耐高温高压复合保温管研究

罗光强， 周 策， 刘一民， 韩 锐

(1.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734； 2.中国地质调查局地质灾害防治技术中心,四川 成都 611734； 3.安徽万瑞冷电科技有限公司，安徽 合肥 230088)

钻孔测量技术是地质勘查关键技术之一，在我国地质调查和国民经济其他领域有着广泛的应用前景。为实现国家新能源开发的战略目标，以超高温大深度钻孔测量为目标，解决超高温大深度地层耐高温高压环境测量问题，研究一套适用于超高温大深度井的钻孔测量，实现270 ℃高温、120 MPa压力环境条件下的耐高温高压复合保温管装置，解决高温高压环境下钻孔测量的恶劣环境难题[1-5]。

1 耐高温高压复合保温管基本构成

耐高温高压复合保温外管主要由复合承压管、金属保温瓶和全氟密封圈组成。复合承压管主要包括承压管体、密封堵头、打捞头、导向装置；金属保温瓶主要包括瓶体、压盖、堵头隔热管、上吸热体、下吸热体、减震装置。采用真空绝热保温、内部温升吸热控制、耐高温高压密封和承压外管抗压减震导正等关键技术，实现耐温270 ℃、耐压120 MPa的功能。

耐高温高压复合保温管基本构成如图1所示。

1.1 复合承压管设计

复合承压管的作用是能耐压120 MPa，保护仪器，其耐压由承压管体和密封堵头通过两道径向密封来完成。承压管耐压指标为120 MPa，属于超高压应用环境，对承压外管的耐水压强度要求比较高。但由于受钻井直径影响，承压外管的外径确定为73 mm，而其内径受到内部测斜探管和保温管的影响，尺寸不得小于60 mm，由此留给承压管的壁厚空间仅有6.5 mm，不能依靠承压管壁厚的增加来提高其耐水压能力，只能依靠承压管材料本身的强度增加来满足其耐压能力。

测井仪器用承压外管常用材料有不锈钢0Cr18Ni9(304)、沉淀硬化型不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)、钛合金TC4、TC11等[6]，其机械及力学性能如表1所示。

表1 材料机械性能比较

注：17-4PH热处理状态：1040 ℃水或空冷，480 ℃回火4 h空冷(H1025)。

通过上述承压管壁厚条件和上述材料的强度，进行了初步的强度校核，其压力校验计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：σmax——承压管材料屈服强度，MPa；D——承压管外径，mm；d——承压管内径，mm；P——承受外压，MPa；n——安全系数，值为1.2～1.5，一般取1.3。

经过计算，承压管的屈服强度为832.70 N/mm2。比较上述几种材料屈服强度，可以得出材料304的屈服强度太小，承压达不到要求，钛合金和沉淀不锈钢承压方面都可以满足要求。经过材料成本、加工性能以及强度等方面的综合比较，最终选择了强度更高的17-4PH作为承压管的加工材料。

1.2 金属保温瓶设计

金属保温瓶的作用是减少来自外部的热传导和吸收内部机芯热量，以确保其内部温度在仪器工作的允许温度范围内，主要是通过真空绝热保温、内部温升吸热体控制实现。

金属保温瓶之所以可以长时间耐高温，主要依赖两个方面：一是良好的绝热性能，真空绝热保温技术；二是吸热体的蓄热可以吸收足够的蓄热量。

金属保温瓶主要由保温瓶体、压盖、堵头、隔热管、上吸热体、下吸热体、减震装置等组成，这些组件的选材、尺寸设计、安装位置等等都可能影响保温瓶的保温效果。

金属保温瓶瓶体采用类似保温杯的内外壳体材料1Cr18Ni9Ti，该材料热传导系数低〔20 W/(m·K)〕，材料弹性模量较高(286000 MPa)，且材料采用抽真空结构，保温瓶瓶体是保温装置的核心部件，可以保证高温环境下测斜仪正常的基础。吸热体有上、下两部分，主要以石蜡(相变温度60 ℃，密度900 kg/m3)为制作材料，通过固-液相转变，实现吸热过程，其尺寸与选材主要根据测斜仪内部机芯发热情况、持续工作时间与外界环境温度来确定。隔热管选用SiO2纤维增强气凝胶材料，其导热系数较低〔0.017 W/(m·K)〕。

金属保温瓶的漏热主要是通过瓶口的传热，及通过隔热管与管壁之间的传热；蓄热主要是通过固液之间的转换，利用材料的物理性能来储存热量，将保温瓶内的温度控制在一定的范围内，根据计算公式可以确定最优的吸热体尺寸长度。

2 耐高温高压复合保温管密封设计

耐高温承高压密封技术是确保仪器下井不被压坏、不会因密封泄露进水而损坏的关键，主要是通过选用强度较高的材料进行加工、密封的设计以及耐高温密封圈来保证的。

根据流体力学渗流模型，轴向的微小渗漏公式：

(2)

式中：Q——渗漏量；d——管壁内径；h——缝隙的厚度；Δp——缝隙两侧的压力差；μ——泥浆的粘度；L——裂缝缝隙的长度。

根据上述密封性理论与计算，可以采用改变承压探管密封接触面的形状增强其密封性能。将密封接触面设计为双凹槽的密封形式，双凹槽的密封形式可以增加裂缝缝隙的长度L，这样可以显著降低渗漏量Q，如图2所示。

