CN105043731A - 一种收缩式封隔器模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种收缩式封隔器模拟试验装置及试验方法。收缩式封隔器模拟试验装置包括：模拟封隔器以及第一供压系统；其中，所述模拟封隔器包括壳体、设置在所述壳体内的模拟钻杆以及设置在所述壳体与所述模拟钻杆之间的试验件；在所述试验件与所述模拟钻杆密封配合时，所述试验件、所述模拟钻杆以及所述壳体之间形成第一密封室，所述第一供压系统用于向所述第一密封室供压以试验所述试验件与所述模拟钻杆密封配合后的密封性能。本发明的收缩式封隔器模拟试验装置以试验的方式来测试模拟封隔器的静态密封性，从而在较短周期内获得试验件的性能失效规律，检测结果可靠，效率高，进而为封隔器产品的工程化应用提供了技术保证。

Description

一种收缩式封隔器模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及钻井设备，特别是涉及一种收缩式封隔器试验装置及试验方法。

背景技术

封隔器作为海洋平台钻井系统中的一个重要单元设备，主要用来控制及引导钻井过程中的浅层气以及钻井液远离钻台，保证操作人员以及设备安全。目前国内外油田常用的封隔器主要用收缩式和压缩式两种类型。

收缩式封隔器是利用橡胶件的径向收缩变形来与钻杆接触以实现密封，是油田应用较早、应用最为广泛的分层注水封隔器，其结构简单，使用方便。其核心部件之一是胶筒。在收缩式封隔器工作过程中，胶筒处于苛刻的工况环境中，例如压力与温度的波动。在这种环境下，胶筒橡胶材料会发生疲劳失效的情况，其性能随着时间的推移而逐渐下降，甚至失去使用性能，导致密封失效。目前获得胶筒性能失效规律的方法是根据封隔器的实际使用情况进行研究总结，这样的测量方法存在周期长，检测数据不可靠，效率低的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中通过对封隔器的实际使用情况来获得胶筒性能失效规律的方法存在周期长，检测数据不可靠，效率低的不足。

针对上述问题，本发明提出了一种收缩式封隔器模拟试验装置。收缩式封隔器模拟试验装置包括：模拟封隔器以及第一供压系统；其中，所述模拟封隔器包括壳体、设置在所述壳体内的模拟钻杆以及设置在所述壳体与所述模拟钻杆之间的试验件；在所述试验件与所述模拟钻杆密封配合时，所述试验件、所述模拟钻杆以及所述壳体之间形成第一密封室，所述第一供压系统用于向所述第一密封室供压以试验所述试验件与所述模拟钻杆密封配合后的密封性能。

根据本发明的收缩式封隔器模拟试验装置的实施例，其包括模拟封隔器以及第一供压系统。模拟封隔器包括壳体、设置在壳体内的模拟钻杆以及设置在壳体与模拟钻杆之间的试验件。模拟封隔器的整体结构与现有技术中的封隔器不同，包括的壳体类似于实际工况的地层。在试验件与模拟钻杆密封配合时，试验件、模拟钻杆以及壳体之间形成第一密封室。第一供压系统用于向第一密封室供压以试验试验件与模拟钻杆密封配合后的密封性能。第一供压系统模拟在实际工况条件下的地层中产生的压力。这样，使用本发明的收缩式封隔器模拟试验装置就可以以试验的方式来测试模拟封隔器的静态密封性，从而在较短周期内获得试验件的性能失效规律，检测结果可靠，效率高，进而为封隔器产品的工程化应用提供了技术保证。

在一个实施例中，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括第二供压系统；所述试验件与所述壳体之间形成有第二密封室，所述第二供压系统用于向所述第二密封室供压以实现所述试验件与所述模拟钻杆的密封配合。

在一个实施例中，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括用于将所述试验件压装到所述壳体内的压装机构。

在一个实施例中，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括容纳所述模拟封隔器以及所述压装机构的控温箱。

