徐元德 劉長(zhǎng)龍 鄭靈蕓 陳征 劉紅波

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403027

摘 要 針對(duì)影響有纜智能電控注水工具可靠性的問(wèn)題，在定性分析現(xiàn)有故障井的基礎(chǔ)上，精確并定量分析故障發(fā)生的機(jī)理，以研究智能注水工具密封性的變化規(guī)律為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)密封性試驗(yàn)，研究不同直徑O形密封圈的靜密封滲漏規(guī)律、動(dòng)密封模塊滲漏規(guī)律等。試驗(yàn)結(jié)果表明：井下智能配水器電纜接頭（小直徑）O形密封圈最佳過(guò)盈量為0.60 mm，壓縮率為16%，外殼（大直徑）O形密封圈最佳盈余量為0.75 mm，即壓縮率為21.1%。同時(shí)與小直徑O形圈相比，滲漏量與密封圈的直徑成正相關(guān)關(guān)系;同時(shí)從動(dòng)密封試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，動(dòng)密封模塊密封性為Baseal密封優(yōu)于車(chē)氏密封優(yōu)于T型密封，試驗(yàn)結(jié)果有效支撐了對(duì)智能注水工具密封性能提升的依據(jù)，研究結(jié)果可為井下智能配水器的密封優(yōu)化提供理論支持。

關(guān)鍵詞 密封性試驗(yàn) 智能注水 O形密封圈 高溫高壓 過(guò)盈量

中圖分類(lèi)號(hào) TE938?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B?? 文章編號(hào) 1000?3932（2024）03?0555?04

作者簡(jiǎn)介：徐元德（1995-），工程師，從事海上油田注水工藝的研發(fā)工作。

通訊作者：鄭靈蕓（1993-），工程師，從事采油及注水工藝技術(shù)的研究，ex_zhengly@cnooc.com.cn。

引用本文：徐元德，劉長(zhǎng)龍，鄭靈蕓，等.電控智能注水工具密封性試驗(yàn)研究與分析[J].化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（3）：555-558.

海上油田分層注水是保持地層壓力，提高采收率的重要手段，目前經(jīng)歷了30年的發(fā)展，海上油田分層注水工藝發(fā)展出了傳統(tǒng)測(cè)調(diào)工藝、邊測(cè)邊調(diào)工藝和智能測(cè)調(diào)工藝[1～3]，其中，智能測(cè)調(diào)工藝不依賴(lài)鋼絲或電纜作業(yè)，測(cè)調(diào)效率高，調(diào)配成功率高，目前已成為海上油田注水的發(fā)展方向。有纜智能電控注水工藝是目前油田高效水驅(qū)開(kāi)發(fā)必然的長(zhǎng)期趨勢(shì)，該工藝的可靠性取決于電控智能注水工具井下工作的穩(wěn)定性。電控智能注水技術(shù)通過(guò)地面控制系統(tǒng)和井下智能配水器的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)注水量和注水速度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和控制，并可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)注水量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)配。但從目前有纜智能電控智能注水的應(yīng)用效果來(lái)看，還存在工藝故障率高、平均運(yùn)行壽命短的問(wèn)題，可見(jiàn)智能注水工具在井下使用的可靠性及壽命提升仍是面臨的最大挑戰(zhàn)，仍然需要在產(chǎn)品可靠性和延長(zhǎng)壽命方面開(kāi)展深入研究。

通過(guò)拆檢現(xiàn)場(chǎng)失效井下智能配水器發(fā)現(xiàn)，其中67%的故障井因密封失效造成電路短路，20%與密封失效間接相關(guān)。由于當(dāng)前機(jī)電一體化產(chǎn)品的密封方式仍沿用機(jī)械工具的密封方式，現(xiàn)暫無(wú)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的密封方式系統(tǒng)性的研究，造成對(duì)井下高溫高壓環(huán)境中工具密封滲漏規(guī)律的認(rèn)識(shí)不足，從而引發(fā)井下工具密封失效。筆者在研究現(xiàn)有工具故障原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)定量分析不同溫度、壓力下各密封模塊滲漏規(guī)律，這對(duì)優(yōu)化注水井井下工具密封方案，保障有纜智能注水工具在油田領(lǐng)域安全、高效地實(shí)施智能注采技術(shù)具有重要意義[4，5]。

1 試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)設(shè)計(jì)特定工裝，對(duì)靜密封、動(dòng)密封等不同密封形式在高溫高壓下的滲漏量進(jìn)行定量測(cè)試，從而掌握滲漏規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)密封形式的精準(zhǔn)選型。

