CN111077011A - 一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，包括泥浆腔和润滑腔，沿泥浆腔和润滑腔的轴线设置有一玻璃轴管，玻璃轴管通过电机驱动进行旋转；玻璃轴管上端位于润滑腔内；润滑腔底板与玻璃轴管之间的环空通过密封函密封；通过开口端伸入热成像探头和内窥镜，内窥镜的采光面以及热成像探头均朝向环槽设置。本发明提出的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，能够模拟在钻井过程中钻井液参数、润滑介质参数、密封件安装参数和环境工况参数等因素下井下密封件的磨粒磨损过程，能原位观测并实时记录密封件在连续旋转运动下钻井液环境中磨粒侵入密封界面的过程，并能实现在线监测密封界面温度。
Description
技术领域
本发明涉及测试钻井工程中多工况耦合的复杂环境下橡塑旋转动密封件的磨粒磨损领域，尤其涉及一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机。
背景技术
我国地质资源储备丰富，然而近百分之七十五的资源贮藏在五千米以下的地层中，随着近年来浅层地质资源的枯竭与资源需求的提升，因此亟需提高深部钻探技术以获取更多的地质资源。在钻井工程中，尤其是深井、超深井钻探中，起钻更换零部件需要耗费大量的人力物力，还会降低井壁的稳定性引发井壁坍塌等事故。提高井下密封件的使用寿命，能够有效提高钻井效率，减少井底事故。
橡塑密封件是目前钻井工程中普遍使用旋转动密封件之一，工作在复杂井下环境中密封件通常因磨粒磨损失效而寿命较短。在目前国际上已经投入使用的密封件中性能最好的产自俄罗斯，其使用寿命最长也只有250小时左右。这导致了深井、超深井钻探技术发展缓慢，密封技术成为制约深部地质钻探发展的瓶颈之一。在复杂井下工况中密封件的磨粒磨损机制尚不清楚，极大的影响了井下密封件的研制与开发进度。因此，需要设计一种实验装置能够实现原位观测井下密封件磨粒磨损的过程。
井下密封件磨粒磨损原位观测的必要性与工程背景
密封件在钻井环境中的摩擦过程是非常复杂的，从磨砺环境中磨粒侵入密封界面，到磨粒在密封界面的摩擦运动状态，再到磨粒侵入后密封界面的泄漏状态，都受到多个因素的影响。影响因素主要包括钻井液参数：磨粒浓度、磨粒粒度、磨粒成分、磨粒形状、钻井液粘度、钻井液PH值、钻井液基浆类型等；润滑介质参数：润滑油密度、润滑油粘度、添加剂成分等；密封件安装参数：压缩率、偏心度、密封件表面织构、挤出间隙等；环境工况参数：温度、压差、钻井液循环速度、轴向振动、径向振动等。
为探究密封件在多工况以及多工况耦合环境下的磨粒磨损规律，尤其是钻井环境中钻井液固相添加剂和岩屑等磨粒侵入密封界面的规律以及侵入后的摩擦磨损机制，需要原位观测连续旋转运动的密封摩擦界面。能为开发符合井下工况的新型密封件与密封结构提供理论基础与实验依据。
橡塑密封的磨粒磨损是广泛研究的课题，然而目前的研究方法大多属于黑箱方法，通过实验结果去推测磨粒在摩擦界面的摩擦学行为，这种研究手段对于工作在简单工况环境中密封件具有较大的指导意义。而对于钻井环境这种多工况耦合的复杂环境下，如果仅靠黑箱方法去推测磨粒在摩擦界面的摩擦学行为，不仅需要进行大量的实验验证，还存在较大的分析难度。因此，迫切的需要一种可以原位在线观测井下密封件磨粒磨损过程的试验装置。
目前摩擦界面的原位观测实验装置较多，但是主要适用于摩擦界面开放的小范围运动，而没有针对旋转动密封件这种摩擦界面为闭合环形并做连续旋转运动的原位观测装置。并且，目前的实验装置并不能原位观测浸泡在介质环境中的试样，无法模拟井下密封件的钻井液-润滑油耦合的工况环境。此外，摩擦界面的温度是表征摩擦磨损性能的重要指标之一，目前的实验装置不具备在线监测摩擦界面温度的能力。
