y211-114封隔器设计与分析1.doc
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中国石油大学(华东)本科毕业设计
Y211-114封隔器设计与分析
摘要
本文所设计分析的封隔器是一种目前被广泛应用于油气生产的井下工具,其基本功能就是将井下环空进行密封或者将目的层段进行隔离。
封隔器上有胶筒、卡瓦等许多重要构件,它们的结构和性能十分重要,关乎到最终的生产和安全。
随着油气井深度的增加和地层复杂程度的加大,封隔器成为关注的重点。
本文首先讲述了封隔器的基本情况,包括发展状况、型号组成、功能原理等,然后对Y211-114封隔器重要零部件进行了结构和尺寸方面的设计和分析,在材料选择方面,本文对多种材料进行了详细的对比,随后对关键部分做了强度校核。
最后,得出结论,完成对Y211-114封隔器的设计与分析。
关键词:
封隔器;设计;分析
ThedesignandanalysisofPackerofY211-114form
Abstract
Packerdesignedandanalyzedofthispaperisawidelyusedintheproductionofoilandgasdownholetool,itsbasicfunctionistosealtheannulusdownholeorisolatethetargetlayer.Therearecones,slips,andmanyotherimportantmembers,theirstructureandperformanceisveryimportant,inrelationtothefinalproductionandsafety.Withtheincreaseofthedepthofoilandgaswellsandcomplexityoftheformations,thepackersbecomethefocusofattention.
Atfirst,thispaperdescribesthebasicsituationofthepacker,includingdevelopment,modelcomposition,functionalprinciples,etc.,thendesignsandanalyzesthestructureandsizeoftheimportantpartsoftheY211-114packer,asformaterialselection,thisarticlecarriesoutadetailedcomparisonofavarietyofmaterials,subsequentlymadeakeypartofthestrengthcheck.Finally,drawtheconclusionandcompletedesignandanalysisoftheY211-114packer.
Keywords:
Packer;Design;Analysis
目录
第1章绪论 1
1.1题目意义 1
1.2国内外发展现状 1
1.2.1封隔器的发展 1
1.2.2封隔器的组成 3
1.2.3封隔器的类型 5
1.3封隔器的应用 8
1.4工作原理 9
1.5设计内容 9
1.5.1毕业设计说明书要求 9
1.5.2计算机绘图部分要求 10
1.5.3技术参数 10
第2章封隔器结构设计 11
2.1密封元件结构设计 11
2.1.1胶筒的结构分析 11
2.1.2胶筒的耐压分析 14
2.1.3胶筒的尺寸设计 15
2.2.4组合式密封元件 16
2.2卡瓦的结构设计 17
2.3坐封的行程计算 19
2.4剪钉的设计计算 19
第3章封隔器材料的选择 21
3.1密封元件材料的选择 21
3.1.1密封元件材料的演变 21
3.2.2密封元件的常用材料 23
3.2常用钢材 26
3.3防腐材料 28
3.3.1表面防腐处理 28
3.3.2防腐材料 28
3.4材料的确定 30
第4章强度校核 32
4.1内中心管壁厚的校核计算 32
4.2剪钉的校核 33
第5章结论 34
致谢 35
参考文献 36
第1章绪论
第1章绪论
1.1题目意义
封隔器是用来将井下环空进行密封或者将目的层段进行隔离,以控制流体注入或者采出,并且能够承受压力差的一种井下工具[1]。
在油气田开采过程中占有十分重要的地位,油气井的正常生产以及各种井下钻采工艺的顺利进行,都需要封隔器提供有效的机械手段,其应用范围十分广泛,包括最初的钻井、测试、试油,到后来的生产、注入,以及增产作业。
近年来,随着油气田开采的不断升入,受地层复杂程度升高的影响,分层作业变得越来越普遍,这就对封隔器提出了更高的使用要求。
封隔器可靠性的高低以及各种性能的好坏对油气井的开采成功率和生产安全会产生直接影响,因此向来受到石油行业人士的重视。
1.2国内外发展现状
1.2.1封隔器的发展
封隔器是一种问世非常早的的井下采油工具,它的产生和演变,见证了石油工业的起源和发展。
根据资料记载,美国人最先发明并使用了封隔器,当时取得名字十分有趣,叫做“种子袋”,也就是世界上最早的封隔器,有一批叫做J.拉夫纳兄弟(Ruffners)的油田经营者,对封隔器进行了最早的应用。
早在1861年,油管柱是由木质的表层导管下入,那时的油管柱上就安装了这种叫做“种子袋”的封隔器。
起初的套管尺寸比较大,到1865年,小尺寸套管第一次被采用,而这时所使用的封隔器依然是这种(哪种哇,私心觉得可以稍微带一下“这种……的封隔器”)。
封隔器出现的初期,其结构要比现在简单得多,用途也十分单一,并且性能低下。
