電控智能注水工具密封性試驗(yàn)研究與分析

徐元德 劉長龍 鄭靈蕓 陳征 劉紅波

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403027

摘 要 針對(duì)影響有纜智能電控注水工具可靠性的問題，在定性分析現(xiàn)有故障井的基礎(chǔ)上，精確并定量分析故障發(fā)生的機(jī)理，以研究智能注水工具密封性的變化規(guī)律為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)密封性試驗(yàn)，研究不同直徑O形密封圈的靜密封滲漏規(guī)律、動(dòng)密封模塊滲漏規(guī)律等。試驗(yàn)結(jié)果表明：井下智能配水器電纜接頭（小直徑）O形密封圈最佳過盈量為0.60 mm，壓縮率為16%，外殼（大直徑）O形密封圈最佳盈余量為0.75 mm，即壓縮率為21.1%。同時(shí)與小直徑O形圈相比，滲漏量與密封圈的直徑成正相關(guān)關(guān)系;同時(shí)從動(dòng)密封試驗(yàn)結(jié)果來看，動(dòng)密封模塊密封性為Baseal密封優(yōu)于車氏密封優(yōu)于T型密封，試驗(yàn)結(jié)果有效支撐了對(duì)智能注水工具密封性能提升的依據(jù)，研究結(jié)果可為井下智能配水器的密封優(yōu)化提供理論支持。

關(guān)鍵詞 密封性試驗(yàn) 智能注水 O形密封圈 高溫高壓 過盈量

中圖分類號(hào) TE938?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B?? 文章編號(hào) 1000?3932（2024）03?0555?04

作者簡介：徐元德（1995-），工程師，從事海上油田注水工藝的研發(fā)工作。

通訊作者：鄭靈蕓（1993-），工程師，從事采油及注水工藝技術(shù)的研究，ex_zhengly@cnooc.com.cn。

引用本文：徐元德，劉長龍，鄭靈蕓，等.電控智能注水工具密封性試驗(yàn)研究與分析[J].化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（3）：555-558.

海上油田分層注水是保持地層壓力，提高采收率的重要手段，目前經(jīng)歷了30年的發(fā)展，海上油田分層注水工藝發(fā)展出了傳統(tǒng)測調(diào)工藝、邊測邊調(diào)工藝和智能測調(diào)工藝[1～3]，其中，智能測調(diào)工藝不依賴鋼絲或電纜作業(yè)，測調(diào)效率高，調(diào)配成功率高，目前已成為海上油田注水的發(fā)展方向。有纜智能電控注水工藝是目前油田高效水驅(qū)開發(fā)必然的長期趨勢，該工藝的可靠性取決于電控智能注水工具井下工作的穩(wěn)定性。電控智能注水技術(shù)通過地面控制系統(tǒng)和井下智能配水器的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)注水量和注水速度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測和控制，并可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)注水量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)配。但從目前有纜智能電控智能注水的應(yīng)用效果來看，還存在工藝故障率高、平均運(yùn)行壽命短的問題，可見智能注水工具在井下使用的可靠性及壽命提升仍是面臨的最大挑戰(zhàn)，仍然需要在產(chǎn)品可靠性和延長壽命方面開展深入研究。

通過拆檢現(xiàn)場失效井下智能配水器發(fā)現(xiàn)，其中67%的故障井因密封失效造成電路短路，20%與密封失效間接相關(guān)。由于當(dāng)前機(jī)電一體化產(chǎn)品的密封方式仍沿用機(jī)械工具的密封方式，現(xiàn)暫無對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的密封方式系統(tǒng)性的研究，造成對(duì)井下高溫高壓環(huán)境中工具密封滲漏規(guī)律的認(rèn)識(shí)不足，從而引發(fā)井下工具密封失效。筆者在研究現(xiàn)有工具故障原因的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)定量分析不同溫度、壓力下各密封模塊滲漏規(guī)律，這對(duì)優(yōu)化注水井井下工具密封方案，保障有纜智能注水工具在油田領(lǐng)域安全、高效地實(shí)施智能注采技術(shù)具有重要意義[4，5]。

1 試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)的主要目的是通過設(shè)計(jì)特定工裝，對(duì)靜密封、動(dòng)密封等不同密封形式在高溫高壓下的滲漏量進(jìn)行定量測試，從而掌握滲漏規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)密封形式的精準(zhǔn)選型。

