CN113187468A - 高压气井井口密封模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种高压气井井口密封模拟装置。包括动力系统、反馈控制单元和气体泄漏检测单元，所述动力系统包括电机、曲轴连杆机构、模拟管柱以及防喷器胶筒；所述气体泄漏检测单元包括储气罐、增压器、气体检测传感器以及报警器；所述反馈控制单元包括气体检测传感器、控制液压泵加载的控制器以及为防喷器提供负载的液压泵。本装置不仅能实现对高压气井井口密封的模拟，还能对气体泄漏进行预警、并通过检测与反馈实现气体泄漏后自适应调节，同时，还能针对胶筒密封性能和摩擦磨损特性进行复杂工况下的实验研究。

Description

高压气井井口密封模拟装置

技术领域

本发明涉及一种气井井口防喷密封测试装置，特别是涉及一种高压气井井口防喷密封测试装置。

背景技术

随着世界各国能源从传统的石油油水井向天然气、页岩气、煤层气井采掘的战略转移，全国油气井采掘数量逐年飙升，气井环空防喷胶芯带压密封问题越来越引起重视。然而，现行的气井环形防喷器并没有可靠的预警系统，且缺乏工作过程中具有压力反馈功能的密封自适应调节系统。国内的研究人员为解决这一技术问题，需要一种可以在实验室内模拟防喷器在高压气井工况下运行状态的装置，能对橡胶材料耐磨性能以及密封性能进行实验研究，同时建立密封胶芯摩擦磨损性能参数与系统工况之间的联系，为解决高压气井防喷器摩擦磨损失效问题提供理论支撑。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种高压气井井口密封模拟装置，该装置能够模拟防喷器在高压气井工况下的运行，实现防喷器气体泄漏预警以及防喷器密封能力自调节的目标。

本发明的技术方案是：该种高压气井井口密封模拟装置，包括动力系统、气体泄漏检测单元和反馈控制单元，其独特之处在于：

所述动力系统包括电机、联轴器、曲轴连杆机构、模拟管柱以及防喷器胶筒，电机通过电机安装法兰固定在电机支座上，电机与曲轴连杆机构由联轴器连接，其固定方式为键连接，所述曲轴连杆机构用于将电机的旋转运动转换为往复直线运动，并与模拟管柱经螺纹连接，使模拟管柱与防喷器胶芯往复摩擦，用于模拟气井工况；

所述曲轴连杆机构包括曲轴、连杆、滑块以及外部壳体，连杆经连杆螺母与曲轴连接，滑块与连杆由活塞螺母和活塞螺栓连接，滑块由曲轴连杆机构带动在外部壳体的腔体内往复运动，以使电机的旋转运动转换成往复直线运动；

所述气体泄漏检测单元包括放置在实验台底座上的气体增压器13、储气罐14、防喷器15、气体检测仓16以及防护罩上的报警器11，气体检测仓内具有气体检测传感器17；所述气体增压器13经输气管将气体打入储气罐14中，储气罐用于模拟气井井口压力；所述气体增压器13打入储气罐的压力可调，用以测试防喷器在不同压力下的密封性能；所述储气罐与防喷器以及防喷器与气体检测仓均由螺栓相互连接，用于连接的端面设有密封槽，以防止气体泄漏；气体检测传感器17置于气体检测仓16入口前端的内壁上，气体检测仓的末端与模拟管柱之间设有橡胶密封圈，用于防止气体泄漏；所述报警器与气体检测传感器通过导线连接，用于显示气体检测仓内实时气体浓度以及超过设定的浓度范围后报警；所述防喷器包括橡胶胶筒23、液囊24、上芯头22、下芯头26和外部壳体21，所述防喷器与液压泵7通过油管连接，所述液压泵为防喷器提供抱紧模拟管柱的负载；

所述反馈控制单元包括气体检测传感器17、压力传感器25、信号转换器20、控制器19和小型液压站7；所述反馈控制单元的反馈控制过程为通过气体检测传感器测量气体检测仓内的气体密度，将信号传至信号转换器转换成电信号，根据电信号的强弱，控制器发生响应，控制液压泵向防喷器给压，同时控制器依据压力传感器传递的压力信号，进行比例控制，直至系统压力与密封接触压力动态平衡后气体检测传感器17无泄漏信号为止；

上述三个单元按照如下方式配合：

动力系统为模拟管柱提供动力，使其与橡胶胶筒发生相对滑动，同时，在运动过程中如有气体泄漏至气体检测仓内，气体泄漏检测单元开始工作，气体检测传感器检测气体并通过信号转换器将信号转至报警器发生响应；反馈控制单元利用气体检测传感器的信号通过信号转换器转至控制器控制液压泵向动力系统中的防喷器给压，在给压过程中，控制器会依据压力传感器传递的防喷器中的压力信号，进行比例控制，直至在动力系统继续运动时气体泄漏检测单元不再报警为止。

