封隔器膠筒高溫密封性能實驗裝置

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作業的失敗，最終影響油田的高效安全生產。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、溫控系統、液壓動力源、水壓系統五個部分組成。其中，實驗筒是用于實現膠筒座封、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。加熱系統是該裝置的重要構成，主要用于提供實驗所需的環境狀況，具有能耗低、熱效率高的特點。溫控系統用于實驗過程中溫度的控制，具有良好的穩定性、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，能提供100kN 以上的壓縮力。水壓系統主要用于實驗過程中的壓力實現，具有穩定度高的特點，同時設置有節流閥，用于實驗壓力的保持。該測試系統經濟安全、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場使用狀態，可實現加熱、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，當升壓至規定壓力時，可關閉手動針型閥，來實現內壓穩定在額定工作壓力。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，當心軸上行過程中，上部限位環阻擋膠筒上行，從而產生座封用的壓縮力。實驗時，由下接頭加油壓，活塞上行推動整個工裝上行，膠筒被墊環阻擋無法上行，因此可以實現膠筒漲封在套管內壁，完成坐封。井筒上部設手動鎖緊帽，座封后，鎖緊上部鎖緊環，可以實現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實驗的目的。

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加熱、電熱元件直接加熱和空氣加熱。外部循環加熱主要以導熱油循環加熱為主。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，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，容易產生加熱不均勻的現象，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。空氣加熱與油浸加熱方式類似，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、環保的特點。然而，該方式由于加熱介質為空氣，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，因此，溫度控制系統的選擇主要考慮簡單、可靠、耐用三個方面。數顯調節儀溫度值用高亮度的數碼管顯示，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；具有可控硅調節。因此，最終采用價格較低、操控方便的數顯調節儀來實現整個裝置的加熱、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部打壓實現坐封，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。經過多方比較，最終選擇東營華能氣動液壓有限公司生產的液壓泵，油壓最大為40MPa。通過操作手柄進行加載、穩壓、卸載等功能。在加載過程中通過調節手輪實現穩壓。

2.5 水壓系統設計

水壓系統主要有個功能，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空密封壓力實驗。對裝置的選擇主要考慮壓力范圍、設備穩定性、可靠性等。該檢測系統最終確定選用上海恒舟機械設備有限公司生產的電動試壓泵。

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）。可進行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定的工作壓差，每次穩壓5min，不串、不漏為密封，然后解封并更換介質，升溫至規定的實驗溫度（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，穩壓4h 后，放掉套管壓力至零，再從另一端加工作壓差，仍穩壓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定外徑時，記錄其擴張壓力。耐壓性能實驗時，將套管短節端正地套在封隔器上，由中心管內加工作壓差，穩壓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，膠筒經擴張和耐壓后，端正地套上套管短節每次從套管一端加工作壓差，穩壓4h 后，放掉套管壓力至零，再從另一端加工作壓差，仍穩壓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；

（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，環空壓力20MPa，實驗溫度120 ℃，穩壓4h，整個實驗過程中壓力、溫度均較為穩定。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，穩壓4h。結果表明，溫度波動在2℃以內，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。利用數顯調節儀控制溫度，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。