張 瑾，李 風，郭志永，冷傳基，葉凱旋

（1.中國石化勝利油田技術檢測中心，山東東營 257000；2.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島 266580）

1 概述

封隔器的關鍵元件是具有密封能力的膠筒，膠筒的高溫力學性能是影響其密封能力的主要因素。膠筒通常由高分子橡膠制成，隨著環(huán)境溫度的升高，橡膠材料的力學性能受到影響，導致其密封失效。在高溫下，膠筒密封性的失效將直接導致開發(fā)作業(yè)的失敗，最終影響油田的高效安全生產(chǎn)。因此，研制一套封隔器高溫性能實驗裝置，檢測封隔器的井下高溫密封性能，杜絕不合格封隔器下井顯得尤為必要。

本文設計的封隔器膠筒高溫密封性能實驗裝置主要由實驗筒、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、液壓動力源、水壓系統(tǒng)五個部分組成。其中，實驗筒是用于實現(xiàn)膠筒座封、密封的密閉圓形柱體。實驗筒帶芯軸，用于模擬井下工具中心管。加熱系統(tǒng)是該裝置的重要構成，主要用于提供實驗所需的環(huán)境狀況，具有能耗低、熱效率高的特點。溫控系統(tǒng)用于實驗過程中溫度的控制，具有良好的穩(wěn)定性、準確度及靈敏性，能保證在實驗過程中（不小于16h）溫度偏差不超過設計值的±5%。液壓動力源主要用于壓縮膠筒的動作實現(xiàn)，能提供100kN 以上的壓縮力。水壓系統(tǒng)主要用于實驗過程中的壓力實現(xiàn)，具有穩(wěn)定度高的特點，同時設置有節(jié)流閥，用于實驗壓力的保持。該測試系統(tǒng)經(jīng)濟安全、操作簡單、易于維護，具有一定的實際工程應用價值。

2 結構組成

2.1 實驗井筒設計

實驗井筒主要模擬封隔器現(xiàn)場使用狀態(tài)，可實現(xiàn)加熱、耐壓等功能，是裝置構成中最重要的部分。由于膠筒具有兩種不同的座封方式，因此實驗井筒需要兩種型式。本文對每種型式均單獨進行了設計。

擴張式膠筒設計通過試壓泵打額定壓力后坐封，如圖1a所示。該型號井筒需內(nèi)置帶水眼的心軸，用于模擬封隔器中心管。同時，為便于膠筒的安裝，心軸采取組合方式。心軸上部帶針型閥，當升壓至規(guī)定壓力時，可關閉手動針型閥，來實現(xiàn)內(nèi)壓穩(wěn)定在額定工作壓力。井筒各連接處采用快裝接頭，便于實驗過程中的流程變更。為觀察樣品實驗效果，該井筒上、下部均設置出水口，如果膠筒密封不嚴將有水漏出。井壁采用雙層夾心設計，夾層中空，內(nèi)置導熱油，用于溫度的傳遞。井壁外側纏繞電阻帶，用于實驗過程中的加熱。該井筒下部設置溫控傳感器孔，將傳感器置于夾層處，用于測量實驗溫度。為提高熱效率，防止熱量損失，電阻帶外用石棉進行包裹。

壓縮式膠筒設計通過液壓缸施加一定載荷進行坐封，如圖1b 所示。壓縮式膠筒的內(nèi)置心軸無注水眼。其心軸下部設計有擋板，用于推動心軸上行。該井筒上部設計有限位環(huán)，當心軸上行過程中，上部限位環(huán)阻擋膠筒上行，從而產(chǎn)生座封用的壓縮力。實驗時，由下接頭加油壓，活塞上行推動整個工裝上行，膠筒被墊環(huán)阻擋無法上行，因此可以實現(xiàn)膠筒漲封在套管內(nèi)壁，完成坐封。井筒上部設手動鎖緊帽，座封后，鎖緊上部鎖緊環(huán)，可以實現(xiàn)泄去油泵油壓后裝置還能保持初始壓力。井筒為雙層夾心設計，內(nèi)置導熱油，外壁纏繞電阻帶，并用石棉進行包裹，防止熱量損失。連接部位采用快裝接頭，同時，由于心軸擋板的限制，僅在井筒下部設測溫孔及出水口，用于觀測實驗過程及溫度補償。實驗時需將樣品取出倒裝從而達到雙向?qū)嶒灥哪康摹?/p>

