封隔器膠筒密封性能測(cè)試系統(tǒng)研究

于桂杰，趙超超，林明群

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580）

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封隔器膠筒密封性能測(cè)試系統(tǒng)研究

于桂杰，趙超超，林明群

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580）

摘要：針對(duì)封隔器膠筒密封性能的測(cè)試，設(shè)計(jì)了一套高溫高壓測(cè)試系統(tǒng)。介紹了測(cè)試系統(tǒng)的基本組成和工作過(guò)程，開(kāi)發(fā)了基于PLC的自動(dòng)化控制程序，以Lab VIE W為測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成了封隔器坐封時(shí)膠筒與套管接觸應(yīng)力、軸向位移、上下壓差隨時(shí)間波動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：通過(guò)本測(cè)試系統(tǒng)可以獲得封隔器膠筒相關(guān)密封性能參數(shù)。

關(guān)鍵詞：封隔器；膠筒；高溫高壓；試驗(yàn)裝置

封隔器是石油勘探開(kāi)發(fā)中重要的井下工具，廣泛應(yīng)用于鉆井、注水、卡堵水、分層采油等工藝技術(shù)中。封隔器所具備的功能主要靠彈性密封元件的密封作用來(lái)實(shí)現(xiàn)［1］。對(duì)于采用膠筒作為彈性密封元件的封隔器，膠筒的密封性能是判斷其工作好壞的關(guān)鍵，且隨著油藏開(kāi)發(fā)深度不斷加深，要求現(xiàn)場(chǎng)使用的封隔器在高溫高壓下具有更好的密封性能［2］。因此，對(duì)封隔器在高溫高壓條件下的密封性能進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，檢測(cè)并驗(yàn)證其各項(xiàng)指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)于優(yōu)化封隔器的設(shè)計(jì)、提高現(xiàn)場(chǎng)使用成功率有重要的意義。

1 測(cè)試系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)架、液壓控制系統(tǒng)、高壓油水氣站［3］、加熱裝置、測(cè)控系統(tǒng)。該套測(cè)試系統(tǒng)能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)井下載荷、溫度、壓力等工況，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)組成

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

1—加載液壓缸；2—位移傳感器；3—螺母；4—螺栓；5—密封頭；6—加壓管線；7—筒體；8—保溫層；9—套管；10—套管；11—端蓋；12—密封圈；13—活塞桿；14—活塞；15—輔助液壓缸；16—底座；17—熱電偶；18—熱循環(huán)管線；19—中心管；20—加載短節(jié)。圖2 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)臺(tái)架主要由液壓缸、筒體、密封頭、中心管、套管、保溫層、加載短節(jié)等組成，能為試驗(yàn)提供所需的密封條件，并具備保溫功能，臥式結(jié)構(gòu)使膠筒的安裝更加方便快捷。加載液壓缸提供100 k N的壓力和50 k N的拉力，完成坐封與解封動(dòng)作，輔助液壓缸在另一端起到夾緊固定作用，必要時(shí)能實(shí)現(xiàn)雙向加載。加壓管線、熱循環(huán)管線分別與加壓系統(tǒng)和空氣加熱設(shè)備相接通，接觸應(yīng)力采集是試驗(yàn)的重點(diǎn)。本方案［4］是在膠筒對(duì)應(yīng)的套管位置圓周方向上均勻安裝5個(gè)、軸向8組、總共40個(gè)壓力傳感器，以完成信號(hào)的采集。在合適的位置（如圖2所示）安裝熱電偶、位移傳感器、壓力傳感器，并與測(cè)控系統(tǒng)相連接，完成溫度、位移、壓力信號(hào)的采集。

1.2 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)包括加載控制回路和加壓控制回路。加載控制回路完成對(duì)加載裝置的精確控制，提供所需的壓力和拉力；加壓控制回路可獨(dú)立控制膠筒兩端的壓力，模擬井下復(fù)雜的壓力條件［5］。采用恒壓電液比例控制回路［6］，滿足系統(tǒng)對(duì)加載、加壓過(guò)程中的壓力要求。

1.3 高壓油水氣站

高壓油水氣站為測(cè)試系統(tǒng)提供所需的試驗(yàn)液和氣源，包括高壓油水站和高壓氣站，經(jīng)液壓回路提供最高200MPa的液壓和100MPa的氣壓。

