CN101994509B - 多用途超高压封隔器试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多用途超高压封隔器试验装置，包括超高压筒体、设置在超高压筒体下、上两端的下部密封结构和上部密封结构、设置在超高压筒体内部的试验辅助构件、以及设置在超高压筒体外壁的加热夹套。超高压筒体提供高温高压试验空间。下部密封结构方便拆装、筒体排污和安装温度检测部件。上部密封结构分为压缩式或扩张式两种，分别配合压缩式或扩张式封隔器组件完成试验动作，并保证超高压筒体的密封。试验辅助构件的变径套管组件适合不同尺寸的封隔器组件在高温高压空间内完成试验。加热夹套实现冷、热介质与超高压筒体内介质的充分换热。本发明用单个超高压筒体有效实现了各种尺寸的压缩式和扩张式封隔器组件在同一容器内的高温高压试验。
Description
技术领域
本发明涉及油气井井下高温高压环境模拟试验装置，具体地指一种多用途超高压封隔器试验装置。
背景技术
在石油天然气的生产过程中，井下工具必须能够承受井下温度高、压力大、工况差的恶劣环境，否则一旦出现问题，就会引起油气井的损坏，甚至报废，损失巨大。为此，科研人员有必要在地面上设计一些尺寸全、性能高的检测装置，为分层开采油气井的工艺研究、优化设计、以及产品检验提供试验条件。在井下管柱和工具下井之前，对其进行多参数、高精度的检测，就能掌握其机械性能和工艺性能，通过不断试验和改进完善，使其质量和性能得到可靠保证，从而将由于工具质量原因引起的油气井损毁事故减小到最低限度，确保油气井生产安全进行。
封隔器是油气井作业中广泛使用的一种井下工具，其功能是在油气井深度方向实现分层作业。封隔器上的卡瓦锚定后起到支撑封隔器、锁定胶皮筒的作用，其性能好坏直接影响到油气井的产量和生产安全。随着油气田开采的深入，地层情况越来越复杂，分层作业越来越普遍，对封隔器的使用要求也越来越高，封隔器工作失效的情况时有发生，导致油气生产不能稳定进行。
目前，已有的封隔器试验装置都是对一种规格的封隔器进行性能验证。如果要研究开发新规格、新类型的封隔器就要重新建造专用的试验装置，不仅建造成本高，而且建造周期长，远不能适应当今油气田深度开采和分层作业快速发展的需要。科研人员一直在努力设计一种可以同时适应各种尺寸的封隔器进行井下压力、温度等多参数性能试验的装置，但至今为止尚未取得理想的效果。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有封隔器试验装置所存在的缺陷，提供一种多用途超高压封隔器试验装置，它能够在同一容器内实现对各种尺寸规格封隔器组件的高温高压检测，且其结构简单、成本低廉，有利于缩短新型封隔器的开发周期。
为实现上述目的，本发明所设计的多用途超高压封隔器试验装置，主要由超高压筒体、设置在超高压筒体下、上两端的下部密封结构和上部密封结构、设置在超高压筒体内部的试验辅助构件、以及设置在超高压筒体外壁的加热夹套组成。
所述超高压筒体是一个下、上两端分别设置有与下部密封结构和上部密封结构相配合的连接螺纹和密封面的环形筒体，其上、下两端筒壁上分别开设有上进压口和下进压口。该超高压筒体作为高温高压的承压部件，其内部构成被测试封隔器的试验空间，其压力的建立是通过在上进压口和下进压口充入适宜的工作介质来实现的，升温则是通过加热夹套中的热介质循环流动来实现的。
所述下部密封结构包括下密封头和下螺纹压环，所述下密封头与超高压筒体的下端密封面配合，所述下螺纹压环与超高压筒体的下端螺纹连接并压紧在下密封头上。
所述上部密封结构为压缩式上部密封结构或扩张式上部密封结构。针对压缩式封隔器组件，选择采用压缩式上部密封结构。针对扩张式封隔器组件，选择采用扩张式上部密封结构。
所述压缩式上部密封结构包括第一连接杆、第一上密封头、第一上螺纹压环和压紧螺母，所述第一上密封头与超高压筒体的上端密封面配合，所述第一上螺纹压环与超高压筒体的上端螺纹连接并压紧在第一上密封头上，所述第一连接杆密封插接在第一上密封头中，所述压紧螺母与第一上密封头螺纹连接并将第一连接杆固定在第一上密封头上。
