海上完井封隔器胶筒试验装置设计及应用

刘传刚，孔学云，马认琦，包陈义，闫 伟

（中海油能源发展有限公司工程技术公司，天津300452）①

海上完井封隔器胶筒试验装置设计及应用

刘传刚，孔学云，马认琦，包陈义，闫 伟

（中海油能源发展有限公司工程技术公司，天津300452）①

设计了封隔器胶筒试验装置，可通过机械和液压2种方式压缩胶筒坐封，能够实现对单胶筒和多胶筒组合的密封检验，具有实时锁紧和快速复位、预先设置压缩行程及上下环空双向验封功能。试验和应用结果表明：该装置实用性强、操作方便，解决了以前只能通过封隔器配合使用才能完成对胶筒密封性能检验的局限。

试验装置；封隔器胶筒；密封；压缩行程

封隔器是石油开发开采中广泛应用的井下工具，封隔器与套管间的密封能力是衡量封隔器性能的重要技术指标之一，而封隔器胶筒的性能就是关键影响因素［1-2］。目前在封隔器的开发过程中，胶筒的密封性能检验主要是将胶筒与封隔器的其他零部件组合到一起，通过封隔器的整体坐封、验封等试验环节，来判断胶筒的密封性能［3-4］。但这种方式有以下缺点：①封隔器结构复杂，零部件数量较多，拆装过程工时较长，造成试验过程效率低；②封隔器进行坐封、验封过程中，部分零部件会产生不可修复的损坏，造成试验成本较高；③试验过程中由于环节较多，若出现泄漏等现象，不易判断问题根源，因此不能对胶筒的密封性能进行准确评估，从而影响胶筒的设计和应用［5］。为解决上述问题，自主设计了针对封隔器胶筒的专用试验装置。

1 技术分析

1.1 基本结构

封隔器胶筒试验装置主要由坐封机构、行程设置机构、实时锁紧和快速复位机构、胶筒替换机构、双向验封机构等组成，其基本结构如图1所示。

图1 胶筒试验装置结构

1） 坐封机构 由上中心管、下中心管、堵头、推套和活塞等组成。液压坐封通过上中心管的坐封孔加压，传递压力至下中心管与活塞之间的内密封腔，为压缩胶筒提供推力；机械坐封通过使用专用拧扣试验机，一端夹紧下心轴下部另一端夹紧推套，直接正转驱动使活塞挤压胶筒。

2） 行程设置机构 包括调节环、活塞和紧固环，通过调整调节环与紧固环的相对位置，实现预先设置活塞的工作行程，精确控制对胶筒的压缩量。

3） 实时锁紧和快速复位机构 包括活塞、锁环、释放销钉、释放卡簧、释放环和上挡环。通过锁环内外的特殊锯齿形螺纹与活塞和释放环的特殊配合，可提供小螺距的实时位置锁紧；通过可快速拆卸释放销钉而使释放卡簧失效，可实现坐封后的快速解锁复位。

4） 胶筒替换机构 由胶筒心轴、胶筒座、胶筒和试验套管组成，可在满足设计行程内替换同规格的待检胶筒进行试验。双向验封机构包括上挡环和下挡环，通过上挡环和下挡环各自的试压孔可实现对待检胶筒的双向验封。

1.2 工作原理

1.2.1 胶筒坐封

试验装置可以实现液压和机械2种方式坐封胶筒。坐封前，安装胶筒试验品至该试验装置胶筒位置，首先根据胶筒长度和设计压缩量设定坐封行程，然后调整调节环与紧固环的相对位置，实现预先设置活塞的工作行程。若采取机械方式进行试验，使用专用拧扣试验机将推套沿上中心管螺纹向右推动活塞压缩胶筒至设计行程，在不组装使用锁紧机构时则需将背帽背紧以锁定位置，进行下步验封环节。若采取液压方式进行试验，则需在上中心管连接试压接头，在上中心管内加压，坐封液经下中心管上的小孔进入由上中心管、活塞、下中心管形成的密封腔；在压力的作用下，活塞向右运动，运动至胶筒座位置时开始推动胶筒座一起向右运动，由于下挡环固定不动，此时开始挤压胶筒，按照预设压力梯度进行坐封程序，实时锁紧机构实现了胶筒在整个压缩过程中的位置锁定，最终完成了胶筒坐封到设定位置。

1.2.2 胶筒验封

胶筒坐封完成后，需要进行双向的验封。正向验封时，在上挡环的试压孔外接压力管线，高压液流至由试验套管、活塞、上挡环、胶筒心轴、坐封完毕的胶筒形成的密封腔，在高压液的作用下，胶筒试验活塞回到初始位置后停止不动，加压至设计压力并稳压，试验套管右侧小孔无返出，且压力不降，则满足要求。反向验封则从试验套管右侧试压孔加压，工作原理与正向验封相似，试验套管左侧小孔无返出，且压力不降，则满足要求。

1.2.3 试验装置复位和批量胶筒试验

该胶筒试验装置可实现批量胶筒的试验，在完成批量胶筒的首个试验后，首先拆解4个释放销钉，在胶筒挤压反力的作用下，胶筒座推动活塞，活塞再带动锁环和释放环轴向推动释放卡簧径向变形，使活塞、锁环、释放环可瞬间解锁轴向滑动退出紧固环外部，然后拆解锁紧环将锁环等锁紧机构快速复位。与此同时，更换目标胶筒密封机构并将坐封机构复位至初始设定位置，以备循环作业对批量胶筒进行密封试验。