主要設(shè)計(jì)電纜接頭和外殼的密封性試驗(yàn)工裝，試驗(yàn)包含工裝組裝和加熱裝置烘烤兩部分，工裝在模擬高溫、高壓下的注水井工況環(huán)境下加熱兩周。觀察工裝中裝有無(wú)水硫酸鎂的試管在試驗(yàn)前后質(zhì)量的變化，來(lái)驗(yàn)證每個(gè)試驗(yàn)工裝的水氣滲漏量，從而達(dá)到對(duì)智能注水工具密封性研究的目的。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)包含O形密封圈在高溫高壓下不同過(guò)盈量對(duì)應(yīng)的靜密封滲漏規(guī)律，不同溫度下動(dòng)密封模塊滲漏變化規(guī)律試驗(yàn)（Baseal、T型、車(chē)氏密封等測(cè)試）。

2.1 O形密封圈靜密封試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)工裝搭建和材料準(zhǔn)備

O形密封圈靜密封滲漏試驗(yàn)包含電纜接頭滲漏試驗(yàn)和外殼滲漏試驗(yàn)，試驗(yàn)之前需搭建試驗(yàn)工裝，如圖1所示。

O形密封圈滲漏試驗(yàn)工裝及試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境為井下高溫高壓環(huán)境，試驗(yàn)工裝溫度設(shè)置為150 ℃、壓力設(shè)置為40 MPa。加熱裝置1臺(tái)（最高可恒溫200 ℃、可持續(xù)工作30 d×24 h），打壓泵（最高打壓100 MPa，帶截止閥、可穩(wěn)壓）1臺(tái)，高溫高壓試管1只，測(cè)試密封圈若干，無(wú)水硫酸鎂若干。

2.1.2 密封性試驗(yàn)流程

本次試驗(yàn)?zāi)M注水工具中的電纜接頭和外殼兩種工裝，在井下溫度和壓力環(huán)境下的密封性與O形密封圈過(guò)盈量的關(guān)系，試驗(yàn)流程如下：

a. 組裝9套電纜接頭靜密封試驗(yàn)工裝，O形密封圈過(guò)盈量分別為0.30、0.45、0.60 mm各3組工裝;組裝18套外殼靜密封試驗(yàn)工裝，O形密封圈過(guò)盈量0.30、0.45、0.60、0.75、0.90、1.05 mm各3組工裝。

b. 將27根耐高溫小試管裝入無(wú)水硫酸鎂，并對(duì)有吸水藥劑的試管稱(chēng)重，記錄質(zhì)量分別為G1～G27，最后與試驗(yàn)工裝連接并將組裝好的工裝放入托架。

c. 將工裝托架放入加熱裝置中，各個(gè)工裝連接打壓管線(xiàn)，27個(gè)工裝壓力一致，打壓至40 MPa，穩(wěn)壓10 min不滲不漏。

d. 啟動(dòng)加熱裝置，加熱到150 ℃，保持高溫、高壓環(huán)境兩周，并且記錄各個(gè)壓力表每日的壓力數(shù)值。

e. 滲漏試驗(yàn)工裝保持高溫、高壓的環(huán)境兩周后停止加熱并卸掉壓力，將工裝冷卻至室溫。

f. 拆卸工裝，取出工裝中的試管，觀察藥劑變化并記錄質(zhì)量。

g. 清理滲漏試驗(yàn)物料，分析并計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)前、后質(zhì)量值，保存和整理試驗(yàn)材料與數(shù)據(jù)。

2.1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)兩種O形密封圈在不同過(guò)盈量下的滲漏水氣量，變化規(guī)律如圖2、3所示。

電纜接頭O形密封圈滲漏結(jié)果分析如下：

a. 隨著過(guò)盈量的提高，水氣滲漏量先急速下降然后基本保持不變。

b. 每一個(gè)過(guò)盈量加工3組工裝，排除誤差干擾后，電纜接頭靜密封O形密封圈的過(guò)盈量為0.30 mm，壓縮量為8%時(shí)，滲漏量較大，不適用于電纜接頭密封。

c. 通過(guò)優(yōu)選得到結(jié)論，電纜接頭靜密封O形密封圈過(guò)盈量建議選擇區(qū)間0.45～0.60 mm，其中，取0.60 mm時(shí)最優(yōu)，即壓縮率為16%時(shí)，滲漏量達(dá)到最小值，每?jī)芍?3.6 mg。

外殼O形密封圈滲漏結(jié)果表明，試驗(yàn)工裝外殼靜密封O形密封圈過(guò)盈量建議選擇區(qū)間為0.45～1.05 mm，取0.75 mm時(shí)最優(yōu)，壓縮率為21.1%。

O形密封圈規(guī)格選取驗(yàn)證。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中壓縮率w的計(jì)算方法[6]，對(duì)于靜密封而言，試驗(yàn)中密封類(lèi)型為平面密封裝置，w應(yīng)取15%～30%，根據(jù)電纜接頭O形密封圈滲漏分析結(jié)果和外殼O形密封圈滲漏分析結(jié)果可以看出，電纜接頭O形密封圈推薦的最優(yōu)壓縮率為16%，外殼O形密封圈最優(yōu)壓縮率為21.1%。結(jié)論可為下一步工具密封形式的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2.2 動(dòng)密封模塊滲漏試驗(yàn)研究

