CN107389282B - 一种气密封试验方法和试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气密封试验方法，以及实现此方法的试验系统，包括以下步骤：（1）提高被测试的腔体中的气体压力到试验压力；（2）检测第二测试腔体的气体压力，所述第二测试腔体是与测试的腔体采用密封件分隔开、气体可能通过密封件由测试腔体泄漏进入的腔体，通过气体压力的变化来换算出泄漏气体的摩尔量或大气压下的体积。在步骤（2）前抽取第二测试腔体的气体至真空状态。从而使得灵敏度更高，便于测量微量气体的泄漏；另外，在压力越趋于零，气体越符合理想气体状态方程；从而使得泄漏气体n2的体积换算更加方便；对于API标准要求的V0等级的测量时，不仅仅是定性，还可以定量。

Description

一种气密封试验方法和试验系统
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体讲是一种气密封试验方法和试验系统。
背景技术
根据油气钻采行业标准，封隔器、防喷器、井口装置等需要进行气压试验，行业权威的API标准对封隔器有由低到高V6到V0级7个设计确认等级，其中，V2、V1、V0具有气体试验要求，要求“以空气、氮气或其他气体或混合气体作试验介质”，“压力试验至少保压15min”,其中V2、V1气体泄漏不能超过一定的体积标准，而V0要求无气泡聚集，在高压高温环境（压力＞103MPa或温度等级大于177°C）使用的封隔器还应当在最高额定温度、高于或等于最高额定压力下进行试验。《井下封隔器气体密封性能试验研究》（石油矿场机械，2016年第45卷，第1期第56-59页）提出了一种“井下封隔器气体密封性能的试验方法”，将试验用模拟封隔器安装于高压筒中，高压筒置于恒温箱内，将高压筒和恒温箱通过试压管线、坐封管线和气体泄漏收集管线与密封性能试验系统连接，验证高压筒中试验用模拟封隔器的密封性能。进行气体试压时，若密封不良，高压气体就会从试压口突破密封件，从测试口沿气体泄漏收集管线进入计量罐中，由于罐体是完全密封的，泄漏的气体在罐体上部聚集，将清水通过溢流管排出，清水的液面高度通过液位传感器传送至控制柜和数据处理器，并将液面高度转换为泄漏气体的体积。这种方式原理简单、构造方便，可以检测出V2、V1泄漏气体的体积，但是对于标准要求的V0等级测量时，仅能定性而难以定量，有一定的计量难度。
申请号为201220170841.3的井口装置超高压气密封试验系统提供了一种采油树和防喷器等采油工具的气密性试验方法，将被测试工件连接到试压装置，并向工件中充入最高 210MPa 的气体，将试验工件沉入水中，看是否有由于工件泄露而形成的气泡从水面冒出，同时试验装置要能检测试验过程中试验工件内的气体泄露导致的压力下降值的大小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种不同于现有技术方案的一种气密封试验方法，以及实现此方法的试验系统，能够从另一个角度解决气密封试验问题，特别对于微量泄漏情况有更精确的计量。
本发明的技术方案是：一种气密封试验方法，包括以下步骤：
（1）提高被测试的腔体中的气体压力到试验压力；
（2）检测第二测试腔体的气体压力，通过气体压力的变化来换算出泄漏气体的摩尔量或大气压下的体积，所述第二测试腔体是与测试的腔体采用密封件分隔开、气体可能通过密封件由测试腔体泄漏进入的腔体。
当被测试的腔体中的气体压力提升到试验压力时，若密封不良时，因为压力差的作用，气体会渗漏到相邻腔体中，根据理想气体状态方程：PV=nRT，气体的渗漏会造成相邻腔体中的气体摩尔量增加，在V、R、T三者都保持不变的情况下，仅会导致气体压力的变化，记录下气体压力的变化，便可以换算出渗漏出气体的摩尔量。其换算方式为：
假设第二测试腔体已有气体的摩尔量为n1，初始压力为P1，则初始平衡状态为：
P1V=n1RT；（公式1）
假设泄漏过的气体摩尔量为n2,气体渗漏过去后，压力变化升高为P2,则腔体渗漏后的气体符合：
P2V=（n1+ n2）RT；（公式2）
则公示1和公式2两侧分别相除，得：
