CN105136397A - 一种用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，包括胶筒压缩装置和胶筒压缩力测试装置，所述胶筒压缩装置包括中心管和胶筒内管，中心管上部套设有防顶压帽和上定位环，胶筒内管中部依次套设有上压环、胶筒、下压环、下定位环，上定位环和上压环之间套设有井口固定头；所述胶筒压缩力测试装置包括连接管、旋帽、固定套，所述固定套外侧上端部套设有活塞套，所述活塞套和固定套之间设置有传力套和活塞，所述固定套设置有长椭圆形通孔，所述活塞套中部设置有圆形打压孔。本发明可精确测出压缩式胶筒的压缩距、坐封力以及压缩距离与胶筒所受轴向力的关系，适用于单个或多个压缩式胶筒的功能性试验。

Description

一种用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置

技术领域

本发明涉及一种胶筒试验装置，更具体的说，是涉及一种用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置。

背景技术

压缩式封隔器是靠轴向力压缩胶筒，使胶筒直径变大以实现密封的封隔器；其中压缩式胶筒是该类封隔器的“心脏”，目前油井下面的压缩式胶筒的材质大多是氢化丁腈、丁腈橡胶等材质，但这些材料能否长期经受住油井中的高温、高压和腐蚀性介质是石油行业一直较关注的问题，也就是说油井中的压缩式胶筒需要进行密封性能、高温疲劳性能和耐腐蚀性能的功能性试验，否则封隔器的应用存在风险。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可精确测出压缩式胶筒的压缩距、坐封力以及压缩距离与胶筒所受轴向力的关系，同时也可试验压缩式胶筒在常温和高温下的密封性能、疲劳性能以及耐腐蚀性能，通过对压缩式胶筒进行试验既可为设计压缩式胶筒提供依据，又可检验胶筒是否耐高温、高压，是否经受住介质腐蚀的用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，由装置本体构成，所述装置本体由胶筒压缩装置和胶筒压缩力测试装置组成，所述胶筒压缩装置包括上部带螺纹的中心管和连于中心管底部的胶筒内管，所述中心管上部螺纹位置套设有上定位环，所述胶筒内管中部由上至下依次套设有上压环、胶筒、下压环、下定位环，所述上定位环和上压环之间套设有井口固定头；所述胶筒压缩力测试装置包括与所述中心管连接的连接管、套设于连接管上部的旋帽、设置于旋帽下部与井口固定头连接的固定套，所述固定套外侧上端部套设有活塞套，所述活塞套和固定套之间设置有轴向排列的传力套和活塞，所述固定套中下部设置有长椭圆形通孔，所述活塞套中部设置有圆形打压孔。

所述上定位环上部中心管套设有防顶压帽。

所述连接管的上端部和中部分别设置有通孔。

所述井口固定头外侧中部设置有一体结构的环形锥面。

所述胶筒内管内侧中部设置为实心结构。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中设置有胶筒压缩装置，可精确测出胶筒的压缩距，同时也可试验胶筒在一定温度下、一定压力和特定介质下的耐疲劳、耐腐蚀性能，从而全面地检测已设计出来的胶筒性能的稳定性；

(2)本发明中设置有胶筒压缩力测试装置，与胶筒压缩装置组合使用，可精确测出坐封力以及压缩距离与胶筒所受轴向力的关系，可以为设计压缩式胶筒提供试验依据，设计出符合要求的压缩式胶筒；

(3)本发明通过胶筒压缩装置与胶筒压缩力测试装置组合的方式完成对胶筒性能的全面检测，具有可视性和可操作性强的特点。

附图说明

图1是本发明与井内套管配套的结构示意图。

图2是图1中胶筒压缩装置的结构示意图。

图3是本发明中胶筒压缩装置安装防顶压帽的结构示意图。

图4是图1中胶筒压缩力测试装置结构示意图。

图5是本发明中胶筒压缩装置试验示意图。

附图标记:1中心管2上定位环3防顶压帽4井口固定头5上压环6胶筒7下压环8下定位环9胶筒内管10连接管11旋帽12固定套13活塞套14传力套15活塞16打压孔17长椭圆形通孔18压帽19套管20上压进/出口21下压进/出口

