1、2024 年 4 月 第 33 卷 第 2 期 地层测试技术 文章编号:1004-4388(2024)02-0015-06 2023-10-23 收稿,2024-01-10 修回,2024-03-25 接受,2024-04-20 网络版发表地层测试工具耐 230 O 型密封圈优选试验研究潘登,张洋,王东林,贾海,周继东中国石油集团川庆钻探工程有限公司试修公司 四川成都 610052通讯作者:Email:pandeng_sc 项目支持:中国石油集团公司项目“230 /140 MPa 抗硫试油测试关键装备研制”(2021ZG09);中国石油川庆钻探公司项目“适用非常规套管的 200 /105 MP
2、a 完井封隔器及 150 /105 MPa 井下安全阀研制”(CQ2022B-46-1-4)引用:潘登,张洋,王东林,等.地层测试工具的耐 230 O 型密封圈优选试验研究J.油气井测试,2024,33(2):15-20.Cite:PAN Deng,ZHANG Yang,WANG Donglin,et al.Experimental study on optimal selection of O-ring seals resistant to 230 for formation testing toolsJ.Well Testing,2024,33(2):15-20.摘要 为了在设计地层测试工
3、具的过程中优选出抗高温、承高压、抗腐蚀能力强及密封性好的 O 型橡胶密封圈,研制了可满足多型号 O 型密封圈共用的模拟试验工装。该工装可模拟高温高压条件以及密封圈的不同的装配方式,进行性能评价试验;同时以适应工程应用为评价原则设计了一套充分模拟地层测试作业中温度、压力变化过程和边界参数的评价试验方法,对多个型号的耐高温的 O 型密封圈开展了试验评价。针对 230 /105 MPa 地层测试工具设计,优选出了 3 种具有较好的高温承压能力和密封持久性能的密封圈,其基材是全氟醚橡胶,在浓度 20%的盐酸中浸泡 96 h,经两次升温至 230,一次降温至常温的温度交变过程中,都能反复承受长达 48
4、h 的高压(105 MPa)密封测试,该试验为加快高温高压测试工具的研发进程奠定了基础。关键词 地层测试;工具设计;高温;高压;抗腐蚀;O 型密封圈;试验工装中图分类号:TE27 文献标识码:B DOI:10.19680/ki.1004-4388.2024.02.003Experimental study on optimal selection of O-ring seals resistant to 230 for formation testing toolsPAN Deng,ZHANG Yang,WANG Donglin,JIA Hai,ZHOU JidongCCDC Well-Int
5、ervention Company,Chengdu,Sichuan 610052,ChinaAbstract:In order to optimally select O-ring rubber seals with high temperature resistance,high pressure resistance,strong corrosion resistance,and good sealing performance during the design of formation testing tools,a simulation test fixture capable of
6、 accommodating multiple types of O-ring seals was developed.This fixture can simulate high temperature,high pressure conditions,and different assembly methods of the seals for performance evaluation tests.Meanwhile,a set of evaluation test methods was designed based on engineering application princi