模拟井下复杂工况是研究井下密封件摩擦磨损机理的重点之一。井下密封件起到封隔钻井液环境与润滑环境，在模拟工况时需要同时考虑钻井液与密封介质之间的耦合作用。目前的实验装置只实现了钻井液环境的模拟，并未考虑润滑环境的影响。
发明内容
针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验装置，通过调整密封件所处的工况的参数以模拟复杂钻井工况，并能够获取连续旋转摩擦界面中磨粒磨损动态过程的实时图像信息，实现在线监测摩擦界面的温度分布情况。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，包括同轴设置的泥浆腔和润滑腔，所述润滑腔通过螺栓悬挂安装于泥浆腔内，沿泥浆腔和润滑腔的轴线设置有一玻璃轴管，所述玻璃轴管通过电机驱动进行旋转；玻璃轴管上端位于润滑腔内，下端依次贯穿润滑腔和泥浆腔的底板位于泥浆腔的下方，所述玻璃轴管的上端为封闭端，下端为开口端；润滑腔底板与玻璃轴管之间的环空通过密封函密封，在密封函朝向玻璃轴管的一侧开有用于安装待测密封件的环槽；通过开口端伸入热成像探头和内窥镜，所述内窥镜的采光面以及热成像探头均朝向所述环槽设置。
优选地，所述热成像探头的信号线和内窥镜的信号线通过信号管束缚在一起，所述信号管通过轴承悬挂安装在玻璃轴管内，所述轴承通过弹性轴承套装填在玻璃轴管内。
优选地，在玻璃轴管下方设置有轴承管，轴承管上端设置有止推轴承，轴承管的下端安装有振动接收块，在振动接收块的下方设置有竖直方向的第一激振器；玻璃轴管下端设置止推轴承隔离旋转，在止推轴承和玻璃轴管下端面之间设置有弹性垫片；所述电机通过连接轴与玻璃轴管的上端连接，通过螺栓将玻璃轴管和连接轴固定连接在一起，在玻璃轴管和连接轴的相对面之间也设置有弹性垫片。
优选地，所述泥浆池下方设置有泥浆入口，所述泥浆池顶板上开有泥浆出口，在泥浆入口的上方设置有紊流板，所述泥浆腔内壁对应设有环形台阶面，所述紊流板边缘固定在环形台阶面上。
优选地，所述紊流板上沿径向开有一列等间隔设置的通孔，在所述紊流板上设置有多列通孔，各列通孔以玻璃轴管为中心呈放射状分布。
优选地，还包括泥浆池和泥浆腔加压泵，所述泥浆池通过管道分别和泥浆入口和泥浆出口连接，通过泥浆泵与泥浆腔进行泥浆循环，在泥浆池下方设置有加热装置，所述泥浆池内设置有搅拌器，所述泥浆腔加压泵与泥浆池连通。
优选地，还包括润滑介质池和润滑腔加压泵，所述润滑腔通过螺栓固定在泥浆池顶板上，所述泥浆池顶板对应润滑腔开有润滑介质入口，所述润滑介质池通过管道与润滑介质入口连接，在润滑介质池下方设置有加热装置，所述润滑腔加压泵与润滑介质池连通。
优选地，在振动接收块的一侧设置有水平方向的第二激振器。
优选地，在所述轴承管侧壁上开有供信号管穿过的开孔，所述信号管内的热成像信号线和内窥镜信号线从轴承管内穿出后与一显示器连接。
优选地，所述泥浆池通过第二支架悬挂设置，所述电机通过第一支架悬挂设置于泥浆池的上方。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：
本发明提出的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，能够模拟在钻井过程中钻井液参数、润滑介质参数、密封件安装参数和环境工况参数等因素下井下密封件的磨粒磨损过程，能原位观测并实时记录密封件在连续旋转运动下钻井液环境中磨粒侵入密封界面的过程，并能实现在线监测密封界面温度。