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，由装置本体构成，所述装置本体由胶筒压缩装置和胶筒压缩力测试装置组成，所述胶筒压缩装置包括上部带长梯形螺纹的中心管1和通过梯形螺纹连接于中心管1底部外侧的胶筒内管9，所述胶筒内管9内侧中部设置为实心结构，所述中心管1上部长梯形螺纹位置套设连接有上定位环2，可通过螺纹上下移动，通过这种结构来控制中心管1的位移量。所述上定位环2上部的中心管1通过梯形螺纹可套接有防顶压帽3，连接后防顶压帽3的内部的台阶端面与上定位环2的上端面紧贴，用以限制上定位环2继续向上移动，但是一般情况下防顶压帽3是不安装的，只有封隔器的胶筒坐封后，防顶压帽3才安装，用以阻止被压缩的胶筒6重新放松。胶筒6的锁定机构是通过中心管1、上定位环2和防顶压帽3共同实现的，上定位环2防止中心管1继续向上移动，防顶压帽3阻止被试验的胶筒6恢复伸展。所述胶筒内管9的中部由上至下依次套设有上压环5、胶筒6、下压环7、下定位环8，为了防止胶筒6坐封后各层窜压，所述上压环5和下压环7内部分别设置有O型圈，下定位环8通过梯形螺纹与胶筒内管9连接，用于限制上压环5、胶筒6、下压环7的移动。所述上定位环2和上压环5之间套设有井口固定头，所述胶筒内管9与井口固定头4之间接触面内设置有O型圈，以防止液体通过固定井口头4与胶筒内管9间的缝隙泄露到装置的外部。所述井口固定头4外侧中部设置有一体结构的环形锥面，即公锥面，与试验井口的母锥面进行配合，公锥面上有两道O型圈，从而与井口的母锥面密封。

所述胶筒压缩力测试装置包括通过外侧梯形螺纹与所述中心管1内侧连接的连接管10、套设于连接管10上部的旋帽11、设置于旋帽11下部通过梯形螺纹与井口固定头4套接的固定套12，所述连接管10的上端部和中部可分别设置有通孔，通孔数量可设置为4个，以便快速实现螺纹连接。所述固定套12外侧上端部套设有活塞套13，所述活塞套13和固定套12之间设置有轴向排列的传力套14和活塞15，所述传力套14可与所述活塞套13和固定套12顶部对齐，即所述传力套14和活塞15分别套装在固定套12和活塞套13之间，所述固定套12的外螺纹与活塞套13通过普通三角螺纹连接，且三角螺纹的上端装有O型圈，且活塞15内外各有两道O型圈。所述旋帽11通过梯形螺纹与连接管10连接，并压紧传力套14，其中连接管10上的梯形螺纹很长，可以调节旋帽11上下移动。所述固定套12中下部设置有长椭圆形通孔17，以便观察中心管1和上定位环2的移动情况，以测量中心管1的移动量，所述活塞套13中部径向设置有有带1/2英寸NPT扣的圆形打压孔16，以方便液压泵向内打压。

本装置可试验不同内径的胶筒6，也可试验单个胶筒6和多个组合的胶筒6，因此，胶筒内管9可根据被试验胶筒6的内径和长度进行设计，设计出的胶筒内管9螺纹结构是一样的，只是中段的尺寸和长度不同。胶筒压缩装置在试验不同尺寸的胶筒6时只需拆卸胶筒内管9，而不需要拆卸其他零件，在试验同一尺寸的胶筒6时，拆换胶筒6时只需拆卸胶筒内管9和下定位环8，而无需拆卸装置的其他部件。

本试验装置所承受的最高温度和最高压力差分别为250℃和50MPa。所述的胶筒压缩力测试装置在胶筒压缩装置已安装完毕的基础上进行设计、安装。在试验中，既可单独使用又可组合使用，组合使用中胶筒压缩力测试装置中的固定套12与胶筒压缩装置中的井口固定头4通过螺纹连接在一起，从而实现对胶筒关键参数的测试，并且胶筒压缩力测试装置可通过固定套12整体安装或拆卸。胶筒6的坐封方式上是从装置的下面打压，使压力向上推动胶筒内管9和下定位环8，压缩胶筒6使之坐封。

下面结合实际的试验说一下使用的过程。

试验一：封隔器胶筒的坐封及压缩距的确定。

封隔器坐封是指胶筒6密封住油套环形空间，并能承受规定的工作压差时的状态；压缩距是指胶筒6在套管19内坐封时，其轴向被压缩的长度；压缩距离指的是压缩式封隔器的胶筒在轴向力作用下被压缩的距离，压缩距离与压缩距是不同的两个概念，压缩距特制封隔器胶筒在坐封条件下的压缩距离。

