封隔器胶筒密封性能测试系统研究

于桂杰，赵超超，林明群

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580）



封隔器胶筒密封性能测试系统研究

于桂杰，赵超超，林明群

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580）

摘要：针对封隔器胶筒密封性能的测试，设计了一套高温高压测试系统。介绍了测试系统的基本组成和工作过程，开发了基于PLC的自动化控制程序，以Lab VIE W为测控系统开发平台，完成了封隔器坐封时胶筒与套管接触应力、轴向位移、上下压差随时间波动相关数据的采集、实时显示与存储功能设计。结果表明：通过本测试系统可以获得封隔器胶筒相关密封性能参数。

关键词：封隔器；胶筒；高温高压；试验装置

封隔器是石油勘探开发中重要的井下工具，广泛应用于钻井、注水、卡堵水、分层采油等工艺技术中。封隔器所具备的功能主要靠弹性密封元件的密封作用来实现［1］。对于采用胶筒作为弹性密封元件的封隔器，胶筒的密封性能是判断其工作好坏的关键，且随着油藏开发深度不断加深，要求现场使用的封隔器在高温高压下具有更好的密封性能［2］。因此，对封隔器在高温高压条件下的密封性能进行测试试验，检测并验证其各项指标能否达到设计要求，对于优化封隔器的设计、提高现场使用成功率有重要的意义。

1 测试系统组成

本文设计的测试系统包括试验台架、液压控制系统、高压油水气站［3］、加热装置、测控系统。该套测试系统能够模拟现场井下载荷、温度、压力等工况，系统组成如图1所示。

图1　测试系统组成

1.1 试验台架

1—加载液压缸；2—位移传感器；3—螺母；4—螺栓；5—密封头；6—加压管线；7—筒体；8—保温层；9—套管；10—套管；11—端盖；12—密封圈；13—活塞杆；14—活塞；15—辅助液压缸；16—底座；17—热电偶；18—热循环管线；19—中心管；20—加载短节。图2 试验台架结构

该试验台架主要由液压缸、筒体、密封头、中心管、套管、保温层、加载短节等组成，能为试验提供所需的密封条件，并具备保温功能，卧式结构使胶筒的安装更加方便快捷。加载液压缸提供100 k N的压力和50 k N的拉力，完成坐封与解封动作，辅助液压缸在另一端起到夹紧固定作用，必要时能实现双向加载。加压管线、热循环管线分别与加压系统和空气加热设备相接通，接触应力采集是试验的重点。本方案［4］是在胶筒对应的套管位置圆周方向上均匀安装5个、轴向8组、总共40个压力传感器，以完成信号的采集。在合适的位置（如图2所示）安装热电偶、位移传感器、压力传感器，并与测控系统相连接，完成温度、位移、压力信号的采集。

1.2 液压控制系统

液压控制系统包括加载控制回路和加压控制回路。加载控制回路完成对加载装置的精确控制，提供所需的压力和拉力；加压控制回路可独立控制胶筒两端的压力，模拟井下复杂的压力条件［5］。采用恒压电液比例控制回路［6］，满足系统对加载、加压过程中的压力要求。

1.3 高压油水气站

高压油水气站为测试系统提供所需的试验液和气源，包括高压油水站和高压气站，经液压回路提供最高200MPa的液压和100MPa的气压。

1.4 加热系统

加热装置为试验提供所需的高温条件。采用热空气加热的方法［7］，即利用加热炉加热空气，再通过高温通风机将热空气输送到试验井筒和套管之间的环形空间，可逆时针强制循环加热试验井筒内的试验液。通过放置在试验井筒内的热电偶传感器以及配套的测控系统，控制试验液温度达到规定要求。温度调节为0～200℃。

1.5 测控系统

测控系统实现对整套系统的自动化控制，实时显示采集到的数据，并及时保存以便后续分析处理。在测控系统中，PLC作为下位机完成液压系统、加热系统的各种逻辑控制。运用Lab VIE W开发的上机位控制程序提供良好的人机交互界面，实现数据的显示与保存等功能。