附图说明
图1为本发明模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机的结构示意图。
附图标记；1、泥浆腔；2、润滑腔；3、电机；4、第一支架；5、第二支架；6、紊流板；7、加热装置；8、泥浆腔加压泵；9、润滑腔加压泵；10、润滑介质池；11、泥浆池；12、搅拌器；13、泥浆池进料口；14、润滑介质池进料口；15、热成像探头；16、内窥镜；17、弹性垫片；18、反光镜面；19、待测密封件；20、密封函；21、止推轴承；22、玻璃轴管；23、弹性轴承套；24、显示器；25、轴承管；26、泥浆入口；27、振动接收块；28、第一激振器；29、第二激振器；30、连接轴；31、信号管；32、润滑介质入口。
具体实施方式
下面结合图1和实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，包括同轴设置的泥浆腔1和润滑腔2，所述润滑腔2通过螺栓悬挂安装于泥浆腔1内，沿泥浆腔1和润滑腔2的轴线设置有一玻璃轴管22，所述玻璃轴管22通过电机3驱动进行旋转；玻璃轴管22上端位于润滑腔2内，下端依次贯穿润滑腔2和泥浆腔1的底板位于泥浆腔1的下方，所述玻璃轴管22的上端为封闭端，下端为开口端；润滑腔2底板与玻璃轴管22之间的环空通过密封函20密封，在密封函20朝向玻璃轴管22的一侧开有用于安装待测密封件19的环槽；通过开口端伸入热成像探头15和内窥镜16，所述内窥镜16的采光面以及热成像探头15均朝向所述环槽设置。具体的，热成像探头15采用32*24点阵红外热成像传感器，内窥镜16采用医用内窥镜16即可，为了使内窥镜16更方便的观测待测密封件19，在内窥镜16镜头前方设置一倾斜45°设置的反光镜面18，通过反光镜面18使竖直设置的内窥镜16观测到水平设置的待测密封件19的磨粒磨损过程。
所述热成像探头15的信号线和内窥镜16的信号线通过信号管31束缚在一起，所述信号管31通过轴承悬挂安装在玻璃轴管22内，所述轴承通过弹性轴承套23装填在玻璃轴管22内。
在玻璃轴管22下方设置有轴承管25，轴承管25上端设置有止推轴承21，轴承管25的下端安装有振动接收块27，在振动接收块27的下方设置有竖直方向的第一激振器28；玻璃轴管22下端设置止推轴承21隔离旋转，在止推轴承21和玻璃轴管22下端面之间设置有弹性垫片17；所述电机3通过连接轴30与玻璃轴管22的上端连接，通过螺栓将玻璃轴管22和连接轴30固定连接在一起，在玻璃轴管22和连接轴30的相对面之间也设置有弹性垫片17。
泥浆池11下方设置有泥浆入口26，所述泥浆池11顶板上开有泥浆出口，在泥浆入口26的上方设置有紊流板6，所述泥浆腔1内壁对应设有环形台阶面，所述紊流板6边缘固定在环形台阶面上。
紊流板6上沿径向开有一列等间隔设置的通孔，在所述紊流板6上设置有多列通孔，各列通孔以玻璃轴管22为中心呈放射状分布。
为了与泥浆腔1实现泥浆液的循环，还包括泥浆池11和泥浆腔加压泵8，所述泥浆池11通过管道分别和泥浆入口26和泥浆出口连接，通过泥浆泵与泥浆腔1进行泥浆循环，在泥浆池11下方设置有加热装置7，所述泥浆池11内设置有搅拌器12，所述泥浆腔加压泵8与泥浆池11连通。
为了向润滑腔2内注入带压的润滑介质，还包括润滑介质池10和润滑腔加压泵9，所述润滑腔2通过螺栓固定在泥浆池11顶板上，所述泥浆池11顶板对应润滑腔2开有润滑介质入口32，所述润滑介质池10通过管道与润滑介质入口32连接，在润滑介质池10下方设置有加热装置7，所述润滑腔加压泵9与润滑介质池10连通。
在振动接收块27的一侧设置有水平方向的第二激振器29。
