封隔器膠筒密封性能測試系統研究

于桂杰，趙超超，林明群

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580）

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封隔器膠筒密封性能測試系統研究

于桂杰，趙超超，林明群

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580）

摘要：針對封隔器膠筒密封性能的測試，設計了一套高溫高壓測試系統。介紹了測試系統的基本組成和工作過程，開發了基于PLC的自動化控制程序，以Lab VIE W為測控系統開發平臺，完成了封隔器坐封時膠筒與套管接觸應力、軸向位移、上下壓差隨時間波動相關數據的采集、實時顯示與存儲功能設計。結果表明：通過本測試系統可以獲得封隔器膠筒相關密封性能參數。

關鍵詞：封隔器；膠筒；高溫高壓；試驗裝置

封隔器是石油勘探開發中重要的井下工具，廣泛應用于鉆井、注水、卡堵水、分層采油等工藝技術中。封隔器所具備的功能主要靠彈性密封元件的密封作用來實現［1］。對于采用膠筒作為彈性密封元件的封隔器，膠筒的密封性能是判斷其工作好壞的關鍵，且隨著油藏開發深度不斷加深，要求現場使用的封隔器在高溫高壓下具有更好的密封性能［2］。因此，對封隔器在高溫高壓條件下的密封性能進行測試試驗，檢測并驗證其各項指標能否達到設計要求，對于優化封隔器的設計、提高現場使用成功率有重要的意義。

1 測試系統組成

本文設計的測試系統包括試驗臺架、液壓控制系統、高壓油水氣站［3］、加熱裝置、測控系統。該套測試系統能夠模擬現場井下載荷、溫度、壓力等工況，系統組成如圖1所示。

圖1　測試系統組成

1.1 試驗臺架

1—加載液壓缸；2—位移傳感器；3—螺母；4—螺栓；5—密封頭；6—加壓管線；7—筒體；8—保溫層；9—套管；10—套管；11—端蓋；12—密封圈；13—活塞桿；14—活塞；15—輔助液壓缸；16—底座；17—熱電偶；18—熱循環管線；19—中心管；20—加載短節。圖2 試驗臺架結構

該試驗臺架主要由液壓缸、筒體、密封頭、中心管、套管、保溫層、加載短節等組成，能為試驗提供所需的密封條件，并具備保溫功能，臥式結構使膠筒的安裝更加方便快捷。加載液壓缸提供100 k N的壓力和50 k N的拉力，完成坐封與解封動作，輔助液壓缸在另一端起到夾緊固定作用，必要時能實現雙向加載。加壓管線、熱循環管線分別與加壓系統和空氣加熱設備相接通，接觸應力采集是試驗的重點。本方案［4］是在膠筒對應的套管位置圓周方向上均勻安裝5個、軸向8組、總共40個壓力傳感器，以完成信號的采集。在合適的位置（如圖2所示）安裝熱電偶、位移傳感器、壓力傳感器，并與測控系統相連接，完成溫度、位移、壓力信號的采集。

1.2 液壓控制系統

液壓控制系統包括加載控制回路和加壓控制回路。加載控制回路完成對加載裝置的精確控制，提供所需的壓力和拉力；加壓控制回路可獨立控制膠筒兩端的壓力，模擬井下復雜的壓力條件［5］。采用恒壓電液比例控制回路［6］，滿足系統對加載、加壓過程中的壓力要求。

1.3 高壓油水氣站

高壓油水氣站為測試系統提供所需的試驗液和氣源，包括高壓油水站和高壓氣站，經液壓回路提供最高200MPa的液壓和100MPa的氣壓。

1.4 加熱系統

加熱裝置為試驗提供所需的高溫條件。采用熱空氣加熱的方法［7］，即利用加熱爐加熱空氣，再通過高溫通風機將熱空氣輸送到試驗井筒和套管之間的環形空間，可逆時針強制循環加熱試驗井筒內的試驗液。通過放置在試驗井筒內的熱電偶傳感器以及配套的測控系統，控制試驗液溫度達到規定要求。溫度調節為0～200℃。

1.5 測控系統

測控系統實現對整套系統的自動化控制，實時顯示采集到的數據，并及時保存以便后續分析處理。在測控系統中，PLC作為下位機完成液壓系統、加熱系統的各種邏輯控制。運用Lab VIE W開發的上機位控制程序提供良好的人機交互界面，實現數據的顯示與保存等功能。

