小直径双侧向电极系密封结构改进

潘 静 闫麦奎 马 颖

(中国石油集团测井有限公司 陕西西安)

小直径双侧向电极系密封结构改进

潘 静 闫麦奎 马 颖

(中国石油集团测井有限公司 陕西西安)

双侧向电极系在实际测井作业过程中易发生漏油、渗油现象,通过对其密封结构的分析,找出了泄漏原因,进而对电极系结构实施改进,将原有的双端面径向密封改为双端面轴向密封设计,减少或杜绝了渗漏。

电极系;泄漏;端面密封;径向密封;轴向密封

0 引 言

机械密封是一种依靠弹性元件对静、动环端面密封的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置,又称端面密封。该技术自上世纪60年代传入我国,已广泛应用于机械、石油、化工、航空等各个行业,随着新工艺、新材料的不断出现,机械密封性能可靠、泄漏量小、使用寿命长等特点更是得到了充分的发挥[1]。

双侧向测井仪通过测量地层的导电性质获取地质评价参数,在石油测井作业中得到了广泛应用。由于测井仪器工作环境往往比较恶劣,因此对仪器的绝缘性、密封性、耐腐蚀性等要求较高。电极系作为主要的探测部件,其机械结构直接影响仪器的使用寿命及整体技术性能[2]。本文针对双侧向电极系在实际使用过程中易出现的漏油渗油问题,从密封结构设计方面分析其形成原因,并提出了一种改进办法,即将双端面径向密封改为双端面轴向密封设计,改善了双侧向电极系密封效果,达到了减少或杜绝渗漏,延长仪器使用寿命的目的。

1 问题的提出和分析

双侧向测井仪电极系(以3700的1229玻璃钢电极系为例)整体采用机械密封结构设计,是以O型密封圈为辅助密封,碟形弹簧为弹性元件的密封装置,各个金属电极和玻璃钢隔离套之间为轴向双端面机械静密封,内部以压力平衡活塞补偿结构进行内外压力平衡补偿,如图1所示。其轴向结构布置较为紧凑。

图1 压力平衡活塞补偿结构示意图

双侧向电极系在实际使用过程中存在一个较为普遍的问题,就是易漏油、渗油。特别是仪器经过反复调装和搬运,内腔填充的硅油会从端面密封处向外泄漏。由于这种泄漏量较大,已影响到施工作业以及仪器的使用寿命,因此属于不允许的泄漏。

经分析,双侧向电极系采用双端面轴向密封方式。在玻璃钢隔离套与电极环接触的端面安装一个O型密封圈,依靠两边碟形弹簧的轴向作用力压紧密封,使得端面在流体压力和补偿机构弹力的作用以及辅助密封的配合下保持贴合从而达到密封的效果,防止流体泄漏。

由于电极系长度较长,一般为3 m～4 m,当仪器在吊装和搬运过程中,上下端口为主要受力点,在重力的作用下,电极系会沿径向产生弯曲形变,使得各个端面密封处受到垂直外力的压迫,在轴向零件结合端面产生小的间隙H,形成泄漏通道,破坏了仪器密封系统内部的压力平衡,导致漏油渗油,如图2所示。

图2 改进前密封结构示意图

以1229电极系为例,其仪器外径为Φ=90 mm,仪器长度L=3.5 m,机械设计手册G B1235-76规定O型密封圈压缩变形量为δ=0.45 mm～0.6 mm[3]。也就是说当间隙H＞0.6 mm时,密封面之间的密封圈就已经起不到密封作用了。图3所示是仪器弯曲变形的示意图,如图中所示,ΔAEG∽ΔACD,而 EG≈OG,由此可以计算出电极系径向弯曲形变量X。

则 X=0.6×1750/2×90=5.83 mm,当仪器弯曲型变量大于5.83 mm时,就会出现漏油渗油(如图3所示)。

随着仪器外径的减小,同样长度电极系径向弯曲形变会更大,同时泄漏通道长度减小,流体阻力相应减小,使得76 mm仪器的泄漏问题更为突出。

图3 电极系密封结构弯曲变形示意图

2 结构改进

为解决上述问题,尝试对76 mm的小直径双侧向电极系结构进行改进,将原来的轴向密封改为双端面径向密封结构。

首先,对电极环与玻璃钢隔离套接头处的结构进行了重新设计,如图4所示,O型密封圈安装在两者径向接触端面处,当电极系整体受到轴向压紧后,产生的径向压紧力使O型密封圈紧贴于轴的圆柱表面而阻止流体泄漏。

改进后的电极系密封结构随着仪器弯曲变形,其轴向零件结合面也产生小的间隙H,但并没有与电极系内腔形成泄漏通道,如图5所示。这样,当仪器在反复搬运与吊装产生弯曲变形相对较大的情况下,能够改善仪器渗油漏油的情况。

图4 改进后电极系密封结构图

图5 改进后电极系密封结构弯曲变形示意图

在设计中,并不改变电极环与地层接触面的位置与尺寸,从而保证仪器电性能不受影响。而且在仪器装配的过程中,径向密封也不像轴向密封对密封件之间的安装偏差要求较高,使仪器更加易于装配。

3 试验效果

新设计的电极系与电子仪整体装配完成后,通过175℃、140 MPa高温高压实验,没有出现漏油渗油现象,其对称电极之间的导通电阻为0.3Ω,电极之间,电极与芯棒之间的绝缘电阻≥500 MΩ。2010年11月在重庆再次通过200℃、170 MPa高温高压实验,各项技术指标均达到设计要求,试验效果良好。

4 结 论

小直径双侧向电极系采用双端面径向密封结构设计,解决了使用中的漏油渗油问题,基本实现了仪器的“零泄漏”,提高了仪器工作的可靠性,延长了仪器的使用寿命。

[1] 田伯勤.新编机械密封实用技术手册[M].北京：中国知识出版社,2005

[2] 扬礼英,陆六刚.测井仪器[M].北京：石油工业出版社,1985

[3] 机械设计手册[M].北京：化学工业出版社,1979

Improvement on the sealed construction of dual laterolog electrodes.

Pan Jing;Yan Maikui and Ma Ying.

Oil leaking and bleeding phenomena of dual lateral tools easily happen during actual logging operation.According to the analyses of the electrodes hermetically sealed construction,leakage reasons are found out.The new construction are designed by using the axial double-end face seal instead of the original radial double-end face seal.

electrode;leakage;end face seal;radial seal;axial seal

P631.8+3

B

1004-9134(2011)02-0012-02

潘 静,女,1973年生,工程师,1995年毕业于西安石油学院电子仪器与测量专业,现在中国石油集团测井有限公司随钻测井中心从事机械设计工作。邮编：710054

2011-02-23

刘雅铭)

PI,2011,25(2)：12～13

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