O形密封圈是目前應(yīng)用最廣泛的一種密封元件，可適用于超高壓高溫系統(tǒng)，密封性能較好[7，8]。但在井下智能配水器水嘴等高頻次動(dòng)密封處，利用O形圈進(jìn)行密封可能會(huì)產(chǎn)生失效問(wèn)題，為優(yōu)選、評(píng)價(jià)動(dòng)密封效果，分別設(shè)計(jì)了T型密封、車(chē)氏密封和Baseal密封工裝，進(jìn)行定量的滲漏量評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2.2.1 工裝搭建和材料準(zhǔn)備

動(dòng)密封滲漏試驗(yàn)工裝如圖4所示，包括保護(hù)外殼、密封桿、動(dòng)密封、耐高溫試管等，此試驗(yàn)工裝放置在加熱裝置中，加熱時(shí)間為兩周。

試驗(yàn)流程如下：

a. 試驗(yàn)工裝分別裝入T型動(dòng)密封、車(chē)氏動(dòng)密封和Baseal動(dòng)密封，為減小測(cè)試誤差，每組密封分別在3組工裝進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為70、110、170 ℃，試驗(yàn)共計(jì)27組工裝。

b. 將27根耐高溫小試管裝入無(wú)水硫酸鎂，并對(duì)有吸水藥劑的試管稱(chēng)重，以T型密封工裝為例，分別記錄重量為T(mén)1?1、T1?2、T1?3、T2?1、T2?2、T2?3、T3?1、T3?2、T3?3，同樣的方法將車(chē)氏密封和Baseal密封的試管藥劑重量記錄為Ci1～Ci3、Bi1～Bi3（i=1，2，3），最后與試驗(yàn)工裝連接并將組裝好的工裝放入托架。

c. 將27組工裝進(jìn)行打壓，試驗(yàn)壓力為40 MPa，穩(wěn)壓10 min，不滲不漏。

d. 將對(duì)應(yīng)工裝放入加熱裝置中，分別在溫度70、110、170 ℃下恒溫加熱兩周，最后測(cè)試對(duì)應(yīng)試管的滲漏水氣量。記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（表1）。

e. 清理滲漏試驗(yàn)物料，分析并計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)前后質(zhì)量差值，保存整理試驗(yàn)材料與數(shù)據(jù)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同密封形式下，不同溫度和滲漏量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。

3種動(dòng)密封試驗(yàn)中，T型密封試驗(yàn)和車(chē)氏密封試驗(yàn)都出現(xiàn)了異常滲漏量的情況，分析原因，可能是由于密封裝置安裝不當(dāng)或者高溫試驗(yàn)環(huán)境對(duì)裝置的破壞而失效導(dǎo)致，因此異常數(shù)據(jù)在本試驗(yàn)中作廢。

從整體滲漏水氣量來(lái)看，每?jī)芍?，T型密封滲漏量平均值為0.566 6 g，車(chē)氏密封滲漏量平均值為0.269 7 g，Baseal密封滲漏量平均值為0.255 8 g。

3 結(jié)束語(yǔ)

分別對(duì)不同直徑、不同壓縮率的O形圈及不同形式的動(dòng)密封進(jìn)行定量的高溫高壓滲漏測(cè)試，得到結(jié)論如下：

a. 井下智能配水器電纜接頭（小直徑）O形密封圈高溫高壓試驗(yàn)條件下，滲漏量隨過(guò)盈量的增加先急劇減小，后基本保持不變，電纜接頭（小直徑）O形密封圈最佳過(guò)盈量為0.60 mm，即壓縮率為16%。

b. 井下智能配水器外殼（大直徑）O形密封圈最佳盈余量為0.75 mm，即壓縮率為21.1%，與小直徑O形圈相比，滲漏量與密封圈的直徑成正相關(guān)關(guān)系。

c. 通過(guò)3種動(dòng)密封滲漏試驗(yàn)，密封類(lèi)型從好到差排序?yàn)锽aseal密封>車(chē)氏密封>T型密封。3種密封試驗(yàn)滲漏量隨著溫度的增加有升高的趨勢(shì)，整體滲漏量大于靜密封。同時(shí)動(dòng)密封的安裝等需要嚴(yán)格地控制公差，防止因安裝問(wèn)題導(dǎo)致密封失效。

通過(guò)對(duì)井下智能配水器的電纜接頭、外殼密封及水嘴動(dòng)密封等核心密封單元進(jìn)行定量的滲漏試驗(yàn)研究，靜密封的最優(yōu)壓縮率、動(dòng)密封選型等得到了優(yōu)化方案，通過(guò)優(yōu)化，減少了井下智能配水器在井下高溫、高壓環(huán)境下的水氣滲漏量，為井下智能配水器的密封優(yōu)化提供了理論支持。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-07-14，修回日期：2024-04-29）