一种新型插入密封的研究

李淑涛， 周　云

(1.中海油能源发展装备技术有限公司， 天津 300452； 2.上海海事大学， 上海 201306)



一种新型插入密封的研究

李淑涛1， 周云2

(1.中海油能源发展装备技术有限公司， 天津 300452； 2.上海海事大学， 上海 201306)

摘要：目前随着石油开采的不断深入，修井的次数以及需要修井的油井数量越来越多。在修井的过程中，更换插入密封是必要的工作，但是在更换插入密封的过程中，有很大一部分生产井在验封时无法实现密封，将管柱取出后发现是由于密封筒出现损伤或者大面积的腐蚀而造成的，唯一的解决方法是再次更换密封筒，这将造成长时间的停产，以及需要投入巨大的成本来完成取出管柱、更换密封筒、再次下入管注、下入新的插入密封、验封等工作，这将大幅的增加作业成本，延长停产检修时间，给正常生产造成极大的不便。为此，研制一种新型的插入密封，在不需要更换受损或者腐蚀的密封筒的情况下，能够对插入密封实现密封，即可大幅减少作业成本，减少停机检修的时间。

关键词：修井； 密封筒； 作业成本； 停机检修； 新型密封

0引言

目前随着石油开采的不断深入，前期投产的开发井需要进行修井的井数以及修井的数量越来越多。在修井的过程中，除了进行洗井，更换必要的油管以外，更换插入密封是必要的工作，可是在实际工作中，有很大一部分井完成插入密封的更换后，进行验封时无法实现密封，将管柱取出后并分析得出结论，导致不能密封的原因是密封筒出现损伤或者大面积的腐蚀，在现有的的技术条件下只能采取再次更换密封筒的方法解决问题，为此，研制一种新型的插入密封，在不需要更换受损或者腐蚀的密封筒的情况下，能够对插入密封实现密封，可大幅减少作业成本，减少停机检修的时间。通过分析各种井下工具的工作原理，发现实现密封的方式有多种，各有各的密封条件，其中采用密封模块或者采用密封圈的方式，要求具有较高表面质量的配合面，采用密封胶筒则需要施加额外压力，但是对配合的表面质量要求不高，其中封隔器的密封采用密封胶筒的方式进行密封，密封环境是在套管的内壁上，并且套管的内壁光洁度很差。因此，将封隔器的密封形式与插入密封的密封形式相结合进行了特殊插入密封的设计。

1新型插入密封的原理

普通的插入密封如图1所示，是通过密封模块与密封筒内径之间的过盈量来实现密封的，其前提是：

(1) 密封筒内孔具有较高的表面质量，在加工时需要绗磨或者滚压以达到0.8的光洁度，不得出现任何的损伤或者腐蚀。

(2) 密封模块的过盈量要控制到一定的范围，不能太大，如若密封模块过盈量大，在插入密封时，会出现划伤，过小则无法实现密封。

这种结构形式就意味着只要密封筒出现损伤或者腐蚀便无法实现密封，只能更换密封筒。

图1　普通插入密封与密封筒组合的示意图

普通插入密封对橡胶的要求较高，具体要求如下：

(1) 橡胶材料为氢化丁氰橡胶(HBR)；

(2) 橡胶耐温要求较高，一般非高温井要求耐温120℃，高温井要求耐温200℃以上；

(3) 橡胶硬度要求在邵氏90°；

(4) 橡胶要求具有良好的耐磨性能；

(5) 橡胶与金属支撑架之间需要较强的粘合力。

依据上述要求，对橡胶的混炼以及把橡胶硫化到金属支撑环的硫化工艺要求很高，目前我国的橡胶混炼的技术以及硫化工艺水平一般，试制的密封模块主要存在橡胶耐磨性能不好以及橡胶与金属支撑环之间的粘合力不够等问题，在井下使用时出现橡胶脱离的现象，造成无法实现密封的后果，因此密封模块仍然依赖进口。