2 工作過程

1） 安裝階段。端蓋、密封頭安裝在輔助液壓缸的活塞桿上，膠筒安裝在中心管上，啟動液壓系統，活塞桿伸入筒體內，到達指定位置后切換至夾緊回路，用螺栓、螺母將端蓋與筒體進行可靠連接，啟動灌注泵向筒體內注入液體，直至充滿。

2） 加熱階段。啟動加熱裝置，設定加熱溫度，待溫度達到設定的溫度并穩定一段時間。

3） 坐封階段。給定加載力，啟動液壓回路，推動活塞通過活塞桿通過加載短節給膠筒加載。坐封穩定后，液壓回路切換到保壓狀態。

4） 加壓階段。開啟高壓油氣水站，根據設定的壓差向膠筒兩端加壓。

5） 數據采集階段。與封隔器膠筒接觸的壓力傳感器實時采集接觸應力；膠筒密封兩端的壓力傳感器采集到膠筒兩端的上下壓力，對比得出壓力的波動范圍；位移傳感器采集到膠筒的軸向位移。

6） 泄壓階段。高壓油水氣站將膠筒密封兩端的液體排出，卸掉兩端的壓力。

7） 解封階段。液壓回路切換至卸荷回路，加載桿收縮，膠筒彈回。

8） 拆卸階段。筒體內的液體經加壓管線排出，待筒體內溫度冷卻至合適溫度，卸下螺栓、螺母，啟動輔助液壓缸，活塞桿縮回，膠筒、中心管隨之取出，測試結束。

3 基于PLC的自動化控制程序開發

3.1 總體方案

針對本測試系統中的液壓控制系統和加熱系統，選用西門子公司的S7-200系列PLC開發了對應的控制程序。

3.2 液壓系統控制程序

將PLC應用到液壓系統能較好地滿足控制系統的要求，并且測試精確，運行高速、可靠，生產效率高，設備的使用壽命長。液壓系統控制程序采用S7-200 C P U 226 PLC作為控制系統的主模板。系統共需19個輸入端子、15個輸出端子。把T P170 A觸摸屏式人機界面用在控制系統中，觸摸屏分別為加載和加壓系統提供“壓力設定”“速度設定”共4個觸摸式按鈕。液壓回路中的控制閥先導比例電磁閥、速度控制閥通過E M 235模擬量輸入/輸出模塊連接到主模塊上。PLC控制外部接線圖如圖3所示。

圖3　液壓系統PL C控制外部接線圖

3.3 加熱系統控制

對于溫度等一些重要的被控參數，基于PLC的控制程序能進行自動檢測，并根據檢測結果進行相應的控制。因此，加熱控制系統選用西門子公司的S7-200 C P U 224作為主模板［8］，控制系統共需7個輸入端子、8個輸出端子。采用雙晶閘管控制加熱系統［9］，通過模擬量輸入/輸出模塊E M 231和E M 232連接到主模板。T P170 A觸摸屏式人機界面為加熱系統提供“實時溫度”顯示界面和“溫度設定”等觸摸式按鈕。PLC控制外部接線圖如圖4所示。

圖4　加熱系統PL C控制外部接線圖

4 基于Lab VIE W的數據采集系統開發

4.1 采集系統總體設計

數據采集是指從系統外部采集數據并進行轉換后傳輸到系統內部的過程。基于Lab VIE W的數據采集可分為硬件和軟件2部分［10］。系統硬件部分包括傳感器、信號調理設備、數據采集卡；軟件部分包括驅動程序和應用軟件。

4.2 系統硬件設計

本文設計的數據采集系統完成40路接觸應力信號、2路壓力信號、1路位移信號的采集任務。采用S Y C-100膜片式石英壓力傳感器采集接觸應力信號，S Y C-2000傳感器采集膠筒兩端的壓力信號，O D V激光位移傳感器采集位移信號。所選用的傳感器主要參數如表1所示。

