适用于高温高压实验仓的分体式穿越密封器设计

2019-06-12柴彦强翟婷婷徐永峰王云川苏焕忠

钻采工艺 2019年5期

柴彦强，翟婷婷，徐永峰，王云川，苏焕忠，盛辉

（1华北油田公司二连分公司2中国石化胜利油田分公司3中国石油大学地球科学与技术学院·华东）

柴彦强等.适用于高温高压实验仓的分体式穿越密封器设计.钻采工艺，2019，42（5）：76-78

油气开采实验往往在高温高压仓中模拟真实地层环境，由于高温高压仓的密封性要求较高，导致仓内外检测设备通信不方便。此时需要经仓体的穿越密封器采用电缆或外接导线来实现仓内外通讯［1-3］。仓体的穿越密封器研究在国内外均属于密封行业的尖端内容，但往往针对的都是水下密封工具或者船舶行业。这些密封器适用于常温常压环境下的常规密封，密封可靠性一般，对高温高压的耐受性差［4］。天津宏凯华石油设备制造有限公司曾设计出一种能够将电缆从采油井下引出的穿越密封器，然而进一步实验发现电缆在高温环境下会因为外铠软化导致整个密封结构失效，目前并没有很好的解决办法［5］。国外类似的穿越密封产品比如航空插头能够耐受70 MPa的压力环境，但是在高温环境下也会因为密封圈失效导致结构失效［6］。

一、传统仓体穿越密封器

1.国内外传统仓体密封穿越器介绍

仓体穿越密封器是石油化工行业中常用的仓内外通讯器件的核心元件，但是目前常用的穿越密封器都源于船舶工程采用的电缆贯穿密封结构，主要分为填料式密封装置、模块式密封装置、带焊接填料函穿线管密封装置、套管式密封装置、防火毯填充式密封装置［7-10］。

国外的仓体穿越密封器侧重于将密集信号线采用同一结构实现穿越密封，代表性的产品就是组合式的航空插头，一个插头具有A、B两端，采用组合对插的方法实现温度、压力信号的通讯。此类穿越密封器的密封形式都是采用的传统“O”型圈密封或者用陶瓷材料作为密封材料进行封堵密封［11-13］。

2.传统仓体穿越器的不足

仓体穿越密封器是实现仓内外通讯的核心设备，随着石油化工行业对模拟环境的要求越来越高，穿越密封器的工作环境达到了最高温度300℃、最高压力70 MPa，工作环境对穿越密封器的密封性能造成了严峻的考验。而穿越密封器的密封性能决定了能否精确实现对仓内环境的实时控制，对实验结果有着举足轻重的影响。

目前的仓体穿越密封器，绝大部分研究内容和产品设计都是针对电缆的穿越密封，这就导致产品始终不能突破电缆外皮的材料性能限制，无法获得突破性的发展。常规的电缆外皮塑料材料有聚氯乙烯（PVC），聚乙烯（PE），聚全氟乙丙烯（F46），聚烯烃等，橡胶材料有氯化聚乙烯（CPE），氯磺化聚乙烯（CSM），氯丁橡皮，硅橡胶等，这些材料在高温高压环境下会出现明显的弹性和塑性变化而导致密封失效［14］。

实际上采集高温高压仓内某点温度压力信号时，往往采用测柱加信号线的组合形式，如果将测柱延伸到仓外就能实现测柱的穿越密封，信号线的材料限制也会被解除，从而实现稳定精确的高温高压环境下的仓内外通信。

二、新型高温高压仓穿越密封器设计

设计的高温高压仓穿越密封器首先要满足最高温度300℃、最高压力70 MPa的环境要求；其次，研究的穿越密封器针对的是温度或压力测柱的穿越密封，密封主体的变化导致密封器的选材和结构都需要进行相应的改进。

1.穿越密封器结构设计

图1是新型分体式穿越密封器的结构，该密封器可以视为三个连接件的组合，下端与高压仓通过螺纹连接，中间段用来压紧密封垫片，上端用来加强固定效果，三个连接件之间都采用螺纹连接。采用组合垫片密封形式，当压力传递给密封器时不同材料的垫片会发生不同程度的形变，从而确保了密封器在高温高压环境下的具有良好的密封性。

图1 新型分体式穿越密封件三维结构图

底座用于连接高压仓和密封器，底座的材料硬度较高、形变量较小。在底座和测柱之间采用密封垫片进行第一道密封，密封垫片的材料硬度相比较底座要小。第一道密封垫片在受到高温高压的作用后会发生较大的形变，膨胀挤压测柱和底座形成密封环境。但是单一密封垫在实验中不能完全实现密封，原因是密封垫和底座的形变量差距较大，当密封垫受热膨胀后会出现缝隙。为此，在密封垫片和压紧段之间又增加了一个铜垫片结构，铜垫片的硬度介于密封垫片和底座之间，形成一个缓冲区，保证了密封质量。压紧段和底座通过螺纹连接，保证铜垫片和密封垫片的紧密贴合。为防止测柱被挤出高压仓外，在压紧段和压帽之间增加了一个防转垫片（图2），该垫片采用摩擦系数较高的塑料材料制成，保证了测柱在密封器内的稳定可靠。

图2 防转垫片三维结构图

2.穿越密封器材料选择

为保证螺纹连接的可靠性，压帽、压紧段和底座均采用相同材质。通过硬度和高温形变测试后，对照工业材料选用表，最终确定316L不锈钢和哈氏合金材料作为穿越密封器的首选材质。但是哈氏合金价格高，材料不易加工，所以在常规密封器上更推荐316L不锈钢。密封垫片是第一道密封结构的核心部件，采用一种复合金属材料，制作密封垫片，其主要成分是青铜和钢。铜垫片的硬度在底座和密封垫片之间，选用常见紫铜垫片即可。防转垫片选用摩擦系数较大的塑料材质。

三、新型穿越密封器性能测试

1.常温高压密封性能测试

为确保新型穿越密封器满足实验需要，对密封穿越器的密封性能进行了稳态测试。采用的方法是利用电动围压泵给高压仓提供额定压力，供压结束后关闭围压泵。将压力测柱通过穿越密封器插入高压仓内，将传感器信号线连接到控制端读取高压仓内的压力数据，最后将电动围压泵的设定值与测量出的压力值进行比较，从而验证密封器的性能。为了保证实验人员的安全，在相同的温度环境下对高压仓进行不同压力的加压测试，实验时间持续24 h，保证测试结果的可靠性。将实验结果记录并绘制成压力-时间折线图，如图3。从图3中可以看出，当围压泵结束供压后，在常温下经过24 h的持续测试发现高压仓的压力没有明显波动，证明穿越密封器在常温高压下的密封性良好。

图3 常温系统压力-时间关系图

2.高温高压密封性能测试

为验证新型穿越密封器的高温高压密封性能，在70 MPa压力环境下对穿越器进行了耐温测试。测试方法是利用蒸汽发生器向高压仓内注入额定温度的过热水蒸气，达到预期温度后停止注入。同时在高压仓外包覆一层循环保温夹套，通过恒温泵循环保温，将压力测柱和温度测柱通过穿越密封器插入高压仓内监控高压仓的压力和温度，将传感器信号线连接到控制端读取高压仓内的温度和压力数据，最后观察压力数值的变化，从而验证密封器的性能。

为验证新型穿越密封器在高温高压环境下的密封性能表现，记录了24 h内实验过程中系统内部压力，将实验记录汇总并绘制成压力-时间折线图，如图4。