1.3 技术参数

1.4 技术特点

1） 试压装置提供了机械和液压2种坐封方式，可根据试验环境及现场条件选择不同的坐封方式，坐封后可以提供防退功能，以满足试验需求。

2） 实时锁紧和快速释放机构的设计，既实现了胶筒在坐封过程中不同位置的实时锁定，又满足了试验装置在验封作业结束的快速解锁和复位。

3） 调节环的设计实现了对胶筒精确的压缩行程控制，可以验证胶筒在不同压缩量情况下的密封能力，以指导在封隔器设计中坐封机构的设计。

4） 装置中设计了可快捷更换的胶筒心轴和试验套管，适用于不同内外径尺寸的系列胶筒验证，使试验装置可适用的胶筒范围更广。

5） 试验装置坐封及验封机构的设计，以及坐封和验封的压力范围完全模拟了胶筒在封隔器中的实际工况，试验数据可直接应用于封隔器的验证，简化了封隔器的设计验证环节，大幅降低了试验的成本。

2 试验与应用

2.1 功能试验

为了验证胶筒试验装置的压缩行程和承压能力等是否满足设计要求，对胶筒试验装置进行多次试验，试验主要分为密封和功能试验。

1） 密封试验主要验证装置的各密封件的密封能力，分别需要对坐封及验封2个密封腔室进行验证。装置预先不装胶筒及胶筒座，将调节环调至最小行程位置，按照坐封程序，先低压后高压进行验证；验封腔室的试验则通过上、下挡环上的密封孔进行加压验证即可。试验结果表明，装置的密封能力符合设计要求。

2） 功能试验主要是通过反复拆装以及各单项试验，验证装置的坐封机构、行程设置机构、实时锁紧和快速复位机构、胶筒替换机构、双向验封机构等是否满足其对应设计要求。试验结果表明，装置的各组成机构均符合设计要求，其现场实物图片如图2所示。

图2 胶筒试验装置现场实物图片

2.2 工程应用

将胶筒按照组装要求安装在胶筒试验装置上，并连接好加压管线，并按照设计的压力梯度加压，完成胶筒坐封过程。此时，测量坐封最大行程33 mm。正反双向试压35 MPa，稳压10 min，压力不降，装置行程和承压能力满足设计要求。

胶筒试验装置解决了以前只能通过顶部封隔器、隔离封隔器配合使用才能完成对胶筒密封性能进行检验的局限，工作效率大幅提高。通过对单胶筒和三胶筒各3组共计6组的试验时效对比（如表1），试验装置的试验时效比传统与封隔器进行组装的试验时效平均提高了300%。

表1 试验装置时效对比h

胶筒试验装置成功后，已经成功应用于工具研制等科研项目中，仅2012年就累计完成了70余次各类胶筒的试验，试验成功率达95%。

3 结论

1） 封隔器胶筒试验装置可以完全模拟封隔器胶筒的工况，实现对胶筒压缩行程与密封性能关系的检验。

2） 封隔器胶筒试验装置设计巧妙、结构简单、操作方便，解决了以前只能通过封隔器配合使用才能完成对胶筒密封性能进行检验的局限，极大地降低了胶筒试验费用，经济效益可观。

3） 胶筒试验装置中预设压缩行程设计、实时锁紧和快速解锁复位设计、环空双向验封结构设计、机械压缩和液体压缩结构设计等，具有较强的可拓展性。

［1］ 张劲，李炜，张士诚.封隔器超弹性胶筒力学性能的试验研究［J］.机械工程学报，2011，47（8）：71-76.

［2］ 仝少凯.压缩式封隔器胶筒力学性能分析［J］.石油矿场机械，2012，41（12）：1-7.

［3］ 侯宗，毛道华，朱建民，等.封隔器压缩胶筒“防突”新结构［J］.石油机械，2002，30（9）：49-51.

［4］ 吕占国，仝少凯.封隔器压缩式胶筒剪切流变特性探讨［J］.石油矿场机械，2013，42（3）：46-50.

［5］ 唐海雄，冯定，张俊斌.封隔器工作性能室内试验研究［J］.石油天然气学报，2009，31（3）：154-156.

Design and Application of Packer Rubber Tube Test Device in Offshore Completion

LIU Chuan-gang，KONG Xue-yun，MA Ren-qi，BAO Chen-yi，YAN Wei
（Ener Tech-Drilling&Production Co.，CNOOC，Tianjin 300452，China）

Independent LY designed packer rubber tube test device can inspect the single rubber tube and multi-rubber tube sealing performance through mechanical compression and hydraulic compression to rubber tube，which has the functions of quickly locking and resetting，presetting compression length and two-way sealing test.Experiment and application results show that the device with strong practicability and easy operability can solve the problem of the whole packer structure needed for rubber tube sealing performance test in the past.

test device；packer rubber tube；sealing；compression length

TE931.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.021

1001-3482（2014）07-0081-03

2014-01-21

国家科技重大专项子课题“完井防砂工具系列化及现场应用”（2011ZX05057-002-004）；中国海洋石油总公司项目“完井防砂系列工具研制II期”（CNOOC-KJ125ZDXM12LTD03JDJL2011）

刘传刚（1982-），男，山东德州人，工程师，主要从事海洋石油钻井、完井、修井井下工具方面的研究，E-mail：liuchg＠cnooc.com.cn。