封隔器設(shè)計計算

1.4.4油田用封隔器的通用技術(shù)條件1〕名詞及術(shù)語〔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?！?〕坐封——按給定的方法和載荷，使封隔件始終處于工作狀態(tài)?！?〕解封——按給定的方法和載荷，解除隔件的工作狀態(tài)?！?〕穩(wěn)壓——在不補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)?！?〕坐封載荷——封隔器坐封時，所需的外加載荷。〔6〕解封載荷——封隔器解封時，所需的外加載荷?！?〕換向疲勞——封隔器坐封后，改變工作壓差方向的次數(shù)。2〕封隔器的根本參數(shù)〔1〕工作壓力工作壓力數(shù)值應從以下給出的系列中選取。單位/MPa。壓力0.71.01.52.02.53.55.07.010.0〔2〕工作溫度工作溫度數(shù)值應從以下給出的系列中選取。單位/℃溫度55708090120150180300370〔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9095100105115120135140144148152165185〔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3840465055627685951001051強度校核1.1內(nèi)中心管壁厚的校核計算內(nèi)中心管材料選用20CrMo鋼，其許用應力為[σ]=600MPa，設(shè)計壁厚t＝5mm。如圖1.1所示，內(nèi)中心管在力的作用下處于空間應力狀態(tài)，有：圖1圖1.1內(nèi)中心管空間應力狀態(tài)圖1.2應力分布圖由于此內(nèi)中心管只受到內(nèi)壓而無外壓，這時在上述公式中，令P0＝0，得到應力計算公式：上式說明，σr恒為壓應力，而σθ恒為拉應力，沿筒壁厚度，σr和σθ的變化情況如圖1.2所示：在筒壁的側(cè)面處，r＝a，兩者同時到達極值，因為兩者同為主應力，故可記為：σθ＝σ1，σr＝σ3。根據(jù)最大剪應力理論，塑性條件和強度條件分別為：式中σs為材料的屈服極限，以σr和σθ代替σ3和σ1，并令r＝a，那么化為：式中是筒壁內(nèi)側(cè)面處開始出現(xiàn)塑形變形時的內(nèi)壓力。此內(nèi)中心管內(nèi)徑d＝40mm，外徑D＝50mm，Pi＝19MPa，即a＝20mm，b＝25mm，在中心管內(nèi)壁上σθ及σr同為最大值，于是計算出第三強度理論的相當應力為：MPa即：故內(nèi)中心管平安。2.3設(shè)計計算2.3.1膠筒的設(shè)計計算2.3.1.1膠筒的材料及性能壓縮式膠筒〔以下簡稱膠筒〕是壓縮式封隔器的心臟，當封隔器膠筒承擔軸向載荷時，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。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摘用“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)，限制裝置和保護件等，用以阻止和限制封隔器坐封時膠筒朝油套環(huán)形空間“突出〞或“流動〞，從而提高和保持接觸壓力，以獲得良好的密封性?！?〕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摘用無硫硫化體系，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要闡述。1〕丁腈橡膠壓縮式封隔器膠筒摘用丁腈橡膠較好。這是因為丁腈橡膠不僅具有較高的耐溫性能、良好的耐油性、較高的抗張強度和較好的彈性，而且易于成型和價格低廉。未加補償填充劑丁腈橡膠的抗張強度為3～4.5MPa，而加補強填充劑后抗張強度增大到25～30MPa。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℃。上海橡膠制品研究所新進研制的701型橡膠，在150℃下根本上能耐壓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，使鏈狀結(jié)構(gòu)受到破壞而導致膠筒失效。2〕氟橡膠氟橡膠具有良好的耐溫、耐熱和抗老化性能，但強力性能和硬度均溫度的升高而明顯降低，其中抗張強度的變化特點是：在150℃以下，抗張強度隨溫度的升高而迅速降低；在150～260℃之間，那么隨溫度的升高而下降較慢。見表2.1。顯然，對于耐溫要求小于或等于150℃的膠筒，氟橡膠并不適宜，其可塑性差，難以加工成型，且價格比丁腈橡膠貴。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抗張強度〔MPa〕17.23.52.1伸長率〔%〕33012080硬度〔邵爾A〕7565633〕氫化丁腈橡膠氫化丁腈橡膠是國外80年代中期開發(fā)并投入批量生產(chǎn)的一種新型橡膠，具有以下性能特點：耐熱性能好。由于對熱敏銳的雙鍵局部被消除，因而耐熱性能明顯提高，加之保存了氰側(cè)基〔—CN〕，仍具有丁腈橡膠的耐油性能；強伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氫化丁腈橡膠的抗張強度達30MPa以上，有特別要求的，可達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比照氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠的性能比照見表2.2。從耐溫性及抗張強度考慮，氫化丁腈橡膠有著廣闊的開展前景，但存在永久性變形大和價格較貴等問題。表2.2丁腈橡膠與氫化丁腈橡膠性能比照性能中膠筒端膠筒丁腈氫化丁腈丁腈氫化丁腈抗張強度〔MPa〕162711.626.7伸長率〔%〕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)，對于耐和氣耐壓不高，或工作溫度較高而工作時間較短的膠筒，可優(yōu)先選用丁腈橡膠。對于耐和氣耐壓要求較高的膠筒，那么優(yōu)先選用氫化丁腈橡膠。圖2.18封隔器膠筒受力分析〔2〕膠筒的耐壓性能對不加“防突〞結(jié)構(gòu)的封隔器膠筒進行受力分析，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?膠筒的抗剪切力，N；Δp?膠筒承擔的工作壓差，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，假設(shè)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，那么膠筒抗壓能力增強，反之那么反。2.3.1.2膠筒的計算1〕膠筒的選擇選擇壓縮式膠筒即壓縮膠筒長度,從而使直徑變大,以到達封隔油、套筒環(huán)形空間的目的。圖2.19a長膠筒選擇圖2.19a長膠筒圖圖2.19b短膠筒兩個長膠筒之間，長膠筒的結(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膠筒用的501號和短膠筒用的29號兩種配方，詳見表2.3。表2.3膠料配方配方編號501號29號丁腈-40膠80100液體丁腈-40膠20—硬脂酸22氧化鋅55硫磺0.2—DCP21.5噴霧炭黑1608