油气田用井下封隔器简明设计流程

油气田用井下封隔器简明设计流程

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1.前言

油气田用井下封隔器是石油天然气开采过程中使用的井下工具，属于上部完井工具中的一类。其主要作用是封隔油层、气层和水层，或是在井下施工作业中暂时封堵油、套环空。一般需要包含坐封系统、解封系统、承载系统、承压系统和下入安全系统等，我们的设计也会从这五大系统入手。

大致可分为自封式、压缩式、楔入式、扩张式和组合式，目前使用最多的是压缩式封隔器。其主要性能指标为额定压力等级、额定耐温等级、坐封方式、解封方式及使用环境等。

井下封隔器的设计不同于一般的机械机构设计，其跨越机械、石油开采等多个领域，包含机械原理、材料防腐、液压设计、橡胶件设计等多个学科，对于刚刚进入社会或多年从事井下工具现场服务人员来说，掌握起来难度还是较大，希望能通过本文能对大家有一定的帮助。

2.确定设计方向

1.首先根据客户的要求确定该井下封隔器使用环境，是常规环境、H2S环境还是CO2、H2S环境，这样可以大致确认封隔器主体材料的选择并进行成本核算；

2.其次是确定封隔器的结构形式，采用何种坐封方式，是否需要解封，是否需要承载系统等；

3.然后确定有无可以参照的设计，市面上是否有类似产品，比较分析该产品是否能够满足客户要求，有没有更好的改进方式，比如可靠性、经济性等方面；

4.最后需要明确最终验收标准。

3.坐封系统

封隔器的坐封一般分为液压坐封、机械坐封和下工具坐封这三种坐封方式，

对于自封式封隔器不在考察范围内。坐封系统的设计参数为坐封载荷的大小。

1.液压坐封

液压坐封是封隔器与油管连接，在封隔器下端连接暂堵球座或堵塞器一起下入设计井深，油管环空憋压，促使封隔器活塞运动挤、压胶筒，使其与套管或井筒内壁贴合，从而实现油、套环空的分隔。该坐封系统一般需要包含运动的活塞、液缸、防止液缸回移的棘齿环以及防止活塞提前移动的启动结构（一般为剪切销、或剪切螺钉）。

在设计时需要对活塞推力、棘齿环逆向承载及启动销钉进行计算。活塞设计需要综合考虑坐封载荷对胶筒于套管壁接触应力的影响和地面压力设备功率的要求，即用最小的坐封载荷实现封隔器的承压要求，如果因为结构限制坐封压力不够的情况，可以考虑采用多级活塞组合加载的方法。棘齿环的设计需要确保沿活塞移动方向，活塞能顺利移动；封隔器承压时，沿活塞移动反方向，活塞能纹丝不动。启动销钉的设计需要根据不同的井况进行调整，一般情况可以考虑为1500psi（10Mpa）。

2.机械坐封

采用机械坐封的封隔器一般也是与油管串连接直接下入设计井深，通过旋转管串，使封隔器摩擦体与套管/井筒内壁的摩擦力作用使承载卡瓦移动，嵌入套管内壁，然后下方管串至合适载荷，进而压缩胶筒实现密封。该坐封系统一般包含摩擦体、换向体、锚定装置和锁紧装置。

在设计时需要考虑摩擦块在摩擦体上的周向分部，校核各摩擦擦块的最小、最大径向尺寸，一般情况下摩擦块应能完全收入封隔器的最大径向尺寸内，并内提供足够的摩擦力使管柱在旋转的时候能让卡瓦轴向移动。换向体的主要是为了使封隔器的下入、起出与坐封在不同状态，既能使封隔器顺利达到设计位置，又能顺利坐封和取出。需要特别提醒的是，导向销的强度一定要保证足够的设计强度。这里的锚定装置常规是分瓣式卡瓦，卡瓦承载次为单方向齿或无方向，应具有足够的强度和韧性，建议设计相关导向结构，已保证封隔器坐封和解封的可靠性。对于不需要取出封隔器或暂时不需要取出的封隔器可采用与前述相同的棘齿环设计，已保证坐封力有效。如果后续需要取出封隔器，可以发挥你们丰富的想象力或者查阅相关资料，也能够实现。

3.下工具坐封

下工具坐封指的是下入液压坐封工具（贝克J20）、机械坐封工具及电缆坐

封工具（贝克E4），实现封隔器的坐封。下工具坐封的封隔器结构设计相对液压坐封，特别是对机械坐封的封隔器来讲就特别简单，只是需要设计一套与坐封工具相连接的适配器。无论采用哪种坐封工具，都只是提供一个轴向的相对运动，所以只需要设计一个可以与适配芯轴连接的螺纹和与适配器腿痛连接的螺纹孔即可。下工具坐封封隔器的设计需要考虑坐封完成后封隔器与坐封工具的分离问题，目前行业内主要采用释放环、释放栓、释放螺钉等。需要提醒的是无论采取哪种丢手结构都需要保证丢手力大于封隔器的坐封载荷，且小于坐封工具提供的最大推力，否则封隔器可能坐封不牢或坐封工具不能丢手。

4.解封系统

目前行业内常用的解封方式有上提解封、旋转-上提解封、下工具解封及化学解封等。上提解封系统一般适用于液压坐封机械解封的封隔器，通常采用释放环或释放螺钉进行控制，旋转-上提解封一般用于机械坐封-机械解封封隔器，下工具解封系统一般是指下入专用的切割工具或磨铣工具，对封隔器相应零件进行破坏，然后上提解封或进行打捞。解封方式一般客户不会直接要求，但通常封隔器的类型能就决定解封方式，当然设计人员可以提出新的解决方案，以实现目的为前提。

解封系统的主要技术是解封力的大小、是否需要多次坐封等，如果是磨铣解封需要特别考虑封隔器材料的选择，在满足使用要求的前提下提高磨铣速度。5.承载系统

承载系统一般是指将封隔器永久或暂时固定在套管内壁，保证封隔器承压系统的有效工作，或承受一部份油管住压力。常规的承载系统包括卡瓦、椎体、卡瓦座及水力锚及其他可以嵌入套管内壁或使封隔器保持相对位置不变的结构。其主要技术参数承载强度，设计方向为在保证承载强度情况下尽可能减少对套管壁的伤害。这里我们主要对卡瓦的结构设计进行介绍，顺带对水力锚的结构进行一定的说明。

1.整体式卡瓦

目前行业内通用的卡瓦一般有两种，整体式卡瓦和永久式。整体式卡瓦通常用于永久式生产封隔器或桥塞上，需要对卡瓦的齿形、齿数、承载斜面角度以及卡瓦的初始破裂载荷和完全破裂载荷进行合理设计，并进行充分计算（由封隔器的使用工况比较复杂，在设计时可以考虑简化力学模型进行设计，通过后期工厂