能同时加载加压的水下井口头环空密封地面测试装置的制作方法

本发明属于海洋石油采油装备技术领域，具体涉及一种能同时加载加压的水下井口头环空密封地面测试装置。

背景技术：

鉴于海洋油气生产的高风险性，密封性能成为水下油气装备的核心指标。当前水下油气开采过程中，水下井口头环空主要采用金属密封总成，金属密封总成由金属密封圈、密封驱动环及剪切销组成(剪切销将金属密封圈与密封驱动环连接一起)，该类密封均为自紧式密封，在安装时必须进行密封激励，才能在正常作业时发挥自紧功效，即，该类密封的原理是通过将密封驱动环挤入金属密封圈的u型腔来实现密封激励，但基于施工工艺影响，该类环空密封普遍存在一个共同特点，即密封驱动环并非直接由压载直接压入，而是施加激励内压撑大金属密封圈的u型腔后，再将密封驱动环挤压到位，由此来降低施工作业中对压载的要求。即，在真实情况下，金属密封总成通过同时加载加压实现密封激励。

但是，目前的水下井口头环空密封地面测试装置无法实现同时加载加压的密封激励方式——目前采用的是直接加载方式，即直接通过大型压机(小型压机压载及作业空间无法满足要求)将密封驱动环压到最大位移，这种方式含有多种弊端：1.对测试设备要求较高，测试成本高；2.大型压机压载难以精确控制，无法获取准确的密封激励压载且极易过载损坏密封圈；3.该方式无法准确模拟正确的密封安装方式，失去了测试的意义。

综上所述，有必要设计一套能够实现同时施加压载及激励内压、精确高效地模拟环空密封安装及测试过程的环空密封测试装置，并兼顾低成本、操作方便且可重复使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能同时加载加压的水下井口头环空密封地面测试装置，该装置能实现同时加载加压、精确高效地模拟环空密封安装及测试过程，压载单元加载大小可精确控制，能够获取准确的密封激励压载，结构简单、组装方便。

本发明所采用的技术方案是：

一种能同时加载加压的水下井口头环空密封地面测试装置，包括模拟高压井口头、坐放在模拟高压井口头内的模拟套管悬挂器、卡在模拟高压井口头和模拟套管悬挂器环空内的金属密封总成(金属密封总成包括相互配合的金属密封圈、密封驱动环和剪切销)、可拆卸的卡在模拟高压井口头上的挡块、放置在密封驱动环上的密封压盖、放置在密封压盖上的活塞体、底部开口套在活塞体上并且顶部被挡块限位的上压盖；密封压盖下部与模拟套管悬挂器的中心孔侧壁密封配合、上部与模拟高压井口头内壁密封配合，活塞体与上压盖底部开口侧壁密封配合形成密封腔，模拟高压井口头外壁上设有与金属密封总成所在容腔连通的加压压力注入通道和加压传感器通道，上压盖顶面设有与密封腔连通的加载压力注入通道和加载传感器通道。