本发明具有如下有益效果：本种模拟装置中的动力系统可将电机输出的旋转运动转换成往复直线运动，模拟管柱与防喷器胶芯相互运动，用以模拟管柱胶筒在气井实际工况下的运动状态。另外，可通过改变电机的转速来调节模拟管柱的运动速度。气体检测传感器与报警器连接，既可以实时检测气体泄漏量，还可以在达到预设气体浓度报警。另一方面，反馈控制单元可根据气体检测传感器测得气体浓度产生不同的响应。

本发明既可以在模拟时提供气井井口密封可靠的预警，实时监控气井防喷器在工作过程中是否发生泄漏以及发生泄露的等级。另外，还可以实现通过改变液压泵给油油压达到防喷器密封能力自调节的目标。利用本装置，在进行理论研究时，能够对橡胶材料耐磨性能以及密封性能进行实验研究，从而为当前高压气井防喷器的自适应控制提供解决方案。

附图说明：

图1为高压气井井口密封模拟装置整体结构图。

图2为高压气井井口密封模拟装置无保护罩的整体装配图。

图3为高压气井井口密封模拟装置无保护罩的整体装配俯视图。

图4为防喷器零件图。

图5为液囊、胶芯和芯头装配图。

图6为曲轴连杆机构零件图。

图7为曲轴连杆机构部件安装图。

图中，1-电机支座，2-电机，3-电机安装法兰，4-联轴器，5-曲轴连杆机构顶盖，6-曲轴连杆机构箱体，7-小型液压站，8-保护罩，9-实验台底座，10-实验台底架，11-报警器，12-油管，13-气体增压器，14-储气罐，15-防喷器，16-气体检测仓，17-气体检测传感器，18-模拟管柱，19-控制器，20-信号转换器，21-防喷器壳体，22-上芯头，23-橡胶胶筒，24-液囊主体，25-微型压力传感器，26-下芯头，27-防喷器底盖，29-上轴承，30-下轴承，31-曲轴，32-连杆螺母，33-连杆端盖，34-连杆，35-活塞螺母，36-活塞螺栓，37-活塞。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图7所示，本种高压气井井口密封模拟装置，包括动力系统、反馈控制单元和气体泄漏检测单元。其中动力系统包括电机2、曲轴连杆机构、模拟管柱18以及防喷器15。气体泄漏检测单元包括储气罐14、气体增压器13、气体检测传感器17、报警器11。反馈控制单元不仅包括气体检测传感器17，还包括信号转化器、控制液压泵加载的控制器、为防喷器提供负载的小型液压站7。

电机置于电机支座1上，用电机安装法兰3固定在电机支座上。联轴器4连接电机与曲轴连杆机构的曲轴31，曲轴31带动连杆34，连杆带动活塞37，活塞37受曲轴连杆机构箱体37的约束。电机通过联轴器与曲轴连杆机构装配，在曲轴带动下，连杆驱动活塞，受箱体的约束，活塞只能进行往复直线运动。由此，实现了电机的旋转运动向往复直线运动的转换。

活塞37与模拟管柱18经螺纹连接固定，活塞带动模拟管柱进行往复直线运动，模拟管柱在环形防喷器15内往复运动，便形成了模拟管柱、胶芯之间的摩擦运动。上述电机、曲轴连杆机构和模拟管柱、胶芯运动共同组成了实验装置的动力系统

曲轴连杆机构的连接方式为：曲轴31两端杆上套有轴承29、30，连杆34和连杆盖33通过螺栓32连接在曲轴31的中间轴上，连杆34另一端通过螺栓36和螺母35和活塞37连接，活塞37置于曲轴连杆机构箱体6下部的圆柱腔体内，曲轴连杆机构上部盖上曲轴连杆机构顶盖5。

防喷器按照如下方式安装：上芯头22与下芯头26通过预留键槽固定于液囊24上，液囊24套入防喷器壳体21内，胶筒23套入液囊24内部，防喷器底盖24通过螺母与防喷器壳体21紧固，组成完整的防喷器结构。

气体增压器13经导气管与储气罐14连接，储气罐另一端用螺母螺栓与防喷器15连接。气体检测仓16由螺栓连接于防喷器15的另一端。气体检测传感器17置于气体检测仓16的壳体上，通过信号线与保护罩8上的报警器11相连。

上述气体增压器、储气罐、气体检测仓、气体检测传感器、报警器共同组成实验装置的气体泄漏检测单元。

气体检测传感器17经导线与信号转换器相连、信号转换器后接有控制器，控制器用来控制小型液压站7所给防喷器压力的大小，液压泵通过油管向防喷器液囊内提供液压油，为胶筒提供抱紧力，为实现环形密封提供系统压力。