主要設(shè)計(jì)電纜接頭和外殼的密封性試驗(yàn)工裝，試驗(yàn)包含工裝組裝和加熱裝置烘烤兩部分，工裝在模擬高溫、高壓下的注水井工況環(huán)境下加熱兩周。觀察工裝中裝有無水硫酸鎂的試管在試驗(yàn)前后質(zhì)量的變化，來驗(yàn)證每個(gè)試驗(yàn)工裝的水氣滲漏量，從而達(dá)到對(duì)智能注水工具密封性研究的目的。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)包含O形密封圈在高溫高壓下不同過盈量對(duì)應(yīng)的靜密封滲漏規(guī)律，不同溫度下動(dòng)密封模塊滲漏變化規(guī)律試驗(yàn)（Baseal、T型、車氏密封等測試）。

2.1 O形密封圈靜密封試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)工裝搭建和材料準(zhǔn)備

O形密封圈靜密封滲漏試驗(yàn)包含電纜接頭滲漏試驗(yàn)和外殼滲漏試驗(yàn)，試驗(yàn)之前需搭建試驗(yàn)工裝，如圖1所示。

O形密封圈滲漏試驗(yàn)工裝及試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境為井下高溫高壓環(huán)境，試驗(yàn)工裝溫度設(shè)置為150 ℃、壓力設(shè)置為40 MPa。加熱裝置1臺(tái)（最高可恒溫200 ℃、可持續(xù)工作30 d×24 h），打壓泵（最高打壓100 MPa，帶截止閥、可穩(wěn)壓）1臺(tái)，高溫高壓試管1只，測試密封圈若干，無水硫酸鎂若干。

2.1.2 密封性試驗(yàn)流程

本次試驗(yàn)?zāi)M注水工具中的電纜接頭和外殼兩種工裝，在井下溫度和壓力環(huán)境下的密封性與O形密封圈過盈量的關(guān)系，試驗(yàn)流程如下：

a. 組裝9套電纜接頭靜密封試驗(yàn)工裝，O形密封圈過盈量分別為0.30、0.45、0.60 mm各3組工裝;組裝18套外殼靜密封試驗(yàn)工裝，O形密封圈過盈量0.30、0.45、0.60、0.75、0.90、1.05 mm各3組工裝。

b. 將27根耐高溫小試管裝入無水硫酸鎂，并對(duì)有吸水藥劑的試管稱重，記錄質(zhì)量分別為G1～G27，最后與試驗(yàn)工裝連接并將組裝好的工裝放入托架。

c. 將工裝托架放入加熱裝置中，各個(gè)工裝連接打壓管線，27個(gè)工裝壓力一致，打壓至40 MPa，穩(wěn)壓10 min不滲不漏。

d. 啟動(dòng)加熱裝置，加熱到150 ℃，保持高溫、高壓環(huán)境兩周，并且記錄各個(gè)壓力表每日的壓力數(shù)值。

e. 滲漏試驗(yàn)工裝保持高溫、高壓的環(huán)境兩周后停止加熱并卸掉壓力，將工裝冷卻至室溫。

f. 拆卸工裝，取出工裝中的試管，觀察藥劑變化并記錄質(zhì)量。

g. 清理滲漏試驗(yàn)物料，分析并計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)前、后質(zhì)量值，保存和整理試驗(yàn)材料與數(shù)據(jù)。

2.1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)兩種O形密封圈在不同過盈量下的滲漏水氣量，變化規(guī)律如圖2、3所示。

電纜接頭O形密封圈滲漏結(jié)果分析如下：

a. 隨著過盈量的提高，水氣滲漏量先急速下降然后基本保持不變。

b. 每一個(gè)過盈量加工3組工裝，排除誤差干擾后，電纜接頭靜密封O形密封圈的過盈量為0.30 mm，壓縮量為8%時(shí)，滲漏量較大，不適用于電纜接頭密封。

c. 通過優(yōu)選得到結(jié)論，電纜接頭靜密封O形密封圈過盈量建議選擇區(qū)間0.45～0.60 mm，其中，取0.60 mm時(shí)最優(yōu)，即壓縮率為16%時(shí)，滲漏量達(dá)到最小值，每兩周63.6 mg。

外殼O形密封圈滲漏結(jié)果表明，試驗(yàn)工裝外殼靜密封O形密封圈過盈量建議選擇區(qū)間為0.45～1.05 mm，取0.75 mm時(shí)最優(yōu)，壓縮率為21.1%。

O形密封圈規(guī)格選取驗(yàn)證。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中壓縮率w的計(jì)算方法[6]，對(duì)于靜密封而言，試驗(yàn)中密封類型為平面密封裝置，w應(yīng)取15%～30%，根據(jù)電纜接頭O形密封圈滲漏分析結(jié)果和外殼O形密封圈滲漏分析結(jié)果可以看出，電纜接頭O形密封圈推薦的最優(yōu)壓縮率為16%，外殼O形密封圈最優(yōu)壓縮率為21.1%。結(jié)論可為下一步工具密封形式的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2.2 動(dòng)密封模塊滲漏試驗(yàn)研究

