CN201372765Y - 封隔器胶筒试验装置 - Google Patents

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周琼
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Abstract

本实用新型提供了一种封隔器胶筒试验装置,该试验装置包括:设置釜盖的高温高压釜、套筒、内置螺栓以及压筒,其中,所述套筒设置于釜内且其上端与釜盖密封连接;所述内置螺栓与釜盖连接,该内置螺栓置于釜内的部分位于套筒内部空间,且该内置螺栓的下部设有承载封隔器胶筒的承载平台;所述压筒套设于螺栓上,在该压筒与承载平台之间形成套设封隔器胶筒的空间。本实用新型的试验装置可以模拟各种实际工况条件,考察封隔器胶筒的密封性能及耐腐蚀性能,且装置结构简单合理。

Description

封隔器胶筒试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种封隔器胶筒试验装置,具体是一种测试高温高压

高含硫化氢(H2S)酸性环境用封隔器胶筒的耐腐蚀性能和密封性能的试验 装置。

背景技术

油气田用压缩式封隔器是油气田开釆中的重要装备之一,可用于钻井 作业完成后,在油井套管内进行多层分隔密封。封隔器胶筒是封隔器的重 要部件,被誉为封隔器的"心脏"。当整个封隔器下放到油井的规定深度后, 通过对封隔器加压,使胶筒在压力的作用下,长度受压变小,外长径向外 扩张变大,从而将套管密封住,使用两个封隔器就能把它们中间一段的油 井密封住,就可以在这一段封闭层进行井下作业。由封隔器的工作原理可 以看出,封隔器能够正常工作,其所用的胶筒必须要有良好的密封效果, 胶筒密封失效将导致整个封隔器报废。

随着石油工业的发展,井下条件日益恶劣,井下温度、压力和酸性气 体(二氧化碳和硫化氢)浓度不断增高,而现有的封隔器胶筒的材料采用 的是常用丁腈、氢化丁腈材料,在高温、高压、高酸性环境中长期服役时, 这类橡胶密封材料的分子链结构、交联结构及聚集态结构会发生不同程度 的破坏,从而导致封隔器密封失效,因此,封隔器胶筒也要具有良好的耐 腐蚀性能。

为了考察封隔器胶筒能否满足井下复杂工况条件限制,在高温高压和

酸性环境下能否安全可靠地密封,需要对其相关性能进行检测。

目前测试封隔器胶筒性能的试验装置只能在高温高压条件下对胶筒使用状况进行模拟。例如,王当芳等人建立了一套试验装置,通过模拟井下 工况,对反映胶筒密封性能的接触应力、极限密封压力和应力松弛规律等

进行了试验研究与分析(王当芳等,^:^^^:^^器^^"M^/丝虔游试验發

^T,石油机械,1990年4月,18 (4): 24-31);岳澄等人搭建了高温封隔

器模拟实验设备,并用该实验设备研究了油井高温封隔器胶筒与石油套管

内壁接触压力大小和分布(岳澄等,/^溢^/z^器i?^"与套,;^i^^力y^实 麥^^IT, 1999, 14 (3): 390)。上述两种测试封隔器胶筒性能的实验设备 仅能研究特定的无腐蚀性气体存在条件下的胶筒的密封情况,不能对实际 工况的高温、高压和腐蚀酸性环境条件下的胶筒的使用状况进行模拟。

因此,有必要对现有的封隔器胶筒试验装置进行改造,提供一种结构 简单、能考察胶筒在实际工况条件下性能的试验装置。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于能够很好地模拟封隔器胶筒在井下实际使 用时的受力状态及使用条件,同时考察胶筒在此受力状态下的密封效果, 提供一种结构简单的封隔器胶筒试验装置。

为达上述目的,本实用新型提供了一种封隔器胶筒试验装置,该试验 装置包括:设置釜盖的高温高压釜、套筒、内置螺栓以及压筒,其中,

所述套筒设置于釜内且其上端与釜盖密封连接;

