带碟簧补偿功能的地面试验装置的制作方法

本申请涉及模拟试验装置，特别是涉及一种用于密封筒的带碟簧补偿功能的地面试验装置。

背景技术：

密封筒是工业产品中普遍使用的一种密封件，一般采用橡胶类材料制成。根据其应用领域的不同，对密封筒的性能要求亦不同。下面以井下工具封隔器密封筒为例加以说明：

封隔器密封筒是稠油热采中应用十分广泛的核心部件。封隔器密封筒在现场使用过程中，坐封、解封灵活、可靠，封隔器密封筒在上下压差及高温的作用下变形小、持续承载能力强，才能起到封隔油套环空和保证作业施工顺利进行的目的。因此，封隔器密封筒在高温、高压的作业环境中的密封能力是衡量封隔器性能的关键技术指标。

目前，利用封隔器直接在地面上进行环空密封筒在高温、高压下的环空密封试验。由于封隔器本身的精密性结构特点，决定它不仅制作成本高、占地大，而且对拆装的操作者的技术业务水平要求较高。封隔器往往仅进行一遍环空密封试验后，由于拆卸不开只能报废，导致试验成本高。另外在地面做试验的前后，还需对封隔器进行繁杂的拆装工作，这给地面试验带来了一定的难度，不利于在大范围内推广。

技术实现要素：

本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。

本申请提供了一种带碟簧补偿功能的地面试验装置，用于测试密封筒的坐封力及其坐封完成后在常温、高压及高温、高压条件下的密封性能，包括：

中心管，用作安装基础，以安装所述密封筒及所述地面模拟试验装置中的其他零件；

第一推力组件，用于安装在所述中心管的一端，配置成沿所述中心管的一端向另一端提供单向推力且仅能够沿所述单向推力方向移动，以实现所述密封筒的单面验封；

第二推力组件，用于安装在所述中心管、所述密封筒及所述第一推力组件处，配置成在所述第一推力组件产生所述单向推力的情况下，所述第二推力组件沿所述中心管的另一端向一端提供推力，以使得所述密封筒实现坐封，并维持坐封力的稳定，还配置成在所述密封筒已坐封的状态下，实现所述密封筒的双面验封；

试压泵，用于向所述第一推力组件或所述第二推力组件提供高压液体；

连接管路，用于与所述试压泵连接，还用于与所述第一推力组件或所述第二推力组件连接，以输送所述高压液体；和

加热元件，用于安装在所述第二推力组件中与所述密封筒相对应的零件的外部，用于加热所述密封筒，以测试所述密封筒在高温下的密封性能。

可选地，所述中心管为内部中空的管，所述中心管靠近中部的位置设有凸台，所述中心管中沿一端至另一端的方向，被所述凸台分为第一段和第二段，所述第一段、所述凸台及所述第二段用于安装所述第一推力组件，所述第一段的外壁中靠近所述凸台的位置处局部设有外马牙螺扣，用于与所述第一推力组件形成马牙连接结构，所述第二段用于安装所述密封筒及所述第二推力组件，所述第二段中靠近所述凸台的位置处设有径向的通孔，以通过所述高压液体。

可选地，所述第一推力组件包括：

上接头，具有轴向贯通的内部空腔，用于通过所述高压液体，所述上接头的一端具有内锥螺纹，用于连接所述连接管路，所述上接头的另一端具有内螺纹，用于连接所述中心管；

锁环座，套在所述中心管的第一段处中靠近所述上接头的位置处，所述锁环座的外壁处具有外连接螺纹；

锁环，用于安装在所述锁环座中靠近所述凸台的一端，并与所述锁环座形成抵顶结构，所述锁环的内壁具有内马牙螺扣，所述内马牙螺扣与所述外马牙螺扣相匹配；

锁环套，一端用于套在所述锁环座及所述锁环的外部，并与它们形成抵顶结构，所述锁环套的一端的内壁设有内连接螺纹，与所述锁环座的外连接螺纹相配形成螺纹连接结构，另一端的外壁设有外连接螺纹；和

活塞，用于套在所述中心管的第一段、凸台及第二段的外部，所述活塞内部中空，所述活塞的内壁靠近所述凸台的一端沿其径向设有向内的突起，所述突起可相对所述中心管的第二段的外壁滑动，所述活塞及所述中心管在所述活塞的突起位置处形成第一密封腔，所述第一密封腔与所述中心管的通孔连通，所述第一密封腔用于存储所述高压液体，所述活塞的另一端的内壁处设有内连接螺纹，与所述锁环套的外连接螺纹相配形成螺纹连接结构；

