封隔器胶筒高温密封性能实验装置

张 瑾，李 风，郭志永，冷传基，叶凯旋

（1.中国石化胜利油田技术检测中心，山东东营 257000；2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 266580）

1 概述

封隔器的关键元件是具有密封能力的胶筒，胶筒的高温力学性能是影响其密封能力的主要因素。胶筒通常由高分子橡胶制成，随着环境温度的升高，橡胶材料的力学性能受到影响，导致其密封失效。在高温下，胶筒密封性的失效将直接导致开发作业的失败，最终影响油田的高效安全生产。因此，研制一套封隔器高温性能实验装置，检测封隔器的井下高温密封性能，杜绝不合格封隔器下井显得尤为必要。

本文设计的封隔器胶筒高温密封性能实验装置主要由实验筒、加热系统、温控系统、液压动力源、水压系统五个部分组成。其中，实验筒是用于实现胶筒座封、密封的密闭圆形柱体。实验筒带芯轴，用于模拟井下工具中心管。加热系统是该装置的重要构成，主要用于提供实验所需的环境状况，具有能耗低、热效率高的特点。温控系统用于实验过程中温度的控制，具有良好的稳定性、准确度及灵敏性，能保证在实验过程中（不小于16h）温度偏差不超过设计值的±5%。液压动力源主要用于压缩胶筒的动作实现，能提供100kN 以上的压缩力。水压系统主要用于实验过程中的压力实现，具有稳定度高的特点，同时设置有节流阀，用于实验压力的保持。该测试系统经济安全、操作简单、易于维护，具有一定的实际工程应用价值。

2 结构组成

2.1 实验井筒设计

实验井筒主要模拟封隔器现场使用状态，可实现加热、耐压等功能，是装置构成中最重要的部分。由于胶筒具有两种不同的座封方式，因此实验井筒需要两种型式。本文对每种型式均单独进行了设计。

扩张式胶筒设计通过试压泵打额定压力后坐封，如图1a所示。该型号井筒需内置带水眼的心轴，用于模拟封隔器中心管。同时，为便于胶筒的安装，心轴采取组合方式。心轴上部带针型阀，当升压至规定压力时，可关闭手动针型阀，来实现内压稳定在额定工作压力。井筒各连接处采用快装接头，便于实验过程中的流程变更。为观察样品实验效果，该井筒上、下部均设置出水口，如果胶筒密封不严将有水漏出。井壁采用双层夹心设计，夹层中空，内置导热油，用于温度的传递。井壁外侧缠绕电阻带，用于实验过程中的加热。该井筒下部设置温控传感器孔，将传感器置于夹层处，用于测量实验温度。为提高热效率，防止热量损失，电阻带外用石棉进行包裹。

压缩式胶筒设计通过液压缸施加一定载荷进行坐封，如图1b 所示。压缩式胶筒的内置心轴无注水眼。其心轴下部设计有挡板，用于推动心轴上行。该井筒上部设计有限位环，当心轴上行过程中，上部限位环阻挡胶筒上行，从而产生座封用的压缩力。实验时，由下接头加油压，活塞上行推动整个工装上行，胶筒被垫环阻挡无法上行，因此可以实现胶筒涨封在套管内壁，完成坐封。井筒上部设手动锁紧帽，座封后，锁紧上部锁紧环，可以实现泄去油泵油压后装置还能保持初始压力。井筒为双层夹心设计，内置导热油，外壁缠绕电阻带，并用石棉进行包裹，防止热量损失。连接部位采用快装接头，同时，由于心轴挡板的限制，仅在井筒下部设测温孔及出水口，用于观测实验过程及温度补偿。实验时需将样品取出倒装从而达到双向实验的目的。

图1 扩张式胶筒（a）与压缩式胶筒（b）

2.2 加热装置设计

目前，封隔器的常用加热方式主要包括外部循环加热、电热元件直接加热和空气加热。外部循环加热主要以导热油循环加热为主。该技术成熟可靠，应用范围广，但检测成本高，能耗高，加热速度慢，占用面积大，需单独的加热器不停地对整筒导热油进行加热，同时，在管线输送过程中存在热量损失，且长时间使用，存在着接头泄漏，污染环境的问题。电热元件直接加热通常包括电阻加热和电磁加热两种方式。此方式不需要导热介质，此方式井筒外壁需缠绕相应的电阻带或电磁加热线圈，通过对井筒的直接加热，以满足工作需要，具有加热速度快，易于维护，不存在环境污染的问题。但是由于电阻缠绕不均匀或线圈购置不合理等问题，容易产生加热不均匀的现象，同时电热元件损坏率较高，且裸露于空气中，热损耗大，能耗高。空气加热与油浸加热方式类似，只是将导热油换成热空气。相对油加热方式，空气加热具有能耗低、环保的特点。然而，该方式由于加热介质为空气，预热体积变化大，存在一定的安全隐患。