进一步地，模拟高压井口头外壁上设有至少两个加压压力注入通道，上压盖顶面设有至少两个加载压力注入通道。

进一步地，加压压力注入通道的注入口高于密封压盖与模拟高压井口头内壁之间的最低处密封件。

进一步地，挡块由整体挡环切割而成，其中一块挡块的两侧截面平行。

进一步地，模拟高压井口头外壁上设有延伸至挡块外壁的解锁孔。

进一步地，模拟套管悬挂器上设有泄压孔，泄压孔位于金属密封总成下方。

进一步地，模拟高压井口头、模拟套管悬挂器、上压盖、活塞体和密封压盖上均设有吊装孔。

进一步地，上压盖顶部设有与上压盖底部开口连通的开口，活塞体顶部伸入上压盖顶部开口内并与压盖顶部开口侧壁密封。

进一步地，密封压盖顶面设有凹槽，凹槽内开设有通孔，通孔与模拟套管悬挂器的中心孔连通，活塞体底端配合的设在凹槽内。

进一步地，密封压盖与模拟高压井口头之间、密封压盖与模拟套管悬挂器之间、上压盖与活塞体之间的各设有两道密封件，每道密封件均为o型圈和挡圈。

本发明的有益效果是：

1.测试时，依据设计压载值，通过加载压力注入通道向密封腔内打压，活塞体通过密封压盖下压密封驱动环、建立初始密封，依据设计密封激励压力值，通过加压压力注入通道向金属密封总成所在容腔打压、激励密封，同时，依据设计密封激励压载值，下压密封驱动环，激励内压及压载均施加到位后，保压一定时间，卸载、降压，至此，密封安装完成，依据测试流程，开展各项压力测试、压力循环测试及温度测试；上压盖和活塞体组成加载单元，通过打压实现载荷施加，并通过调节密封腔内压力精确控制压载载荷；金属密封总成和密封压盖组成加压单元，可实现同时加载加压、精确高效地模拟环空密封安装及测试过程；压载单元加载大小可精确控制(加压传感器通道外接压力传感器)，能够获取准确的密封激励压载，同时可验证不同压载下的密封能力，优化工艺参数；整个装置结构简单，组装方便，制造成本低且可重复使用。

2.测试时，通过一个加压压力注入通道和一个加载压力注入通道加压，排空金属密封总成所在容腔以及密封腔内的空气，直至其余加压压力注入通道和加载压力注入通道有流体流出，停止注入，分别重新上紧堵头。

3.加压压力注入通道的注入口的设置，便于排空金属密封总成所在容腔内气体。

4.挡块分块安装和拆卸，其中一块挡块的两侧截面平行，方便安装时最后一块挡块顺利卡入。

5.测试后拆卸时，若挡块由于卡紧而无法顺利取出时，可利用钢棒通过解锁孔推出挡块。

6.泄压孔可以避免安装时金属密封总成下部形成封闭腔体，无法安装到位；同时，亦可通过观察泄压孔介质流出情况判断初始密封是否形成。

7.吊装孔便于安装时吊运。

8.活塞体顶部密封的伸入上压盖顶部开口内，活塞体和上压盖组合完成后，通过吊装活塞体顶部即可将活塞体和上压盖组合整体吊运，防止分开吊运不利于安装。

9.通孔避免了活塞体、上压盖、模拟高压井口头和密封压盖之间形成封闭或近似封闭的腔体，阻碍活塞体的上下移动。

10.o型圈适用于轴孔类配合的滑动密封，挡圈防止o型圈轴向窜动。

附图说明

图1是本发明实施例装配状态的剖视图。

图2是本发明实施例测试状态的剖视图。

图3是本发明实施例中模拟高压井口头的示意图。

图4是本发明实施例中的多个挡块围成挡环的俯视图。

图中：1-模拟高压井口头；2-挡块；3-上压盖；4-活塞体；5-密封压盖；6-密封驱动环；7-金属密封圈；8-泄压孔；9-模拟套管悬挂器；10-剪切销；11-密封压盖与模拟套管悬挂器之间的o型圈和挡圈；12.加压压力注入通道；13-密封压盖与模拟高压井口头之间的o型圈和挡圈；14-活塞体底部与上压盖之间的o型圈和挡圈；15-活塞体顶部与上压盖之间的o型圈及挡圈；16-加载压力注入通道；17-加压传感器通道；18-解锁孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，一种能同时加载加压的水下井口头环空密封地面测试装置，包括模拟高压井口头1、坐放在模拟高压井口头1内的模拟套管悬挂器9(模拟高压井口头1内腔下部设有斜面支撑台阶，与模拟套管悬挂器9斜面支撑台阶相配合，支撑模拟套管悬挂器9，模拟高压井口头1内壁轮廓与标准高压井口头产品完全一致)、卡在模拟高压井口头1和模拟套管悬挂器9环空内的金属密封总成(金属密封总成包括相互配合的金属密封圈7、密封驱动环6和剪切销10)、可拆卸的卡在模拟高压井口头1上的挡块2、放置在密封驱动环6上的密封压盖5、放置在密封压盖5上的活塞体4、底部开口套在活塞体4上并且顶部被挡块2限位的上压盖3；密封压盖5下部与模拟套管悬挂器9的中心孔侧壁密封配合、上部与模拟高压井口头1内壁密封配合，活塞体4与上压盖3底部开口侧壁密封配合形成密封腔，模拟高压井口头1外壁上设有与金属密封总成所在容腔连通的加压压力注入通道12和加压传感器通道17，上压盖3顶面设有与密封腔连通的加载压力注入通道16和加载传感器通道。