本试验主要用到本发明中的胶筒压缩装置，如图5所示，装有胶筒6的装置整体下入带有上压进/出口20和下压进/出口21且内部充满试验介质的套管19中，如果试验需要温度条件，则套管19外侧的加热介质可以随时加热、保温。本试验的具体试验步骤如下：

(1)为了准确测量封隔器胶筒的压缩距，首先调节下定位环8，使上定位环2、固定井口头4、上压环5、胶筒6、下压环7和下定位环8彼此之间没有空隙，胶筒6也未受到压缩，此时量出图5中尺寸X的长度，假设为a。

(2)将上压进/出口20关闭，用液压泵从下压进/出口21打液压，压力首先作用于胶筒内管9，使胶筒内管9、下定位环8、下压环7、中心管1和上定位环2一起向上运动，从而使胶筒6被压缩，由于井口固定头4被压帽18固定不动，此时上定位环2的下端面与固定井口头4的上端面有了空隙，空隙的长度就是压缩的距离，此时手动使上定位环2通过中心管1的梯形螺纹向下移动，直至上定位环2的下端面与井口固定头4的上端面贴紧，此时再测量出图5中尺寸X的长度，假设是b，则压缩的距离为b‐a，但这个值并不一定是胶筒6的压缩距。

(3)将防顶压帽3通过梯形螺纹与中心管1连接，使防顶压帽3内侧上部的台阶面紧压在上定位环2的上端面，如图3所示。

(4)打开上压进/出口20，向下压进/出口21打压，打的压力值是被试验封隔器的工作压差，稳压5min，若压力不降，将下压进/出口21打开泄压，并改向上压进/出口20打压，压力值是被试验封隔器的工作压差，稳压5min。

(5)若压力不降，则说明胶筒6已坐封，那么这个压缩距离就是胶筒6坐封的压缩距，若压力有明显下降，则将防顶压帽3拆下，重复上述步骤(2)和步骤(3)，使胶筒6的压缩距再增加一点。

(6)重复上述步骤(4)和步骤(5)直至压力稳定，最终得到胶筒6在坐封条件下的最小压缩距离，即胶筒6的压缩距，假设为s。

试验二：封隔器胶筒的油侵试验和疲劳试验。

封隔器的油侵试验主要是使封隔器的胶筒在某试验介质中，在一定温度、压力条件下连续浸泡规定的时间，从而检验胶筒的防侵蚀的能力。封隔器的疲劳试验主要是通过试验的方法检验胶筒能否反复承受从油套环空空间两端依次施加规定的压力差，反复的次数通常用疲劳次数来表征，胶筒两端各施加一次压差为疲劳一次。

此试验用的仍然是本发明中的胶筒压缩装置，并把试验一得出的封隔器胶筒坐封时的压缩距s作为封隔器胶筒的油侵试验和疲劳试验的已知条件，因此封隔器胶筒的油侵试验和疲劳试验的步骤如下：

(1)关闭上压进/出口20，在防顶压帽3未与中心管1连接的情况下，从下压进/出口21打液压，使胶筒6被压缩的距离为前面测出的坐封压缩距s，然后防顶压帽3通过梯形螺纹与中心管1连接，并使防顶压帽3内部上侧的台阶面压在上定位环2的上端面。

(2)打开上压进/出口20，向下压进/出口21打压，压力值是被试验封隔器的工作压差，稳压5min，若稳压过程中，压力无明显变化，则打开下压进/出口21，泄下压，然后用打压泵从上压进/出口20打压，压力值是被试验封隔器的工作压差。若在上面的两种稳压过程中，压力一直在下降，且除打压的另一个进/出口有液体流出，则说明压缩距s取得过小，封隔器没将套管19封隔住，两层的压力互窜了，应继续压缩胶筒6，即又要重新做一试验，重新测压缩距，然后根据测得的新压缩距重复试验二。

(3)如果上述步骤(2)中的两次打压过程中，压力均稳的住，则继续重复上述步骤(1)和步骤(2)，重复次数按标准规定或试验者的方案执行。

通过试验二最后得出封隔器胶筒的压缩距，为下面的试验三奠定基础。也证实被试验的胶筒6在一定温度、压力条件下，具有良好的力学性能和防侵蚀性能。

试验三：封隔器的坐封力的测定及胶筒所受轴向力与压缩距离的关系曲线的绘制。

坐封力是指使压缩式胶筒密封住油套管环空(即坐封)，并能承受规定的工作压差时所需的轴向压缩力，胶筒的坐封力和胶筒所受的轴向力也是两个概念，胶筒的坐封力特制胶筒在坐封时胶筒所受的轴向力。