O形密封圈是目前應(yīng)用最廣泛的一種密封元件，可適用于超高壓高溫系統(tǒng)，密封性能較好[7，8]。但在井下智能配水器水嘴等高頻次動(dòng)密封處，利用O形圈進(jìn)行密封可能會(huì)產(chǎn)生失效問題，為優(yōu)選、評(píng)價(jià)動(dòng)密封效果，分別設(shè)計(jì)了T型密封、車氏密封和Baseal密封工裝，進(jìn)行定量的滲漏量評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2.2.1 工裝搭建和材料準(zhǔn)備

動(dòng)密封滲漏試驗(yàn)工裝如圖4所示，包括保護(hù)外殼、密封桿、動(dòng)密封、耐高溫試管等，此試驗(yàn)工裝放置在加熱裝置中，加熱時(shí)間為兩周。

試驗(yàn)流程如下：

a. 試驗(yàn)工裝分別裝入T型動(dòng)密封、車氏動(dòng)密封和Baseal動(dòng)密封，為減小測試誤差，每組密封分別在3組工裝進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為70、110、170 ℃，試驗(yàn)共計(jì)27組工裝。

b. 將27根耐高溫小試管裝入無水硫酸鎂，并對(duì)有吸水藥劑的試管稱重，以T型密封工裝為例，分別記錄重量為T1?1、T1?2、T1?3、T2?1、T2?2、T2?3、T3?1、T3?2、T3?3，同樣的方法將車氏密封和Baseal密封的試管藥劑重量記錄為Ci1～Ci3、Bi1～Bi3（i=1，2，3），最后與試驗(yàn)工裝連接并將組裝好的工裝放入托架。

c. 將27組工裝進(jìn)行打壓，試驗(yàn)壓力為40 MPa，穩(wěn)壓10 min，不滲不漏。

d. 將對(duì)應(yīng)工裝放入加熱裝置中，分別在溫度70、110、170 ℃下恒溫加熱兩周，最后測試對(duì)應(yīng)試管的滲漏水氣量。記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（表1）。

e. 清理滲漏試驗(yàn)物料，分析并計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)前后質(zhì)量差值，保存整理試驗(yàn)材料與數(shù)據(jù)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同密封形式下，不同溫度和滲漏量的關(guān)系曲線如圖5所示。

3種動(dòng)密封試驗(yàn)中，T型密封試驗(yàn)和車氏密封試驗(yàn)都出現(xiàn)了異常滲漏量的情況，分析原因，可能是由于密封裝置安裝不當(dāng)或者高溫試驗(yàn)環(huán)境對(duì)裝置的破壞而失效導(dǎo)致，因此異常數(shù)據(jù)在本試驗(yàn)中作廢。

從整體滲漏水氣量來看，每兩周，T型密封滲漏量平均值為0.566 6 g，車氏密封滲漏量平均值為0.269 7 g，Baseal密封滲漏量平均值為0.255 8 g。

3 結(jié)束語

分別對(duì)不同直徑、不同壓縮率的O形圈及不同形式的動(dòng)密封進(jìn)行定量的高溫高壓滲漏測試，得到結(jié)論如下：

a. 井下智能配水器電纜接頭（小直徑）O形密封圈高溫高壓試驗(yàn)條件下，滲漏量隨過盈量的增加先急劇減小，后基本保持不變，電纜接頭（小直徑）O形密封圈最佳過盈量為0.60 mm，即壓縮率為16%。

b. 井下智能配水器外殼（大直徑）O形密封圈最佳盈余量為0.75 mm，即壓縮率為21.1%，與小直徑O形圈相比，滲漏量與密封圈的直徑成正相關(guān)關(guān)系。

c. 通過3種動(dòng)密封滲漏試驗(yàn)，密封類型從好到差排序?yàn)锽aseal密封>車氏密封>T型密封。3種密封試驗(yàn)滲漏量隨著溫度的增加有升高的趨勢，整體滲漏量大于靜密封。同時(shí)動(dòng)密封的安裝等需要嚴(yán)格地控制公差，防止因安裝問題導(dǎo)致密封失效。

通過對(duì)井下智能配水器的電纜接頭、外殼密封及水嘴動(dòng)密封等核心密封單元進(jìn)行定量的滲漏試驗(yàn)研究，靜密封的最優(yōu)壓縮率、動(dòng)密封選型等得到了優(yōu)化方案，通過優(yōu)化，減少了井下智能配水器在井下高溫、高壓環(huán)境下的水氣滲漏量，為井下智能配水器的密封優(yōu)化提供了理論支持。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-07-14，修回日期：2024-04-29）