一种水下井口头密封总成密封性测试装置

摘要

一种水下井口头密封总成密封性测试装置，包括密封外壳体，密封外壳体上、下端分别安装密封上盖、密封下盖，密封外壳体内设有密封内芯和套装在密封内芯外侧的金属密封圈，两密封撑环对称设置在金属密封圈的上下，位于上部的密封撑环与密封上盖之间设有压盖，密封上盖设有加压注液孔和中心孔，空心结构的行程指示杆穿过中心孔与压盖螺纹连接；密封下盖设有测试注液孔；密封外壳体中部设有外壳体环槽及连接外壳体环槽的外壳体通流孔。本发明集合了加载密封和密封测试两个过程，便于技术人员进行结构优化；可明确密封相对薄弱位置，根据需要进行密封总成结构改进；密封过程可同时记录位移数据和压力数据，用于后续分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测密封性能的装置，特别是用于海洋钻探的水下井口头密封总成密封性测试装置。

背景技术

深海油气钻采井为防止井喷，均配备高压井口头，套管挂座挂在高压井口头内，需要通过专用的密封总成对套管挂和高压井口头之间的间隙进行耐高压密封，以保障井内高压流体与海水的隔绝。现有密封总成装置的构成包括金属密封圈和密封驱动环，在安装时，密封驱动环在载荷作用下挤压金属密封圈，使密封圈向侧面变形，与环空内外侧面接触，并形成挤压，达到环形空间的内外两侧密封。由于海上施工成本高，且对密封总成的密封性要求高，在进行井口头密封总成现场应用之前，对密封总成进行密封性测试是必不可少的。针对各类密封结构研发密封性测试装置，包括加载试验装置、气密性测试装置等，但是尚缺乏针对井口头密封总成的密封性测试一体化装置。现有水下井口头密封总成测试装置存在的问题如下：1、只考虑单一过程，如加载过程完成密封或测试气密性；2、加载过程中未能对位移进行观测，不能保证密封驱动环是否挤压到位，也不便于实验人员进行后续数据分析；3、密封总成的密封面为环空内外两侧面，在密封性测试时，无法明确失效位置，不能根据测试结果及时进行密封总成结构修改完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以同时实现加载加压完成密封及进行密封性测试的水下井口头密封总成密封性测试装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种水下井口头密封总成密封性测试装置，包括密封外壳体，密封外壳体上、下端分别安装密封上盖、密封下盖，密封外壳体内设有密封内芯和套装在密封内芯外侧的金属密封圈，两密封撑环对称设置在金属密封圈的上下，位于上部的密封撑环与密封上盖之间设有压盖，密封上盖设有加压注液孔和中心孔，空心结构的行程指示杆穿过中心孔与压盖螺纹连接；密封下盖设有测试注液孔；密封外壳体中部设有外壳体环槽及连接外壳体环槽的外壳体通流孔；由测试注液孔、密封内芯与金属密封圈间、指示杆构成内密封面测试流道，由测试注液孔、金属密封圈与密封外壳体间、外壳体环槽、外壳体通流孔构成外密封面测试流道。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，金属密封圈设有上、下限位环槽，密封撑环对应金属密封圈的一端分别匹配插入上、下限位环槽，密封撑环对应金属密封圈的一端均布通压孔，通压孔呈T形，通压孔的横向段贯穿密封撑环壁。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，密封内芯的外壁与金属密封圈接触部位设有内芯模拟材质堆焊层，密封外壳体与金属密封圈接触部位设有外壳体模拟材质堆焊层。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，密封上盖与压盖之间留有空隙，密封测试阶段所述空隙处设置垫片。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，行程测试杆上部设有位移传感器。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，所述密封内芯的上下端面分别设有内芯通流槽，内芯通流槽为十字形。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，密封下盖对应密封内芯的端面设有中心缓冲凹槽，中心缓冲凹槽周边设有密封下盖通流槽。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，内芯模拟材质堆焊层厚度不小于5mm，外壳体模拟材质堆焊层厚度不小于5mm。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，行程指示杆与密封间隙配合，行程指示杆与密封上盖间设有密封圈，行程指示杆与压盖之间设有密封圈。

