周歡，劉正偉，王天明，張洪波，魏瑞濤

(中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司，天津300457)

0 引 言

SSD循環(huán)生產(chǎn)滑套是一種流動(dòng)體控制裝置，可以通過鋼絲作業(yè)控制內(nèi)滑套實(shí)現(xiàn)開、關(guān)功能[1]。其應(yīng)用范圍廣，幾乎適用于所有生產(chǎn)管柱，是油田完井工具的重要組成部分[2]。密封模塊是SSD滑套的關(guān)鍵部件，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，由于其處于高溫、高壓的工作環(huán)境且雜物較多，極易破壞其密封性，造成結(jié)構(gòu)失效，因此對(duì)其質(zhì)量提出了很高的要求[3-5]。

隨著中海油服注水井業(yè)務(wù)的開展，SSD滑套在應(yīng)用過程中主要存在以下兩點(diǎn)問題：1）注水期間隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)泄漏的情況；2）鋼絲作業(yè)開關(guān)滑套時(shí)，出現(xiàn)開關(guān)力不穩(wěn)定的情況。由于此系列滑套每年可以為公司帶來近千萬元的收入，需求量巨大，因此滑套的問題亟待解決。本文針對(duì)SSD滑套出現(xiàn)的問題，分析滑套密封模塊的損傷形式和失效機(jī)理，為提高密封模塊的使用壽命提出合理的改進(jìn)措施，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為推進(jìn)完井工具的國產(chǎn)化、系列化提供技術(shù)支持。

1 SSD滑套失效原因分析

SSD滑套的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)SSD滑套在注水井作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的泄漏（如圖2）和開關(guān)力不穩(wěn)定的情況，選取4個(gè)海返的滑套和4個(gè)未使用過的滑套進(jìn)行開關(guān)實(shí)驗(yàn)，并記錄它們的振擊次數(shù)（如圖3），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，SSD滑套入井前開關(guān)性能不穩(wěn)定，且入井后開關(guān)性能明顯變差。

通過對(duì)問題滑套的拆解及分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致泄漏的因素如下：1）滑套在放置的過程中，密封件受到內(nèi)滑套和密封殼體的壓縮，如存放時(shí)間過長，就會(huì)發(fā)生永久變形，導(dǎo)致密封件過盈量變小，從而使滑套密封性能降低；2）現(xiàn)場注水作業(yè)過程中，由于滑套的開啟及關(guān)閉力較小，使內(nèi)滑套在液體流動(dòng)作用下被緩慢開啟或閉合，從而導(dǎo)致泄漏。

圖1 SSD滑套結(jié)構(gòu)圖

圖2 滑套泄漏

表1 SSD滑套開關(guān)振擊次數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 滑套開關(guān)實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)問題滑套的拆解及分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致開關(guān)力不穩(wěn)定的因素如下：1）滑套在入井后會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，內(nèi)滑套和密封組件上附著的泥垢多且硬（如圖3），導(dǎo)致密封面精度下降，密封組合尺寸發(fā)生變形，致使滑套開、閉困難；2）該滑套密封組件中采用的均為耐熱塑料，該塑料耐溫性能和耐腐蝕性能好，但是彈性較差，易發(fā)生永久變形，導(dǎo)致滑套開關(guān)力過小；3）該滑套采用的是金屬支撐環(huán)+V形耐熱塑料密封組合進(jìn)行密封，由于金屬支撐環(huán)受溫度影響變化較大，且考慮裝配難易問題，所以在制造過程中過盈量較小，從而造成滑套的開關(guān)力較小。

2 密封組件的改進(jìn)

基于以上SSD滑套的失效形式，可以通過改變密封組件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。具體措施如下：

1）更改材料：將密封模塊中的V形密封圈更換為高強(qiáng)度耐熱塑料（如圖5），邵氏硬度由D60±5提升至D90±5，防止其在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生永久變形，影響使用壽命；并且將不銹鋼擋圈更換為高強(qiáng)度耐熱塑料擋圈（如圖6），防止內(nèi)滑套在開閉運(yùn)動(dòng)中被劃傷，影響其密封性。