所述内置螺栓与釜盖连接,该内置螺栓置于釜内的部分位于套筒内部 空间,且该内置螺栓的下部设有承载封隔器胶筒的承载平台;

所述压筒套设于螺栓上,在该压筒与承载平台之间形成套设封隔器胶 筒的空间。

本实用新型的试验装置,能模拟胶筒的受力状态,并能考察胶筒在酸 性气体和/或液体中的密封性能和耐腐蚀性能。

根据本实用新型的具体实施方案,所述内置螺栓是通过螺孔与釜盖连接,通过旋转螺栓能调节承载平台与釜盖间的距离而实现对胶筒的压缩。

根据本实用新型的具体实施方案,通过对位于螺栓承载平台上的胶筒 施压,该胶筒压縮变形在所述套筒内部空间、封隔器胶筒与釜盖之间能形 成密封空间。

在本实用新型的一具体实施方案中,内置螺栓可以穿过釜盖上的螺孔,

旋转螺栓能自由地调节螺栓在釜内的长度,从而使套于螺栓上的、位于承 载平台与压筒之间的胶筒受压縮发生形变产生预应力,该胶筒径向变大而

与套筒之间以及与螺栓之间形成密封(套筒可用来限制封隔器胶筒的径向 形变),在所述套筒内部空间、封隔器胶筒与釜盖之间能形成密封空间。

根据本实用新型的具体实施方案,本实用新型的试验装置还设置有测 定所述釜盖下套筒内部空间压力的压力表。实际应用中,可用增压泵增加 高压釜内的压力,使胶筒两端形成压力差,模拟实验工况中胶筒的受力状 态,通过观察釜盖下、胶筒上的套筒内部空间压力变化,以考察胶筒密封 效果。还可以在釜内注入不同的酸性介质(液体和/或气体,模拟实际工况), 检测胶筒在不同的环境中的密封性能和耐腐蚀性能。

可以理解,本实用新型的试验装置中,为了达到对胶筒密封性能的试

验效果,所述承载平台和压筒的外径均小于所述套筒的内径。所述压筒是 自由套设在螺栓上。

根据本实用新型的具体实施方案,本实用新型的试验装置还可包括套 设在螺栓上的、位于承载平台与压筒之间的隔片,该隔片的外径也应小于 所述套筒的内径。

实际应用中,在所述螺栓的承载平台上与所述套筒之间通常是套设至

少3个胶筒。所述隔片可设于各胶筒之间以及胶筒与压筒之间。

根据本实用新型的优选具体实施方案,本实用新型的试验装置(包括 高温高压釜、螺栓、套筒、压筒、隔片等)为由哈氏合金制成的试验装置。

哈氏合金为专门用于测试金属材料耐硫化氢、二氧化碳腐蚀的Cortest哈氏合金,具有优良的耐压、耐高温、耐酸、抗腐蚀等性能。或者,本实用新

型的装置特别是其中的螺栓、套筒、压筒、隔片也可用318抗硫不锈钢制成。

根据本实用新型的具体实施方案,本实用新型的试验装置为由可以耐

受测试压力和温度的材质制作的装置,优选为由耐压5〜70MPa、耐温 50~350°C,或可耐受更广范围温度和压力的材质制成的试验装置。本实用 新型的试验装置在应用时,通常的总工作压力范围为5〜70MPa, H2S、 C02 分压可根据实验要求自定,试验温度范围通常为50〜350°C。

本实用新型的有益效果是:本实用新型的试验装置可以模拟高温高压 高含硫化氢腐蚀酸性环境的实际工况,可以考察在不同介质中、恒定压力 和温度条件下胶筒的使用寿命,可以考察在不同介质中、特定温度下胶筒 的最大使用压力,可以考察预加应力对胶筒的使用寿命和最大使用压力的 影响;并且,本实用新型的试验装置结构简单合理,并保证实验结果具有 一定的准确性和可比性。