其中，所述锁环设有轴向贯通的豁口，用于在所述活塞施加推力时内径扩大以越过所述外马牙螺扣，所述中心管的凸台与所述活塞之间、所述活塞的突起与所述中心管的第二段之间对应设有密封结构。

可选地，所述中心管的凸台与所述活塞之间的密封结构为安装在所述中心管的凸台处的O型密封圈，所述活塞的突起与所述中心管的第二段之间的密封结构为安装在所述活塞的突起处的O型密封圈。

可选地，所述第二推力组件包括：

套管，用于套在所述第一推力组件、所述密封筒及所述中心管的外部，用于在所述密封筒径向尺寸变大时与其接触，以实现所述密封筒的坐封，所述套管与所述第一推力组件、所述密封筒及所述中心管之间形成空腔，所述套管中对应所述中心管的第二段处设有径向的通孔，用于连接所述连接管路，所述通孔与所述空腔相连通；

上压帽，用于套接在所述套管中靠近所述第一推力组件的一端，并与所述套管固定连接，所述上压帽中设有轴向贯通的孔，用于通过所述连接管路；

碟簧，用于套在所述中心管的第二段的外部，与所述密封筒形成抵顶结构，用于在所述第一推力组件产生所述单向推力的情况下，沿所述碟簧的轴向产生自所述中心管的另一端向一端的推力，实现所述密封筒的坐封，并维持坐封力的稳定；

下接头，为一端开口、另一端封闭的端帽，用于安装在所述中心管中安装所述碟簧的一端，并与所述中心管固定连接；和

底盖，用于套在所述套管中靠近所述下接头的一端，并与所述套管固定连接；

其中，所述底盖、所述下接头、所述碟簧及所述密封筒之间形成第二密封腔，所述第二密封腔与所述套管的通孔连通，所述第二密封腔用于容纳所述高压液体，以实现所述密封筒在坐封状态下的双面验封。

可选地，所述第二推力组件还包括：

挡环，用于套在所述中心管的外部，并位于所述碟簧与所述下接头之间，且与所述碟簧和所述下接头形成抵顶结构，所述挡环的中部设有沿径向外突的定位凸台，用于保证所述套管与所述密封筒的同心度；和

挡圈，用于套在所述中心管的外部，并位于所述碟簧与所述密封筒之间，且与所述碟簧和所述密封筒形成抵顶结构。

可选地，所述底盖与所述套管通过密封螺纹固定连接。

可选地，所述连接管路上设有压力表、球阀及针阀。

可选地，所述连接管路上还设有溢流阀。

可选地，所述溢流阀、所述针阀、所述球阀及所述压力表按照高压液体的流动方向设置在所述连接管路上。

本申请的带碟簧补偿功能的地面试验装置，通过包括中心管、第一推力组件、第二推力组件、试压泵及连接管路结构组成的简单装置，能准确模拟封隔器环空密封筒在高温、高压的工况下的环空密封效果，同时还具有结构简单、占地小、成本低、便于拆装的优点。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的用于密封筒的地面模拟试验装置的示意性结构图。

图中各符号表示含义如下：

100带碟簧补偿功能的地面试验装置，

1上压帽，2套管，3锁环座，4锁环，5锁环套，6中心管，7活塞，8密封筒，9碟簧，10加热元件，11挡环，12下接头，13底盖，14上接头，15试压泵，16连接管路，17溢流阀，18压力表，19球阀，20针阀，21O型密封圈， 22内锥螺纹，23外马牙螺扣，24内马牙螺扣，25螺纹连接结构，26挡圈，