在所述轴承管25侧壁上开有供信号管31穿过的开孔，所述信号管31内的热成像信号线和内窥镜16信号线从轴承管25内穿出后与一显示器24连接。
所述泥浆池11通过第二支架5悬挂设置，所述电机3通过第一支架4悬挂设置于泥浆池11的上方。
本试验机的使用方法如下：
1.原位在线观测实现方法。
通过内反光镜面18与内窥镜16组合使用，实现摩擦界面的原位观测；通过热成像探头15可以在线获取摩擦界面的温度分布情况；热成像探头15与内窥镜16的信号线设置在信号管31中，信号管31安装在由橡胶材料支撑的弹性轴承套23中，可以吸收玻璃轴管22的振动使原位观测画面更稳定；信号管31内设有热成像探头15信号线与内窥镜16信号线，信号管31穿过轴承管25的侧壁开口使内窥镜16信号线和热成像探头15信号线与显示器24连接，可以显示摩擦界面的实时画面与温度分布画面。
2.钻井液参数模拟实现方法。
泥浆腔1设置在润滑腔2外侧，底部均匀设有4个泥浆入口26，顶部均匀设有4个泥浆出口；泥浆入口26与泥浆出口通过管道与泥浆池11连接，能形成流体循环。在泥浆池11上开设有泥浆池进料口13，通过泥浆池进料口13向泥浆池11内注入泥浆，可以实现不同钻井液参数的模拟，如：不同的磨粒浓度、磨粒粒度、磨粒成分、磨粒形状、钻井液粘度、钻井液PH值、钻井液基浆类型的调整。泥浆池11内的搅拌器12可以避免泥浆内的磨粒沉淀至池底。
3.井下环境的钻井液流场模拟方法。
在钻井工程中，钻井液从地面通过泥浆泵注入钻杆内部到达井底，再从井壁环空中上返至地面，因此井下密封件所处的钻井液流场是均匀向上的。此外，钻井液为固液两相流体，在试验机中只有保证流场与原始工况一致，才能保证实验过程中钻井液包含的固相颗粒侵入密封界面的机理与真实井下环境的规律一致。
如果按照井下真实的尺寸设计实验装置，则体积过大，为了减小实验装置的尺寸，本发明设计了1个紊流板6和4个泥浆入口26，使泥浆进入泥浆腔1的速度更均匀。所述扰流板为圆形板，表面均匀设有多个通孔，通孔直径为泥浆中固相颗粒直径的10～30倍。
4.润滑介质参数模拟实现方法。
润滑腔2设置在泥浆腔1内部，待测密封件19安装在润滑腔2与玻璃轴的连接处，腔体上部均匀设有4个润滑介质入口32，通过管道与润滑介质池10连接，润滑介质池10设有润滑介质池进料口14，通过润滑介质池进料口14可以实现不同润滑介质参数：润滑油密度、润滑油粘度、添加剂成分等因素以及多因素耦合对密封件磨粒磨损行为的影响。
5.密封件安装参数模拟实现方法。
玻璃轴管22设置在润滑腔2内部，通过连接轴30能够获得电机3的旋转运动；电机3设置在第一支架4上；通过更换不同规格尺寸的密封函20可以实现密封件不同压缩率参数和挤出间隙参数的模拟；所述密封函20通过螺栓固定在润滑腔2底部；通过更换不同表面织构处理的密封件可以实现密封件表面织构参数的模拟。
6.环境工况参数模拟实现方法。
泥浆池11设有泥浆腔加压泵8和泥浆池11加热装置7，润滑介质池10设有润滑腔加压泵9和润滑介质池10加热装置7，能够实现密封件在工作工程中压差、高温、温度差和钻井液循环速度的模拟；玻璃轴管22下方设有轴承管25用于传递振动，轴承管25下方为振动接收块27，可以接受第一激振器28产生的轴线振动与第二激振器29产生的径向振动，第一垫片与第二垫片用来减震，防止玻璃轴管22在震动中碎裂。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，包括同轴设置的泥浆腔和润滑腔，所述润滑腔通过螺栓悬挂安装于泥浆腔内，沿泥浆腔和润滑腔的轴线设置有一玻璃轴管，所述玻璃轴管通过电机驱动进行旋转；玻璃轴管上端位于润滑腔内，下端依次贯穿润滑腔和泥浆腔的底板位于泥浆腔的下方，所述玻璃轴管的上端为封闭端，下端为开口端；润滑腔底板与玻璃轴管之间的环空通过密封函密封，在密封函朝向玻璃轴管的一侧开有用于安装待测密封件的环槽；通过开口端伸入热成像探头和内窥镜，所述内窥镜的采光面以及热成像探头均朝向所述环槽设置。