1.4 加熱系統(tǒng)

加熱裝置為試驗(yàn)提供所需的高溫條件。采用熱空氣加熱的方法［7］，即利用加熱爐加熱空氣，再通過(guò)高溫通風(fēng)機(jī)將熱空氣輸送到試驗(yàn)井筒和套管之間的環(huán)形空間，可逆時(shí)針強(qiáng)制循環(huán)加熱試驗(yàn)井筒內(nèi)的試驗(yàn)液。通過(guò)放置在試驗(yàn)井筒內(nèi)的熱電偶傳感器以及配套的測(cè)控系統(tǒng)，控制試驗(yàn)液溫度達(dá)到規(guī)定要求。溫度調(diào)節(jié)為0～200℃。

1.5 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整套系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，并及時(shí)保存以便后續(xù)分析處理。在測(cè)控系統(tǒng)中，PLC作為下位機(jī)完成液壓系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)的各種邏輯控制。運(yùn)用Lab VIE W開(kāi)發(fā)的上機(jī)位控制程序提供良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與保存等功能。

2 工作過(guò)程

1） 安裝階段。端蓋、密封頭安裝在輔助液壓缸的活塞桿上，膠筒安裝在中心管上，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，活塞桿伸入筒體內(nèi)，到達(dá)指定位置后切換至夾緊回路，用螺栓、螺母將端蓋與筒體進(jìn)行可靠連接，啟動(dòng)灌注泵向筒體內(nèi)注入液體，直至充滿。

2） 加熱階段。啟動(dòng)加熱裝置，設(shè)定加熱溫度，待溫度達(dá)到設(shè)定的溫度并穩(wěn)定一段時(shí)間。

3） 坐封階段。給定加載力，啟動(dòng)液壓回路，推動(dòng)活塞通過(guò)活塞桿通過(guò)加載短節(jié)給膠筒加載。坐封穩(wěn)定后，液壓回路切換到保壓狀態(tài)。

4） 加壓階段。開(kāi)啟高壓油氣水站，根據(jù)設(shè)定的壓差向膠筒兩端加壓。

5） 數(shù)據(jù)采集階段。與封隔器膠筒接觸的壓力傳感器實(shí)時(shí)采集接觸應(yīng)力；膠筒密封兩端的壓力傳感器采集到膠筒兩端的上下壓力，對(duì)比得出壓力的波動(dòng)范圍；位移傳感器采集到膠筒的軸向位移。

6） 泄壓階段。高壓油水氣站將膠筒密封兩端的液體排出，卸掉兩端的壓力。

7） 解封階段。液壓回路切換至卸荷回路，加載桿收縮，膠筒彈回。

8） 拆卸階段。筒體內(nèi)的液體經(jīng)加壓管線排出，待筒體內(nèi)溫度冷卻至合適溫度，卸下螺栓、螺母，啟動(dòng)輔助液壓缸，活塞桿縮回，膠筒、中心管隨之取出，測(cè)試結(jié)束。

3 基于PLC的自動(dòng)化控制程序開(kāi)發(fā)

3.1 總體方案

針對(duì)本測(cè)試系統(tǒng)中的液壓控制系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，選用西門(mén)子公司的S7-200系列PLC開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的控制程序。

3.2 液壓系統(tǒng)控制程序

將PLC應(yīng)用到液壓系統(tǒng)能較好地滿足控制系統(tǒng)的要求，并且測(cè)試精確，運(yùn)行高速、可靠，生產(chǎn)效率高，設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)。液壓系統(tǒng)控制程序采用S7-200 C P U 226 PLC作為控制系統(tǒng)的主模板。系統(tǒng)共需19個(gè)輸入端子、15個(gè)輸出端子。把T P170 A觸摸屏式人機(jī)界面用在控制系統(tǒng)中，觸摸屏分別為加載和加壓系統(tǒng)提供“壓力設(shè)定”“速度設(shè)定”共4個(gè)觸摸式按鈕。液壓回路中的控制閥先導(dǎo)比例電磁閥、速度控制閥通過(guò)E M 235模擬量輸入/輸出模塊連接到主模塊上。PLC控制外部接線圖如圖3所示。