在一个实施例中，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括容纳所述控温箱的防护箱。

在一个实施例中，所述压装机构包括与所述壳体可拆卸连接的下支撑件。

在一个实施例中，所述控温箱包括底平台，所述下支撑件与所述底平台可拆卸连接。

在一个实施例中，所述压装机构包括用于压装所述试验件的中支撑件，所述模拟封隔器位于所述中支撑件与所述下支撑件之间。

在一个实施例中，所述压装机构包括定位杆，所述模拟钻杆上设置有供所述定位杆穿过的中心孔，所述定位杆穿过所述中心孔并与所述中支撑件活动连接。

本发明还提出一种使用上述的收缩式封隔器模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：使用第二供压系统向第二密封室供压，将所述试验件与所述模拟钻杆密封配合，以坐封所述模拟封隔器；

步骤二：使用所述第一供压系统向所述第一密封室加压，以检测所述模拟封隔器的密封性能。

根据本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置，其包括模拟实际工程应用的封隔器的模拟封隔器，模拟实际井下工况压力的第一供压系统，模拟在紧急情况下使胶筒产生径向变形以锁紧模拟钻杆的第二供压系统以及模拟实际井下工况温度环境的控温箱。模拟封隔器的工作原理与工程应用的封隔器的工作原理相同。第一供压系统可以提供模拟压力值。控温箱可以模拟不同的环境温度。这样，本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置可以实现在实验室环境下利用试验的方法来获取被测试的模拟封隔器的静态密封性能。使用本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置，还可以对模拟封隔器的疲劳性能进行测试。本发明实施例的试验方法，完全模拟封隔器的实际工况，从而实现对模拟封隔器在不同的环境温度，不同预定压力值的模拟工况中的密封性能或者疲劳性能进行测试，利用试验的方法测试出模拟封隔器的静态密封性能或者疲劳性能，为产品的工程化应用提供了技术保证。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置的整体结构示意图。

图2是图1中A处的局部放大图。

图3是图2中B处的局部放大图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置的整体结构。

本发明的收缩式封隔器模拟试验装置的实施例，其包括可以模拟工程中实际应用的封隔器的模拟封隔器11以及向模拟封隔器11中供应压力的第一供压系统12。模拟封隔器11的工作原理基本与实际应用的模拟封隔器11的工作原理相同。第一供压系统12用于提供与实际工况下相同的模拟压力，以检测模拟封隔器11在模拟压力作用下的密封性能。模拟封隔器11以及第一供压系统12组成的试验装置可以实现在实验室条件下利用试验的方法测试出模拟封隔器11的静态密封性能和疲劳性能，从而在较短周期内获得试验件的性能失效规律，检测结果可靠，效率高，进而为实际产品的工程化应用提供了技术保证。

如图2、图3所示，模拟封隔器11包括形成有容纳腔的壳体111。在容纳腔内设置有模拟钻杆112。模拟钻杆112的一端固定连接在壳体111的内底壁上，保证在整个试验过程中模拟钻杆112的位置稳定，在受到外力作用时也不发生偏移。在壳体111与模拟钻杆112之间设置有试验件113。优选地，壳体111是圆筒型。模拟钻杆112是设置有中心孔的圆柱体。使用螺栓将模拟钻杆112连接在壳体111的底壁上。试验件113包括使用橡胶加工制造的圆环形的胶筒1132以及与胶筒1132的两个端部分别固定连接有钢制圆环1131，钢制圆环1131对胶筒1132形成支撑。两个钢制圆环1131将胶筒1132夹装在中间。

一个实施例中，胶筒1132在安装到模拟钻杆112与壳体111之间时就与模拟钻杆112密封配合在一起，例如胶筒1132过盈配合到模拟钻杆112上，为进行下一试验步骤做好准备。

另一个实施例中，试验件113安装到模拟钻杆112与壳体111之间时，试验件113的内表面与模拟钻杆112之间形成有间隙。在试验件113的胶筒1132受到外力作用时，胶筒1132发生径向变形才与模拟钻杆112密封配合起来，为进行下一试验步骤做好准备。这样，胶筒1132作用在模拟钻杆112上的压力可根据试验要求设置，扩大了试验的压力测试范围，提高了试验的灵活性。

