一种井下封隔器气体密封性能的实验方法及实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开的是一种井下封隔器气体密封性能的实验方法及实验系统，可用来验证井下注气封隔器对气体的密封性能。其实验方法是将实验用模拟封隔器安装于高压筒中，高压筒置于恒温箱内，将高压筒和恒温箱通过试压管线、坐封管线和气体泄漏收集管线与密封性能实验系统连接，验证高压筒中实验用模拟封隔器的密封性能。其实验系统包括高压气源生成装置、泄漏气体计量装置和控制装置，试压管线和坐封管线均与高压气源生成装置连接，气体泄漏收集管线与泄漏气体计量装置连接，控制装置通过数据线分别与压力传感器、温度传感器和液位传感器连接，用高压气源生成装置坐封实验用模拟封隔器，可以模拟井下实际的高压注气环境，其结果更符合实际工作状况。
【专利说明】一种井下封隔器气体密封性能的实验方法及实验系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油工业井下工具的实验方法和设备，特别是一种井下封隔器气体密 封性能的实验方法及实验系统，可用来验证井下注气封隔器对气体的密封性能。
【背景技术】
[0002] 为提高油田采收率，补充地层能量，很多低渗透油藏进行了气驱开发，在油田中布 置一些注气井，使用注气管柱进行注气生产。井下注气管柱中包含注气封隔器，封隔器上使 用了橡胶类密封件，密封件的材料与结构直接影响了封隔器的密封性能。封隔器安装在地 面以下约3000米的井下，环境温度约125°C?145°C，压力约30MPa?60MPa，在这样的工作 条件下，封隔器的密封件必须把CO 2气可靠地密封在封隔器以下，这就需要一种验证方法来 确定它对气体的密封性能。
[0003] 现有的实验方法是在地面上将井下封隔器的成品放置于套管中，利用液压坐封封 隔器后，用液压泵向封隔器胶筒和套管形成的密封空间内打清水，来检验封隔器的气密封 性能。这种实验方法存在以下不足液体和气体介质本身存在较大差异，用液体作为介 质来检验封隔器密封气体的能力缺乏说服力；f地面实验是在常温下进行的，无法模拟井 下高温高气压的实际环境，实验数据缺乏说服力；f实验过程中若出现封隔器密封不好， 流体出现泄漏的情况时，则只能通过肉眼观察进行计量描述，缺乏科学严谨性；整个实 验过程处于高压环境下，对操作人员存在安全隐患。
[0004] 为了解决上述问题，确定井下注气封隔器的气密性能，需要在实验室内对密封件 进行相应实验的方法和设备，模拟井下的温度、压力与高压气体环境，用于验证密封件的气 密封性能是必需的。
【发明内容】
[0005] 为解决现有实验方法和设备的缺陷，本发明提供一种井下封隔器气体密封性能的 实验方法及实验系统，可模拟井下高温、高压气环境，利用气体为介质检验封隔器密封性 能，并且能准确计量气体漏失速度，为密封件的结构优化和材质优选提供确切方案。
[0006] 本发明的技术方案如下： 一种井下封隔器气体密封性能的实验方法是将实验用模拟封隔器安装于高压筒中，高 压筒置于恒温箱内，将高压筒和恒温箱通过试压管线、坐封管线和气体泄漏收集管线与密 封性能实验系统连接，验证高压筒中实验用模拟封隔器的密封性能。
[0007] 为实现一种井下封隔器气体密封性能的实验方法使用的密封性能实验系统包括 高压气源生成装置、泄漏气体计量装置和控制装置，试压管线和坐封管线均与高压气源生 成装置连接，气体泄漏收集管线与泄漏气体计量装置连接，控制装置通过数据线分别与安 装在高压气源生成装置中的压力传感器、安装在恒温箱中的温度传感器和安装在泄漏气体 计量装置中的液位传感器连接，用高压气源生成装置坐封实验用模拟封隔器。
