適用于高溫高壓實驗倉的分體式穿越密封器設(shè)計

柴彥強，翟婷婷，徐永峰，王云川，蘇煥忠，盛 輝

（1華北油田公司二連分公司2中國石化勝利油田分公司3中國石油大學地球科學與技術(shù)學院·華東）

柴彥強等.適用于高溫高壓實驗倉的分體式穿越密封器設(shè)計.鉆采工藝，2019，42（5）：76-78

油氣開采實驗往往在高溫高壓倉中模擬真實地層環(huán)境，由于高溫高壓倉的密封性要求較高，導致倉內(nèi)外檢測設(shè)備通信不方便。此時需要經(jīng)倉體的穿越密封器采用電纜或外接導線來實現(xiàn)倉內(nèi)外通訊［1-3］。倉體的穿越密封器研究在國內(nèi)外均屬于密封行業(yè)的尖端內(nèi)容，但往往針對的都是水下密封工具或者船舶行業(yè)。這些密封器適用于常溫常壓環(huán)境下的常規(guī)密封，密封可靠性一般，對高溫高壓的耐受性差［4］。天津宏凱華石油設(shè)備制造有限公司曾設(shè)計出一種能夠?qū)㈦娎|從采油井下引出的穿越密封器，然而進一步實驗發(fā)現(xiàn)電纜在高溫環(huán)境下會因為外鎧軟化導致整個密封結(jié)構(gòu)失效，目前并沒有很好的解決辦法［5］。國外類似的穿越密封產(chǎn)品比如航空插頭能夠耐受70 MPa的壓力環(huán)境，但是在高溫環(huán)境下也會因為密封圈失效導致結(jié)構(gòu)失效［6］。

一、傳統(tǒng)倉體穿越密封器

1.國內(nèi)外傳統(tǒng)倉體密封穿越器介紹

倉體穿越密封器是石油化工行業(yè)中常用的倉內(nèi)外通訊器件的核心元件，但是目前常用的穿越密封器都源于船舶工程采用的電纜貫穿密封結(jié)構(gòu)，主要分為填料式密封裝置、模塊式密封裝置、帶焊接填料函穿線管密封裝置、套管式密封裝置、防火毯填充式密封裝置［7-10］。

國外的倉體穿越密封器側(cè)重于將密集信號線采用同一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)穿越密封，代表性的產(chǎn)品就是組合式的航空插頭，一個插頭具有A、B兩端，采用組合對插的方法實現(xiàn)溫度、壓力信號的通訊。此類穿越密封器的密封形式都是采用的傳統(tǒng)“O”型圈密封或者用陶瓷材料作為密封材料進行封堵密封［11-13］。

2.傳統(tǒng)倉體穿越器的不足

倉體穿越密封器是實現(xiàn)倉內(nèi)外通訊的核心設(shè)備，隨著石油化工行業(yè)對模擬環(huán)境的要求越來越高，穿越密封器的工作環(huán)境達到了最高溫度300℃、最高壓力70 MPa，工作環(huán)境對穿越密封器的密封性能造成了嚴峻的考驗。而穿越密封器的密封性能決定了能否精確實現(xiàn)對倉內(nèi)環(huán)境的實時控制，對實驗結(jié)果有著舉足輕重的影響。

目前的倉體穿越密封器，絕大部分研究內(nèi)容和產(chǎn)品設(shè)計都是針對電纜的穿越密封，這就導致產(chǎn)品始終不能突破電纜外皮的材料性能限制，無法獲得突破性的發(fā)展。常規(guī)的電纜外皮塑料材料有聚氯乙烯（PVC），聚乙烯（PE），聚全氟乙丙烯（F46），聚烯烴等，橡膠材料有氯化聚乙烯（CPE），氯磺化聚乙烯（CSM），氯丁橡皮，硅橡膠等，這些材料在高溫高壓環(huán)境下會出現(xiàn)明顯的彈性和塑性變化而導致密封失效［14］。

實際上采集高溫高壓倉內(nèi)某點溫度壓力信號時，往往采用測柱加信號線的組合形式，如果將測柱延伸到倉外就能實現(xiàn)測柱的穿越密封，信號線的材料限制也會被解除，從而實現(xiàn)穩(wěn)定精確的高溫高壓環(huán)境下的倉內(nèi)外通信。

二、新型高溫高壓倉穿越密封器設(shè)計

設(shè)計的高溫高壓倉穿越密封器首先要滿足最高溫度300℃、最高壓力70 MPa的環(huán)境要求；其次，研究的穿越密封器針對的是溫度或壓力測柱的穿越密封，密封主體的變化導致密封器的選材和結(jié)構(gòu)都需要進行相應(yīng)的改進。

1.穿越密封器結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1是新型分體式穿越密封器的結(jié)構(gòu)，該密封器可以視為三個連接件的組合，下端與高壓倉通過螺紋連接，中間段用來壓緊密封墊片，上端用來加強固定效果，三個連接件之間都采用螺紋連接。采用組合墊片密封形式，當壓力傳遞給密封器時不同材料的墊片會發(fā)生不同程度的形變，從而確保了密封器在高溫高壓環(huán)境下的具有良好的密封性。