此试验用的试验装置为本发明整套装置，即所述胶筒压缩装置和胶筒压缩力测试装置的组合，具体部件名称及结构前已详细说明，下面主要介绍一下装置的原理及试验步骤。

由于所述胶筒压缩力测试装置是在试验一所用的胶筒压缩装置的基础上设计的，因此胶筒压缩力测试装置是直接安装在胶筒压缩装置的上面，并且此试验也是在试验一、二结束后进行的，即试验中的胶筒压缩距取试验二中的数据。组合装置安装后下入到套管19中，如图1所示。

本试验的工作原理如下：通过液压泵向活塞套13中部的圆形打压孔16打液压，液压推动活塞15，活塞15又推动传力套14、旋帽11、连接管10、中心管1、上定位环2一起向上移动，移动的距离为试验二中得到的压缩距，实现坐封，坐封后根据液压泵的压力曲线和装置中活塞的环形截面积得出坐封力的具体数值。

本试验的目的是根据胶筒6的压缩距，准确测出胶筒6的压缩力，但本发明中主要零部件本身的重量是不可忽视的，并且活塞15的内外O型圈分别与活塞套13和固定套12间的摩擦力同样也不可忽略，因此必须排除这些外力对试验结果的影响，具体的试验过程如下：

(1)组装本发明装置时，首先，组装胶筒压缩装置，组装胶筒压缩装置时，第一步要调节下定位环8，使上定位环2、固定井口头4、上压环5、胶筒6、下压环7和下定位环8彼此之间没有空隙，胶筒6也未受到压缩，此时量出如图5中尺寸X的长度，假设为a。接着手动调节下定位环8，使尺寸X的值变成a+m，此时上压环5、下压环7与胶筒6之间有了间隙，间隙的轴向长度为m，然后将胶筒压缩装置整体下入套管19中，并用井口的压帽18压紧。

(2)将胶筒压缩力测试装置装入胶筒压缩装置上，如图4所示。

(3)连好管线向活塞套13内打液压，随着压力的增加，活塞15、传力套14、旋帽11、连接管10、上定位环2、中心管1及其下面的零部件一起向上移动，移动的位移可用尺子在固定套12侧面的长椭圆形通孔17内测得。

(4)位移每增加一个单位或其他规定的值，记录一次泵的压力值。

(5)当位移的数值达到m时，记下泵的压力值，假设为p1，这部分位移过程是不压缩胶筒6的。

(6)继续打压，当位移的数值达到m+s(s的值是试验二中得到的胶筒6的压缩距)时，再次记下泵的压力值，假设为p2。

(7)处理试验数据得到胶筒6的坐封力并画出压缩距离与胶筒6受到的轴向压力的关系曲线，最后计算的坐封力的值为(p2‐p1)*A1(A1是活塞20的环形截面积)，通过试验结果得出的封隔器的坐封(压)力为(p2‐p1)*A1/A2(A2是被测封隔器的活塞的环形截面积)

(8)根据试验的数据，在二维图纸上进行描点，最终通过Excel软件生成曲线，从而得到压缩距离和胶筒6受到轴向力的关系曲线图。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，由装置本体构成，其特征是，所述装置本体由胶筒压缩装置和胶筒压缩力测试装置组成，所述胶筒压缩装置包括上部带螺纹的中心管和连于中心管底部的胶筒内管，所述中心管上部螺纹位置套设有上定位环，所述胶筒内管中部由上至下依次套设有上压环、胶筒、下压环、下定位环，所述上定位环和上压环之间套设有井口固定头；所述胶筒压缩力测试装置包括与所述中心管连接的连接管、套设于连接管上部的旋帽、设置于旋帽下部与井口固定头连接的固定套，所述固定套外侧上端部套设有活塞套，所述活塞套和固定套之间设置有轴向排列的传力套和活塞，所述固定套中下部设置有长椭圆形通孔，所述活塞套中部设置有圆形打压孔。

2.根据权利要求1所述的用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，其特征是，所述上定位环上部中心管套设有防顶压帽。

3.根据权利要求1所述的用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，其特征是，所述连接管的上端部和中部分别设置有通孔。

4.根据权利要求1所述的用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，其特征是，所述井口固定头外侧中部设置有一体结构的环形锥面。

5.根据权利要求1所述的用于压缩式胶筒功能性试验的试验装置，其特征是，所述胶筒内管内侧中部设置为实心结构。