所述扩张式上部密封结构包括第二连接杆、第二上密封头、第二上螺纹压环和第三上螺纹压环，所述第二上密封头与超高压筒体的上端密封面配合，所述第二上螺纹压环与超高压筒体的上端螺纹连接并压紧在第二上密封头上，所述第二连接杆密封插接在第二上密封头中，所述第三上螺纹压环与第二上螺纹压环螺纹连接并将第二连接杆固定在第二上密封头上，所述第二连接杆上设置有中心进压通道。
所述下部密封结构、上部密封结构与超高压筒体之间、以及上部密封结构内部的连接杆与密封头之间，优选多道密封圈径向密封的结构形式，其密封简单可靠，拆卸和维护也较为方便。当然也可以选择其他密封结构。
所述试验辅助构件由支撑管组件和变径套管组件构成。所述支撑管组件包括一套固定尺寸的上支撑管和下支撑管。所述变径套管组件包括多套不同尺寸的上变径套管、变径接箍和下变径套管，所述上变径套管和下变径套管通过变径接箍相连，所述变径接箍与超高压筒体的中部内壁之间通过密封件相连，优选多道密封圈径向密封的结构形式。所述上支撑管套装在上变径套管的外部，且其上下两端分别与上部密封结构和变径接箍的上端相抵接。所述下支撑管套装在下变径套管的外部，且其上下两端分别与变径接箍的下端和下部密封结构相抵接。
作为优选方案，所述上变径套管、变径接箍和下变径套管之间为可拆卸的螺纹连接结构。这样，便于对不同尺寸的上变径套管和下变径套管进行更换操作，以适应不同规格压缩式或扩张式封隔器组件井下性能模拟试验的需要。由于上变径套管和下变径套管是试验中的易损件，故采用固定尺寸的上支撑管和下支撑管对其进行隔离保护，同时也便于无损装配。在上变径套管和下变径套管发生损坏的情况下，只需要更换相应的部件即可，从而可以有效节省试验用材。
本发明的工作原理是这样的：变径套管组件模拟实际工况，其中的上变径套管和下变径套管均采用实际套管加工而成，两者采用螺纹结构与变径接箍相连。变径接箍通过密封件实现与超高压筒体中部内壁之间的密封，试验时被测试封隔器与变径套管组件发生接触。在超高压筒体内做压缩式封隔器组件性能试验时，压缩式封隔器组件的头部螺纹连接在第一连接杆上，通过对第一连接杆施加外部扭矩和轴向压力，使压缩式封隔器组件的卡爪卡在上变径套管和下变径套管的内壁上，且不与变径接箍接触，而压缩式封隔器组件的胶桶与变径接箍之间通过外部轴向压力密封。在超高压筒体内做扩张式封隔器组件性能试验时，扩张式封隔器组件的头部螺纹连接在第二连接杆上，通过第二连接杆的中心进压通道加压，使扩张式封隔器组件的胶桶与变径接箍之间形成密封。这样就实现了超高压筒体内部上下环形空间的独立，通过向超高压筒体的上进压口和下进压口充入工作介质施加不同的压力，以满足不同被检测封隔器组件的试验需要。
本发明的优点在于：所设计的试验辅助构件采用一套支撑管组件和多套变径套管组件相匹配，将其用于单个设置有加热夹套的超高压筒体中，可有效实现各种尺寸规格的压缩式或扩张式封隔器组件的压力、温度等多参数性能试验。具体地说，针对上述两种类型的封隔器组件可以各提供五种规格（4吋、吋、5吋、
吋和7吋）共十种模拟真实井下性能的封隔器试验装置。通过对所设计的试验辅助构件的试验，能够获得其较真实的性能指标，对其稍加修改后即可适用于以后开发的新型封隔器组件，既大幅节省了封隔器试验的成本，又有效缩短了新型封隔器的开发周期，对促进我国石油天然气井下工具的发展和增强我国石油工业的国际竞争力具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的试验装置在进行压缩式封隔器检测时的结构及状态示意图。
图2为本发明的试验装置在进行扩张式封隔器检测时的结构及状态示意图。
图3为图1中试验装置的上部放大结构示意图。
图4为图2中试验装置的上部放大结构示意图。
图5为图1中压缩式封隔器试验组件座封后的放大结构示意图。
图6为图2中扩张式封隔器试验组件座封后的放大结构示意图。
图7为图1中压缩式封隔器试验组件的性能检测流程示意图。
图8为图2中扩张式封隔器试验组件的性能检测流程示意图。
图中各标号所示部件为：下部密封结构1（其中：下螺纹压环1.1、下密封头1.2、检测及排污接口1.3），超高压筒体2（其中：上进压口2.1、下进压口2.2），底座卡箍3，加热夹套4（其中：进风口4.1、螺旋导风板4.2、出风口4.3），压缩式上部密封结构5（其中：第一连接杆5.1、第一上密封头5.2、第一上螺纹压环5.3、压紧螺母5.4），支撑管6（其中：上支撑管6.1、下支撑管6.2），变径套管组件7（其中：上变径套管7.1、变径接箍7.2、下变径套管7.3），压缩式封隔器组件8（其中：卡爪8.1、中间胶桶8.2），扩张式上部密封结构9（其中：第二连接杆9.1、第二上密封头9.2、第二上螺纹压环9.3、第三上螺纹压环9.4、中心进压口9.5），扩张式封隔器组件10（其中：下部胶桶10.1）。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1：