[0008] 本发明与现有技术相比具有以下优点：I由于把封隔器放置于恒温箱中进行实 验，可模拟井下实际温度，使实验数据更具说服力；！利用高压气源生成装置泵入高压CO2 或N2，可以模拟井下实际的高压注气环境，更能验证封隔器对气体的密封能力，实验结果更 符合实际工作状况；+f实验系统设置有泄漏气体计量装置，能够对高压气体突破封隔器密 封件的速度和时间进行测量，能够分析封隔器在注气作业时密封气体的能力；?高温高压 的高压气源生成装置以及泄漏气体计量装置与控制装置分布在防护墙的两侧，大大提高了 实验的安全性。本发明可为井下注气封隔器密封件的结构优化和材质的选定做出指导方 案，按照本发明优化的结构和选定的材质制造井下注气封隔器的密封件，可大大提高井下 注气管柱的使用寿命，延长维修周期，降低作业费用，经济效益巨大。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1是本发明实验系统和实验流程的配置示意图。
[0010] 图中：气瓶1、压力表2、气瓶开关3、气体增压泵4、单流阀5、高压储气瓶6、安全泄 压阀7、驱动阀8、空气压缩机9、压力传感器10、试压进气阀11、坐封进气阀12、试压泄气阀 13、坐封泄气阀14、恒温箱15、高压筒16、坐封活塞17、密封件18、温度传感器19、气体收集 阀20、进水阀21、计量罐22、液位传感器23、放气阀24、溢流管25、控制柜26、坐封口 28、测 试口 29、防护墙30。
【具体实施方式】
[0011] 以下结合附图对本发明做进一步的详述：参见图1，一种井下封隔器气体密封性 能的实验方法是将实验用模拟封隔器安装于高压筒16中，高压筒16置于恒温箱15内，将 高压筒16和恒温箱15通过试压管线、坐封管线和气体泄漏收集管线与密封性能实验系统 连接，验证高压筒16中实验用模拟封隔器的密封性能。密封性能实验系统使用的实验介质 为CO 2或N2。实验用模拟封隔器设有坐封活塞17和密封件18,坐封活塞17和密封件18都 安装在中心管上，可密封中心管与高压筒16之间的环空。
[0012] 为实现一种井下封隔器气体密封性能的实验方法使用的密封性能实验系统包括 高压气源生成装置、泄漏气体计量装置和控制装置，试压管线和坐封管线均与高压气源生 成装置连接，气体泄漏收集管线与泄漏气体计量装置连接，控制装置通过数据线分别与安 装在高压气源生成装置中的压力传感器10、安装在恒温箱15中的温度传感器19和安装在 泄漏气体计量装置中的液位传感器23连接。高压气源生成装置包括气瓶1、气体增压泵4 和高压储气瓶6,气瓶1依次连接压力表2、气瓶开关3、单流阀5和高压储气瓶6,其中气体 增压泵4还与驱动阀8和空气压缩机9连接；气体增压泵4设置有控制阀，单流阀5的球座 置于气体增压泵4 一侧。通过气体增压泵4将低压气源转换为高压气源，其中低压气源由 气瓶1提供，出口顺次连接压力表2和气瓶开关3,然后接入气体增压泵4的低压进气口，气 体增压泵4由空气压缩机9驱动，中间通过驱动阀8控制，气体增压泵4的高压出气口接单 流阀5,然后进入高压储气瓶6。高压储气瓶6能储存压缩实验用气体，减少由于空气压缩 机9排气不连续产生的压力脉动，实现供气和用气的平衡，同时起稳定系统压力的作用。高 压储气瓶6的出口管线通过三通管分别与试压管线和坐封管线连接，在三通管与高压储气 瓶6之间的出口管线与压力传感器10连接；高压储气瓶6上安装有安全泄压阀7，防止压力 过高产生危险；高压储气瓶6出口管线与三通管之间安装的压力传感器10的数据线连接至 控制装置的控制柜26。试压管线连接试压进气阀11后，经由恒温箱15的试压进气口与高 压筒16的试压口 27连接；在试压进气阀11与恒温箱15的试压进气口之间的试压管线上 还接有试压泄压管线，其上设有试压泄气阀13 ;坐封管线连接坐封进气阀12后，经由恒温 箱15的坐封进气口与高压筒16的坐封口 28连接，在坐封进气阀12与恒温箱15的坐封进 气口之间的坐封管线上还接有坐封泄压管线，其上接有坐封泄气阀14 ;坐封管线与恒温箱 15的坐封进气口以及高压筒16的坐封口 28的连接处均采用密封方式连接；试压管线与恒 温箱15的试压进气口以及高压筒16的试压口 27的连接处也采用密封方式连接，保证整套 实验系统的总体密封性。泄漏气体计量装置包括计量罐22,液位传感器23置于计量罐22 中；气体泄漏收集管线一端与计量罐22连接，并依次连接进水阀21和气体收集阀20后，经 由恒温箱15的测量出气口，另一端与高压筒16上的测试口 29连接，其中进水阀21与进水 管线连接。