附图说明

图1为显示本实用新型的试验装置的核心部分的结构示意图。 图2为显示利用本实用新型的试验装置加载封隔器胶筒后进行胶筒性 能测试的试验系统的结构示意图。 图中标号说明:

10与套筒连接的釜盖,20套筒,30螺栓,301承载平台,40胶筒, 50压筒,60隔片,1高压釜,2溶液循环系统,3气体瓶,4温控装置, 5加热装置,6热电偶,7压縮装置。

具体实施方式

以下通过优选的具体实施例并配合附图对本实用新型的试验装置及其 所具有的有益效果作进一步的详细说明。实施例l

请参见图1所示,为本实施例的封隔器胶筒试验装置的核心部分,本 实施例的试验装置主要包括:带有釜盖10的高温高压釜1 (请同时参见图

2所示),所述釜盖在釜内向下连接有套筒20,本试验装置还包括内置螺栓 30,该螺栓30通过螺孔与釜盖10连接,螺栓30的釜内部分位于所述套筒 20内部空间,且螺栓30的下部设置有承载平台301,该承载平台301是用 于承载套设在螺栓上的待测性能的封隔器胶筒40试样,在所述螺栓30上 还套设有压筒50,当调节螺栓30縮小承载平台与釜盖之间的距离以对承载 平台上的胶筒试样施压时,所述压筒50可限制对胶筒的压縮(螺栓30与 压筒50可组成压縮装置7,待测胶筒试样是在所述螺栓30的承载平台301 与所述压筒50之间实现压縮),并能在胶筒40与釜盖10之间形成密封气 体空间。

利用本实用新型的试验装置对封隔器胶筒性能进行试验时,同时请参 见图2所示的利用本实用新型的试验装置加载胶筒后进行胶筒性能测试的 试验系统,将待测胶筒40套入螺栓30,置于承载平台301上(胶筒与承载 平台之间可设置隔片);单次试验中可对一个胶筒进行测试,也可对多个胶 筒进行测试,多个胶筒之间可用隔片60分隔;通常封隔器中所用胶筒为一 套三个,本实施例中是对三个胶筒同时进行测试。然后将压筒50套入螺栓 30,将胶筒限制在承载平台301与压筒50之间(压筒50与胶筒间也可设 置隔片60)。之后将套设有胶筒40和压筒50的螺栓30上端旋入釜盖10的 螺孔,调节螺杆在釜内的长度,使胶筒40产生一定的径向应变,实现胶筒 40与螺栓30的螺杆和套筒20之间的密封,在套筒20内、胶筒40与釜盖 10之间形成密封气体空间,本试验装置中在釜盖10上还设置有用于测定该 胶筒40与釜盖10之间密封气体空间的压力的压力表P1。接下来,将釜盖 合上,实现高压釜密封。可利用增压泵增加高压釜内的压力,使胶筒两端 形成压力差,模拟实验工况中胶筒的受力状态。具体操作可以为:利用气 体瓶3中的N2瓶充入N2到一定压力,卸压/加压3次以除去高压釜1内的氧气,然后再利用溶液循环系统2和/或气体瓶3中的C02气瓶向高压釜1 内充入一定的酸性气体或液体介质,直至加压到给定压力(该釜内压力可

利用压力表P2检测,其与Pl所测的胶筒40与釜盖10之间的密封气体空 间的压力应不同),并通过控温装置4、热电偶6、加热装置5加温到设定 值。开始记录时间和压力表P1的数据,若压力表P1的压力突然增大,则 说明所测胶筒密封性能受到破坏,即可得出在特定条件下的胶筒的使用寿 命。也可以温度到达设定数值后,以适当的速度增加压力,观察压力表P1 的表值的变化,以确定特定条件下胶筒所能使用的最大压力。在实验结束 后,降压、降温,然后充入N2除去有毒气体(如溶液里的H2S,可利用碱 性溶液回收剩余H2S),开釜,将螺栓从釜盖上卸下,取出胶筒试样,观察 其破坏位置、破坏形式和腐蚀情况。