61凸台，62第一段，63第二段，71突起，111定位凸台，141内部空腔，

A第一密封腔，B第二密封腔，C通孔，D第一推力组件，E第二推力组件。

具体实施方式

图1是根据本申请一个实施例的用于密封筒的地面模拟试验装置的示意性结构图。本实施例提供了一种带碟簧补偿功能的地面试验装置100，用于测试密封筒8的坐封力及其坐封完成后在常温、高压及高温、高压条件下的密封性能，其特征在于，一般可以包括：中心管6、第一推力组件D、第二推力组件E、试压泵15和连接管路16。中心管6用作安装基础，以安装所述密封筒8及所述地面模拟试验装置中的其他零件。第一推力组件D用于安装在所述中心管6 的一端，配置成沿所述中心管6的一端向另一端提供单向推力且仅能够沿所述单向推力方向移动，以实现所述密封筒8的单面验封。第二推力组件E用于安装在所述中心管6、所述密封筒8及所述第一推力组件D处，配置成在所述第一推力组件D产生所述单向推力的情况下，所述第二推力组件E沿所述中心管 6的另一端向一端提供推力，以使得所述密封筒8实现坐封，并维持坐封力的稳定，还配置成在所述密封筒8已坐封的状态下，实现所述密封筒8的双面验封。试压泵15用于向所述第一推力组件D或所述第二推力组件E提供高压液体。连接管路16用于与所述试压泵15连接，还用于与所述第一推力组件D或所述第二推力组件E连接，以输送所述高压液体。加热元件10用于安装在所述第二推力组件E中与所述密封筒8相对应的零件的外部，用于加热所述密封筒8，来模拟油井温度，以测试所述密封筒8在高温下的密封性能。

本申请的带碟簧补偿功能的地面试验装置100，通过中心管6安装第一推力组件D、第二推力组件E及密封筒8，通过试压泵15提供高压液体，通过连接管路16输送高压液体，通过高压液体带动第一推力组件D实现密封筒8的单面验封，通过第二推力组件E维持坐封力的稳定，通过高压液体带动第二推力组件E实现双面验封。通过上述结构使得本申请具有结构简单的效果。由于本申请可免去直接用封隔器在地面进行环空密封筒8的高温、高压地面模拟试验，这不仅降低了试验成本，还免除了用封隔器在地面做试验前后的繁杂拆装等工作且占地小。本申请还克服了以往地面环空密封模拟试验装置在试验结束后无法解封，需用人力借助机械设备强制解封的难题。因此，本申请能准确模拟封隔器环空密封筒8在高温、高压的工况下的环空密封效果，来检验密封筒 8在高温、高压的作用下的各项主要技术指标，从而保证了密封筒8出厂的使用质量。同时本申请还具有结构简单、占地小、成本低、便于拆装的优点。

此外，发明人在实现本申请的过程中还发现：现有技术中处于坐封压缩状态下的封隔器环空密封筒在长期的高温及高压双作用下，回弹性比在常温状态下要变差。这时，因无位移补偿装置，使得环空密封筒8环空密封性能变差，从而会造成环空密封筒8环空密封失效。

而本申请通过将第二推力组件E配置成在第一推力组件D产生所述单向推力的情况下，第二推力组件E沿中心管6的另一端向一端提供推力，以维持坐封力的稳定，避免了现有技术中环空密封筒环空密封失效的问题。

本实施例中，所述中心管6为内部中空的管。所述中心管6靠近中部的位置设有凸台61。所述中心管6中沿一端至另一端的方向，被所述凸台61分为第一段62和第二段63。所述第一段62、所述凸台61及所述第二段63用于安装所述第一推力组件D。所述第一段62的外壁中靠近所述凸台61的位置处局部设有外马牙螺扣23，用于与所述第一推力组件D形成马牙连接结构。所述第二段63用于安装所述密封筒8及所述第二推力组件E。所述第二段63中靠近所述凸台61的位置处设有径向的通孔，以通过所述高压液体。

