SSD滑套密封模塊失效形式的探究與改進

周歡，劉正偉，王天明，張洪波，魏瑞濤

(中海油田服務股份有限公司天津分公司，天津300457)

0 引 言

SSD循環生產滑套是一種流動體控制裝置，可以通過鋼絲作業控制內滑套實現開、關功能[1]。其應用范圍廣，幾乎適用于所有生產管柱，是油田完井工具的重要組成部分[2]。密封模塊是SSD滑套的關鍵部件，現場應用時，由于其處于高溫、高壓的工作環境且雜物較多，極易破壞其密封性，造成結構失效，因此對其質量提出了很高的要求[3-5]。

隨著中海油服注水井業務的開展，SSD滑套在應用過程中主要存在以下兩點問題：1）注水期間隨著時間的推移出現泄漏的情況；2）鋼絲作業開關滑套時，出現開關力不穩定的情況。由于此系列滑套每年可以為公司帶來近千萬元的收入，需求量巨大，因此滑套的問題亟待解決。本文針對SSD滑套出現的問題，分析滑套密封模塊的損傷形式和失效機理，為提高密封模塊的使用壽命提出合理的改進措施，并通過實驗進行驗證，為推進完井工具的國產化、系列化提供技術支持。

1 SSD滑套失效原因分析

SSD滑套的整體結構如圖1所示。針對SSD滑套在注水井作業時出現的泄漏（如圖2）和開關力不穩定的情況，選取4個海返的滑套和4個未使用過的滑套進行開關實驗，并記錄它們的振擊次數（如圖3），實驗結果如表1所示。通過分析發現，SSD滑套入井前開關性能不穩定，且入井后開關性能明顯變差。

通過對問題滑套的拆解及分析發現導致泄漏的因素如下：1）滑套在放置的過程中，密封件受到內滑套和密封殼體的壓縮，如存放時間過長，就會發生永久變形，導致密封件過盈量變小，從而使滑套密封性能降低；2）現場注水作業過程中，由于滑套的開啟及關閉力較小，使內滑套在液體流動作用下被緩慢開啟或閉合，從而導致泄漏。

圖1 SSD滑套結構圖

圖2 滑套泄漏

表1 SSD滑套開關振擊次數實驗結果

圖3 滑套開關實驗

通過對問題滑套的拆解及分析發現導致開關力不穩定的因素如下：1）滑套在入井后會出現比較嚴重的結垢現象，內滑套和密封組件上附著的泥垢多且硬（如圖3），導致密封面精度下降，密封組合尺寸發生變形，致使滑套開、閉困難；2）該滑套密封組件中采用的均為耐熱塑料，該塑料耐溫性能和耐腐蝕性能好，但是彈性較差，易發生永久變形，導致滑套開關力過小；3）該滑套采用的是金屬支撐環+V形耐熱塑料密封組合進行密封，由于金屬支撐環受溫度影響變化較大，且考慮裝配難易問題，所以在制造過程中過盈量較小，從而造成滑套的開關力較小。

2 密封組件的改進

基于以上SSD滑套的失效形式，可以通過改變密封組件的材料和結構進行改進。具體措施如下：

1）更改材料：將密封模塊中的V形密封圈更換為高強度耐熱塑料（如圖5），邵氏硬度由D60±5提升至D90±5，防止其在較短時間內發生永久變形，影響使用壽命；并且將不銹鋼擋圈更換為高強度耐熱塑料擋圈（如圖6），防止內滑套在開閉運動中被劃傷，影響其密封性。

2）結構優化。由于V 形組合密封中的V 形密封圈材料一般都是耐熱塑料，其彈性相對較差，在長時間處于變形狀態下相對容易發生永久變形，致使密封效果降低，因此在密封組件中將隔環改為O形圈（如圖7）。此密封方式的O形圈可以在低壓時密封，起壓后推動V形組合密封張開，實現高壓力密封。入井使用后，即便內滑套結垢，O形圈也能很好地套緊內滑套，實現低壓密封；壓力升高后，V形圈受壓張開，起主要密封作用，從結構上改善密封方式。

圖4 密封殼體和密封組件結垢

圖5 不同材質的V形圈

圖6 不銹鋼擋圈與塑料擋圈

圖8、圖9所示為改進后密封組件與改進前密封組件的對比圖。

3 實驗分析

3.1 開關振擊實驗

選取4個改進后的滑套，分為兩組，一組為人工拖曳開關，滑套開關工具+振擊器+加重桿50 cm自落開關，以模擬實際現場的作業情況。通過觀察數據（表2）發現，改進后開關性能相較未改進前穩定性大大提升。

3.2 開關力測試實驗

將滑套開關工具通過活塞桿連接一組活塞，活塞與滑套上接頭密封（如圖9）。通過密封工裝向活塞打壓，開關工具帶動內滑套運動，到位后，開關工具自動脫落，記錄壓力P的大小，并換算成開關力F，經測量活塞直徑為58.75 mm。

圖7 不銹鋼支撐環與O形密封圈

圖8 改進前后實物對比圖

圖9 結構對比圖

表2 改進后滑套的開閉振擊次數

圖10 開關力測試實驗圖

式中：F為開關力，kN；P為開閉壓力，MPa；d為活塞直徑，mm。

選取20個改進后的SSD滑套，并依次進行實驗，測得打開關閉壓力范圍為0.61～0.87 MPa，對應打開關閉力為1.65～2.36 kN,完全滿足現場使用要求。

3.3 密封性能測試實驗

滑套更改密封組件后試壓34.474 MPa，穩壓15 min壓力不降（如圖11），證明密封性能良好。

圖11 穩壓密封試驗

將滑套開關多次后，將滑套整體放入烘箱（如圖12）中，加溫至150℃，保溫4 h，以最大程度模擬現場作業時滑套的工作狀態，并再次進行開關力及密封性測試。

經實驗測量，打開關閉力由1.65～2.36 kN 提升至1.97～3.38 kN，變化范圍符合使用要求。再次打壓34.474 MPa，穩壓15 min，壓力不降，證明密封性能良好（如圖13）。

4 結論

圖12 烘箱加熱滑套

圖13 加熱后穩壓密封試驗

本文結合現場實際，針對SSD生產循環滑套易于失效的問題，對其材料和結構進行分析、改進，并通過開關振擊實驗、密封性能測試實驗和常溫及高溫實驗，證明結構優化后的滑套性能更穩定，其開關力、密封性能都可滿足現場應用要求。截止到2019年4月已累計交付使用116套新型滑套，且均未出現開關困難及漏壓問題，充分證明了改型后密封模塊的優良性能。