7、ples,which can fully simulate the temperature,pressure variations and boundary parameters during formation testing operations.Evaluation tests were conducted on multiple types of high-temperature-resistant O-ring seals.For the design of formation testing tools operating at 230 /105 MPa,three types o
8、f seals with excellent high-temperature pressure resistance and sealing durability were selected.These seals,made of perfluoro rubber,were subjected to a temperature cycling process from room temperature to 230 in 20%hydrochloric acid immersion for 96 hours,repeatedly enduring 48 hours of high-press
9、ure(105 MPa)sealing tests.This experiment laid a foundation for accelerating the development process of high-temperature and high-pressure testing tools.Keywords:formation testing;tool design;high temperature;high pressure;corrosion resistance;O-ring seal;test fixture 地层测试工具的密封普遍采用橡胶密封的方式1,因此 O 型密封圈
10、是其至关重要的配件。地层测试工具在井筒内工作,面临井底高温、高压的作业环境,对于 O 型密封圈的两个主要的考核技术指标即耐压值和耐温值。另外,地层测试作业期间,井下测试工具的 O 型密封圈会直接接触酸液、天然气、钻井液、有机或无机的完井工作液等腐蚀介质2-3,而在酸化、放喷及压井期间,受流体的流动影响,井筒温度会产生高低温交替变化,这些苛刻的环境条件,对 O 型密封圈的工作性能都产生了严2024 年 4 月重的影响4-5。因此,选择性能优异 O 型密封圈,是确保地层测试工具实现高性能指标的关键。对于耐高温 O 型密封圈性能的检验,国内很多研发和制造单位,主要开展的是橡胶基材以及 O 型密封圈在
11、常温及高温条件下的物理性能的检测,如拉伸强度、扯断伸长率、压缩永久变形、热空气老化性能等参数6-9,这些检测参数,虽然对 O 型密封圈的各单项技术指标进行了测评,并且在一定程度上反应了其综合性能的优劣,但这并不能表征其在特定的工程应用环境下,有很好的适应性和性能展现,即对于地层测试所面临的高温高压、高腐蚀及大温差交变等苛刻条件,一项或几项物理性能参数的高低,并不能成为使用者有效选择的明确指标。还有一些使用单位对 O 型密封圈开展了工程使用性能的检测10-14,但一般开展高温下承压密封性测试,这种单一的模拟试验,仍不能证明其在地层测试过程中,如对大温差交变情况下的承受高压的持久性,使用者仍然没有
12、办法掌握其在实际工况下的边界使用条件。因此,为了真正获得适用于 230、105 MPa 地层测试工具的 O 型密封圈,确保工具性能质量,制定了 O 型密封圈试验方案,设计了专用试验工具和工装,以期选择最适合地层测试作业条件的密封件,解决高温高压地层测试工具研制的卡点难题。1地层测试工具对耐 230 O 型密封圈的工程性能要求 对于适用于地层测试工具的 O 型密封圈,基于地层测试的具体工况和应用环境,对其工程性能主要有如下要求:在 230 环境温度下,能够承受105 MPa 的静压差,并且能够保持长时间的密封性能;能够承受一定范围的温度循环交变,并始终保持密封承压;具备良好的抗酸腐蚀能力,在酸化