P2/P1=（n1+n2）/ n1；进而得：
n2=（P2/P1）n1- n1；
通过PV=nRT也可以换算出泄漏气体n2大气压下的体积。
采用这种方式，在泄漏气体n2较少的情况下，所造成的压力变化不明显，从而影响了计量精度和效果，为此提出了一种改进：在步骤（2）前抽取第二测试腔体的气体至真空状态。
抽取气体至真空状态下，减小了n1的量，从而使得灵敏度更高，便于测量微量气体的泄漏；另外，在压力越趋于零，气体越符合理想气体状态方程；从而使得泄漏气体n2的体积换算更加方便；对于API标准要求的V0等级的测量时，不仅仅是定性，还可以定量。
在提高被测试的腔体气体压力到试验压力过程中，在高压气体以及压力差的作用下，被测试对象的密封件可能会发生变形，在变形过程中，会有部分气体由被测试的腔体泄漏到第二测试腔体中，若在步骤（1）之前或同时抽取第二测试腔体真空，泄漏气体会影响检测效果，考虑到此因素，在步骤（1）后，步骤（2）前抽取第二测试腔体的气体至真空状态，测试效果更佳。
所实验的对象是封隔器，在步骤（1）前对封隔器坐封。
对于不同腔体的测量，第二测试腔体也不同，所需要检测气体压力的腔体也不同，其组合如下：封隔器及其密封件将试验井筒内腔分隔成下腔、上腔，容纳封隔器中心管的部分腔体为上腔；
a. 被测试的腔体是封隔器中心管，第二测试腔体为上腔和下腔；
b. 被测试的腔体是上腔，第二测试腔体为下腔；
c. 被测试的腔体是下腔，第二测试腔体为上腔。
针对高温环境下的封隔器进行加压试验时，还需要：在提高被测试腔体中的气体压力到试验压力的同时提高被测试的腔体中和第二测试腔体的温度到规定温度。
所实验的对象是防喷器或采油树，在步骤（1）前将防喷器或采油树放置入容器中。
本发明还提供一种用于实现以上提出的气密封试验方法的气密封试验系统，包括测试气源，气压检测装置，所述测试气源连接被测试的腔体，分别在测试的腔体和气体可能泄漏到的腔体设置气压检测装置。通过测试气源对被测试的腔体加压，气压检测装置检测测试的腔体的压力变化以及第二测试腔体气体压力P1和P2，便于测量和换算。
作为气密封试验系统的一种改进，还包括抽真空装置，所述抽真空装置连接第二测试腔体。所述抽真空装置与可能泄漏到的腔体连接。通过抽真空装置抽取可能泄漏到的腔体的空气至真空状态，降低了摩尔量，仅微量气体泄漏过来便可以造成比较大的气体压力变化，提高了测量灵敏度。
本发明还提供一种用于实现以上提出的气密封试验方法的封隔器试验系统,包括试验井筒、测试气源，被测试的封隔器在试验井筒里坐封，所述测试气源与被测试的腔体连接，其特征在于：在第二测试腔体中安装气压检测装置。
对于不同腔体的测量，第二测试腔体也不同，所需要检测气体压力的腔体也不同，其组合如下：
a. 被测试的腔体是封隔器中心管，第二测试腔体为上腔和下腔；
b. 被测试的腔体是上腔，第二测试腔体为下腔；
c. 被测试的腔体是下腔，第二测试腔体为上腔。
为了便于针对高温环境下的封隔器进行加压试验，封隔器试验系统，还包括温度控制系统，所述温度控制系统控制被测试的腔体中和第二测试腔体的温度。
附图说明
图1是本发明的气密封试验系统一种对封隔器进行气密封试验时实施方式的原理图。
图2是本发明的气密封试验系统一种对防喷器进行气密封试验时实施方式的原理图。
具体实施方式
实施方式1
结合附图1说明本发明气密封试验系统对封隔器进行气密封试验时一种实施方式。
如图1所示，本实施方式采用模块化的设计思想将封隔器气密封试验系统分成不同的功能模块，包括测试气源1，高压试验模块2，封隔器坐封试验模块3，抽真空装置4，低压试验模块5，数据处理模块6，升温保温模块7。
其中，封隔器坐封试验模块3中，被试验的封隔器32在试验井筒33里坐封，封隔器32及其密封件321将试验井筒31内腔分隔成下腔33、上腔34，其中容纳封隔器中心管322的部分腔体为上腔34，不容纳封隔器中心管322的部分腔体为下腔33。
测试气源1由管路接入高压试验模块2，连通测试气源1的管路分为3个分路，分别接入中心管高压试验开关阀21、上腔高压试验开关阀22、下腔高压试验开关阀23的入口，中心管高压试验开关阀21的出口连通封隔器中心管322，上腔高压试验开关阀22的出口连通上腔34，下腔高压试验开关阀23的出口连通下腔33。