本实施例中，所述第一推力组件D包括：上接头14、锁环座3、锁环4、锁环套5和活塞7。上接头14具有轴向贯通的内部空腔，用于通过所述高压液体。所述上接头14的一端具有内锥螺纹22，用于连接所述连接管路16，所述上接头14的另一端具有内螺纹，用于连接所述中心管6。锁环座3套在所述中心管6的第一段62处中靠近所述上接头14的位置处。所述锁环座3的外壁处具有外连接螺纹。锁环4用于安装在所述锁环座3中靠近所述凸台61的一端，并与所述锁环座3形成抵顶结构。所述锁环4的内壁具有内马牙螺扣24，所述内马牙螺扣24与所述外马牙螺扣23相匹配。锁环套5的一端用于套在所述锁环座3及所述锁环4的外部，并与它们形成抵顶结构。所述锁环套5的一端的内壁设有内连接螺纹，与所述锁环座3的外连接螺纹相配形成螺纹连接结构25。更具体地，螺纹连接结构25均采用了便于拆装的T形螺纹。所述锁环套5的另一端的外壁设有外连接螺纹。活塞7用于套在所述中心管6的第一段62、凸台61及第二段63的外部。所述活塞7内部中空。所述活塞7的内壁靠近所述凸台61的一端沿其径向设有向内的突起71，所述突起71可相对所述中心管6 的第二段63的外壁滑动。所述活塞7及所述中心管6在所述活塞7的突起71 位置处形成第一密封腔A。所述第一密封腔A与所述中心管6的通孔连通。所述第一密封腔A可容纳所述高压液体。所述活塞7的另一端的内壁处设有内连接螺纹，与所述锁环套5的外连接螺纹相配形成螺纹连接结构25。更具体地，螺纹连接结构25均采用了便于拆装的T形螺纹。其中，所述锁环4设有轴向贯通的豁口，用于在所述活塞7施加推力时内径扩大以越过所述外马牙螺扣23。所述中心管6的凸台61与所述活塞7之间、所述活塞7的突起71与所述中心管6的第二段63之间对应设有密封结构。

更具体地，本实施例中，所述中心管6的凸台61与所述活塞7之间的密封结构为安装在所述中心管6的凸台61处的O型密封圈21，所述活塞7的突起 71与所述中心管6的第二段63之间的密封结构为安装在所述活塞7的突起71 处的O型密封圈21。

本实施例中，所述第二推力组件E包括：套管2、上压帽1、碟簧9、下接头12和底盖13。套管2用于套在所述第一推力组件D、所述密封筒8及所述中心管6的外部，用于在所述密封筒8径向尺寸变大时与其接触，以实现所述密封筒8的坐封。所述套管2与所述第一推力组件D、所述密封筒8及所述中心管6之间形成空腔。所述套管2中对应所述中心管6的第二段63处设有径向的通孔，用于连接所述连接管路16，所述通孔与所述空腔相连通。上压帽1用于套接在所述套管2中靠近所述第一推力组件D的一端，并与所述套管2固定连接。所述上压帽1中设有轴向贯通的孔，用于通过所述连接管路16。碟簧9 用于套在所述中心管6的第二段63的外部，与所述密封筒8形成抵顶结构，用于在所述第一推力组件D产生所述单向推力的情况下，沿所述碟簧9的轴向产生自所述中心管6的另一端向一端的推力，实现所述密封筒8的坐封，并通过碟簧9被压缩后产生的向左压缩力来维持坐封力的稳定。下接头12为一端开口、另一端封闭的端帽，用于安装在所述中心管6中安装所述碟簧9的一端，并与所述中心管6固定连接。底盖13用于套在所述套管2中靠近所述下接头12的一端，并与所述套管2固定连接。其中，所述底盖13、所述下接头12、所述碟簧9及所述密封筒8之间形成第二密封腔B。所述第二密封腔B与所述套管2 的通孔连通，所述第二密封腔B用于容纳所述高压液体，以实现所述密封筒8 在坐封状态下的双面验封。

本实施例中，通过碟簧9压缩位移补偿功能，能极大地减少封隔器环空密封筒8在高温、高压双重作用下的环空密封失效问题。

在实现本申请的过程中，发明人发现，密封筒8的外圆不是很圆，如果将套管2套在密封筒8的外部，这会造成环空密封筒8在坐封时偏心，影响环空密封筒8的环空密封性能。

本实施例中，所述第二推力组件E还包括：挡环11和挡圈26。挡环11用于套在所述中心管6的外部，并位于所述碟簧9与所述下接头12之间，且与所述碟簧9和所述下接头12形成抵顶结构。所述挡环11的中部设有沿径向外突的定位凸台111，用于保证所述套管2与所述密封筒8的同心度。挡圈26用于套在所述中心管6的外部，并位于所述碟簧9与所述密封筒8之间，且与所述碟簧9和所述密封筒8形成抵顶结构。

本实施例中，环空密封筒8采用挡环11的定位凸台111进行同心度定位，确保了环空密封筒8与套管2的同心度要求，解决了环空密封筒8在坐封时偏心，影响环空密封筒8的环空密封性能的缺陷。