鑒于P CI總線具有系統穩定、傳輸速率高、C P U占用率小等優點，采集系統選用NI公司的P CI系列數據采集卡作為硬件資源。P CI-6225負責采集接觸應力信號，具有80路單端/40路差分模擬輸入，16位模擬輸入/輸出分辨率，輸入范圍－10～10 V。P CI-6220負責采集位移、壓強、溫度信號，具有16路單端/8路差分模擬輸入，16位模擬輸入/輸出分辨率。信號調理設備選用信號調理器NI SC XI-1102，其具有低通濾波、冷端補償等功能，并且增益可調。

表1　所選傳感器的主要參數

4.3 系統軟件設計

系統軟件模塊分為信號獲取、信號處理、數據顯示、數據存儲模塊。信號的獲取采用Lab VIE W提供的D A Q助手工具，對測試任務、采集通道參數進行設置。由于采集的信號經過了調理，在程序中要進行處理還原信號。為了能實時觀測到采集的信號，利用波形圖表以曲線的形式實時連續地顯示信號。

最終采集的信號以Excel表格的形式保存在用戶指定的目錄文件下，程序的前面版和后面版如圖5～6所示。程序每運行1個循環保存1次數據，以便后續分析處理。

圖5　數據采集程序前面板

圖6　數據采集程序后面板

5 結論

1） 本試驗測試系統能同時測得復雜條件下接觸應力分布、軸向位移、壓差隨時間的變化，為綜合評價封隔器的密封性能提供可靠的試驗數據，并為封隔器的設計、開發提供科學依據，可縮短研發周期、提高效率。

2） 選用的壓力傳感器、位移傳感器的精度、靈敏度、分辨率高，抗干擾能力強，數據采集卡及信號處理設備性能優越，保證了測試的準確可靠。

3） 虛擬儀器的人機界面友好，編程便捷、直觀，PLC現場控制可靠性高，抗干擾能力強，通信能力強。將兩者的優點結合起來應用于測控系統開發中能更好地實現自動化控制。

參考文獻：

［1］ 劉清友，王國榮，湛精華.井下封隔器工作行為仿真［M］.北京：石油工業出版社，2010.

［2］ 黃振瓊，徐燕東，杜春朝，等.高溫高壓深井用液壓封隔器研制及試驗［J］.石油礦場機械，2013，42（10）：33-36.

［3］ 朱曉榮，吳雷澤，代理震，等.封隔器設計基礎［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［4］ 劉天良，施紀澤.封隔器膠筒對套管接觸應力模擬試驗研究［J］.石油機械，2001，29（2）：10-11.

［5］ 岳澄，王燕群，邵立國，等.高溫封隔器膠筒與套管接觸壓力的實驗研究［J］.實驗力學，1999，14（3）：390-394.

［6］ 黃志堅.液壓系統控制與PL C應用［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［7］ 王東，章發明，陳磊，等.井下工具高溫試驗井系統［J］.石油礦場機械，2009，38（7）：75-79.

［8］ 王東署.S7-200 PL C基礎及應用［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［9］ 陳磊，章發明，楊永安，等.封隔器性能檢測系統的應用［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：60-63.

［10］ 陳國順，于涵偉，王格芳，等.測試工程及Lab VIE W應用［M］.北京：清華大學出版社，2013.

Research of Test System for the Property of Packer Rubber Sleeve

YUGuijie，ZHAO Chaochao，LIN Mingqun
（Collegeof Pipeline ɑnd Ciυil Engineering，Chinɑ Uniυersity of Petroleum，Qingdɑo 266580，Chinɑ）

Abstract：Aiming at testing the sealing property of rubber sleeve，a set of high Temperature and high pressure test system was designed. The basic com position and working process of the test system are introduced in this paper，based on PLC，to develop the auto matic control program，Lab VIE Wis utilized as develop ment platform for developing measurement and control system，to com plete the design of the relevant data’s acquisition，real-time display and storage function，the data contains the contact stress between rubber sleeve and casing，axial displacement，differential pressure which fluctuant over time when the packer is seated. A conclusion is that through the test system，the tester can obtain the seal performance parameters of rubber sleeve.

Key Words：packer；rubber sleeve；HTHP；test equip ment

作者簡介：于桂杰（1962-），男，山東招遠人，教授，主要從事機械工程、機械強度及可靠性、油氣管柱力學教學和研究工作，E-mail：yuguijie @ upc.edu.cn。

收稿日期：2015-07-24

文章編號：1001-3482（2016）01-0028-04

中圖分類號：T E931.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.007