连通中心管高压试验开关阀21和封隔器中心管322的管路上设置压力表和中心管高压压力传感器24，同时设置旁路连接中心管卸荷阀25；连通上腔高压试验开关阀22和上腔34的管路上设置压力表和上腔高压压力传感器26，连通下腔高压试验开关阀23和下腔33的管路上设置压力表和下腔高压压力传感器27。
抽真空装置4由管路连接低压试验模块5，连通抽真空装置4的管路分为2个分路，分别接入上腔低压试验开关阀51、下腔低压试验开关阀52的一端，上腔低压试验开关阀51的另一端连通上腔34，下腔低压试验开关阀52的另一端连通下腔33；连通上腔低压试验开关阀51和上腔34的管路上设置旁路连接上腔低压测试开关阀53和上腔卸荷阀54，上腔低压测试开关阀53的另一端连接压力表和上腔低压压力传感器55；连通下腔低压试验开关阀52和下腔33的管路上设置旁路连接下腔低压测试开关阀56和下腔卸荷阀57，下腔低压测试开关阀56的另一端连接压力表和下腔低压压力传感器58。
上腔卸荷阀54和下腔卸荷阀57也可以设置在高压试验模块2。
中心管高压压力传感器24、上腔高压压力传感器26、下腔高压压力传感器27、上腔低压压力传感器55、下腔低压压力传感器58分别与数据处理模块6信号连接，由数据处理模块6执行由气体压力的变化来换算出泄漏气体的摩尔量或大气压下体积的工作。
所述升温保温装置7可实现对封隔器坐封试验模块3的温度控制。
本实施方式中未详细描述的模块在现有技术中均有较为完善的实施方式，本领域技术人员可以根据功能需要进行选用。
实施方式2
结合实施方式1来说明本发明的针对封隔器进行气密封试验方法的一种实施方式。本实施方式是对中心管进行试验。
首先，将被测试的封隔器安装在试验井筒31中，坐封。
然后打开上腔低压试验开关阀51、下腔低压试验开关阀52，启动抽真空装置4，抽取上腔34、下腔33的空气至真空状态，数据处理模块6通过上腔低压压力传感器55、下腔低压压力传感器58记录上腔34、下腔33的起始压力。
打开中心管高压试验开关阀21，关闭上腔高压试验开关阀22、下腔高压试验开关阀23，启动测试气源1，提升封隔器中心管322中的气体压力到标准API SPEC 11D1《石油天然气工业-井下工具-封隔器和桥塞》所规定的试验压力，稳压，中心管高压压力传感器24将此时的压力信号传到数据处理模块6。
数据处理模块6通过上腔低压压力传感器55、下腔低压压力传感器58记录上腔34、下腔33的压力变化，根据理想气体状态方程：PV=nRT，换算出泄漏到上腔34、下腔33气体的摩尔量或大气压下的体积。
试验完毕，中心管卸荷阀25开启，卸荷。
抽取气体至真空状态下，减小了n1的量，从而使得灵敏度更高，便于测量微量气体的泄漏；另外，在压力越趋于零，气体越符合理想气体状态方程；从而使得泄漏气体n2的体积换算更加方便；对于API标准要求的V0等级的测量时，不仅仅是定性，还可以定量。
实施方式3
结合实施方式1来说明本发明的针对封隔器进行气密封试验方法的另一种实施方式。本实施方式是在高温状态下对上腔进行试验。
首先，将被测试的封隔器安装在试验井筒31中，坐封。
打开上腔高压试验开关阀22，关闭中心管高压试验开关阀21、下腔高压试验开关阀23，启动测试气源1，提升上腔34中的气体压力到标准API SPEC 11D1《石油天然气工业-井下工具-封隔器和桥塞》所规定的试验压力，稳压，上腔高压压力传感器26将此时的压力信号传到数据处理模块6。
打开下腔低压试验开关阀52，启动抽真空装置4，抽取下腔33的空气至真空状态，数据处理模块6通过下腔低压压力传感器58记录下腔33的起始压力。
启动升温保温装置7，升高封隔器坐封试验模块3中的温度到标准API SPEC 11D1《石油天然气工业-井下工具-封隔器和桥塞》所规定的试验温度，并保持稳定。
在高压腔充压后抽取气体可能泄漏到腔体的气体至真空状态，测试效果更佳。
数据处理模块6通过下腔低压压力传感器58记录下腔33的压力变化，根据理想气体状态方程：PV=nRT，换算出泄漏到下腔33气体的摩尔量或大气压下的体积。
试验完毕，上腔卸荷阀54开启，卸荷。
