒將產(chǎn)生較大變形，使膠筒與套管之間產(chǎn)生接觸壓力，借此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，保護(hù)套管。膠筒的耐溫、耐壓能力是衡量封隔器好壞的技術(shù)指標(biāo)。膠筒的耐溫性能與材質(zhì)密切相關(guān)。膠筒耐壓能力與是否采用“防突”裝置及該裝置結(jié)構(gòu)是否合理關(guān)系甚大。所謂“防突”，就是在膠筒端部安放某種阻擋環(huán)、支撐環(huán)，限制裝置和保護(hù)件等，用以阻止和限制封隔器坐封時(shí)膠筒

5、朝油套環(huán)形空間“突出”或“流動(dòng)”，從而提高和保持接觸壓力，以獲得良好的密封性。（1） 膠筒的耐溫性能膠筒的工作溫度主要受膠料及硫化體系的影響。目前橡膠硫化體一般采用無(wú)硫硫化體系，有利于提高其耐溫性能。下面就不同膠料的膠筒耐溫性能作簡(jiǎn)要闡述。1） 丁腈橡膠壓縮式封隔器膠筒采用丁腈橡膠較好。這是因?yàn)槎‰嫦鹉z不僅具有較高的耐溫性能、良好的耐油性、較高的抗張強(qiáng)度和較好的彈性，而且易于成型和價(jià)格低廉。未加補(bǔ)償填充劑丁腈橡膠的抗張強(qiáng)度為34.5MPa，而加補(bǔ)強(qiáng)填充劑后抗張強(qiáng)度增大到2530MPa。與天然橡膠和丁苯橡膠相比，丁腈橡膠耐熱性較好，其制品一般能在120下連續(xù)使用，在熱油中也能耐溫150。上海橡膠

6、制品研究所新進(jìn)研制的701型橡膠，在150下基本上能耐壓35MPa，最終因受結(jié)構(gòu)的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開(kāi)，使鏈狀結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致膠筒失效。2） 氟橡膠氟橡膠具有良好的耐溫、耐熱和抗老化性能，但強(qiáng)力性能和硬度均溫度的升高而明顯降低，其中抗張強(qiáng)度的變化特點(diǎn)是：在150以下，抗張強(qiáng)度隨溫度的升高而迅速降低；在150260之間，則隨溫度的升高而下降較慢。見(jiàn)表2.1。顯然，對(duì)于耐溫要求小于或等于150的膠筒，氟橡膠并不合適，其可塑性差，難以加工成型，且價(jià)格比丁腈橡膠貴。有人曾用氟橡膠制作膠筒，未獲成功。表2.1 氟橡膠在不同溫度下的性能變化性能溫度（）24150260抗張強(qiáng)度（MPa）

7、17.23.52.1伸長(zhǎng)率（%）33012080硬度（邵爾A）7565633） 氫化丁腈橡膠氫化丁腈橡膠是國(guó)外80年代中期開(kāi)發(fā)并投入批量生產(chǎn)的一種新型橡膠，具有以下性能特點(diǎn)：耐熱性能好。由于對(duì)熱敏感的雙鍵部分被消除，因而耐熱性能明顯提高，加之保留了氰側(cè)基（CN），仍具有丁腈橡膠的耐油性能；強(qiáng)伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氫化丁腈橡膠的抗張強(qiáng)度達(dá)30MPa以上，有特別要求的，可達(dá)60MPa；耐寒性優(yōu)于丁腈橡膠，而其加工性與丁腈橡膠相似。4） 氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠性能對(duì)比氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠的性能對(duì)比見(jiàn)表2.2。從耐溫性及抗張強(qiáng)度考慮，氫化丁腈橡膠有著廣闊的發(fā)展前景，但存在永久性變形大和價(jià)格

8、較貴等問(wèn)題。表2.2 丁腈橡膠與氫化丁腈橡膠性能對(duì)比性能中膠筒端膠筒丁腈氫化丁腈丁腈氫化丁腈抗張強(qiáng)度（MPa）162711.626.7伸長(zhǎng)率（%）300280175210硬度（邵爾A）78789086永久變形（%）2.5217.518圖2.18 封隔器膠筒受力分析綜上所述，封隔器膠筒的耐溫性能與材質(zhì)密切相關(guān)，對(duì)于耐溫和耐壓不高，或工作溫度較高而工作時(shí)間較短的膠筒，可優(yōu)先選用丁腈橡膠。對(duì)于耐溫和耐壓要求較高的膠筒，則優(yōu)先選用氫化丁腈橡膠。（2） 膠筒的耐壓性能對(duì)不加“防突”結(jié)構(gòu)的封隔器膠筒進(jìn)行受力分析，如圖2.18所示。在工作狀態(tài)下，膠筒受力平衡方程為：式中 Fm膠筒與套管間的摩擦力,N; Ft

9、膠筒的抗剪切力，N； p膠筒承受的工作壓差，Pa； R2套管內(nèi)半徑，m；R1膠筒座外半徑，m。由上式整理得， 由此可見(jiàn)，若膠筒與套管壁間的摩擦力Fm增大，膠筒的抗剪切力Ft提高，膠筒做外半徑R1增大，則膠筒抗壓能力增強(qiáng)，反之則反。2.3.1.2 膠筒的計(jì)算1）膠筒的選擇選擇壓縮式膠筒即壓縮膠筒長(zhǎng)度,從而使直徑變大,以達(dá)到封隔油、套筒環(huán)形空間的目的。圖2.19a 長(zhǎng)膠筒選擇YS-150-36-50型膠筒，這種膠筒可用于中深井和深井的各種井下采油工藝措施。這種膠筒結(jié)構(gòu)為三單元膠筒，有兩個(gè)長(zhǎng)膠筒和一個(gè)短膠筒組成。短膠筒位于圖2.19b 短膠筒兩個(gè)長(zhǎng)膠筒之間，長(zhǎng)膠筒的結(jié)構(gòu)如圖2.19a所示；短膠筒的結(jié)構(gòu)如圖2.19b所示。2） 膠筒的技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù) 工作壓力： 50公斤/平方厘米工作溫度： 120攝氏度使用套管內(nèi)徑: 154.79-159.41毫米3） 膠筒配方及物理性質(zhì)YS-150-36-50型膠筒的膠料配方有長(zhǎng)膠筒用的501號(hào)和短膠筒用的29號(hào)兩種配方，詳見(jiàn)表2.3。表2.3 膠料配方配方編號(hào)501 號(hào)29 號(hào)丁腈-40膠80100液體丁腈-40膠20硬脂酸22氧化鋅55硫磺0.2DCP21.5噴霧炭黑16080鄰