在胶筒1132与模拟钻杆112密封配合时，胶筒1132、模拟钻杆112以及壳体111之间会形成第一密封室114，此时，模拟封隔器11处于坐封状态。第一密封室114位置的壳体111上设置有连接孔以供第一供压系统12向第一密封室114中加压。然后使用第一供压系统12向第一密封室114输入压力，以检测模拟封隔器11的静态密封性能。可选地，使用的第一供压系统12是液压系统。第一供压系统12包括压力管路、压力表以及增压泵，压力表与增压泵之间设置有泄压阀。这样，可以在壳体111的外部通过检测胶筒1132与模拟钻杆112的密封配合面位置是否有液体溢出或者渗出来测试模拟封隔器11的密封性能。

在一个实施例中，如图1、图2所示，胶筒1132在安装到模拟钻杆112与壳体111之间时，胶筒1132与模拟钻杆112之间形成有间隙。在胶筒1132受到外力作用时，胶筒1132才与模拟钻杆112密封配合起来。收缩式封隔器模拟试验装置包括可以促动胶筒1132径向移动的第二供压系统13。如图3所示，圆环形的胶筒1132固定连接在两个钢制圆环1131上。胶筒1132位于两个钢制圆环1131中间。钢制圆环1131的外周表面上设置有O型密封圈99。当带有两个钢制圆环1131的胶筒1132压入到壳体111中时，O型密封圈99受到壳体111与钢制圆环1131的挤压发生变形，从而形成两道密封面。这样，两个O型密封圈99、胶筒1132以及壳体111的内壁之间形成有环形的第二密封室115。第二密封室115位置的壳体111上设置有供第二供压系统13向第二密封室115加压的连接孔。第二供压系统13可以通过该连接孔向第二密封室115输入预定压力以促动胶筒1132发生径向变形，进而变形后的胶筒1132就与模拟钻杆112的外表面贴合以实现密封。在胶筒1132与模拟钻杆112密封配合时，胶筒1132、模拟钻杆112以及壳体111之间会形成第一密封室114，此时，模拟封隔器11处于坐封状态。然后使用第一供压系统12向第一密封室114输入压力，以检测模拟封隔器11的静态密封性能。可选地，第二供压系统13是液压系统。第一供压系统12包括压力管路、压力表以及增压泵，压力表与增压泵之间设置有泄压阀。

可选地，壳体上设置有与第一密封室与第二密封室连通的通气孔。通气孔上设置有堵头。第一密封室或者第二密封室内的空气可以从与各自相连通的通气孔排放出去。

收缩式封隔器模拟试验装置包括用于向壳体111中的压装试验件113的压装机构。如图1所示，压装机构包括上支撑件14、中支撑件15、下支撑件16以及定位杆17。其中，上支撑件14与下支撑件16分别固定安装在定位杆17的两个端部上。在一个实施例中，定位杆17的下端部设置成台阶轴，端部设置有外螺纹。定位杆17的下端穿过下支撑件16上设置的安装孔，台阶面抵压在下支撑件16上，端部旋拧上螺母以将下支撑件16安装固定。定位杆17的上端部设置有外螺纹，在将中支撑件15套接到定位杆17上后，在定位杆17上旋拧上一个螺母，然后套接上上支撑件14，再旋拧上一个螺母。两个螺母共同将上支撑件14固定夹持在定位杆17上。中支撑件15套接在定位杆17上，可以沿定位杆17的轴向方向移动。模拟钻杆112上设置有供定位杆17穿过的中心孔。壳体111上设置有与中心孔同轴的通孔。