2 工作过程

1） 安装阶段。端盖、密封头安装在辅助液压缸的活塞杆上，胶筒安装在中心管上，启动液压系统，活塞杆伸入筒体内，到达指定位置后切换至夹紧回路，用螺栓、螺母将端盖与筒体进行可靠连接，启动灌注泵向筒体内注入液体，直至充满。

2） 加热阶段。启动加热装置，设定加热温度，待温度达到设定的温度并稳定一段时间。

3） 坐封阶段。给定加载力，启动液压回路，推动活塞通过活塞杆通过加载短节给胶筒加载。坐封稳定后，液压回路切换到保压状态。

4） 加压阶段。开启高压油气水站，根据设定的压差向胶筒两端加压。

5） 数据采集阶段。与封隔器胶筒接触的压力传感器实时采集接触应力；胶筒密封两端的压力传感器采集到胶筒两端的上下压力，对比得出压力的波动范围；位移传感器采集到胶筒的轴向位移。

6） 泄压阶段。高压油水气站将胶筒密封两端的液体排出，卸掉两端的压力。

7） 解封阶段。液压回路切换至卸荷回路，加载杆收缩，胶筒弹回。

8） 拆卸阶段。筒体内的液体经加压管线排出，待筒体内温度冷却至合适温度，卸下螺栓、螺母，启动辅助液压缸，活塞杆缩回，胶筒、中心管随之取出，测试结束。

3 基于PLC的自动化控制程序开发

3.1 总体方案

针对本测试系统中的液压控制系统和加热系统，选用西门子公司的S7-200系列PLC开发了对应的控制程序。

3.2 液压系统控制程序

将PLC应用到液压系统能较好地满足控制系统的要求，并且测试精确，运行高速、可靠，生产效率高，设备的使用寿命长。液压系统控制程序采用S7-200 C P U 226 PLC作为控制系统的主模板。系统共需19个输入端子、15个输出端子。把T P170 A触摸屏式人机界面用在控制系统中，触摸屏分别为加载和加压系统提供“压力设定”“速度设定”共4个触摸式按钮。液压回路中的控制阀先导比例电磁阀、速度控制阀通过E M 235模拟量输入/输出模块连接到主模块上。PLC控制外部接线图如图3所示。

图3　液压系统PL C控制外部接线图

3.3 加热系统控制

对于温度等一些重要的被控参数，基于PLC的控制程序能进行自动检测，并根据检测结果进行相应的控制。因此，加热控制系统选用西门子公司的S7-200 C P U 224作为主模板［8］，控制系统共需7个输入端子、8个输出端子。采用双晶闸管控制加热系统［9］，通过模拟量输入/输出模块E M 231和E M 232连接到主模板。T P170 A触摸屏式人机界面为加热系统提供“实时温度”显示界面和“温度设定”等触摸式按钮。PLC控制外部接线图如图4所示。

图4　加热系统PL C控制外部接线图

4 基于Lab VIE W的数据采集系统开发

4.1 采集系统总体设计

数据采集是指从系统外部采集数据并进行转换后传输到系统内部的过程。基于Lab VIE W的数据采集可分为硬件和软件2部分［10］。系统硬件部分包括传感器、信号调理设备、数据采集卡；软件部分包括驱动程序和应用软件。

4.2 系统硬件设计

本文设计的数据采集系统完成40路接触应力信号、2路压力信号、1路位移信号的采集任务。采用S Y C-100膜片式石英压力传感器采集接触应力信号，S Y C-2000传感器采集胶筒两端的压力信号，O D V激光位移传感器采集位移信号。所选用的传感器主要参数如表1所示。

鉴于P CI总线具有系统稳定、传输速率高、C P U占用率小等优点，采集系统选用NI公司的P CI系列数据采集卡作为硬件资源。P CI-6225负责采集接触应力信号，具有80路单端/40路差分模拟输入，16位模拟输入/输出分辨率，输入范围－10～10 V。P CI-6220负责采集位移、压强、温度信号，具有16路单端/8路差分模拟输入，16位模拟输入/输出分辨率。信号调理设备选用信号调理器NI SC XI-1102，其具有低通滤波、冷端补偿等功能，并且增益可调。