分析以上各加热方式的优缺点，考虑到成本、占地面积和操作方便等原因，本装置将电阻带加热和导热油加热相结合，实现加热温度的精准控制。

2.3 温控设计

采用电阻和导热油的加热方式设计，只要能控制电加热带的温度即可实现整套装置的温度控制。由于该装置其余动作功能均单独进行实现，因此，温度控制系统的选择主要考虑简单、可靠、耐用三个方面。数显调节仪温度值用高亮度的数码管显示，清晰明亮；精度高，可达0.5%等级的精度；没有动圈和指针，因此具有较强的抗震性；无视差可远距离观察；具有可控硅调节。因此，最终采用价格较低、操控方便的数显调节仪来实现整个装置的加热、恒温的操作。

2.4 液压加载设计

液压加载系统主要用于压缩胶筒的坐封需求。因为扩张式封隔器胶筒是采用内部打压实现坐封，而压缩式封隔器胶筒需要液压进行加载坐封。载荷一般在80kN-100kN 即可满足实验要求。因此，配备一套液压源主要是用于给压缩式封隔器胶筒施加坐封载荷。经过多方比较，最终选择东营华能气动液压有限公司生产的液压泵，油压最大为40MPa。通过操作手柄进行加载、稳压、卸载等功能。在加载过程中通过调节手轮实现稳压。

2.5 水压系统设计

水压系统主要有个功能，一方面用于扩张式胶筒的坐封需求，另一方面用于坐封后胶筒的环空密封压力实验。对装置的选择主要考虑压力范围、设备稳定性、可靠性等。该检测系统最终确定选用上海恒舟机械设备有限公司生产的电动试压泵。

2.6 整体结构

出于操作便利的考虑，应合理设计整个装置的高度。扩张式封隔器通常装配1个胶筒，压缩式通常装配3个胶筒。通过对胶筒高度进行了测量，扩张式封隔件高450mm，加上两端工装总长为700mm。因此设计扩张式筒高为800mm。压缩式封隔件高80mm×80mm×70mm，中间垫环为12mm×2mm，总长为254mm，加上压缩距离为100mm。因此，最终确定井筒高度为400mm，液压油缸为600mm（包括底座）。可进行1个扩张式胶筒和3个压缩式胶筒的检测，满足实际需求，且装置高度较低，便于人员操作。

该测试系统包括一个水压泵（0～60MPa），一个油泵（0～30t），两套实验工装（工装已加满导热硅油和缠好的电热带），一套加热和温控装置，如图2所示。

图2 测试装置总图

3 检测效果验证

3.1 实验要求

压缩式胶筒实验前必须在室温（18～28 ℃）下停放4h 以上。密封性能实验时，胶筒座封后，在胶筒的上、下两端依次加压至规定的工作压差，每次稳压5min，不串、不漏为密封，然后解封并更换介质，升温至规定的实验温度（工作温度在100 ℃以下者，实验温度比工作温度高20 ℃；工作温度在100℃以上者，工作温度即为实验温度）后，再恒温30min，以规定的坐封力使胶筒再次座封。疲劳性能实验时，从套管一端加工作压差，稳压4h 后，放掉套管压力至零，再从另一端加工作压差，仍稳压4h，如此两端各承压一次，即为一次疲劳，需进行2次疲劳。

扩张式胶筒实验前也要在室温（18-28 ℃）下停放4h 以上。扩张性能实验时，以小排量由中心孔管加压，当胶筒外径扩张至规定外径时，记录其扩张压力。耐压性能实验时，将套管短节端正地套在封隔器上，由中心管内加工作压差，稳压3min，放压，取下套管，测量胶筒肩部的最大突出长度。疲劳性能实验时，胶筒经扩张和耐压后，端正地套上套管短节每次从套管一端加工作压差，稳压4h 后，放掉套管压力至零，再从另一端加工作压差，仍稳压4h，如此两端各承压一次，即为一次疲劳，需进行2次疲劳。

3.2 实验过程及结果

（1）将胶筒试样在室温（18 ℃-28 ℃）下停放4h；

（2）安装实验胶筒，将胶筒放置于实验筒内；

（3）坐封完成后，连接加热装置，进行升温至120 ℃恒温；

（4）升温完成后由上部打压至一定压力，稳压4h；

（5）观察下部出水口是否渗漏，以判断封隔器胶筒是否符合实验要求。

对于扩张式封隔器，中心管压力24MPa，环空压力20MPa，实验温度120 ℃，稳压4h，整个实验过程中压力、温度均较为稳定。结果表明，井筒下端出水口无水滴渗出，说明胶筒120 ℃条件下高温密封性能合格。

对于压缩式封隔器，升温完成后由上部打压至8MPa，稳压4h。结果表明，温度波动在2℃以内，下部出水口无渗漏，该装置能用于胶筒的高温性能实验。

4 结束语

首次提出了一套封隔器胶筒高温密封性能实验装置，装置的加热采用了电阻带结合导热油的方式，具有升温速度快，温度分布均匀的特点。利用数显调节仪控制温度，操作简单易行，费用低廉，可满足使用需求。利用机械原理对胶筒的上行空间进行限制，避免了油泵的长期工作，载荷稳定。然而，装置自动化程度较低，操作过程中需花费大量的人力物力。因此，智能化是提升该装备使用价值的关键。