测试时，依据设计压载值，通过加载压力注入通道16向密封腔内打压，活塞体4通过密封压盖5下压密封驱动环6、建立初始密封，依据设计密封激励压力值，通过加压压力注入通道12向金属密封总成所在容腔打压、激励密封，同时，依据设计密封激励压载值，下压密封驱动环6，激励内压及压载均施加到位后，保压一定时间，卸载、降压，至此，密封安装完成，依据测试流程，开展各项压力测试、压力循环测试及温度测试；上压盖3和活塞体4组成加载单元，通过打压实现载荷施加，并通过调节密封腔内压力精确控制压载载荷；金属密封总成和密封压盖5组成加压单元，可实现同时加载加压、精确高效地模拟环空密封安装及测试过程；压载单元加载大小可精确控制(加压传感器通道17外接压力传感器)，能够获取准确的密封激励压载，同时可验证不同压载下的密封能力，优化工艺参数；整个装置结构简单，组装方便，制造成本低且可重复使用。

在本实施例中，模拟高压井口头1外壁上设有2个加压压力注入通道12(间隔180°)和2个加压传感器通道17(间隔180°)；上压盖3顶面设有2个加载压力注入通道16(间隔180°)和2个加载传感器通道(间隔180°)。测试时，通过一个加压压力注入通道12和一个加载压力注入通道16加压，排空金属密封总成所在容腔以及密封腔内的空气，直至其余加压压力注入通道12和加载压力注入通道16有流体流出，停止注入，分别重新上紧堵头。

在本实施例中，加压压力注入通道12的注入口高于密封压盖5与模拟高压井口头1内壁之间的最低处密封件。加压压力注入通道12的注入口的设置，便于排空金属密封总成所在容腔内气体。

如图4所示，在本实施例中，挡块2由整体挡环切割而成(模拟高压井口头1上设有与挡环配合的环形卡槽，挡块2半边压住上压盖3、半边卡进环形卡槽内)，其中一块挡块2的两侧截面平行。挡块2分块安装和拆卸，其中一块挡块2的两侧截面平行，方便安装时最后一块挡块2顺利卡入。

如图1至图3所示，在本实施例中，模拟高压井口头1外壁上设有延伸至挡块2外壁的解锁孔18。测试后拆卸时，若挡块2由于卡紧而无法顺利取出时，可利用钢棒通过解锁孔18推出挡块2。

如图1和图2所示，在本实施例中，模拟套管悬挂器9上设有泄压孔8，泄压孔8位于金属密封总成下方。泄压孔8可以避免安装时金属密封总成下部形成封闭腔体，无法安装到位；同时，亦可通过观察泄压孔8介质流出情况判断初始密封是否形成。

在本实施例中，模拟高压井口头1外壁上部和下部各设置4个吊装孔(吊装孔之间间隔90°)、模拟套管悬挂器9上端面和下端面各设有4个吊装孔(吊装孔之间间隔90°)、密封压盖5上端面和下端面各设有4个吊装孔(吊装孔之间间隔90°)、上压盖3上端面和下端面各设有4个吊装孔(吊装孔之间间隔90°)、活塞体4上端面设有1个吊装孔、下端面设有4个吊装孔(吊装孔之间间隔90°)。吊装孔便于安装时吊运。