本实用新型的试验装置可以考察封隔器胶筒的性能,可以根据实际工 况进行试验,可以在釜内注入不同的酸性介质,检测胶筒在不同的环境中 的密封性能和耐腐蚀性能。试验时,高温高压釜内的总工作压力范围一般 为5〜70MPa, H2S、 (302或其他气体分压可根据试验要求自定,试验温度范 围一般为50〜350°C。本实施例中,所述高温高压釜、螺栓、套筒、压筒、 隔片均采用Cortest哈氏合金制造,具有优良的耐压、耐高温、耐酸、抗腐 蚀等性能。

封隔器胶筒性能考察试验1

采用实施例1的试验装置,测试封隔器胶筒试样(试样编号I)的密封 及防腐性能。试验条件为模拟工况,高温高压釜内为H2S/C02混合气体, 温度150°C,总压力7MPa, H2S/C02分压各3.5MPa,试验密封有效期为685 小时,30天后样品表面有裂纹,样品硬度由80邵尔增加到90邵尔。

封隔器胶筒考察试验2

采用实施例1的试验装置,测试封隔器胶筒试样(试样编号II)在酸 性环境下的最大耐压性能,其中,向高压釜中注入釜体积5。/。的水和釜体积5%的烷烃混合液,混合液不与胶筒接触,将温度升高到150°C,保持恒定 30分钟,再向釜内注入混合酸性气体(其组成为H2S: 20%, C02: 5%, CH4: 75%),使釜内压力以lMPa/分钟的速度上升,当釜内达到56MPa时, 压力表P1突然增大,表明此时胶筒与套筒间的密封失效,在本试验条件下 胶筒试样的最大使用压力为56MPa,取出胶筒试样后,发现胶筒肩部处出 现裂纹。

Claims (10)

1、一种封隔器胶筒试验装置,其特征在于,该试验装置包括:设置釜盖的高温高压釜、套筒、内置螺栓以及压筒,其中, 所述套筒设置于釜内且其上端与釜盖密封连接; 所述内置螺栓与釜盖连接,该内置螺栓置于釜内的部分位于套筒内部空间,且该内置螺栓的下部设有承载封隔器胶筒的承载平台; 所述压筒套设于螺栓上,在该压筒与承载平台之间形成套设封隔器胶筒的空间。
2、 根据权利要求1所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,所述内 置螺栓通过螺孔与釜盖连接,通过旋转螺栓能调节承载平台与釜盖间的距 离而实现对胶筒的压縮。
3、 根据权利要求1或2所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,通 过对位于螺栓承载平台上的胶筒施压,该胶筒压縮变形在所述套筒内部空 间、封隔器胶筒与釜盖之间形成密封空间。
4、 根据权利要求1所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,所述承 载平台和压筒的外径均小于所述套筒的内径。
5、 根据权利要求1所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,该试验 装置还包括套设在螺栓上的、位于承载平台与压筒之间的隔片,该隔片的 外径小于所述套筒的内径。
6、 根据权利要求1所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,在所述 螺栓的承载平台上与所述套筒之间套设至少3个胶筒。
7、 根据权利要求5或6所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,所 述隔片设于各胶筒之间以及胶筒与压筒之间。
8、 根据权利要求1所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,该试验 装置还设置有测定所述釜盖下套筒内部空间压力的压力表。
9、 根据权利要求1所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,该试验 装置为由哈氏合金或抗硫不锈钢制成的试验装置。
10、 根据权利要求1所述的封隔器胶筒试验装置,其特征在于,该试验装置为由耐压5〜70MPa、耐温50〜35(TC的材质制作的试验装置。
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