電控智能注水工具密封性試驗研究與分析

徐元德 劉長龍 鄭靈蕓 陳征 劉紅波

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403027

摘 要 針對影響有纜智能電控注水工具可靠性的問題，在定性分析現有故障井的基礎上，精確并定量分析故障發生的機理，以研究智能注水工具密封性的變化規律為切入點，設計密封性試驗，研究不同直徑O形密封圈的靜密封滲漏規律、動密封模塊滲漏規律等。試驗結果表明：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%。同時與小直徑O形圈相比，滲漏量與密封圈的直徑成正相關關系;同時從動密封試驗結果來看，動密封模塊密封性為Baseal密封優于車氏密封優于T型密封，試驗結果有效支撐了對智能注水工具密封性能提升的依據，研究結果可為井下智能配水器的密封優化提供理論支持。

關鍵詞 密封性試驗 智能注水 O形密封圈 高溫高壓 過盈量

中圖分類號 TE938?? 文獻標志碼 B?? 文章編號 1000?3932（2024）03?0555?04

作者簡介：徐元德（1995-），工程師，從事海上油田注水工藝的研發工作。

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

引用本文：徐元德，劉長龍，鄭靈蕓，等.電控智能注水工具密封性試驗研究與分析[J].化工自動化及儀表，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，目前經歷了30年的發展，海上油田分層注水工藝發展出了傳統測調工藝、邊測邊調工藝和智能測調工藝[1～3]，其中，智能測調工藝不依賴鋼絲或電纜作業，測調效率高，調配成功率高，目前已成為海上油田注水的發展方向。有纜智能電控注水工藝是目前油田高效水驅開發必然的長期趨勢，該工藝的可靠性取決于電控智能注水工具井下工作的穩定性。電控智能注水技術通過地面控制系統和井下智能配水器的電信號實現注水量和注水速度的實時準確監測和控制，并可根據實時數據對注水量進行實時調配。但從目前有纜智能電控智能注水的應用效果來看，還存在工藝故障率高、平均運行壽命短的問題，可見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，仍然需要在產品可靠性和延長壽命方面開展深入研究。

通過拆檢現場失效井下智能配水器發現，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。由于當前機電一體化產品的密封方式仍沿用機械工具的密封方式，現暫無對機電一體化產品的密封方式系統性的研究，造成對井下高溫高壓環境中工具密封滲漏規律的認識不足，從而引發井下工具密封失效。筆者在研究現有工具故障原因的基礎上，通過試驗定量分析不同溫度、壓力下各密封模塊滲漏規律，這對優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域安全、高效地實施智能注采技術具有重要意義[4，5]。

1 試驗原理

本次試驗的主要目的是通過設計特定工裝，對靜密封、動密封等不同密封形式在高溫高壓下的滲漏量進行定量測試，從而掌握滲漏規律，實現對密封形式的精準選型。

主要設計電纜接頭和外殼的密封性試驗工裝，試驗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境下加熱兩周。觀察工裝中裝有無水硫酸鎂的試管在試驗前后質量的變化，來驗證每個試驗工裝的水氣滲漏量，從而達到對智能注水工具密封性研究的目的。

2 試驗內容

本次設計試驗包含O形密封圈在高溫高壓下不同過盈量對應的靜密封滲漏規律，不同溫度下動密封模塊滲漏變化規律試驗（Baseal、T型、車氏密封等測試）。

2.1 O形密封圈靜密封試驗

2.1.1 試驗工裝搭建和材料準備

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

O形密封圈滲漏試驗工裝及試驗參數如下：試驗模擬環境為井下高溫高壓環境，試驗工裝溫度設置為150 ℃、壓力設置為40 MPa。加熱裝置1臺（最高可恒溫200 ℃、可持續工作30 d×24 h），打壓泵（最高打壓100 MPa，帶截止閥、可穩壓）1臺，高溫高壓試管1只，測試密封圈若干，無水硫酸鎂若干。

2.1.2 密封性試驗流程

本次試驗模擬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境下的密封性與O形密封圈過盈量的關系，試驗流程如下：

a. 組裝9套電纜接頭靜密封試驗工裝，O形密封圈過盈量分別為0.30、0.45、0.60 mm各3組工裝;組裝18套外殼靜密封試驗工裝，O形密封圈過盈量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水硫酸鎂，并對有吸水藥劑的試管稱重，記錄質量分別為G1～G27，最后與試驗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，各個工裝連接打壓管線，27個工裝壓力一致，打壓至40 MPa，穩壓10 min不滲不漏。

d. 啟動加熱裝置，加熱到150 ℃，保持高溫、高壓環境兩周，并且記錄各個壓力表每日的壓力數值。

e. 滲漏試驗工裝保持高溫、高壓的環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量。

g. 清理滲漏試驗物料，分析并計算試驗數據，試驗前、后質量值，保存和整理試驗材料與數據。

2.1.3 試驗數據分析

統計兩種O形密封圈在不同過盈量下的滲漏水氣量，變化規律如圖2、3所示。

電纜接頭O形密封圈滲漏結果分析如下：

a. 隨著過盈量的提高，水氣滲漏量先急速下降然后基本保持不變。

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

c. 通過優選得到結論，電纜接頭靜密封O形密封圈過盈量建議選擇區間0.45～0.60 mm，其中，取0.60 mm時最優，即壓縮率為16%時，滲漏量達到最小值，每兩周63.6 mg。