图2 双凹槽的密封形式

双凹槽的密封形式不仅能增强密封处的机械强度，还可以通过两道密封圈进行自补偿，但其对管体与端头的加工精度要求较高。在严格密封沟槽设计的同时，也通过减少密封环节来进一步提高密封的可靠性，承压管按照常规一般是用管材进行加工，管子为通管，至少有2处需要密封，本仪器的承压管设计为盲管，只有1端需要密封，加工采用的是棒料镗孔的方式，由于长度较长，其加工难度有所增加，但密封的可靠性有所提高。

同时，为了减少因机械加工时的精度误差、长时间工作磨损导致密封接触面的破坏对仪器整机密封效果的影响，本仪器系统采用了2种外部辅助措施来提高仪器系统的密封性能和安全系数。

(1)在密封接触面加装O形橡胶密封圈，它具有良好的变形性能，在一定压力下能补偿间隙。密封圈的材料有天然橡胶、丁苯橡胶、氟橡胶和全氟橡胶等等，不同的材质有着不同的温度极限和物理性能[7]，见表2。

表2 橡胶密封圈的性能比较

从表2可以看出全氟橡胶耐温可以到达要求，全氟橡胶具有工作温度范围大、耐腐蚀、弹性好、抗撕裂力强、结构性能具有可设计性等特点，全氟橡胶密封圈可以弥补承压探管的加工精度、拧卸磨损、其他外力破坏等因素造成的泄露，提高承压探管密封的安全性能。因此，设计在承压的密封双凹槽面上加设两道全氟橡胶O形密封圈，可以显著提高密封接触面的密封效果[8]。

(2)2种材料的膨胀实现自密封，承压外管的密封部件由承压管体与密封堵头组成，二者通过一定的预紧力扭紧实现密封。由于环境温度高达270 ℃，可以利用不同材料之间的热膨胀差异实现自密封的效果。黄铜与17-4PH沉淀型硬化型不锈钢的线膨胀系统如表3所示。

表3 2种材料的线膨胀系数比较

17-4PH沉淀型硬化型不锈钢作为承压管体的材料，选用黄铜作为密封堵头的材料，承压管体的线膨胀系数略小于黄铜的热膨胀系数，在相同温度变化下，密封堵头的热膨胀量会略大于承压管体的热膨胀量，会缩小二者之间的间隙，从而实现材料膨胀自密封功能[9]。单种材料的线膨胀量l与不同材料的热膨胀量的差值Δl计算公式为：

(3)

当仪器下放到温度为270 ℃的工作区域时，与地表温度温差Δt为245 ℃(假设地表温度为25 ℃)，本设计中承压外管长度l0为2680 mm，通过上式计算得到Δl=2.54 mm，外管半径变化量Δr=Δl/2π=0.404 mm。

3 室内测试与现场应用

3.1 室内测试

3.1.1 高温测试

先将恒温箱加热至270 ℃，然后将编好号的6只保温瓶放入恒温箱中，将温度计放置在保温瓶内，每小时记录一次保温瓶内的温度(见表4)。

表4 金属保温瓶温度试验比较

从表4可以看出，设计的保温瓶满足瓶内温升<80 ℃的要求，满足高温要求。

3.1.2 高压测试

由于测试设备的限制，耐高温高压测试容器的温度只能升温至175 ℃，且高温高压实现风险较高，上面已验证高温性能，下面主要分析耐压性能。将6只耐高温高压复合外管放置在超高压测试容器内，1 h后逐渐加压至140 MPa，稳压2 h，取出复合承压管，试验过程如图3所示。

图3 高压测试过程

取出复合承压外管，6只均无液体渗漏，说明复合承压管可以满足140 MPa的高压要求。

3.2 现场应用

耐高温高压复合保温外管多次应用于不同地区钻井现场测量工作，且采用不同工艺测量，都能正常工作。主要应用在以下现场。

(1)2016年6月应用于北京通州西集1井，井口出水温度92 ℃，采用测井绞车方式测量，仪器入井深度2400 m，仪器测量数据正常。

(2)2017年7月应用于青海共和GR1井，采用钻杆上提下放方式测量，测量至井深3400 m，承压达到43 MPa，井底温度207 ℃，耐温耐压正常。

(3)2017年10月应用于大庆“松科二井”，采用钢丝绳绞车方式测量，测量至井深5800 m，承压达到85 MPa，井底温度177.5 ℃，耐温耐压正常。

另外，还包括2017年11月应用于北京延庆世园会探采1号井、2018年1月应用于云南施甸县契丹文化旅游城地热井，均取得了良好的应用效果。经过多次现场应用与反复改进，复合保温外管也逐步完善，满足现场不同工艺的测试要求。

4 结语

通过270 ℃高温测试、140 MPa高压测试及多次现场应用试验，证明耐高温高压复合保温外管满足超高温高压工作要求，稳定可靠，现场适用性强，可以广泛应用于高温高压地热能、科学钻探、深部矿产资源勘探以及深部油气资源勘探工程的需求，支持国家重要能源资源勘探工作。