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于V 形組合密封中的V 形密封圈材料一般都是耐熱塑料，其彈性相對(duì)較差，在長時(shí)間處于變形狀態(tài)下相對(duì)容易發(fā)生永久變形，致使密封效果降低，因此在密封組件中將隔環(huán)改為O形圈（如圖7）。此密封方式的O形圈可以在低壓時(shí)密封，起壓后推動(dòng)V形組合密封張開，實(shí)現(xiàn)高壓力密封。入井使用后，即便內(nèi)滑套結(jié)垢，O形圈也能很好地套緊內(nèi)滑套，實(shí)現(xiàn)低壓密封；壓力升高后，V形圈受壓張開，起主要密封作用，從結(jié)構(gòu)上改善密封方式。

圖4 密封殼體和密封組件結(jié)垢

圖5 不同材質(zhì)的V形圈

圖6 不銹鋼擋圈與塑料擋圈

圖8、圖9所示為改進(jìn)后密封組件與改進(jìn)前密封組件的對(duì)比圖。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 開關(guān)振擊實(shí)驗(yàn)

選取4個(gè)改進(jìn)后的滑套，分為兩組，一組為人工拖曳開關(guān)，滑套開關(guān)工具+振擊器+加重桿50 cm自落開關(guān)，以模擬實(shí)際現(xiàn)場的作業(yè)情況。通過觀察數(shù)據(jù)（表2）發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后開關(guān)性能相較未改進(jìn)前穩(wěn)定性大大提升。

3.2 開關(guān)力測試實(shí)驗(yàn)

將滑套開關(guān)工具通過活塞桿連接一組活塞，活塞與滑套上接頭密封（如圖9）。通過密封工裝向活塞打壓，開關(guān)工具帶動(dòng)內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)，到位后，開關(guān)工具自動(dòng)脫落，記錄壓力P的大小，并換算成開關(guān)力F，經(jīng)測量活塞直徑為58.75 mm。

圖7 不銹鋼支撐環(huán)與O形密封圈

圖8 改進(jìn)前后實(shí)物對(duì)比圖

圖9 結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

表2 改進(jìn)后滑套的開閉振擊次數(shù)

圖10 開關(guān)力測試實(shí)驗(yàn)圖

式中：F為開關(guān)力，kN；P為開閉壓力，MPa；d為活塞直徑，mm。

選取20個(gè)改進(jìn)后的SSD滑套，并依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測得打開關(guān)閉壓力范圍為0.61～0.87 MPa，對(duì)應(yīng)打開關(guān)閉力為1.65～2.36 kN,完全滿足現(xiàn)場使用要求。

3.3 密封性能測試實(shí)驗(yàn)

滑套更改密封組件后試壓34.474 MPa，穩(wěn)壓15 min壓力不降（如圖11），證明密封性能良好。

圖11 穩(wěn)壓密封試驗(yàn)

將滑套開關(guān)多次后，將滑套整體放入烘箱（如圖12）中，加溫至150℃，保溫4 h，以最大程度模擬現(xiàn)場作業(yè)時(shí)滑套的工作狀態(tài)，并再次進(jìn)行開關(guān)力及密封性測試。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，打開關(guān)閉力由1.65～2.36 kN 提升至1.97～3.38 kN，變化范圍符合使用要求。再次打壓34.474 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力不降，證明密封性能良好（如圖13）。

4 結(jié)論

圖12 烘箱加熱滑套

圖13 加熱后穩(wěn)壓密封試驗(yàn)

本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，針對(duì)SSD生產(chǎn)循環(huán)滑套易于失效的問題，對(duì)其材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、改進(jìn)，并通過開關(guān)振擊實(shí)驗(yàn)、密封性能測試實(shí)驗(yàn)和常溫及高溫實(shí)驗(yàn)，證明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的滑套性能更穩(wěn)定，其開關(guān)力、密封性能都可滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。截止到2019年4月已累計(jì)交付使用116套新型滑套，且均未出現(xiàn)開關(guān)困難及漏壓問題，充分證明了改型后密封模塊的優(yōu)良性能。