十九世纪六十年代末,美国人布赖森( Bryson)发明了一种封隔器,叫做裸眼封隔器。
到八十年代初,美国人斯图尔特(Stewart)又发明了一种封隔器,这种封隔器结构稍微复杂一些,开有油、套压连通孔,并且它的胶筒可以在椎体构件的楔入下完成膨胀过程。
封隔器在苏联的应用也比较早,在二十世纪三十年代初,一种叫做正反扣螺栓式封隔器的新型封隔器首先在阿塞拜疆油田被采用。
到1936年,尾管式封隔器在阿塞拜疆研制成功,这种封隔器结构已经比较完善了,但是有效下入深度依然比较浅,只有300-650米,而且最大有效工作压差只有2.5MPa。
由于部分油田是多油层非均质油田,在开发过程中不同层次间会相互干扰不能有效生产,所以在二十世纪三十年代末,美国人以及苏联人接连开始了相关的研究,主要是分层开采技术试验和其他一些分层工艺试验,例如分层注水,分层增产等。
这些技术的发展自然而然的带动了各种封隔器的研制,以此来适应分层开采工艺技术的要求。
美国贝克公司也较早涉足封隔器领域,在1942年,它的封隔器第一次被应用于双层完井作业。
1951年,出现了双管封隔器,这种封隔器可以用于多管完井作业。
近几十年以来,油气田的开发技术发展十分迅速,深井、超深井以及热采井在国内外大量出现。
以往的封隔器已然不能满足新的开发需要和生产要求,新型耐高压、耐高温封隔器的开发应用已成趋势。
永久封隔器的研制使得高温井、深井以及大斜度井能够有效开发,较最初封隔器2.5MPa的工作压差相比,它可以在高达137MPa的压力环境下正常工作,而且工作温度可以达到316℃。
而供热采专用的热采封隔器的可适应温度更高,达到360℃[2]。
金属密封封隔器的出现提高了通径尺寸,提高了密封效果[3,4]。
这种封隔器的关键就在于密封件,密封件的性能优劣直接影响工作过程可靠性和安全性的高低。
这种封隔器采用多种密封件,其中一种由易熔合金加工而成,在受热条件下,容易被熔化,熔化的金属液可以将套管与封隔器“焊接”,从而使环形空间密封。
不久之后,又出现了一种金属密封封隔器,这种封隔器密封原理与前一种不同,其密封件不是易熔合金,而是超弹性合金。
当入井管柱被锚定在预定位置后,封隔器上椎体部件在管柱的应力负荷作用下向超弹性密封件施压,使得密封件横向受力发生膨胀,这样就可将油套环空密封。
此外,国外公司依照胶筒在井下遇到水或者油能够自主进行地层封隔的要求,开发了自膨胀封隔技术,进而研制了自膨胀封隔器,以适应在不同井筒条件和油气含量条件下的作业要求[5]。
最初,该项技术功能单一,只用于完井作业,后来经过发展,又应用于防砂作业和封隔水层等。
该项技术应用广泛,问世之后,在中东地区油田和欧洲北海油田被大量使用,目前成功约1200次。
典型的就是在北海油田一口油层复杂的油井中,该系统被同时下入12个,成功将各个油层进行了隔离。
在国内,自膨胀系统也开始被各个油田应用,比如塔里木油田、胜利油田,还有冀东油田等。
近年来,人工智能技术日趋成熟,其在石油工业上的应用使得许多石油装备得到发展,其中就有智能井用封隔器[6]。
这种封隔器是一种直通隔离封隔器,也称作贯通式封隔器。
(感觉少主语)用于进行传输和控制的供电电缆以及直通系统能够从封隔器内穿过,将地下阀件和其水力控制系统连接。
使用这种封隔器可以避免光缆在泵送时受到伤害,这样就可以提高光缆光学性能,从而减少故障的发生,提高工作效率。
目前油气的开采不断向深部地层方面发展,高温高压,甚至酸性腐蚀等复杂的工作环境,使得封隔器需要具备更高的要求。
因此封隔器的研制开发更受重视,高性能、强适应性的封隔器成为新的发展方向。
1.2.2封隔器的组成
目前使用的封隔器种类千差万别,但是结构组成基本一致,主要由密封、锚定、坐封、锁紧、反洗、解封、扶正和防坐机构八大机构组成,而其中每一机构又包含许多零件。
图1-1Y211封隔器结构示意图
(1)密封机构
密封机构是封隔器的关键,是密封环形空间以阻止流体通过的机构,通常在外力作用下发生动作。
该机构主要由密封元件、防突部件、钢腕和隔环组成,其中密封元件是核心部件,也就是我们所说的胶筒,防突部件的作用是防止密封元件突出。
压缩距和后坐距是密封元件的两个主要参数。
压缩式封隔器在坐封过程中,密封元件会被轴向压缩,压缩的长度叫做压缩距;泄压后,密封元件发生回弹,回弹的长度叫做后坐距。
这两个数据直接取决于密封元件的材料和尺寸,当然也会受到锁紧机构的影响。
(2)扶正机构
图1-2扶正块
扶正机构的作用就是将密封元件扶正,以使密封元件能够正常工作,同时也起到出卡的作用。
其组成为弹簧、弹簧座和扶正弹簧罩,其功能的实现靠扶正块。
扶正块和套管壁之间能产生较大的摩擦,这样在坐封过程中,能防止封隔器歪斜,顺利进入正常状态。
扶正机构在斜井中使用尤为重要,由于坐封困难,基本上要使用单独的扶正器。
(3)锚定机构
图1-3单卡瓦双锥体结构示意图
封隔器在工作时需要固定以防止轴向移动,这一功能由锚定机构实现。
该机构有卡瓦和锚爪组成,二者均安装于封隔器外表面。
最初封隔器承压低、深度浅不携带卡瓦,随着油井深度增加和工作环境更加恶劣,卡瓦开始被使用。
最初的卡瓦是由美国人发明的。
目前卡瓦有单向卡瓦和双向卡瓦之分,有的封隔器只安装一个单向卡瓦,称作单向卡瓦封隔器,有的封隔器上下安装两个单向卡瓦或者安装一个双向卡瓦,称作双向卡瓦封隔器。
在高压和深井环境中,通常使用正、反多级卡瓦,以加强锚定作用。
图1-4锚瓦结构示意图
锚爪也称作水力锚,可以在封隔器上单独使用,但通常与卡瓦配合使用,尤其是在高压等复杂井下环境中。
(4)坐封机构
封隔器入井后,进入密封状
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