普通插入密封的优点在于结构简单，便于操作，因此，目前插入密封仍然使用普通插入密封的结构形式。

在完井过程中需要在管柱内实现密封的工具有很多，井下封隔器、桥塞等工具都是需要在井下管柱内实现坐封，它们都具有一个共同点：管柱的内壁光洁度不高。井下封隔器以及桥塞的坐封原里如图2所示。

图2　桥塞结构示意图

桥塞的坐封是通过液压推动上下锥体的移动挤压来实现密封，那就对管柱内壁的表面质量要求不高。

通过上述分析，将封隔器或者桥塞的工作原理与普通插入密封的原理相结合，使新型插入密封具有普通插入密封的快捷操作性，又具有良好的密封性能。

在修井过程中，并不是每一口井都需要更换密封筒，也不可能先取出密封筒进行检查，因此设计的新型插入密封具有普通插入密封的功能，在作业时，不管密封筒是否损伤或者腐蚀，只需将要更换的插入密封更换为新型插入密封，然后进行打压验封工作。如果没有出现泄露，验封成功，说明密封筒未出现损伤或者腐蚀；如果出现泄露，验封失败，但是也不需要将新型插入密封取出，只需要向携带插入密封的管柱内投入可溶解球，然后打压，通过第二种坐封方式将胶筒挤压实现坐封，然后在验封即可。

2新型插入密封的设计

2.1结构形式的设计

根据上述制定的设计原理，可将新型的插入密封设计为如图3所示的结构。

图3　新型插入密封的三维设计图

2.2新型插入密封的工作原理及过程

下入新型插入密封后，如果验封成功，说明密封模块与密封筒之间能实现良好的密封，就无需再进行后续的动作，只需要按照修井的工作计划，进行下一步的工作，如果无法实现坐封，那么从携带管柱内孔中投入可溶解球(在新型插入密封下端连接有球座)，然后从内孔打压，压力从本体上的传压孔传递到上推筒，推动锁环与下推筒向下移动至定位螺栓，挤压胶筒，从而实现坐封。完成后泄压，再次注入溶解液，溶解球即可实现溶解，作业完成。锁环结构如图4所示，具有止回的特性，在泄压后，胶筒保持挤压状态。

图4　锁环示意图

2.3新型插入密封材料的的选择

(1) 该插入密封的密封模块可采用普通插入密封的密封模块的形式，同时对国外进口的密封模块进行分析，包括橡胶组分以及力学性能分析，与国内的知名橡胶研究所进行合作，制定了合理的橡胶混炼工艺和硫化工艺，经过反复的耐温试验、油浸试验、水浸试验以及撕裂拉拔试验，最终取得突破，完成合格的密封模块的制作。

密封胶筒的选择可参照封隔器或者桥塞的胶筒进行选择。目前我国在封隔器的研发中已经取得了较大的进步，国产封隔器已经是完井工具中的成熟产品，其胶筒的制作工艺已相当成熟。

(2) 插入密封本体、锥体以及推筒的材料与普通插入密封的材料一致，在普通的油井或者注水井使用时，采用4145H，其具有较强的韧性与较高的强度，完全能满足需求，如果在防腐井中使用，材料则根据井中腐蚀介质的组分而定，主要是CO2和H2S两种介质，材料一般在13Cr和3Cr两种材料之间选择。

(3) 锁环即要求较高的弹性又要有一定的强度，在一般井中使用时，材料可以选择5CrNiMo或者4145H，在使用过程中，由于锁环要求紧锁在本体上，那么锁环在加工完成之后，应该向内收缩，而不是向外张开，这就要求具有先进的热处理工艺。在防腐井中使用时，材料只能采用13Cr或者3Cr。目前我国在材料方面取得了较好的发展，热处理工艺方面有了长足的进步，完全可以满足需求。