2.根据权利要求1所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，所述热成像探头的信号线和内窥镜的信号线通过信号管束缚在一起，所述信号管通过轴承悬挂安装在玻璃轴管内，所述轴承通过弹性轴承套装填在玻璃轴管内。
3.根据权利要求2所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，在玻璃轴管下方设置有轴承管，轴承管上端设置有止推轴承，轴承管的下端安装有振动接收块，在振动接收块的下方设置有竖直方向的第一激振器；玻璃轴管下端设置止推轴承隔离旋转，在止推轴承和玻璃轴管下端面之间设置有弹性垫片；所述电机通过连接轴与玻璃轴管的上端连接，通过螺栓将玻璃轴管和连接轴固定连接在一起，在玻璃轴管和连接轴的相对面之间也设置有弹性垫片。
4.根据权利要求1所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，所述泥浆池下方设置有泥浆入口，所述泥浆池顶板上开有泥浆出口，在泥浆入口的上方设置有紊流板，所述泥浆腔内壁对应设有环形台阶面，所述紊流板边缘固定在环形台阶面上。
5.根据权利要求4所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，所述紊流板上沿径向开有一列等间隔设置的通孔，在所述紊流板上设置有多列通孔，各列通孔以玻璃轴管为中心呈放射状分布。
6.根据权利要求4或5所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，还包括泥浆池和泥浆腔加压泵，所述泥浆池通过管道分别和泥浆入口和泥浆出口连接，通过泥浆泵与泥浆腔进行泥浆循环，在泥浆池下方设置有加热装置，所述泥浆池内设置有搅拌器，所述泥浆腔加压泵与泥浆池连通。
7.根据权利要求1所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，还包括润滑介质池和润滑腔加压泵，所述润滑腔通过螺栓固定在泥浆池顶板上，所述泥浆池顶板对应润滑腔开有润滑介质入口，所述润滑介质池通过管道与润滑介质入口连接，在润滑介质池下方设置有加热装置，所述润滑腔加压泵与润滑介质池连通。
8.根据权利要求3所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，在振动接收块的一侧设置有水平方向的第二激振器。
9.根据权利要求3所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，在所述轴承管侧壁上开有供信号管穿过的开孔，所述信号管内的热成像信号线和内窥镜信号线从轴承管内穿出后与一显示器连接。
10.根据权利要求1所述的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，其特征在于，所述泥浆池通过第二支架悬挂设置，所述电机通过第一支架悬挂设置于泥浆池的上方。
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2020
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