圖1 擴張式膠筒（a）與壓縮式膠筒（b）

2.2 加熱裝置設計

目前，封隔器的常用加熱方式主要包括外部循環(huán)加熱、電熱元件直接加熱和空氣加熱。外部循環(huán)加熱主要以導熱油循環(huán)加熱為主。該技術成熟可靠，應用范圍廣，但檢測成本高，能耗高，加熱速度慢，占用面積大，需單獨的加熱器不停地對整筒導熱油進行加熱，同時，在管線輸送過程中存在熱量損失，且長時間使用，存在著接頭泄漏，污染環(huán)境的問題。電熱元件直接加熱通常包括電阻加熱和電磁加熱兩種方式。此方式不需要導熱介質(zhì)，此方式井筒外壁需纏繞相應的電阻帶或電磁加熱線圈，通過對井筒的直接加熱，以滿足工作需要，具有加熱速度快，易于維護，不存在環(huán)境污染的問題。但是由于電阻纏繞不均勻或線圈購置不合理等問題，容易產(chǎn)生加熱不均勻的現(xiàn)象，同時電熱元件損壞率較高，且裸露于空氣中，熱損耗大，能耗高?？諝饧訜崤c油浸加熱方式類似，只是將導熱油換成熱空氣。相對油加熱方式，空氣加熱具有能耗低、環(huán)保的特點。然而，該方式由于加熱介質(zhì)為空氣，預熱體積變化大，存在一定的安全隱患。

分析以上各加熱方式的優(yōu)缺點，考慮到成本、占地面積和操作方便等原因，本裝置將電阻帶加熱和導熱油加熱相結合，實現(xiàn)加熱溫度的精準控制。

2.3 溫控設計

采用電阻和導熱油的加熱方式設計，只要能控制電加熱帶的溫度即可實現(xiàn)整套裝置的溫度控制。由于該裝置其余動作功能均單獨進行實現(xiàn)，因此，溫度控制系統(tǒng)的選擇主要考慮簡單、可靠、耐用三個方面。數(shù)顯調(diào)節(jié)儀溫度值用高亮度的數(shù)碼管顯示，清晰明亮；精度高，可達0.5%等級的精度；沒有動圈和指針，因此具有較強的抗震性；無視差可遠距離觀察；具有可控硅調(diào)節(jié)。因此，最終采用價格較低、操控方便的數(shù)顯調(diào)節(jié)儀來實現(xiàn)整個裝置的加熱、恒溫的操作。

2.4 液壓加載設計

液壓加載系統(tǒng)主要用于壓縮膠筒的坐封需求。因為擴張式封隔器膠筒是采用內(nèi)部打壓實現(xiàn)坐封，而壓縮式封隔器膠筒需要液壓進行加載坐封。載荷一般在80kN-100kN 即可滿足實驗要求。因此，配備一套液壓源主要是用于給壓縮式封隔器膠筒施加坐封載荷。經(jīng)過多方比較，最終選擇東營華能氣動液壓有限公司生產(chǎn)的液壓泵，油壓最大為40MPa。通過操作手柄進行加載、穩(wěn)壓、卸載等功能。在加載過程中通過調(diào)節(jié)手輪實現(xiàn)穩(wěn)壓。

2.5 水壓系統(tǒng)設計

水壓系統(tǒng)主要有個功能，一方面用于擴張式膠筒的坐封需求，另一方面用于坐封后膠筒的環(huán)空密封壓力實驗。對裝置的選擇主要考慮壓力范圍、設備穩(wěn)定性、可靠性等。該檢測系統(tǒng)最終確定選用上海恒舟機械設備有限公司生產(chǎn)的電動試壓泵。