圖3　液壓系統(tǒng)PL C控制外部接線圖

3.3 加熱系統(tǒng)控制

對(duì)于溫度等一些重要的被控參數(shù)，基于PLC的控制程序能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的控制。因此，加熱控制系統(tǒng)選用西門(mén)子公司的S7-200 C P U 224作為主模板［8］，控制系統(tǒng)共需7個(gè)輸入端子、8個(gè)輸出端子。采用雙晶閘管控制加熱系統(tǒng)［9］，通過(guò)模擬量輸入/輸出模塊E M 231和E M 232連接到主模板。T P170 A觸摸屏式人機(jī)界面為加熱系統(tǒng)提供“實(shí)時(shí)溫度”顯示界面和“溫度設(shè)定”等觸摸式按鈕。PLC控制外部接線圖如圖4所示。

圖4　加熱系統(tǒng)PL C控制外部接線圖

4 基于Lab VIE W的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

4.1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是指從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部的過(guò)程。基于Lab VIE W的數(shù)據(jù)采集可分為硬件和軟件2部分［10］。系統(tǒng)硬件部分包括傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡；軟件部分包括驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件。

4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成40路接觸應(yīng)力信號(hào)、2路壓力信號(hào)、1路位移信號(hào)的采集任務(wù)。采用S Y C-100膜片式石英壓力傳感器采集接觸應(yīng)力信號(hào)，S Y C-2000傳感器采集膠筒兩端的壓力信號(hào)，O D V激光位移傳感器采集位移信號(hào)。所選用的傳感器主要參數(shù)如表1所示。

鑒于P CI總線具有系統(tǒng)穩(wěn)定、傳輸速率高、C P U占用率小等優(yōu)點(diǎn)，采集系統(tǒng)選用NI公司的P CI系列數(shù)據(jù)采集卡作為硬件資源。P CI-6225負(fù)責(zé)采集接觸應(yīng)力信號(hào)，具有80路單端/40路差分模擬輸入，16位模擬輸入/輸出分辨率，輸入范圍－10～10 V。P CI-6220負(fù)責(zé)采集位移、壓強(qiáng)、溫度信號(hào)，具有16路單端/8路差分模擬輸入，16位模擬輸入/輸出分辨率。信號(hào)調(diào)理設(shè)備選用信號(hào)調(diào)理器NI SC XI-1102，其具有低通濾波、冷端補(bǔ)償?shù)裙δ?，并且增益可調(diào)。

表1　所選傳感器的主要參數(shù)

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件模塊分為信號(hào)獲取、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。信號(hào)的獲取采用Lab VIE W提供的D A Q助手工具，對(duì)測(cè)試任務(wù)、采集通道參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)了調(diào)理，在程序中要進(jìn)行處理還原信號(hào)。為了能實(shí)時(shí)觀測(cè)到采集的信號(hào)，利用波形圖表以曲線的形式實(shí)時(shí)連續(xù)地顯示信號(hào)。

最終采集的信號(hào)以Excel表格的形式保存在用戶指定的目錄文件下，程序的前面版和后面版如圖5～6所示。程序每運(yùn)行1個(gè)循環(huán)保存1次數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析處理。

圖5　數(shù)據(jù)采集程序前面板

圖6　數(shù)據(jù)采集程序后面板

5 結(jié)論

1） 本試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)得復(fù)雜條件下接觸應(yīng)力分布、軸向位移、壓差隨時(shí)間的變化，為綜合評(píng)價(jià)封隔器的密封性能提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為封隔器的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，可縮短研發(fā)周期、提高效率。

2） 選用的壓力傳感器、位移傳感器的精度、靈敏度、分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集卡及信號(hào)處理設(shè)備性能優(yōu)越，保證了測(cè)試的準(zhǔn)確可靠。

3） 虛擬儀器的人機(jī)界面友好，編程便捷、直觀，PLC現(xiàn)場(chǎng)控制可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，通信能力強(qiáng)。將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中能更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

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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

作者簡(jiǎn)介：于桂杰（1962-），男，山東招遠(yuǎn)人，教授，主要從事機(jī)械工程、機(jī)械強(qiáng)度及可靠性、油氣管柱力學(xué)教學(xué)和研究工作，E-mail：yuguijie @ upc.edu.cn。

收稿日期：2015-07-24

文章編號(hào)：1001-3482（2016）01-0028-04

中圖分類號(hào)：T E931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.007