13、作业后,仍然具备优良的密封性能;批量生产的标准型号密封件。对于耐高温 O 型密封圈的橡胶材质,目前公认的是氟橡胶和全氟醚橡胶15-17,根据诸多文献调研,氟橡胶可连续使用温度为 200,若在短时间内,对 250 也同样具备优异的耐热性;全氟醚橡胶长期工作温度-39288,短期可达 315。由于高温高压深井地层测试作业时间较长(一般 15 20 d),因此,考虑井底 230 环境的长期密封可靠性,本研究主要针对氟橡胶及全氟醚橡胶材质的 O型密封圈开展优选研究工作。2 试验工装设计 设计的试验工装能模拟超过 230 的环境温度,承压能力超过 105 MPa,并且能适用于多个型号的 O 型密封圈的试
14、验。工装不受外界环境条件干扰,并且能全程自动记录试验数据。2.1 O 型密封圈装配装置设计 由于一套地层测试工具会使用多达上百种不同尺寸型号的的 O 型密封圈,为使优选结果具有可比性和代表性,分别选择了 177.8 mm 封隔器水力锚、73 mm CAS 扣以及 127 mm 安全循环阀心轴等3 处的 O 型密封圈,分别对应尺寸型号为 2-330、2-334、2-336。为了对不同尺寸型号的 O 型密封圈开展试验,设计了一种可以适配上述三种型号 O 型密封圈的专用装配装置(见图 1)。图 1 O 型密封圈装配装置Fig.1“O”sealing ring assembly device图 1 中
15、,外筒前段装置前段有加压孔,外筒上设置液体导流孔,并配置液体导流组件,便于耐温压力试验期间观察有无液体渗出,确认密封件的完整性。心轴根据选定的三种尺寸的 O 型圈,在前端分台阶设计了三对安装沟槽,每对沟槽分别对应两种密封件安装形式(见图 2),密封圈单装形式和密封圈支撑环组合形式,尾端有排空盲堵,加压过程,可进行持续排空作业,确保试验过程中腔体内压力的稳定。图 2 沟槽密封件安装形式Fig.2 Groove seal mounting form61第 33 卷 第 2 期潘登等:地层测试工具耐 230O 型密封圈优选试验研究2.2 试验工装的设计 将 2.1 中的 O 型密封圈装配装置致于高温
16、恒温箱中,恒温箱设置为专用钢管开两个进出孔,一个孔穿越引流钢管;另一个孔穿越加压管线,并在另一端连接液压泵一提供并记录试验压力值(见图 3)。试验介质采用耐高温硅油,并采用数据采集系统分别记录试压泵压力和恒温箱内温。可实时调节 O 型圈试验压力和恒温箱内的温度,实现模拟井下环境的需求。图 3 试验工装示意图Fig.3 Test unit diagram3 评价试验方法设计 评价试验方法的设计以模拟现场工况为原则,参考国内外相关试验标准,确定试验参数。试验程序设计了两次升温至最高温度(230),一次降温至常温的温度交变过程,模拟了地层测试工具从入井到出井全过程的温度变化过程;将 O型密封圈置于浓
17、度 20%的盐酸中 96 h,也远超一般酸化作业时间;高温下承压 105 MPa,稳压 48 h小时的要求,远高于相关 API 标准中最大稳压时间 30 min 的要求,对密封持久性的评价是在充分考虑评价试验风险、成本,并且对大量测试作业中的高压差时间段的统计后,确定 48 h 是合理的评价时间。3.1 评价试验程序 基于前述对于 O 型密封圈的工程性能的要求,设计了如下评价试验程序:将 O 型密封圈放置于浓度 20%的盐酸中,静置 96 h(GB/T 5720-2008“O”形橡胶密封圈试验方法)18;取出 O 型密封圈,擦拭干净,观察 O 型密封圈有无明显损坏,若无,则可装入试验装置内相应
18、的 O 环槽中,并安装好配套支撑环;在室温下,加压至额定工作压力值,稳压15 min;泄压至 0,然后将试验装置加温至额定工作温度,并保持 4 h 以上;加压至额定工作压力,稳压 2 d 以上,若密封良好,继续下面的步骤;将试验装置降温至常温,并稳定 4 h 以上;加压至额定工作压力,稳压 2 h;再次泄压至 0,然后将试验装置加温至额定工作温度,并保持 12 h 以上;加压至额定工作压力,稳压 2 d 以上;降温至常温,取出 O 型密封圈观察,并拍照。该程序基于地层测试作业常用工艺流程进行设计,其原则就是模拟现场作业过程,并对其中的关键作业点的苛刻条件进行量化刻画,以充分评价其工程适用性。如
19、一般地层测试作业的酸化时间不会超过 12 h,但本程序在酸液中的静置时间为96 h,这个时间是采用了GB/T 5720-2008 O 形橡胶密封圈试验方法中的腐蚀试验的时间要求,条件更为苛刻;耐温承压试验部分,则是模拟了地层测试工具从工具常温条件下入井,到井底高温环境,酸化作业温度降低,后期测试温度再度上升的温度升降过程19-20,并且采用了从高温到常温的温度变化范围,这都大于实际作业的温度交变值。3.2 评价试验的合格标准 对于每一个稳压试验期,压力的下降值小于1%,温度变化范围在1%内为合格。由于试验工装的加压管线及液压泵等并不在恒温箱内,在进行高温承压试验期间,由于外部加压管线有热量散失