外殼O形密封圈滲漏結果表明，試驗工裝外殼靜密封O形密封圈過盈量建議選擇區間為0.45～1.05 mm，取0.75 mm時最優，壓縮率為21.1%。

O形密封圈規格選取驗證。根據機械設計手冊中壓縮率w的計算方法[6]，對于靜密封而言，試驗中密封類型為平面密封裝置，w應取15%～30%，根據電纜接頭O形密封圈滲漏分析結果和外殼O形密封圈滲漏分析結果可以看出，電纜接頭O形密封圈推薦的最優壓縮率為16%，外殼O形密封圈最優壓縮率為21.1%。結論可為下一步工具密封形式的改進提供參考依據。

2.2 動密封模塊滲漏試驗研究

O形密封圈是目前應用最廣泛的一種密封元件，可適用于超高壓高溫系統，密封性能較好[7，8]。但在井下智能配水器水嘴等高頻次動密封處，利用O形圈進行密封可能會產生失效問題，為優選、評價動密封效果，分別設計了T型密封、車氏密封和Baseal密封工裝，進行定量的滲漏量評價試驗。

2.2.1 工裝搭建和材料準備

動密封滲漏試驗工裝如圖4所示，包括保護外殼、密封桿、動密封、耐高溫試管等，此試驗工裝放置在加熱裝置中，加熱時間為兩周。

試驗流程如下：

a. 試驗工裝分別裝入T型動密封、車氏動密封和Baseal動密封，為減小測試誤差，每組密封分別在3組工裝進行試驗，試驗溫度分別為70、110、170 ℃，試驗共計27組工裝。

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

c. 將27組工裝進行打壓，試驗壓力為40 MPa，穩壓10 min，不滲不漏。

d. 將對應工裝放入加熱裝置中，分別在溫度70、110、170 ℃下恒溫加熱兩周，最后測試對應試管的滲漏水氣量。記錄對應數據（表1）。

e. 清理滲漏試驗物料，分析并計算試驗數據、試驗前后質量差值，保存整理試驗材料與數據。

2.2.2 試驗結果分析

不同密封形式下，不同溫度和滲漏量的關系曲線如圖5所示。

3種動密封試驗中，T型密封試驗和車氏密封試驗都出現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或者高溫試驗環境對裝置的破壞而失效導致，因此異常數據在本試驗中作廢。

從整體滲漏水氣量來看，每兩周，T型密封滲漏量平均值為0.566 6 g，車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 結束語

分別對不同直徑、不同壓縮率的O形圈及不同形式的動密封進行定量的高溫高壓滲漏測試，得到結論如下：

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條件下，滲漏量隨過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關系。

c. 通過3種動密封滲漏試驗，密封類型從好到差排序為Baseal密封>車氏密封>T型密封。3種密封試驗滲漏量隨著溫度的增加有升高的趨勢，整體滲漏量大于靜密封。同時動密封的安裝等需要嚴格地控制公差，防止因安裝問題導致密封失效。

通過對井下智能配水器的電纜接頭、外殼密封及水嘴動密封等核心密封單元進行定量的滲漏試驗研究，靜密封的最優壓縮率、動密封選型等得到了優化方案，通過優化，減少了井下智能配水器在井下高溫、高壓環境下的水氣滲漏量，為井下智能配水器的密封優化提供了理論支持。

參 考 文 獻

[1] 王立蘋，羅昌華，楊萬有，等.海上油田斜井同心邊測邊調分注技術改進與應用[J].中國海上油氣，2014，26（5）：83-85;91.

[2] 王東，王良杰，張鳳輝，等.渤海油田分層注水技術研究現狀及發展方向[J].中國海上油氣，2022，34（2）：125-137.

[3] 羅昌華，程心平，劉敏，等.海上油田同心邊測邊調分層注水管柱研究及應用[J].中國海上油氣，2013，25（4）：46-48.

[4] 王洪，詹敏，鄭春峰，等.O形密封圈密封滲漏水氣定量規律試驗研究及分析[J].儀器儀表用戶，2022，29（11）：16-18;15.

[5] 劉菁，趙旭，馮剛，等.基于格來圈結構的O形密封圈動密封分析[J].航空發動機，2020，46（4）：36-40.

[6] 李輝.淺談機械設計標準及制造質量控制[J].中國石油和化工標準與質量，2019，39（19）：8-9.

[7] 孟理華，劉浩闊，邊智，等.T型槽密封結構的有限元分析及試驗驗證[J].裝備環境工程，2020，17（7）：57-63.

[8] 史永革.O形、UN形、車氏三種密封圈在超高壓單作用缸中的應用對比研究[J].液壓與氣動，2004（11）：12-14.

（收稿日期：2023-07-14，修回日期：2024-04-29）