本实施例中，所述底盖13与所述套管2通过密封螺纹固定连接。

本实施例中，所述连接管路16上设有压力表18、球阀19及针阀20。更具体地，本实施例中，所述连接管路16上还设有溢流阀17。溢流阀17用来确保第一密封腔A、第二密封腔B的压力不超出设定值。更进一步地，所述溢流阀 17、所述针阀20、所述球阀19及所述压力表18按照高压液体的流动方向设置在所述连接管路16上。试压泵15优选电动试压泵。

本申请的工作原理：

首先，由试压泵15所产生的高压水通过连接管路16沿着箭头所指方向经过中心管6进入第一密封腔A。在高压水的作用下，进入第一密封腔A的高压水推动突起71向右移动进而带动活塞7向右移动，由于活塞7与锁环套5是通过螺纹连接成一体的且锁环座3与锁环套5也是通过螺纹连接成一体的，所以锁环4也向右移动。由于锁环4是开豁口的，在向右移动过程中锁环4的内径扩大并使它所带的内马牙扣越过中心管6的外径所带的外马牙螺扣23向右移动。锁环4在内马牙螺扣24和外马牙螺扣23的啮合束缚下将只能向右移动，不能向左回退。这使得活塞7推动密封筒8也向右移动使其轴向尺寸被压缩的同时，也向右移动，与此同时，碟簧9轴向也受到密封筒8的挤压，轴向尺寸变小，产生向左的轴向压缩力(称之为碟簧9蓄能)。在左轴向和右轴向力的同时作用下，密封筒8的轴向尺寸变小。根据体积不变的原理，密封筒8的径向尺寸变大，这使密封筒8与套管2的内壁及中心管6的外壁紧密接触并以此来实现坐封。坐封完成后，在内马牙螺扣24和外马牙螺扣23的啮合束缚作用下，这使得活塞7不能向左移动，这时对第一密封腔A的高压水进行卸载。在第一密封腔A泄压后，坐封力由锁环4、中心管6的内外啮合的马牙扣来维持不变。由试压泵15及连接管路16所产生的高压水通过沿着箭头所示方向从通孔C进入第二密封腔B。第一密封腔A或第二密封腔B存在高压水，均可在常温、保压一定时间后，可通过外接压力表18指针的变化来检测密封筒8环空密封的效果。以上为常温、高压试验。在常温、高压试验合格后，再进行高温、高压试验。原理同上，只是加热元件10需通电进行升温来模拟密封环的高温工况即可。

本申请的坐封力是利用内马牙螺扣24和外马牙螺扣23所具有的只能单向前进，不能后退的特殊性能产生的，这与实际封隔器的坐封力产生原理是完全一致的，能真实地模拟出封隔器在油井中的实际工况，仿真度高，误差小，试验结果可靠。

具体试验时，所述第一密封腔A，压力为28MPa，最高温度为不高于350℃。所述第二密封腔B，压力为20MPa,最高温度为不高于350℃。所述加热元件10即加热套与套管2外径相接触。

本申请的试验过程：按图1组装好带碟簧补偿功能的地面试验装置100后开始进行试验，首先把试压泵15通过连接管路16通过中心管6与第一密封腔 A相连。连接好后，加压至压力表18显示为28MPa时关闭管路阀门。压力表 18显示压力稳定之后，打开阀门卸压至压力表18显示为零。拆卸连接管路16 并与第二密封腔B连接，试压泵15通过连接管路16再与第二密封腔B连接，加压至压力表18显示为20MPa时关闭管路阀门。之后通过加热元件10加热密封腔温度至350℃。在加热过程中，通过溢流阀17来控制压力在20MPa。在第二密封腔B温度维持在350℃、压力保持在20MPa的情况下，试验时间需保持15-30天。在此时间段如温度保持不变、压力维持不降，即可认为该封隔器密封筒8能达到高温、高压不泄露的标准规定要求并结束试验。

本申请带碟簧补偿功能的地面试验装置100还可用于封隔器密封筒8的上下压差试验、疲劳试验、封隔器解封拉力试验，在此不再赘述。

可见，本申请的带碟簧补偿功能的地面试验装置100既能准确、真实地模拟环空密封筒8在封隔器当中的实际工况、又便于拆装，且能实现稠油需要在高温、高压下开采、提高采收率的特殊要求，这使本申请在相关行业进行推广具有价值。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。