如图1、3、5所示第一种多用途超高压封隔器试验装置，主要由超高压筒体2、设置在超高压筒体2下、上两端的下部密封结构1和压缩式上部密封结构5、设置在超高压筒体2内部的试验辅助构件6和7、以及设置在超高压筒体2外壁的加热夹套4组成。
超高压筒体2是一个下、上两端分别设置有与下部密封结构1和压缩式上部密封结构5相配合的连接螺纹和密封面的环形筒体，其上、下两端筒壁上分别开设有上进压口2.1和下进压口2.2。
下部密封结构1包括下密封头1.2和下螺纹压环1.1，下密封头1.2的上部柱面通过密封圈与超高压筒体2的下端密封面紧密贴合，下螺纹压环1.1与超高压筒体2的下端内壁螺纹连接，并压紧在下密封头1.2的台阶上。下密封头1.2上设置有与超高压筒体2轴向平行的检测及排污接口1.3，用于安装测量装置和排出试验后的介质。
压缩式上部密封结构5包括第一连接杆5.1、第一上密封头5.2、第一上螺纹压环5.3和压紧螺母5.4，第一上密封头5.2的下部柱面通过密封圈与超高压筒体2的上端密封面紧密贴合，第一上螺纹压环5.3与超高压筒体2的上端内壁螺纹连接，并压紧在第一上密封头5.2的台阶上。第一连接杆5.1通过密封圈插接在第一上密封头5.2的中心孔内，压紧螺母5.4与第一上密封头5.2的上部外螺纹连接，并将第一连接杆5.1固定在第一上密封头5.2上。压缩式上部密封结构5的上述结构既可确保超高压筒体2上端的密封和受力要求，又可确保超高压筒体2内部被测试对象——压缩式封隔器组件8座封动作所需的拆装及受力需求。
试验辅助构件6和7由支撑管组件6和变径套管组件7构成。其中：支撑管组件6包括一套固定尺寸的上支撑管6.1和下支撑管6.2，上支撑管6.1和下支撑管6.2的管壁上设置有通气孔，既便于压力传递，又可减轻结构重量。变径套管组件7包括对应于4吋、41/2吋、5吋、51/2吋和7吋的五套上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3。各套上变径套管7.1和下变径套管7.3之间通过变径接箍7.2相连。优选上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3之间为螺纹连接结构，以方便拆装和更换。当然，上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3之间也可以采用整体成型结构，以整体为单元拆装和更换。变径接箍7.2的外壁与超高压筒体2的中部内壁之间通过密封圈贴合密封。上支撑管6.1套装在上变径套管7.1的外部，其上下两端分别与第一上密封头5.2的下端和变径接箍7.2的上端相抵接。下支撑管6.2套装在下变径套管7.3的外部，其上下两端分别与变径接箍7.2的下端和下密封头1.2的上端相抵接。
超高压筒体2的下端坐落在底座卡箍3上，加热夹套4则位于底座卡箍3的上方。加热夹套4采用空气加热夹套，其上设置有进风口4.1和出风口4.3，热空气在其中流动将热量传递给超高压筒体2及其内的工作介质。进风口4.1和出风口4.3之间的夹套空腔中设置有螺旋导风板4.2，从而可实现热空气与超高压筒体2的充分换热，提高传热效率。超高压筒体2的冷却通过自然风冷却。加热夹套4与超高压筒体2之间的密封是通过上下填料法兰结构来实现的，为防止两者之间产生滑落，在下填料法兰与底座卡箍3之间设置有四根可调支撑。另外，填料与超高压筒体2之间的静摩擦也可保证加热夹套4能固定在超高压筒体2上。
上述第一种多用途超高压封隔器试验装置适于模拟压缩式封隔器组件8在井下的工作状态。对应于五种不同规格的压缩式封隔器组件8，只需更换不同尺寸的上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3即可。上支撑管6.1和下支撑管6.2则根据压缩式封隔器组件8的最大尺寸确定，只需要准备一套。该状态下的试验过程如图7所示：