如图1和图2所示，在本实施例中，上压盖3顶部设有与上压盖3底部开口连通的开口，活塞体4顶部伸入上压盖3顶部开口内并与压盖顶部开口侧壁密封。活塞体4顶部密封的伸入上压盖3顶部开口内，活塞体4和上压盖3组合完成后，通过吊装活塞体4顶部即可将活塞体4和上压盖3组合整体吊运，防止分开吊运不利于安装。

如图1和图2所示，在本实施例中，密封压盖5顶面设有凹槽，凹槽内开设有通孔，通孔与模拟套管悬挂器9的中心孔连通，活塞体4底端配合的设在凹槽内。通孔避免了活塞体4、上压盖3、模拟高压井口头1和密封压盖5之间形成封闭或近似封闭的腔体，阻碍活塞体4的上下移动。

如图1和图2所示，在本实施例中，密封压盖5与模拟高压井口头1之间、密封压盖5与模拟套管悬挂器9之间、上压盖3与活塞体4之间的各设有两道密封件，每道密封件均为o型圈和挡圈(11、13、14和15)。o型圈适用于轴孔类配合的滑动密封，挡圈防止o型圈轴向窜动。

本发明实施例的安装过程为：

1)利用模拟高压井口头1上部吊装孔，将起吊工具与模拟高压井口头1连接，将其吊放至测试场地水平地面或平台上，利用模拟套管悬挂器9上部吊装孔，将其吊装坐放在模拟高压井口头1内，利用剪切销10将金属密封圈7与密封驱动环6连接一起，并整体放置于模拟套管悬挂器9上方，直至其稳固。

2)清理密封压盖5小径、大径密封槽，涂抹润滑油，并分别安装0型圈和挡圈(11和13)。利用密封压盖5上部吊装孔，将其装入模拟高压井口头1，坐放于密封驱动环6上部。

3)将活塞体4小径向上水平放置，清理小径、大径密封槽，涂抹润滑油，并分别安装o型圈和挡圈(14和15)，利用上压盖3小孔端吊装孔，将上压盖3坐放于活塞体4上部，并使得活塞体4小径由上压盖3内孔伸出，利用活塞体4小径端吊装孔，将活塞体4及上压盖3一起吊装放入模拟高压井口头1内密封压盖5凹槽上。

4)安装挡块2，依次卡入模拟高压井口头1环形卡槽，注意最后安装两侧截面平行的挡块2。

5)模拟高压井口头1加压压力注入通道12连接一个液压接头，加压传感器通道17连接一个压力传感器，剩余两孔用堵头堵住，上压盖3加载压压力注入通道连接一个液压接头，加载传感器通道连接一个压力传感器，剩余两孔用堵头堵住，至此，测试装置连接完毕，准备测试。

本发明实施例的测试过程为：

1)模拟高压井口头1和上压盖3分别卸掉一个堵头，并通过液压接头注入流体介质，排空密封腔和金属密封总成所在容腔内空气，直至堵头卸掉处有流体流出，停止注入，分别重新上紧堵头。

2)依据设计压载值，向上压盖3内打压，下压密封驱动环6，建立初始密封；依据设计密封激励压力值，向金属密封圈7所在腔体打压，激励密封，同时，依据设计密封激励压载值，下压密封驱动环6。

3)激励内压及压载均施加到位后，保压一定时间，卸载、降压，至此，密封安装完成，依据测试流程，开展各项压力测试、压力循环测试及温度测试等。

本发明实施例的拆卸过程为：

测试结束后，将密封腔和金属密封总成所在容腔内压力降至为0，从上而下，与安装顺序相反，依次完成各部件的拆卸，其中，挡块2可能会由于挤压过紧而导致无法拆除，此时可利用钢棒通过解锁孔18推出最后安装的挡块2，实现挡块2的顺利拆卸。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。