20、,导致试压工具内压力会受温度的降低而下降,因此在试验期间,可在压降不超过 1%的情况下,进行间断补压操作,并且在此期间,引流管并无液体渗出,则试验可判定合格。4 优选评价试验结果分析 优选评价工作分别对 3 个厂牌的氟橡胶 O 型密封圈和 10 个厂牌的全氟醚橡胶 O 型密封圈开展试验评价,所有 O 型密封圈都在 21%的盐酸中浸泡96 h 以后,后续全部采用单圈加双支撑环的密封组件形式,放入试验工装中,进行耐温承压试验,为230 地层测试工具的研发打下了基础。4.1 氟橡胶 O 型密封圈的评价试验 下表中列出了3 个厂牌共4 件氟橡胶 O 型密封712024 年 4 月圈,在200 条件下,
21、能够承压105 MPa,但在230 高温条件下,很难维持密封持久性,这与国内外文献中普遍认为氟橡胶可连续使用温度为 200,若在短时间内,对 250 也同样具备优异的耐热性的结论是符合的,因此,该类材质的 O 型密封圈不能满足本课题研究需求(见表 1)。表 1 氟橡胶 O 型密封圈试验结果Table 1 Fluorine rubber“O”sealing ring test results序号厂牌O 圈型号试验温度/试验结果描述 1厂牌 12-330230维持压力 100105 MPa,稳压约 4 h,窜漏。2厂牌 22-336200常温保压:最高压力 105.66 MPa,无渗漏。200,维
22、持压力 103106 MPa,稳压 49 h,补压 11 次,压降 0.41 MPa/h,无渗漏;49 h 后压力突降,窜漏。3厂牌 32-336200200,维持压力 6970 MPa,稳压 5 h,发生 2 次压力突降。4厂牌 32-330200200,维持压力 104107 MPa,稳压 50 h,补压 16 次,压降 0.65 MPa/h;常温保压:最高压力 109.02 MPa,压降明显,有外漏。4.2 全氟醚橡胶 O 型密封圈的评价试验 先后对国内外 10 个厂牌的全氟醚 O 型橡胶圈开展了试验评价,其中有 3 个厂牌的 O 型圈在试验过程中表现了较好的高温承压能力和密封持久性能,
23、表 2-表 4 展示了前述 3 个厂牌各 3 个型号的 O型密封圈的试验结果。表 2 厂牌 4 试验结果Table 2 Brand 4 test results序号O 圈型号试验温度/试验结果描述12-330230常温加压 105.66 MPa,稳压 94 min。压降 2.36 MPa,外观无渗漏;升温至 230,加压至 106.58 MPa,保压和补压 1 次,稳压约 48 h,压降 0.05 MPa/h,无渗漏;降至常温,加压 105.58 MPa,稳压 2 h,压降3.92 MPa;再升温至 230,加压 106.50 MPa,稳压 48 h,期间压力随气温波动.最大压力波动2.44
24、MPa,压降 2.16 MPa,无渗漏;取出 O 环完好。22-334230常温加压 106.34 MPa,补压一次,无渗漏;升温至 230,加压至 108.06 MPa,稳压约 48 h,压力波动0.454 MPa/h,无渗漏;降至常温,打压 105.14 MPa,无渗漏;再升温至 230,保压,稳压 48 h,期间压力气温波动,最大压力波动 3.04 MPa,无渗漏;取出 O 环完好。32-336230常温加压 105.98 MPa,稳压 2 h,补压 8 次,无渗漏;升温至 230,加压至 106.26 MPa,补压 17 次,稳压 43 h,压降 0.76 MPa/h,无渗漏;降至常温
25、,加压 107.9 MPa,微渗。再升温至 230,加压至105.06 MPa,补压 16 次,稳压 52.5 h,0.50 MPa/h,无渗漏;取出 O 环完好。表 3 厂牌 5 试验结果Table 3 Brand 5 test results序号O 圈型号试验温度/试验结果描述12-330230常温加压 105.94 MPa,压降明显;升温至 230 条件下,加压 105.42 MPa,补压 2 次泄压 1 次,稳压48 h,压降 0.046 MPa/h,无渗漏;再降至常温,加压 105.3 MPa,压降明显;再升温至 230 条件下,加压 106.86 MPa,外观无渗漏;取出观察,O