压装的过程是，首先将下支撑件16固定在定位杆17上。然后将完成组装的壳体111与模拟钻杆112套接到定位杆17上，定位杆17穿过壳体111的通孔以及模拟钻杆112的中心孔。将壳体111与下支撑件16连接在一起后可以保证壳体111的位置稳定性。可选地，壳体111与下支撑件16可拆卸连接。将试验件113吊装到壳体111的上方并对准壳体111上设置的安装部。再将中支撑件15套接在定位杆17上并抵压在试验件113上。上支撑件14在定位杆17的一端安装固定好之后，使用设置在中支撑件15与上支撑件14之间的顶升装置18(例如千斤顶)来促动中支撑件15沿定位杆17的轴向方向移动。中支撑件15沿定位杆17的轴向方向的移动会对试验件113施加一个轴向力，进而最终会将试验件113压入到壳体111上设置的安装部内以完成试验件113的压入工作。使用压装机构进行试验件113的压入工作可以提高压装效率。压装机构对试验件113的压力比较均衡，从而保证压入的试验件113与壳体111之间的配合误差更小。

可选地，在吊装试验件113到指定位置后，再吊装壳体111的端盖116放置到试验件113上方，然后再放置中支撑件15。这样，压装完成后，端盖116通过螺栓与壳体111连接起来，从而将试验件113抵压在壳体111内，防止试验件113在试验过程中从壳体111中脱出，保证了试验过程的安全性。

在完成试验件113的压装工作后，将完成组装后的模拟封隔器11以及压装机构放入控温箱19中。控温箱19可以通过设置的加热装置或者冷却装置来对箱体内部的温度进行调节以实现对不同环境温度的模拟。将模拟封隔器11放置在控温箱19后，可以对模拟封隔器11在不同环境温度下的静态密封性能进行测试以获得更多的试验数据。压装机构的下支撑件16与控温箱19的底平台191可拆卸连接。下支撑件16固定在底平台191上可以保证模拟封隔器11在控温箱19内部的位置稳定，不会发生位置偏移。

考虑到收缩式封隔器模拟试验装置在试验过程中会出现高温高压的试验环境，因此在控温箱19的外部设置防护箱。防护箱包括防护罩20和基座21。基座21上设置有导轨，防护罩20可沿导轨移动，方便操作人员将其推开，以方便控温箱19放置到基座21上。控温箱19安放到预定位置后，盖上防护罩20就可进行试验操作。这样，防护箱可以保证整个试验过程的安全性，操作人员的人身安全得到保障。

在一个实施例中，试验件113可以设置多个，多个试验件113可以彼此套接起来，以满足不同直径的模拟钻杆112的试验要求。最外侧的试验件113需要使用压装机构进行压装，里层的试验件113依次套接到定位杆17上。当使用第一供压系统12促动最外侧的胶筒1132发生径向变形时，变形后的胶筒1132会促动相邻的胶筒1132发生径向变形，直至位于最里层的胶筒1132也发生径向变形并与模拟钻杆112的外表面贴合形成密封面。采用不同内径的试验件113彼此套接使用以满足不同直径模拟钻杆112的试验要求的方式，可以提高试验设备的利用率，提升试验过程的灵活性。可选地，试验件113为多个时，模拟钻杆112上套接用于支撑靠里层试验件113的定位环117。先将定位环117套接到模拟钻杆112上。然后套接位于里层的试验件113，将试验件113放置在定位环117上以保持各个试验件113在轴向方向上对齐。对应地，端盖116也可以设置多个。

在模拟封隔器11的壳体111上设置有温度传感器，用于测量试验过程中第一密封室114的温度值。

本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置，其包括模拟实际工程应用的封隔器的模拟封隔器11，模拟实际井下工况压力的第一供压系统12，模拟在紧急情况下使胶筒1132产生径向变形以锁紧模拟钻杆112的第二供压系统13以及模拟实际井下工况温度环境的控温箱19。模拟封隔器11的工作原理与工程应用的封隔器的工作原理相同。第一供压系统12可以提供模拟压力值。控温箱19可以模拟不同的环境温度。这样，本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置可以实现在实验室环境下利用试验的方法来获取被测试的模拟封隔器11的静态密封性能，从而为实际封隔器产品的工程化应用提供了技术保证。