微型压力传感器置于液囊与防喷器外壳之间，通过信号线连接信号转换器和控制器，当模拟管柱与环形胶芯干摩擦导致胶筒接触面磨损时，密封间隙变大，系统压力下降，控制器依据压力传感器传递的压力信号，进行比例控制，启动液压站并为胶筒和液囊之间的装配间隙持续供油，直至系统压力与密封接触压力动态平衡后气体传感器未检测到泄漏信号为止。

当模拟管柱与环形胶芯干摩擦导致胶筒接触面磨损时，密封间隙变大，系统压力下降，控制器依据压力传感器25传递的压力信号，进行比例控制，启动液压站并为胶筒23和液囊24之间的装配间隙持续供油，直至系统压力与密封接触压力动态平衡后气体检测传感器17无泄漏信号为止。

本发明具体实施时，气体泄漏传感器选用TGS2612燃气泄漏可燃气体传感器，其具有较高的灵敏度，可以检测是否有可燃气体泄漏。信号转换器包括NI公司生产的PCI6733输出板卡以及XK343L传感器信号调理盒，其主要功能是将传感器采集的模拟信号转换成数字信号传输到报警器，使报警器报警。微型压力传感器选用斯巴拓SBT高精准度压力传感器，压力传感器采集的电信号经过上述信号转换器转换成易于控制的数字信号传至控制器，控制液压泵给油，进行比例控制，改变胶筒对管柱的抱紧力，从而达到再次密封的效果。

Claims (1)

1.一种高压气井井口密封模拟装置，包括动力系统、气体泄漏检测单元和反馈控制单元，其特征在于：

所述动力系统包括电机、联轴器、曲轴连杆机构、模拟管柱以及防喷器胶筒，电机通过电机安装法兰固定在电机支座上，电机与曲轴连杆机构由联轴器连接，其固定方式为键连接，所述曲轴连杆机构用于将电机的旋转运动转换为往复直线运动，并与模拟管柱经螺纹连接，使模拟管柱与防喷器胶芯往复摩擦，用于模拟气井工况；

所述曲轴连杆机构包括曲轴、连杆、滑块以及外部壳体，连杆经连杆螺母与曲轴连接，滑块与连杆由活塞螺母和活塞螺栓连接，滑块由曲轴连杆机构带动在外部壳体的腔体内往复运动，以使电机的旋转运动转换成往复直线运动；

所述气体泄漏检测单元包括放置在实验台底座上的气体增压器、储气罐、防喷器、气体检测仓以及防护罩上的报警器，气体检测仓内具有气体检测传感器；所述气体增压器经输气管将气体打入储气罐中，储气罐用于模拟气井井口压力；所述气体增压器打入储气罐的压力可调，用以测试防喷器在不同压力下的密封性能；所述储气罐与防喷器以及防喷器与气体检测仓均由螺栓相互连接，用于连接的端面设有密封槽，以防止气体泄漏；气体检测传感器置于气体检测仓入口前端的内壁上，气体检测仓的末端与模拟管柱之间设有橡胶密封圈，用于防止气体泄漏；所述报警器与气体检测传感器通过导线连接，用于显示气体检测仓内实时气体浓度以及超过设定的浓度范围后报警；所述防喷器包括橡胶胶筒、液囊、上芯头、下芯头和外部壳体，所述防喷器与液压泵通过油管连接，所述液压泵为防喷器提供抱紧模拟管柱的负载；

所述反馈控制单元包括气体检测传感器、压力传感器、信号转换器、控制器和小型液压站；所述反馈控制单元的反馈控制过程为通过气体检测传感器测量气体检测仓内的气体密度，将信号传至信号转换器转换成电信号，根据电信号的强弱，控制器发生响应，控制液压泵向防喷器给压，同时控制器依据压力传感器传递的压力信号，进行比例控制，直至系统压力与密封接触压力动态平衡后气体检测传感器无泄漏信号为止；

上述三个单元按照如下方式配合：

动力系统为模拟管柱提供动力，使其与橡胶胶筒发生相对滑动，同时，在运动过程中如有气体泄漏至气体检测仓内，气体泄漏检测单元开始工作，气体检测传感器检测气体并通过信号转换器将信号转至报警器发生响应；反馈控制单元利用气体检测传感器的信号通过信号转换器转至控制器控制液压泵向动力系统中的防喷器给压，在给压过程中，控制器会依据压力传感器传递的防喷器中的压力信号，进行比例控制，直至在动力系统继续运动时气体泄漏检测单元不再报警为止。

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