计量罐22的罐体材质为有机玻璃，其顶盖和底座的材质为不锈钢；气体泄漏收 集管线连接在底座上，其底座上还连接有溢流管25,溢流管25是U型管，其未端是上返式 溢流口；计量罐22的顶盖上还装有放气阀24,液位传感器23从顶盖中装入罐体内；计量罐 22的罐体、顶盖、底座以及液位传感器23和气体泄漏收集管线的连接处均采用密封方式连 接。控制装置包括控制柜26、控制面板和数据处理器，控制柜26中的数据线与控制面板和 数据处理器连接；安装在高压气源生成装置中的压力传感器10、安装在恒温箱15中的温度 传感器19和安装在泄漏气体计量装置中的液位传感器23均与控制柜26连接。高压气源 生成装置和泄漏气体计量装置的阀门和开关以及恒温箱15的温度调节开关均分布在控制 面板上，通过毛细钢管、数据线和电缆与高压气源生成装置和泄漏气体计量装置相连，实验 数据的采集、显示与存储均通过数据处理器中的处理软件完成。气体增压泵4设置的控制 阀，可以通过数据处理器设定上下阈值，使高压储气瓶6的压力保持在一定范围内，低于下 限值能够自动启动气体增压泵4进行补压，高于上限值能够自动停止工作。控制装置与高 压气源生成装置和泄漏气体计量装置之间设有防护墙30,将控制装置置于防护墙30的一 侦L其它所有设备放置在防护墙30的另一侧，防止不测事件，保障操作人员的人身安全，保 证实验过程的安全可靠性。
[0013] 具体使用方法： 首先将实验用模拟封隔器与高压筒16装配好，放入恒温箱15中，用来模拟井下的高 温环境。连接好各个设备及各条管线，打开恒温箱15的电源开关，通过数据处理器设定实 验温度，并进行预热。恒温箱15中的温度传感器19将温度数据传送到控制柜26以及数据 处理器的显示器；然后在数据处理器上设定气体增压泵4的上、下压力阈值；打开计量罐22 的气体收集阀20和放气阀24,保证实验用模拟封隔器坐封过程中受挤压的空气顺利排出。
[0014] 等温度达到设定值后，打开气瓶1的气瓶开关3,关闭试压进气阀11、坐封进气阀 12、试压泄气阀13、坐封泄气阀14,开动空气压缩机9和气体增压泵4,将气瓶1出来的低压 气体转换成高压气体，并在高压储气瓶6中蓄能增压，实现供气和用气的平衡，同时起稳定 系统压力的作用。如果高压储气瓶6中的压力高于安全压力，则安全泄压阀7打开进行泄 压；高压储气瓶6的压力可通过压力传感器10传送至控制柜26以及数据处理器的显示器 上。当压力满足实验要求时，打开坐封进气阀12,利用高压气体推动坐封活塞17挤压密封 件18,受挤压的空气通过放气阀24排出，密封件18被挤压变形后通过坐封活塞17上的锁 环锁定在中心管上，防止回弹，坐封完成后关闭坐封进气阀12,打开坐封泄气阀14将坐封 活塞17上部的气压泄掉。
[0015] 关闭气体收集阀20,通过进水阀21向计量罐22中加入清水，直至溢流管25有清 水溢出，然后关闭进水阀21和放气阀24。
[0016] 打开试压进气阀11和气体收集阀20,检验密封件18的密封情况，若密封不良，高 压气体就会从试压口 27突破密封件18,从测试口 29沿气体泄漏收集管线进入计量罐22 中，由于罐体是完全密封的，泄漏的气体在罐体上部聚集，将清水通过溢流管25排出，清水 的液面高度通过液位传感器23传送至控制柜26和数据处理器，并将液面高度转换为泄漏 气体的体积。
[0017] 实验结束后，关闭实验系统的所有实验设备，打开试压泄气阀13将高压储气瓶6 和高压筒16中的气压泄掉。然后通过数据处理器分析实验数据，验证实验用模拟封隔器的 密封件18的气体密封性能，最后将坐封活塞17和密封件18从高压筒16中拆除。
【权利要求】
1. 一种井下封隔器气体密封性能的实验方法，将实验用模拟封隔器安装于高压筒 (16)中，高压筒（16)置于恒温箱（15)内，将高压筒（16)和恒温箱（15)通过试压管线、坐封 管线和气体泄漏收集管线与密封性能实验系统连接，验证高压筒（16)中实验用模拟封隔器 的密封性能。