将下支撑管6.2吊入超高压筒体2内；上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3在超高压筒体2外部装配完毕后吊装入其内；将上支撑管6.1吊入超高压筒体2内；向超高压筒体2内注水；将压缩式封隔器组件8、第一连接杆5.1、第一上密封头5.2装配完毕后整体吊入超高压筒体2内；安装第一上螺纹压环5.3并使其具有足够的压紧力；在第一连接杆5.1顶端施加扭矩M和压力F，使压缩式封隔器组件8的卡爪8.1卡在上变径套管7.1和下变径套管7.3的内壁上，而其中间胶桶8.2膨胀后与变径接箍7.2的内壁密封，从而使压缩式封隔器组件8座封，将超高压筒体2内部分隔成上、下环形空间；装入压紧螺母5.4；空气经加热后从进风口4.1流入加热夹套4，经螺旋导风板4.2后从出风口4.3流出，将超高压筒体2内部的试验介质加热至试验温度；通过上进压口2.1和下进压口2.2分别向超高压筒体2内部的上、下环形空间施加压力P1、P2；针对压缩式封隔器组件8进行相关密封性能试验。
试验完毕，停止空气加热，释放上、下环形空间的压力P1、P2，冷空气将超高压筒体2内部的温度降至室温；旋松压紧螺母5.4并取出，采用液压加力装置使压缩式封隔器组件8解封；取出第一上螺纹压环5.3；取出第一上密封头5.2、第一连接杆5.1及压缩式封隔器组件8；依次取出上支撑管6.1、上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3连接件、下支撑管6.2；试验结束。
实施例2：
如图2、4、6所示的第二种多用途超高压封隔器试验装置，其超高压筒体2、下部密封结构1、试验辅助构件6和7、以及加热夹套4等结构基本与上相同，于此不多赘述。其不同之处是用扩张式上部密封结构9取代了压缩式上部密封结构5。扩张式上部密封结构9包括第二连接杆9.1、第二上密封头9.2、第二上螺纹压环9.3和第三上螺纹压环9.4，第二上密封头9.2的下部柱面与超高压筒体2的上端密封面紧密贴合，第二上螺纹压环9.3与超高压筒体2的上端内壁螺纹连接，并压紧在第二上密封头9.2的台阶上。第二连接杆9.1通过密封圈插接在第二上密封头9.2的中心孔内，第三上螺纹压环9.4的外螺纹与第二上螺纹压环9.3的内螺纹连接，并将第二连接杆9.1固定在第二上密封头9.2上。第二连接杆9.1上设置有中心进压通道9.5。相应地，对于布置在超高压筒体2内部的上支撑管6.1和下支撑管6.2而言，上支撑管6.1的上下两端分别与第二上密封头9.2的下端和变径接箍7.2的上端相抵接。下支撑管6.2的上下两端分别与变径接箍7.2的下端和下密封头1.2的上端相抵接。
上述第二种多用途超高压封隔器试验装置适于模拟扩张式封隔器组件10在井下的工作状态。对应于五种不同规格的扩张式封隔器组件10，只需更换不同尺寸的上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3即可。上支撑管6.1和下支撑管6.2则根据扩张式封隔器组件10的最大尺寸确定，只需要准备一套。该状态下的试验过程如图8所示：
将下支撑管6.2吊入超高压筒体2内；上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3在超高压筒体2外部装配完毕后吊装入其内；将上支撑管6.1吊入超高压筒体2内；向超高压筒体2内注水；将扩张式封隔器组件10、第二连接杆9.1、第二上密封头9.2装配完毕后整体吊入超高压筒体2内；安装第二上螺纹压环9.3并使其具有足够的压紧力；通过第二连接杆9.1的中心进压通道9.5施加座封压力P3，使扩张式封隔器组件10的下部胶桶10.1膨胀后与变径接箍7.2的内壁密封，从而使扩张式封隔器组件10座封，将超高压筒体2内部分隔成上、下环形空间；安装并压紧第三上螺纹压环9.4；空气经加热后从进风口4.1流入加热夹套4，经螺旋导风板4.2后从出风口4.3流出，将超高压筒体2内部的试验介质加热至试验温度；通过上进压口2.1和下进压口2.2分别向超高压筒体2内部的上、下环形空间施加压力P1、P2；针对扩张式封隔器组件10进行相关密封性能试验。