表1　所选传感器的主要参数

4.3 系统软件设计

系统软件模块分为信号获取、信号处理、数据显示、数据存储模块。信号的获取采用Lab VIE W提供的D A Q助手工具，对测试任务、采集通道参数进行设置。由于采集的信号经过了调理，在程序中要进行处理还原信号。为了能实时观测到采集的信号，利用波形图表以曲线的形式实时连续地显示信号。

最终采集的信号以Excel表格的形式保存在用户指定的目录文件下，程序的前面版和后面版如图5～6所示。程序每运行1个循环保存1次数据，以便后续分析处理。

图5　数据采集程序前面板

图6　数据采集程序后面板

5 结论

1） 本试验测试系统能同时测得复杂条件下接触应力分布、轴向位移、压差随时间的变化，为综合评价封隔器的密封性能提供可靠的试验数据，并为封隔器的设计、开发提供科学依据，可缩短研发周期、提高效率。

2） 选用的压力传感器、位移传感器的精度、灵敏度、分辨率高，抗干扰能力强，数据采集卡及信号处理设备性能优越，保证了测试的准确可靠。

3） 虚拟仪器的人机界面友好，编程便捷、直观，PLC现场控制可靠性高，抗干扰能力强，通信能力强。将两者的优点结合起来应用于测控系统开发中能更好地实现自动化控制。

参考文献：

［1］ 刘清友，王国荣，湛精华.井下封隔器工作行为仿真［M］.北京：石油工业出版社，2010.

［2］ 黄振琼，徐燕东，杜春朝，等.高温高压深井用液压封隔器研制及试验［J］.石油矿场机械，2013，42（10）：33-36.

［3］ 朱晓荣，吴雷泽，代理震，等.封隔器设计基础［M］.北京：中国石化出版社，2012.

［4］ 刘天良，施纪泽.封隔器胶筒对套管接触应力模拟试验研究［J］.石油机械，2001，29（2）：10-11.

［5］ 岳澄，王燕群，邵立国，等.高温封隔器胶筒与套管接触压力的实验研究［J］.实验力学，1999，14（3）：390-394.

［6］ 黄志坚.液压系统控制与PL C应用［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［7］ 王东，章发明，陈磊，等.井下工具高温试验井系统［J］.石油矿场机械，2009，38（7）：75-79.

［8］ 王东署.S7-200 PL C基础及应用［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［9］ 陈磊，章发明，杨永安，等.封隔器性能检测系统的应用［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：60-63.

［10］ 陈国顺，于涵伟，王格芳，等.测试工程及Lab VIE W应用［M］.北京：清华大学出版社，2013.

Research of Test System for the Property of Packer Rubber Sleeve

YUGuijie，ZHAO Chaochao，LIN Mingqun
（Collegeof Pipeline ɑnd Ciυil Engineering，Chinɑ Uniυersity of Petroleum，Qingdɑo 266580，Chinɑ）

Abstract：Aiming at testing the sealing property of rubber sleeve，a set of high Temperature and high pressure test system was designed. The basic com position and working process of the test system are introduced in this paper，based on PLC，to develop the auto matic control program，Lab VIE Wis utilized as develop ment platform for developing measurement and control system，to com plete the design of the relevant data’s acquisition，real-time display and storage function，the data contains the contact stress between rubber sleeve and casing，axial displacement，differential pressure which fluctuant over time when the packer is seated. A conclusion is that through the test system，the tester can obtain the seal performance parameters of rubber sleeve.

Key Words：packer；rubber sleeve；HTHP；test equip ment

作者简介：于桂杰（1962-），男，山东招远人，教授，主要从事机械工程、机械强度及可靠性、油气管柱力学教学和研究工作，E-mail：yuguijie @ upc.edu.cn。

收稿日期：2015-07-24

文章编号：1001-3482（2016）01-0028-04

中图分类号：T E931.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.007