(4) 定位螺栓以及安全螺栓，经过计算，采用42CrMo调质钢即可满足需求。

3新型插入密封设计的可加工性

新型插入密封设计装配总长800 mm，这就意味着零件长度最长不超过800 mm，在加工长度上没有任何问题。其设计通径以及最大外径与普通的插入密封相同，这就意味着设计空间有限，每件零件的壁厚较薄，在加工过程中容易出现变形，变形的形式一般表现为出现椭圆的现象。在完井工具的设计当中，可以通过设计加工胎具或者改变加工工艺等手段来解决，设计具有较强的可加工性。

其中最难做的零件是便是锁环，图5为锁环加工示意图。

图5　锁环加工示意图

从图5中可以看出，整个锁环壁厚只有6 mm，在加工完内外螺纹后，只有1.5 mm厚，因此，工件在加工完成后将会出现椭圆、扭矩等问题，如何解决这些问题将成为关键因素。

(1) 从加工工艺上进行调整

(a) 热处理前留量粗加工时，增加留量，一般工件内外径各留量2 mm，该工件的留量至少增加到5 mm，从而保证热处理过程中不会出现变形。热处理的淬透深度可达30 mm，单边留量5 mm。

(b) 锁环外径上的螺纹螺距较大，在加工过程中其所承受的切削力较大，为此采用先加工精车外径、加工外螺纹，最后精车内径、加工内螺纹的方式来保证在加工过程中不会出现因为切削力的原因而造成的椭圆变形。

(c) 在加工过程中，由于工件本身具有较小的壁厚，因此会出现由于车床的夹持而造成变形。该问题的解决方式主要是采用设计加工胎具，通过对锁环尺寸的分析，其胎具将设计成两部分，在加工外径以及车外螺纹时，设计一套内径支撑架，装夹在内径上，从而提供足够的支撑力来抵消夹持以及切削带来的力。在加工内径以及内螺纹时设计一个外卡套，从而保证在夹持时抵消夹持力以及切削力。

(2) 从热处理工艺方面进行调整

在工件加工完成之后出现扭曲的原因在于工件在流量粗车热处理后再工件内部存有较大的方向不定的内应力，因此只有消除内应力或者控制热处理的工艺来达到较小的内应力，才能解决扭曲变形。

(a) 在热处理后对工件进行抛光处理，消除内应力，但是这个方案具有一个前提就是留有足够大的加工余量，从而保证能够抵消由于内应力的消失而造成的变形量。

(b) 制定合理的热处理工艺，从温度、淬火介质、冷却温度、冷却方式以及冷却介质等方面严格的控制，从而减小热处理过程中带来的内应力。

(c) 采用将两者进行组合的方式。

4结论

该新型插入密封将两种不同的密封形式合理的结合起来，使得所设计的新型插入密封具有两种密封的特性，从而使新型插入密封可适应两种不同的密封环境(具有高表面质量的配合面和配合面表面质量差的环境)，完全解决修井过程中因密封损伤或腐蚀而需要更换带来的巨大的修井成本和长时间停机检修的问题，工作过程简单，设计具有很高的可加工性，因此该型插入密封会在修井作业中得到推广，大幅度地降低因更换密封筒而带来的长时间停产检修时间，降低检修成本。

参考文献

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[2]闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]郑峰.常用金属材料手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]API-11D1.石油和天然气工业-井下设备-封隔器和桥塞[S].2002.

The Research of a New Kind of the Insert Seal

LI Shu-tao1， ZHOU Yun2

(1.Equipment and Technical Limited Company, Energy Technical CNOOC, Tianjin 300452, China；2.Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract：with the current development of oil production, the number and frequency of workover is steadily on the increase. During the workover process, it is necessary to replace the inserted seals, but a large proportion of new seals are invalid after the replacement. By taking out the tubular column, is discovered that the sealing tube are damaged or corroded. The sealing tube has to be changed, but it will lead to production stopping, cost increasing and time expanding. It will be needed to design a kind of inserted seals which can achieve sealing effect without changing sealing tube, then reduce operating costs and improve operational efficiency.

Keywords：workover； sealing tube； production stopping； new kind of seal

中图分类号:TG722

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2016)02-0096-05

作者简介：李淑涛(1980-)，男，工程师。

收稿日期：2016-01-15