26、圈轻微变形。22-334230常温加压 105.2 MPa,压降明显;230 条件下,加压 104.94 MPa,补压 12 次,稳压 45 h,压降0.53 MPa/h,无渗漏;降至常温,加压 106.62 MPa,压降明显;再升温至 230,加压至 105.82 MPa,补压 10 次,稳压 48 h,压降 0.47 MPa/h,无渗漏。32-336230常温加压 105.46 MPa,压降明显;230 条件下,加压 106.9 MPa,补压 1 次,稳压 48 h,压降0.074 MPa/h,无渗漏;降至常温,加压 105.31 MPa,压降明显;再升温至 230,加压 105.74 M
27、Pa,稳压 48 h,压降 0.114 MPa/h,无渗漏;取出观察,O 圈轻微变形。表 4 厂牌 6 试验结果Table 4 Brand 6 test results序号O 圈型号试验温度/试验结果描述12-330230升温至 230,加压 106.09 MPa,补压 1 次,稳压 48 h,压降 0.03 MPa/h,无渗漏;降至常温,加压105.18,压降明显;再升温至 230,加压至 106.62 MPa,稳压 48h,压降 0.04 MPa/h,无渗漏。22-334230常温加压 71.74 MPa,压降明显;升温至 230 条件下,加压至 104.94 MPa,补压 7 次,稳压
28、48 h,压降0.315 MPa/h,无渗漏。降至常温,加压 69.58 MPa,压降明显;再升温至 230,加压至 105.72 MPa,补压 1 次,稳压 48 h,无渗漏。32-336230升温至 230,加压至 107.14 MPa,补压 2 次,稳压约 48 h,压降 0.12 MPa/h,无渗漏;降至常温,加压至 71.34 MPa,压降明显;再升温至230 条件下,加压至106.02 MPa,稳压48.5 h,期间压力随气温波动。最大压力波动 1.68 MPa,压降 0.06 MPa/h,外观无渗漏。81第 33 卷 第 2 期潘登等:地层测试工具耐 230O 型密封圈优选试验研
29、究 上述试验过程中,因为加压管线并不在恒温装置内,试验期间外部加压管线温度低,导致装置内部压力有缓降趋势,但装置并无泄漏发生,表明承压合格。另外对比了上述 3 种厂牌的 O 型密封圈的橡胶材料的物理性能进行对比(见表 5),其各自的抗拉强度、热空气老化后强度等参数,各有高低,没有呈现明显的相关性规律,再一次证明本研究通过工程模拟试验来进行材料优选的实用价值。由于全氟醚橡胶的硬度较高,在冬季室温下的承压能力表现不是很好,在高压下一般都有微渗,但在夏季气温超过 30 以后,常温试验都能达到 105 MPa承压能力,因此在选择该类密封圈时,要考虑现场作业的最大温度变化范围。表 5 物理性能参数对比T
30、able 5 Comparison of physical performance parametersO 圈型号拉断强度/MPa拉断伸长率/%拉花硬度变化/%老化拉断强度变化/%老化拉断伸长率/%厂牌 419.281321-1010厂牌 520.76147-15-4厂牌 625.501172-13-135 结论 (1)通过评价试验,确定了全氟醚橡胶是满足工具开发需求的选材方向,优选出了 3 种具有较好的高温承压能力和密封持久性能的密封圈,在浓度20%的盐酸中浸泡 96 h 以后,经历两次升温至230,一次降温至常温的温度交变过程中,都能反复承受长达 48 h 的高压(105 MPa)密封测试
31、。(2)在评价试验过程中,一定要严格执行温度交变过程,并且确保试验工装工作稳定性,才可以在苛刻的条件下,筛选出性能优异的产品。(3)本研究是基于标准密封件开展的试验,但是工具设计过程中,不同的部位可能采用不同的沟槽设计,也可能影响工具的整体密封性能,工具开发人员的设计要确保合适的压缩率和槽宽,以充分发挥密封件的性能。致谢:感谢川庆钻探工程有限公司试修公司同意本文发表。参考文献1 贺秋云,韩雄,曾小军.高温高压井下测试工具橡胶密封材料的优选J.钻采工艺,2019,42(4):36-39.HE Qiuyun,HAN Xiong,ZENG Xiaojun.How to decide optimal
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