滑套密封技术分析与性能评估

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)渤海钻探工程技术研究院 作者:余海燕

  滑套作为石油天然气分层开采技术的重要工具,其密封性能直接影响着施工的效果。对用于滑套的不同密封方案进行总结分类,包括O形圈密封、唇形密封、特殊型密封及其不同的组合密封形式;从密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用寿命、成本5 项指标对各类密封进行性能评估。综合考虑5 项指标,滑套密封可选用简单星形密封圈、星形密封圈加挡圈、U 型密封圈、特康双三角密封圈等密封形式;而从经济实用方面来考虑,低压且速度不高时,可使用简单O 形圈、O 形密封圈加平挡圈;压力较高且速度变化较大时,可使用O 形圈和梯形环的组合、V 形夹织物橡胶组合密封圈、K 型特康斯特密封圈、T 型特康格来圈。

  油气开发的基本目的是尽可能多地开采出地层深处的油、气资源,提高采收率,降低成本。但是,油井开采时环境比较复杂,由于油层之间的压力、油层物理性质、原油性质等差异,层间往往互相干扰,使部分油层不能发挥应有的作用。为减少或消除层间干扰,应采用分层开采技术。分层开采技术作为石油工业的一次技术革命,广泛用于分层采油、分层注水、分层压裂及分层酸化等,它对延长无水开采期和提高采收率至关重要。

  滑套是分层开采技术中最重要的工具之一,主要用于分层开采、完井后诱喷、循环压井、下入堵塞器关井或油管试压、多层混注、循环化学药剂防腐等。滑套安全可靠地实现开关依靠良好的密封性能,否则影响分层开采效果。虽然密封技术不是领先性技术,却是滑套设备能否安全、可靠、耐久运行的决定性技术。

  大批学者通过研究,提出了往复运动密封,对密封原理、密封特性、密封失效及密封形式改进等进行了全面分析。由于滑套在结构及使用工况上的特殊性,与传统的往复运动存在较大差异,目前尚无对滑套密封性能评价指标、对适用于滑套的密封形式、对滑套具体工况下可选用的密封形式的研究报道。本文作者从密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用寿命、成本5 个方面对滑套密封形式进行了评估,提出滑套密封性能评估指标,总结不同工况下滑套可选用的密封形式,对滑套密封形式优选具有指导意义。

  1、滑套密封设计

  1.1、滑套原理

  滑套主要由外筒、内滑套、出液孔、密封组件等组成。滑套的工作原理是滑套通过移动内滑套用于打开或关闭外筒和环空之间的流动通道: 当内滑套的本体对着外筒的孔道时,滑套处于关闭状态;当两者错开时,则打开。其功用是与其他工具一起配合使用,实现分层开采,其结构如图1 所示。

滑套密封技术分析与性能评估

图1 滑套结构示意图

  1.2、滑套密封

  滑套密封是密封件与本体预留沟槽配合实现内滑套与外筒间的密封。密封件良好的密封效果一定程度上取决于密封件尺寸与沟槽尺寸的正确匹配,形成合理的密封件压缩量与拉伸量。

  另外,密封性能的好坏与滑套工作环境及滑套开关频率有关。矿井潮湿、泥沙大,并伴有腐蚀性介质,同时需要承受地层温度与压力的变化,滑套在使用过程中需多次进行开关操作,密封件需多次经过出液孔。故要求滑套密封组件不仅要求具有耐高温、耐高压、耐磨损、耐腐蚀、抗剪切性能,还要求滑套在反复开关后仍具有良好的密封性能。

  滑套的损坏往往是从密封件的损坏开始的,密封件常见的损坏形式有间隙咬伤、机械损伤、磨损、材料老化等。滑套密封件的选取原则是密封性好,安全可靠,寿命长,力求结构紧凑,系统简单,制造维修方便,成本低廉。

  3、密封性能评估

  对上述不同种类的密封形式从密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用寿命、成本5 个方面进行了分析比较。

  不同的密封形式在满足各自使用工况下,能够实现密封。运行速度小于0.5 m/s 的密封件,在低速时能够保持良好的密封性;运行速度大于5 m/s 的密封件和运行速度小于15 m/s 的密封件,在较高速度时能保持良好的密封性。简单的O 形圈在往复运动不断过剪切槽的过程中容易被剪切,加挡圈的密封圈能够很好地防止“间隙咬伤”现象,提高使用寿命。O形圈的耐磨性比较差,唇形密封及特殊型密封能够提供磨损补偿,具有较好的耐磨性。密封圈的使用寿命与工况环境、材料本身有很大的关系,相对而言,加挡圈和特殊型密封圈的使用寿命比简单的O形圈的使用寿命要长。成本包括材料成本和加工成本,成本较低的是简单O 形圈,较高的是特殊型密封形式。在满足密封效果的前提下,一般选择成本较低者。

  为了对滑套密封的密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用寿命、成本这5 种评价标准进行一个综合评价,先将其性能划分为5 个等级1、2、3、4、5,等级越高性能越好,成本越低。综合指标评价如表1 和图3 所示。

表1 不同密封形式的性能等级评估

滑套密封技术分析与性能评估

滑套密封技术分析与性能评估

图3 不同密封形式下的综合指标性能评估

  4、结论

  (1) 滑套密封在选取密封形式时,需要综合考虑其密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用寿命和成本这5 项指标。

  (2) 结合滑套密封性能的需求,综合考虑密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用寿命和成本这5 项指标,滑套密封可选用简单星形密封圈、星形密封圈加挡圈、U 型密封圈、特康双三角密封圈等密封形式。

  (3) 从经济适用方面来考虑,低压且速度不高时,建议使用简单O 形圈、O 形密封圈加平挡圈;压力较高且速度变化较大时,建议使用O 形圈和梯形环的组合、V 形夹织物橡胶组合密封圈、K 型特康斯特密封、T 型特康格来圈。

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