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 95 100 105
1 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[σ]=600MPa ，设计壁厚t ＝5mm 。

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：
()()
()()
⎪⎪
⎭
⎪
⎪⎬⎫--+--=-----=2222202
20222222202
2022r a b a b P P a b P b P a r a b a b P P a b P b P a i i i i r θσσ 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P 0＝0，得到应力计算公式：
⎪⎪⎭⎪
⎪⎬⎫
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=1122
222222
2
2
r b
a b a P r b a b a P i i r θσσ 上式表明，σr 恒为压应力，而σθ恒为拉应力，沿筒壁厚度，σr 和σθ的变化情况如图1.2所示：
在筒壁的侧面处，r ＝a ，两者同时达到极值，因为两者同为主应力，故可记为：σθ＝σ1，σr ＝σ3。

根据最大剪应力理论，塑性条件和强度条件分别为：
s σσσ=-31
[]σσσ≤-31
式中σs 为材料的屈服极限，以σr 和σθ代替σ3和σ1，并令r ＝a ，则化为：
s i a b b P σ=-222
02
[]σ≤-2
22
02a
b b P i 式中 0i P 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d ＝40mm ，外径D ＝50mm ，P i ＝19MPa ，即a ＝20mm ，b ＝25mm ，在中心管内壁上σθ及σr 同为最大值，于是计算出第三强度理论的相当
图1.1 内中心管空间应力状态
图1.2 应力分布图
应力为：
()
()(
)
56.10510201025102519222
3
232
32223
=⨯-⨯⨯⨯⨯=-=---a b b P i r σ MPa
即： []σσ<3r 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3～4.5MPa ，而加补强填充剂后抗张强度增大到25～30MPa 。

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150～260℃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（℃）
24 150 260
抗张强度（MPa）17.2 3.5 2.1
伸长率（%）330 120 80
硬度（邵尔A）75 65 63
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）16 27 11.6 26.7
伸长率（%）300 280 175 210
硬度（邵尔A）78 78 90 86
永久变形（%） 2.5 21 7.5 18
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
图2.18 封隔器胶筒受力分析
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：
)(212
2R R p F F t m -∆=+π
式中 F m −胶筒与套管间的摩擦力,N; F t −胶筒的抗剪切力，N ； Δp −胶筒承受的工作压差，Pa ； R 2−套管内半径，m ；
R 1−胶筒座外半径，m 。

由上式整理得，
()
212
2R R F F p t
m -+=
∆π 由此可见，若胶筒与套管壁间的摩擦力F m 增大，胶筒的抗剪切力F t 提高，胶筒做外半径R 1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。

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2.19a 长胶筒
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
4）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。