本发明还提出了一种使用上述收缩式封隔器模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：使用压装机构将试验件113压入到固定在下支撑件16上的壳体111内部。试验件113的外表面与壳体111之间形成有环形的第二密封室115。使用第二供压系统13向第二密封室115内输入压力，从而使得试验件113上的胶筒1132发生径向变形。径向变形后的胶筒1132会与模拟钻杆112的外表面形成密封配合。胶筒1132锁紧模拟钻杆112以实现模拟封隔器11的坐封。

步骤二：胶筒1132径向变形锁紧模拟钻杆112后，胶筒1132、模拟钻杆112以及壳体111之间会形成第一密封室114。使用第一供压系统12向第一密封室114加压，在模拟封隔器11的外部对模拟封隔器11的密封性能进行检测。

试验过程中，可以使用控温箱19来模拟不同的环境温度，进而测试模拟封隔器11在不同环境温度下的密封性能。

使用本发明实施例的收缩式封隔器模拟试验装置，还可以对模拟封隔器11的疲劳性能进行测试。测试的过程是，首先使用第二供压系统13对模拟封隔器11的第二密封室115进行加压，使得试验件113的胶筒1132径向锁紧模拟钻杆112。然后使用第一供压系统12向模拟封隔器11内部形成的第一密封室114内进行加压。保持一分钟以后，第一供压系统12以及第二供压系统13同时卸压，如此重复加载三百次，以测试模拟封隔器11的疲劳性能。

可选地，第一供压系统12和第二供压系统13是液压系统。这样，第一供压系统12向第一密封室114加压和第二供压系统13向第二密封室115加压后，可以在模拟封隔器11的外部检测模拟钻杆112与胶筒1132的密封面位置是否有液体渗出或者溢出来测试模拟封隔器11的密封性能。如果始终无液体外渗或者外溢，就说明模拟封隔器11在第一供压系统12和第二供压系统13加载的预定压力值时的坐封状况良好，密封性能好。

通过本发明实施例的试验方法，完全模拟封隔器11的实际工况，从而实现对模拟封隔器11在不同的环境温度，不同预定压力值的模拟工况中的密封性能或者疲劳性能进行测试，利用试验的方法测试出模拟封隔器11的静态密封性能或者疲劳性能，为产品的工程化应用提供了技术保证。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种收缩式封隔器模拟试验装置，包括：

模拟封隔器以及第一供压系统；

其中，所述模拟封隔器包括壳体、设置在所述壳体内的模拟钻杆以及设置在所述壳体与所述模拟钻杆之间的试验件；在所述试验件与所述模拟钻杆密封配合时，所述试验件、所述模拟钻杆以及所述壳体之间形成第一密封室，所述第一供压系统用于向所述第一密封室供压以试验所述试验件与所述模拟钻杆密封配合后的密封性能。

2.根据权利要求1所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括第二供压系统；所述试验件与所述壳体之间形成有第二密封室，所述第二供压系统用于向所述第二密封室供压以实现所述试验件与所述模拟钻杆的密封配合。

3.根据权利要求1所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括用于将所述试验件压装到所述壳体内的压装机构。

4.根据权利要求3所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括容纳所述模拟封隔器以及所述压装机构的控温箱。

5.根据权利要求4所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述收缩式封隔器模拟试验装置还包括容纳所述控温箱的防护箱。

6.根据权利要求4所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述压装机构包括与所述壳体可拆卸连接的下支撑件。

7.根据权利要求6所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述控温箱包括底平台，所述下支撑件与所述底平台可拆卸连接。

8.根据权利要求6所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述压装机构包括用于压装所述试验件的中支撑件，所述模拟封隔器位于所述中支撑件与所述下支撑件之间。

9.根据权利要求8所述的收缩式封隔器模拟试验装置，其特征在于，所述压装机构包括定位杆，所述模拟钻杆上设置有供所述定位杆穿过的中心孔，所述定位杆穿过所述中心孔并与所述中支撑件活动连接。

10.一种使用根据权利要求2至9中任一权利要求所述的收缩式封隔器模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：使用第二供压系统向第二密封室供压，将所述试验件与所述模拟钻杆密封配合，以坐封所述模拟封隔器；

步骤二：使用所述第一供压系统向所述第一密封室加压，以检测所述模拟封隔器的密封性能。