2. 根据权利要求1所述的一种井下封隔器气体密封性能的实验方法，其特征是，所述 密封性能实验系统使用的实验介质为C02或N2。
3. 为实现权利要求1 一种井下封隔器气体密封性能的实验方法使用的密封性能实验 系统，其特征是，包括高压气源生成装置、泄漏气体计量装置和控制装置，试压管线和坐封 管线均与高压气源生成装置连接，气体泄漏收集管线与泄漏气体计量装置连接，控制装置 通过数据线分别与安装在高压气源生成装置中的压力传感器（10)、安装在恒温箱（15)中 的温度传感器（19)和安装在泄漏气体计量装置中的液位传感器（23)连接。
4. 根据权利要求3所述的密封性能实验系统，其特征是，所述高压气源生成装置包括 气瓶（1)、气体增压泵（4)和高压储气瓶（6)，气瓶（1)依次连接压力表（2)、气瓶开关（3)、 单流阀（5)和高压储气瓶（6)，其中气体增压泵（4)还与驱动阀（8)和空气压缩机（9)连接； 气体增压泵（4)设置有控制阀，单流阀（5)的球座置于气体增压泵（4) 一侧。
5. 根据权利要求3或4所述的密封性能实验系统，其特征是，所述高压储气瓶（6)的出 口管线通过三通管分别与试压管线和坐封管线连接，在三通管与高压储气瓶（6)之间的出 口管线与压力传感器（10)连接；高压储气瓶（6)上装有安全泄压阀（7)。
6. 根据权利要求3或5所述的密封性能实验系统，其特征是，所述试压管线连接试压进 气阀（11)后，经由恒温箱（15)的试压进气口与高压筒（16)的试压口（27)连接；在试压进 气阀（11)与恒温箱（15)的试压进气口之间的试压管线上还接有试压泄压管线，其上设有 试压泄气阀（13);坐封管线连接坐封进气阀（12)后，经由恒温箱（15)的坐封进气口与高压 筒（16 )的坐封口（ 28 )连接，在坐封进气阀（12 )与恒温箱（15 )的坐封进气口之间的坐封管 线上还接有坐封泄压管线，其上接有坐封泄气阀（14);坐封管线与恒温箱（15)的坐封进气 口以及高压筒（16)的坐封口（28)的连接处均采用密封方式连接；试压管线与恒温箱（15) 的试压进气口以及高压筒（16)的试压口（27)的连接处也采用密封方式连接。
7. 根据权利要求3所述的密封性能实验系统，其特征是，所述泄漏气体计量装置包括 计量罐（22)，液位传感器（23)置于计量罐（22)中；气体泄漏收集管线一端与计量罐（22)连 接，并依次连接进水阀（21)和气体收集阀（20)后，经由恒温箱（15)的测量出气口，另一端 与高压筒（16)上的测试口（29)连接，其中进水阀（21)与进水管线连接。
8. 根据权利要求7所述的密封性能实验系统，其特征是，所述计量罐（22)的罐体材质 为有机玻璃，其顶盖和底座的材质为不锈钢；气体泄漏收集管线连接在底座上，其底座上还 连接有溢流管（25)，溢流管（25)是U型管，其未端是上返式溢流口；计量罐（22)的顶盖上 还装有放气阀（24)，液位传感器（23)从顶盖中装入罐体内；计量罐（22)的罐体、顶盖、底座 以及液位传感器（23)和气体泄漏收集管线的连接处均采用密封方式连接。
9. 根据权利要求3所述的密封性能实验系统，其特征是，所述控制装置包括控制柜 (26)、控制面板和数据处理器，控制柜（26)中的数据线与控制面板和数据处理器连接；安 装在高压气源生成装置中的压力传感器（10)、安装在恒温箱（15)中的温度传感器（19)和 安装在泄漏气体计量装置中的液位传感器（23 )均与控制柜（26 )连接。
10.根据权利要求3或9所述的密封性能实验系统，其特征是，所述控制装置与高压气 源生成装置和泄漏气体计量装置之间设有防护墙（30)，将控制装置置于防护墙（30)的一 侧。
【文档编号】E21B47/00GK104373106SQ201410224535
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】王世杰, 田启忠, 王卫明, 刘建新, 张瑞霞, 杨洁, 吕玮, 张建, 李娜 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司采油工艺研究院