2.6 整體結構

出于操作便利的考慮，應合理設計整個裝置的高度。擴張式封隔器通常裝配1個膠筒，壓縮式通常裝配3個膠筒。通過對膠筒高度進行了測量，擴張式封隔件高450mm，加上兩端工裝總長為700mm。因此設計擴張式筒高為800mm。壓縮式封隔件高80mm×80mm×70mm，中間墊環(huán)為12mm×2mm，總長為254mm，加上壓縮距離為100mm。因此，最終確定井筒高度為400mm，液壓油缸為600mm（包括底座）?？蛇M行1個擴張式膠筒和3個壓縮式膠筒的檢測，滿足實際需求，且裝置高度較低，便于人員操作。

該測試系統(tǒng)包括一個水壓泵（0～60MPa），一個油泵（0～30t），兩套實驗工裝（工裝已加滿導熱硅油和纏好的電熱帶），一套加熱和溫控裝置，如圖2所示。

圖2 測試裝置總圖

3 檢測效果驗證

3.1 實驗要求

壓縮式膠筒實驗前必須在室溫（18～28 ℃）下停放4h 以上。密封性能實驗時，膠筒座封后，在膠筒的上、下兩端依次加壓至規(guī)定的工作壓差，每次穩(wěn)壓5min，不串、不漏為密封，然后解封并更換介質(zhì)，升溫至規(guī)定的實驗溫度（工作溫度在100 ℃以下者，實驗溫度比工作溫度高20 ℃；工作溫度在100℃以上者，工作溫度即為實驗溫度）后，再恒溫30min，以規(guī)定的坐封力使膠筒再次座封。疲勞性能實驗時，從套管一端加工作壓差，穩(wěn)壓4h 后，放掉套管壓力至零，再從另一端加工作壓差，仍穩(wěn)壓4h，如此兩端各承壓一次，即為一次疲勞，需進行2次疲勞。

擴張式膠筒實驗前也要在室溫（18-28 ℃）下停放4h 以上。擴張性能實驗時，以小排量由中心孔管加壓，當膠筒外徑擴張至規(guī)定外徑時，記錄其擴張壓力。耐壓性能實驗時，將套管短節(jié)端正地套在封隔器上，由中心管內(nèi)加工作壓差，穩(wěn)壓3min，放壓，取下套管，測量膠筒肩部的最大突出長度。疲勞性能實驗時，膠筒經(jīng)擴張和耐壓后，端正地套上套管短節(jié)每次從套管一端加工作壓差，穩(wěn)壓4h 后，放掉套管壓力至零，再從另一端加工作壓差，仍穩(wěn)壓4h，如此兩端各承壓一次，即為一次疲勞，需進行2次疲勞。

3.2 實驗過程及結果

（1）將膠筒試樣在室溫（18 ℃-28 ℃）下停放4h；

（2）安裝實驗膠筒，將膠筒放置于實驗筒內(nèi)；

（3）坐封完成后，連接加熱裝置，進行升溫至120 ℃恒溫；

（4）升溫完成后由上部打壓至一定壓力，穩(wěn)壓4h；

（5）觀察下部出水口是否滲漏，以判斷封隔器膠筒是否符合實驗要求。

對于擴張式封隔器，中心管壓力24MPa，環(huán)空壓力20MPa，實驗溫度120 ℃，穩(wěn)壓4h，整個實驗過程中壓力、溫度均較為穩(wěn)定。結果表明，井筒下端出水口無水滴滲出，說明膠筒120 ℃條件下高溫密封性能合格。

對于壓縮式封隔器，升溫完成后由上部打壓至8MPa，穩(wěn)壓4h。結果表明，溫度波動在2℃以內(nèi)，下部出水口無滲漏，該裝置能用于膠筒的高溫性能實驗。

4 結束語

首次提出了一套封隔器膠筒高溫密封性能實驗裝置，裝置的加熱采用了電阻帶結合導熱油的方式，具有升溫速度快，溫度分布均勻的特點。利用數(shù)顯調(diào)節(jié)儀控制溫度，操作簡單易行，費用低廉，可滿足使用需求。利用機械原理對膠筒的上行空間進行限制，避免了油泵的長期工作，載荷穩(wěn)定。然而，裝置自動化程度較低，操作過程中需花費大量的人力物力。因此，智能化是提升該裝備使用價值的關鍵。