SSD滑套密封模块失效形式的探究与改进

周欢，刘正伟，王天明，张洪波，魏瑞涛

(中海油田服务股份有限公司天津分公司，天津300457)

0 引 言

SSD循环生产滑套是一种流动体控制装置，可以通过钢丝作业控制内滑套实现开、关功能[1]。其应用范围广，几乎适用于所有生产管柱，是油田完井工具的重要组成部分[2]。密封模块是SSD滑套的关键部件，现场应用时，由于其处于高温、高压的工作环境且杂物较多，极易破坏其密封性，造成结构失效，因此对其质量提出了很高的要求[3-5]。

随着中海油服注水井业务的开展，SSD滑套在应用过程中主要存在以下两点问题：1）注水期间随着时间的推移出现泄漏的情况；2）钢丝作业开关滑套时，出现开关力不稳定的情况。由于此系列滑套每年可以为公司带来近千万元的收入，需求量巨大，因此滑套的问题亟待解决。本文针对SSD滑套出现的问题，分析滑套密封模块的损伤形式和失效机理，为提高密封模块的使用寿命提出合理的改进措施，并通过实验进行验证，为推进完井工具的国产化、系列化提供技术支持。

1 SSD滑套失效原因分析

SSD滑套的整体结构如图1所示。针对SSD滑套在注水井作业时出现的泄漏（如图2）和开关力不稳定的情况，选取4个海返的滑套和4个未使用过的滑套进行开关实验，并记录它们的振击次数（如图3），实验结果如表1所示。通过分析发现，SSD滑套入井前开关性能不稳定，且入井后开关性能明显变差。

通过对问题滑套的拆解及分析发现导致泄漏的因素如下：1）滑套在放置的过程中，密封件受到内滑套和密封壳体的压缩，如存放时间过长，就会发生永久变形，导致密封件过盈量变小，从而使滑套密封性能降低；2）现场注水作业过程中，由于滑套的开启及关闭力较小，使内滑套在液体流动作用下被缓慢开启或闭合，从而导致泄漏。

图1 SSD滑套结构图

图2 滑套泄漏

表1 SSD滑套开关振击次数实验结果

图3 滑套开关实验

通过对问题滑套的拆解及分析发现导致开关力不稳定的因素如下：1）滑套在入井后会出现比较严重的结垢现象，内滑套和密封组件上附着的泥垢多且硬（如图3），导致密封面精度下降，密封组合尺寸发生变形，致使滑套开、闭困难；2）该滑套密封组件中采用的均为耐热塑料，该塑料耐温性能和耐腐蚀性能好，但是弹性较差，易发生永久变形，导致滑套开关力过小；3）该滑套采用的是金属支撑环+V形耐热塑料密封组合进行密封，由于金属支撑环受温度影响变化较大，且考虑装配难易问题，所以在制造过程中过盈量较小，从而造成滑套的开关力较小。

2 密封组件的改进

基于以上SSD滑套的失效形式，可以通过改变密封组件的材料和结构进行改进。具体措施如下：

1）更改材料：将密封模块中的V形密封圈更换为高强度耐热塑料（如图5），邵氏硬度由D60±5提升至D90±5，防止其在较短时间内发生永久变形，影响使用寿命；并且将不锈钢挡圈更换为高强度耐热塑料挡圈（如图6），防止内滑套在开闭运动中被划伤，影响其密封性。

2）结构优化。由于V 形组合密封中的V 形密封圈材料一般都是耐热塑料，其弹性相对较差，在长时间处于变形状态下相对容易发生永久变形，致使密封效果降低，因此在密封组件中将隔环改为O形圈（如图7）。此密封方式的O形圈可以在低压时密封，起压后推动V形组合密封张开，实现高压力密封。入井使用后，即便内滑套结垢，O形圈也能很好地套紧内滑套，实现低压密封；压力升高后，V形圈受压张开，起主要密封作用，从结构上改善密封方式。

图4 密封壳体和密封组件结垢

图5 不同材质的V形圈

图6 不锈钢挡圈与塑料挡圈

图8、图9所示为改进后密封组件与改进前密封组件的对比图。

3 实验分析

3.1 开关振击实验

选取4个改进后的滑套，分为两组，一组为人工拖曳开关，滑套开关工具+振击器+加重杆50 cm自落开关，以模拟实际现场的作业情况。通过观察数据（表2）发现，改进后开关性能相较未改进前稳定性大大提升。

3.2 开关力测试实验

将滑套开关工具通过活塞杆连接一组活塞，活塞与滑套上接头密封（如图9）。通过密封工装向活塞打压，开关工具带动内滑套运动，到位后，开关工具自动脱落，记录压力P的大小，并换算成开关力F，经测量活塞直径为58.75 mm。

图7 不锈钢支撑环与O形密封圈

图8 改进前后实物对比图

图9 结构对比图

表2 改进后滑套的开闭振击次数

图10 开关力测试实验图

式中：F为开关力，kN；P为开闭压力，MPa；d为活塞直径，mm。

选取20个改进后的SSD滑套，并依次进行实验，测得打开关闭压力范围为0.61～0.87 MPa，对应打开关闭力为1.65～2.36 kN,完全满足现场使用要求。

3.3 密封性能测试实验

滑套更改密封组件后试压34.474 MPa，稳压15 min压力不降（如图11），证明密封性能良好。

图11 稳压密封试验

将滑套开关多次后，将滑套整体放入烘箱（如图12）中，加温至150℃，保温4 h，以最大程度模拟现场作业时滑套的工作状态，并再次进行开关力及密封性测试。

经实验测量，打开关闭力由1.65～2.36 kN 提升至1.97～3.38 kN，变化范围符合使用要求。再次打压34.474 MPa，稳压15 min，压力不降，证明密封性能良好（如图13）。

4 结论

图12 烘箱加热滑套

图13 加热后稳压密封试验

本文结合现场实际，针对SSD生产循环滑套易于失效的问题，对其材料和结构进行分析、改进，并通过开关振击实验、密封性能测试实验和常温及高温实验，证明结构优化后的滑套性能更稳定，其开关力、密封性能都可满足现场应用要求。截止到2019年4月已累计交付使用116套新型滑套，且均未出现开关困难及漏压问题，充分证明了改型后密封模块的优良性能。