关闭升温保温装置7，将封隔器坐封试验模块3中的温度降到常温。
实施方式4
结合实施方式1来说明本发明的针对封隔器进行气密封试验方法的又一种实施方式。本实施方式是在常温状态下对下腔进行试验。
首先，将被测试的封隔器安装在试验井筒31中，坐封。
打开下腔高压试验开关阀23，关闭中心管高压试验开关阀21、上腔高压试验开关阀22，启动测试气源1，提升下腔33中的气体压力到标准API SPEC 11D1《石油天然气工业-井下工具-封隔器和桥塞》所规定的试验压力，稳压，下腔高压压力传感器27将此时的压力信号传到数据处理模块6。
然后打开上腔低压试验开关阀51，启动抽真空装置4，抽取上腔34的空气至真空状态，数据处理模块6通过上腔低压压力传感器55记录上腔34的起始压力。
数据处理模块6通过上腔低压压力传感器55记录上腔34的压力变化，根据理想气体状态方程：PV=nRT，换算出泄漏到上腔34气体的摩尔量或大气压下的体积。
试验完毕，下腔卸荷阀57开启，卸荷。
实施方式5
结合附图2说明本发明气密封试验系统对防喷器进行气密封试验时一种实施方式。
如图2所示，本实施方式将被试的防喷器安装在容器8中，测试气源1由管路接入防喷器，管路上设置防喷器高压试验开关阀91，同时设置旁路连接压力表和防喷器试验高压压力传感器92，同时设置卸荷旁路和卸荷阀95。
抽真空装置4由管路连接容器8，连通抽真空装置8的设置低压试验开关阀94，同时旁路连接压力表和防喷器试验低压压力传感器93，同时设置卸荷旁路和卸荷阀96。
防喷器试验高压压力传感器92、防喷器试验低压压力传感器93均与数据处理模块6信号连接。
试验时，首先将防喷器或采油树放置入容器8中；
防喷器高压试验开关阀91打开，测试气源1向防喷器内部加压；
低压试验开关阀94打开，抽真空装置4抽取容器8真空；
防喷器试验高压压力传感器92和防喷器试验低压压力传感器93将信号传输至数据处理模块6，数据处理模块6根据理想气体状态方程：PV=nRT，换算出泄漏到容器8气体的摩尔量或大气压下的体积；
试验完毕，开启卸荷阀95、96，卸荷。

Claims (10)

1.一种气压试验方法，包括以下步骤：
(1)提高被测试的腔体中的气体压力到试验压力；
(2)检测气体可能泄漏到的腔体的气体压力，通过气体压力的变化来换算出泄漏气体的摩尔量或大气压下的体积。
2.根据权利要求1所述的气压试验方法，其特征在于，在步骤(2)前抽取气体可能泄漏到腔体的气体至真空状态。
3.根据权利要求2所述的气压试验方法，其特征在于，在步骤(1)后，步骤(2)前抽取气体可能泄漏到腔体的气体至真空状态。
4.根据权利要求1至3任一项所述的气压试验方法，其特征在于，所实验的对象是封隔器，在步骤(1)前对封隔器坐封。
5.根据权利要求4所述的气压试验方法，其特征在于，所述被测试的腔体以及可能泄漏到的腔体的组合是以下组合中的一项：封隔器及其密封件将试验井筒内腔分隔成下腔、上腔，容纳封隔器中心管的部分腔体为上腔；a.被测试的腔体是封隔器中心管，可能泄漏到的腔体为上腔和下腔；b.被测试的腔体是上腔，可能泄漏到的腔体为下腔；c.被测试的腔体是下腔，可能泄漏到的腔体为上腔。
6.根据权利要求1至3任一项所述的气压试验方法，其特征在于，所实验的对象是防喷器或采油树，在步骤(1)前将防喷器或采油树放置入容器中。
7.根据权利要求6所述的气压试验方法，其特征在于，被测试的腔体是防喷器或采油树的内腔，可能泄漏到的腔体为容器。
8.用以实现权利要求1所述气压试验方法的气压试验系统,包括测试气源，气压检测装置，所述测试气源连接被测试的腔体，分别在测试的腔体和气体可能泄漏到的腔体设置气压检测装置。
9.根据权利要求8所述的气压试验系统，其特征在于，还包括抽真空装置，所述抽真空装置连接气体可能泄漏到的腔体。
10.根据权利要求8所述的气压试验系统,其特征在于，所实验的对象是封隔器，还包括试验井筒，被测试的封隔器在试验井筒里坐封，所述测试气源与被测试的腔体连接，其特征在于：在可能泄漏到的腔体中安装气压检测装置。
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