圖1 新型分體式穿越密封件三維結(jié)構(gòu)圖

底座用于連接高壓倉和密封器，底座的材料硬度較高、形變量較小。在底座和測柱之間采用密封墊片進行第一道密封，密封墊片的材料硬度相比較底座要小。第一道密封墊片在受到高溫高壓的作用后會發(fā)生較大的形變，膨脹擠壓測柱和底座形成密封環(huán)境。但是單一密封墊在實驗中不能完全實現(xiàn)密封，原因是密封墊和底座的形變量差距較大，當密封墊受熱膨脹后會出現(xiàn)縫隙。為此，在密封墊片和壓緊段之間又增加了一個銅墊片結(jié)構(gòu)，銅墊片的硬度介于密封墊片和底座之間，形成一個緩沖區(qū)，保證了密封質(zhì)量。壓緊段和底座通過螺紋連接，保證銅墊片和密封墊片的緊密貼合。為防止測柱被擠出高壓倉外，在壓緊段和壓帽之間增加了一個防轉(zhuǎn)墊片（圖2），該墊片采用摩擦系數(shù)較高的塑料材料制成，保證了測柱在密封器內(nèi)的穩(wěn)定可靠。

圖2 防轉(zhuǎn)墊片三維結(jié)構(gòu)圖

2.穿越密封器材料選擇

為保證螺紋連接的可靠性，壓帽、壓緊段和底座均采用相同材質(zhì)。通過硬度和高溫形變測試后，對照工業(yè)材料選用表，最終確定316L不銹鋼和哈氏合金材料作為穿越密封器的首選材質(zhì)。但是哈氏合金價格高，材料不易加工，所以在常規(guī)密封器上更推薦316L不銹鋼。密封墊片是第一道密封結(jié)構(gòu)的核心部件，采用一種復(fù)合金屬材料，制作密封墊片，其主要成分是青銅和鋼。銅墊片的硬度在底座和密封墊片之間，選用常見紫銅墊片即可。防轉(zhuǎn)墊片選用摩擦系數(shù)較大的塑料材質(zhì)。

三、新型穿越密封器性能測試

1.常溫高壓密封性能測試

為確保新型穿越密封器滿足實驗需要，對密封穿越器的密封性能進行了穩(wěn)態(tài)測試。采用的方法是利用電動圍壓泵給高壓倉提供額定壓力，供壓結(jié)束后關(guān)閉圍壓泵。將壓力測柱通過穿越密封器插入高壓倉內(nèi)，將傳感器信號線連接到控制端讀取高壓倉內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，最后將電動圍壓泵的設(shè)定值與測量出的壓力值進行比較，從而驗證密封器的性能。為了保證實驗人員的安全，在相同的溫度環(huán)境下對高壓倉進行不同壓力的加壓測試，實驗時間持續(xù)24 h，保證測試結(jié)果的可靠性。將實驗結(jié)果記錄并繪制成壓力-時間折線圖，如圖3。從圖3中可以看出，當圍壓泵結(jié)束供壓后，在常溫下經(jīng)過24 h的持續(xù)測試發(fā)現(xiàn)高壓倉的壓力沒有明顯波動，證明穿越密封器在常溫高壓下的密封性良好。

圖3 常溫系統(tǒng)壓力-時間關(guān)系圖

2.高溫高壓密封性能測試

為驗證新型穿越密封器的高溫高壓密封性能，在70 MPa壓力環(huán)境下對穿越器進行了耐溫測試。測試方法是利用蒸汽發(fā)生器向高壓倉內(nèi)注入額定溫度的過熱水蒸氣，達到預(yù)期溫度后停止注入。同時在高壓倉外包覆一層循環(huán)保溫夾套，通過恒溫泵循環(huán)保溫，將壓力測柱和溫度測柱通過穿越密封器插入高壓倉內(nèi)監(jiān)控高壓倉的壓力和溫度，將傳感器信號線連接到控制端讀取高壓倉內(nèi)的溫度和壓力數(shù)據(jù)，最后觀察壓力數(shù)值的變化，從而驗證密封器的性能。

為驗證新型穿越密封器在高溫高壓環(huán)境下的密封性能表現(xiàn)，記錄了24 h內(nèi)實驗過程中系統(tǒng)內(nèi)部壓力，將實驗記錄匯總并繪制成壓力-時間折線圖，如圖4。

圖4 高壓系統(tǒng)壓力-時間關(guān)系圖

從圖4中可以看出，本文所設(shè)計的高溫高壓倉穿越密封器能夠保持良好的密封性。在70 MPa的系統(tǒng)壓力下，系統(tǒng)溫度從20℃增加到300℃，經(jīng)過24 h的保壓實驗證明，系統(tǒng)壓力始終在±0.5 MPa之間變動，在排除讀數(shù)誤差和電氣測量誤差后可以認為該系統(tǒng)的密封性是滿足高溫高壓實驗需要的。

四、結(jié)論

（1）設(shè)計的新型分體式穿越密封器是針對測柱的穿透高壓倉壁的密封，突破了傳統(tǒng)的穿越密封器設(shè)計局限。設(shè)計的新型分體式穿越密封器三級密封結(jié)構(gòu)合理，選擇的材料能夠?qū)崿F(xiàn)密封需求。

（2）新型分體式穿越密封器最高能夠承受300℃、70 MPa工作環(huán)境，24 h保壓實驗測試中壓力誤差在±0.5 MPa范圍內(nèi)，完全滿足油氣開采實驗需求，具有較大的推廣價值。