试验完毕，停止空气加热，释放上、下环形空间的压力P1、P2，冷空气将超高压筒体2内部的温度降至室温；释放座封压力P3；旋松第三上螺纹压环9.4并取出；依次取出第二上螺纹压环9.3、第二连接杆9.1、第二上密封头9.2和压缩式封隔器试验组件10；再依次取出上支撑管6.1、上变径套管7.1、变径接箍7.2和下变径套管7.3连接件、下支撑管6.2；试验结束。
Claims (6)
1.一种多用途超高压封隔器试验装置，包括超高压筒体（2）、设置在超高压筒体（2）下、上两端的下部密封结构（1）和上部密封结构（5或9）、设置在超高压筒体（2）内部的试验辅助构件（6和7）、以及设置在超高压筒体（2）外壁的加热夹套（4），其特征在于：
所述超高压筒体（2）是一个下、上两端分别设置有与下部密封结构（1）和上部密封结构（5或9）相配合的连接螺纹和密封面的环形筒体，其上、下两端筒壁上分别开设有上进压口（2.1）和下进压口（2.2）；
所述下部密封结构（1）包括下密封头（1.2）和下螺纹压环（1.1），所述下密封头（1.2）与超高压筒体（2）的下端密封面配合，所述下螺纹压环（1.1）与超高压筒体（2）的下端螺纹连接并压紧在下密封头（1.2）上；
所述上部密封结构（5或9）为压缩式上部密封结构（5）或扩张式上部密封结构（9）；
所述压缩式上部密封结构（5）包括第一连接杆（5.1）、第一上密封头（5.2）、第一上螺纹压环（5.3）和压紧螺母（5.4），所述第一上密封头（5.2）与超高压筒体（2）的上端密封面配合，所述第一上螺纹压环（5.3）与超高压筒体（2）的上端螺纹连接并压紧在第一上密封头（5.2）上，所述第一连接杆（5.1）密封插接在第一上密封头（5.2）中，所述压紧螺母（5.4）与第一上密封头（5.2）螺纹连接并将第一连接杆（5.1）固定在第一上密封头（5.2）上；
所述扩张式上部密封结构（9）包括第二连接杆（9.1）、第二上密封头（9.2）、第二上螺纹压环（9.3）和第三上螺纹压环（9.4），所述第二上密封头（9.2）与超高压筒体（2）的上端密封面配合，所述第二上螺纹压环（9.3）与超高压筒体（2）的上端螺纹连接并压紧在第二上密封头（9.2）上，所述第二连接杆（9.1）密封插接在第二上密封头（9.2）中，所述第三上螺纹压环（9.4）与第二上螺纹压环（9.3）螺纹连接并将第二连接杆（9.1）固定在第二上密封头（9.2）上，所述第二连接杆（9.1）上设置有中心进压通道（9.5）；
所述试验辅助构件（6和7）由支撑管组件（6）和变径套管组件（7）构成；所述支撑管组件（6）包括一套固定尺寸的上支撑管（6.1）和下支撑管（6.2）；所述变径套管组件（7）包括多套不同尺寸的上变径套管（7.1）、变径接箍（7.2）和下变径套管（7.3），所述上变径套管（7.1）和下变径套管（7.3）通过变径接箍（7.2）相连，所述变径接箍（7.2）与超高压筒体（2）的中部内壁之间通过密封件相连；所述上支撑管（6.1）套装在上变径套管（7.1）的外部，且其上下两端分别与第一上密封头（5.2）或第二上密封头（9.2）的下端和变径接箍（7.2）的上端相抵接；所述下支撑管（6.2）套装在下变径套管（7.3）的外部，且其上下两端分别与变径接箍（7.2）的下端和下密封头（1.2）的上端相抵接。
2.根据权利要求1所述的多用途超高压封隔器试验装置，其特征在于：所述上变径套管（7.1）、变径接箍（7.2）和下变径套管（7.3）之间为螺纹连接结构。
3.根据权利要求1所述的多用途超高压封隔器试验装置，其特征在于：所述上变径套管（7.1）、变径接箍（7.2）和下变径套管（7.3）之间为整体成型结构。
4.根据权利要求1或2或3所述的多用途超高压封隔器试验装置，其特征在于：所述下密封头（1.2）上设置有检测及排污接口（1.3）。
5.根据权利要求1或2或3所述的多用途超高压封隔器试验装置，其特征在于：所述加热夹套（4）为空气加热夹套，其进风口（4.1）和出风口（4.3）之间的夹套空腔中设置有螺旋导风板（4.2）。
6.根据权利要求1或2或3所述的多用途超高压封隔器试验装置，其特征在于：所述上支撑管（6.1）和下支撑管（6.2）的管壁上设置有通气孔。
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