滑套密封技術分析與性能評估

2015-04-26 余海燕渤海鉆探工程技術研究院

　　滑套作為石油天然氣分層開采技術的重要工具，其密封性能直接影響著施工的效果。對用于滑套的不同密封方案進行總結分類，包括O形圈密封、唇形密封、特殊型密封及其不同的組合密封形式；從密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用壽命、成本5 項指標對各類密封進行性能評估。綜合考慮5 項指標，滑套密封可選用簡單星形密封圈、星形密封圈加擋圈、U 型密封圈、特康雙三角密封圈等密封形式；而從經濟實用方面來考慮，低壓且速度不高時，可使用簡單O 形圈、O 形密封圈加平擋圈；壓力較高且速度變化較大時，可使用O 形圈和梯形環的組合、V 形夾織物橡膠組合密封圈、K 型特康斯特密封圈、T 型特康格來圈。

　　油氣開發的基本目的是盡可能多地開采出地層深處的油、氣資源，提高采收率，降低成本。但是，油井開采時環境比較復雜，由于油層之間的壓力、油層物理性質、原油性質等差異，層間往往互相干擾，使部分油層不能發揮應有的作用。為減少或消除層間干擾，應采用分層開采技術。分層開采技術作為石油工業的一次技術革命，廣泛用于分層采油、分層注水、分層壓裂及分層酸化等，它對延長無水開采期和提高采收率至關重要。

　　滑套是分層開采技術中最重要的工具之一，主要用于分層開采、完井后誘噴、循環壓井、下入堵塞器關井或油管試壓、多層混注、循環化學藥劑防腐等�；装踩煽康貙崿F開關依靠良好的密封性能，否則影響分層開采效果。雖然密封技術不是領先性技術，卻是滑套設備能否安全、可靠、耐久運行的決定性技術。

　　大批學者通過研究，提出了往復運動密封，對密封原理、密封特性、密封失效及密封形式改進等進行了全面分析。由于滑套在結構及使用工況上的特殊性，與傳統的往復運動存在較大差異，目前尚無對滑套密封性能評價指標、對適用于滑套的密封形式、對滑套具體工況下可選用的密封形式的研究報道。本文作者從密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用壽命、成本5 個方面對滑套密封形式進行了評估，提出滑套密封性能評估指標，總結不同工況下滑套可選用的密封形式，對滑套密封形式優選具有指導意義。

　　1、滑套密封設計

　　1.1、滑套原理

　　滑套主要由外筒、內滑套、出液孔、密封組件等組成�；椎墓ぷ髟硎腔淄ㄟ^移動內滑套用于打開或關閉外筒和環空之間的流動通道: 當內滑套的本體對著外筒的孔道時，滑套處于關閉狀態；當兩者錯開時，則打開。其功用是與其他工具一起配合使用，實現分層開采，其結構如圖1 所示。

滑套密封技術分析與性能評估

圖1 滑套結構示意圖

　　1.2、滑套密封

　　滑套密封是密封件與本體預留溝槽配合實現內滑套與外筒間的密封。密封件良好的密封效果一定程度上取決于密封件尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，形成合理的密封件壓縮量與拉伸量。

　　另外，密封性能的好壞與滑套工作環境及滑套開關頻率有關。礦井潮濕、泥沙大，并伴有腐蝕性介質，同時需要承受地層溫度與壓力的變化，滑套在使用過程中需多次進行開關操作，密封件需多次經過出液孔。故要求滑套密封組件不僅要求具有耐高溫、耐高壓、耐磨損、耐腐蝕、抗剪切性能，還要求滑套在反復開關后仍具有良好的密封性能。

　　滑套的損壞往往是從密封件的損壞開始的，密封件常見的損壞形式有間隙咬傷、機械損傷、磨損、材料老化等�；酌芊饧倪x取原則是密封性好，安全可靠，壽命長，力求結構緊湊，系統簡單，制造維修方便，成本低廉。

　　3、密封性能評估

　　對上述不同種類的密封形式從密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用壽命、成本5 個方面進行了分析比較。

　　不同的密封形式在滿足各自使用工況下，能夠實現密封。運行速度小于0.5 m/s 的密封件，在低速時能夠保持良好的密封性；運行速度大于5 m/s 的密封件和運行速度小于15 m/s 的密封件，在較高速度時能保持良好的密封性。簡單的O 形圈在往復運動不斷過剪切槽的過程中容易被剪切，加擋圈的密封圈能夠很好地防止“間隙咬傷”現象，提高使用壽命。O形圈的耐磨性比較差，唇形密封及特殊型密封能夠提供磨損補償，具有較好的耐磨性。密封圈的使用壽命與工況環境、材料本身有很大的關系，相對而言，加擋圈和特殊型密封圈的使用壽命比簡單的O形圈的使用壽命要長。成本包括材料成本和加工成本，成本較低的是簡單O 形圈，較高的是特殊型密封形式。在滿足密封效果的前提下，一般選擇成本較低者。

　　為了對滑套密封的密封效果、抗剪切性、耐磨性、使用壽命、成本這5 種評價標準進行一個綜合評價，先將其性能劃分為5 個等級1、2、3、4、5，等級越高性能越好，成本越低。綜合指標評價如表1 和圖3 所示。

表1 不同密封形式的性能等級評估

滑套密封技術分析與性能評估