上述水下井口头密封总成密封性测试装置，压盖与密封外壳体间设有密封圈，压盖端面与位于上部的密封撑环端面间设有密封圈。

相比现有技术本发明有益效果如下：1、综合考虑了密封总成的整个工作过程要求，集合了加载密封和密封测试两个过程，便于技术人员进行结构优化；2、在进行密封测试时，当内侧密封面失效，高压流体将从行程指示杆内部通道流出；当外侧密封面失效时，高压流体将从井口头侧壁面流出，以此可明确密封相对薄弱位置，根据需要进行密封总成结构改进；3、密封过程可同时记录位移数据和压力数据，用于后续分析；4、结构设计合理、功能完整、安装方便且可以重复使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(图2的A-A剖视图)；

图2是本发明的俯视图；

图3是密封内芯的俯视图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是图4的仰视图；

图6是密封外壳体的剖视示意图；

图7是密封下盖的结构示意图；

图8是图7的C-C剖视图；

图9是密封撑环的结构示意图；

图10是图9的D-D剖视图。

图中各标号清单为：1、行程指示杆，2、密封上盖，2-1、加压注液孔，3、垫片，4、压盖，5、密封撑环，5-1、通压孔，6、密封外壳体，6-1、外壳体模拟材质堆焊层，6-2、外壳体环槽，6-3、外壳体通流孔，7、金属密封圈，8、密封内芯，8-1、内芯模拟材质堆焊层，8-2、内芯通流槽，9、密封下盖，9-1、测试注液孔，9-2、密封下盖通流槽，9-3、中心缓冲凹槽，10、位移传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点阐明的更加清楚，下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。需说明，具体实施方案仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参看图1、图2，本发明所述装置能够完成加载密封和进行密封性能测试，两项功能组合为一体。所述装置包括用于模拟井口头圆筒形的密封外壳体6、用于模拟套管挂圆柱形的密封内芯8，还包括压盖4、密封上盖2、密封下盖9、金属密封圈7、密封撑环5。密封上盖经螺栓安装在密封外壳体的上端，密封上盖设有加压注液孔2-1。密封下盖经螺栓安装在密封外壳体的下端，密封下盖设有测试注液孔9-1。在密封外壳体内设置密封内芯和套装在密封内芯外侧的金属密封圈7，金属密封圈的上下对称设置密封撑环。压盖位于上部的密封撑环与密封上盖之间，密封上盖与压盖之间留有空隙，密封测试阶段所述空隙处设置垫片3。密封上盖还设有中心孔，中心孔内安装行程指示杆1，行程指示杆为空心结构，行程指示杆的下部与压盖螺纹连接，行程指示杆的上部设有位移传感器10。行程指示杆与密封上盖间隙配合，行程指示杆与密封上盖间设有密封圈，行程指示杆与压盖之间设有密封圈，压盖与密封外壳体间设有密封圈，压盖端面与位于上部的密封撑环端面间设有密封圈。密封撑环与密封外壳体为间隙配合。

参看图3-图5，为得到最符合实际状态的测试效果，在密封内芯8的外壁与金属密封圈接触部位设有内芯模拟材质堆焊层8-1，内芯模拟材质堆焊层选用与套管挂同质的材料，内芯模拟材质堆焊层的厚度不小于5mm。密封内芯的上下端面分别设有内芯通流槽8-2，内芯通流槽为十字形。

参看图6，密封外壳体6的中部设有外壳体环槽6-2及连接外壳体环槽的外壳体通流孔6-3，外壳体环槽及外壳体通流孔用于通流流体，以检测金属密封圈与密封外壳体之间是否有泄露。同样为得到最符合实际状态的测试效果，密封外壳体与金属密封圈接触部位设有外壳体模拟材质堆焊层6-1，外壳体模拟材质堆焊层选用与井口头同质的材料，外壳体模拟材质堆焊层的厚度不小于5mm。

参看图7、图8，密封下盖对应密封内芯的端面上设有中心缓冲凹槽9-3，中心缓冲凹槽与密封内芯对应；中心缓冲凹槽周边设有的密封下盖通流槽9-2，密封下盖通流槽均布四条，密封下盖通流槽对应位于其上部的密封撑环下端面。

参看图1、图9、图10，金属密封圈设有上、下限位环槽，密封撑环对应金属密封圈的一端分别匹配插入上、下限位环槽。密封撑环对应金属密封圈的一端均布可避免憋压的通压孔5-1，通压孔呈T形，通压孔的横向段贯穿密封撑环的外壁。

参看图1，本发明的工作过程如下：

1.整个工作过程包括加载密封和进行密封性测试两部分。加载密封阶段，测试人员可根据需要开展空气环境下的密封过程，也可将装置浸入水池，开展水池试验，完成密封。

在初始安装状态下，密封未完成，两个密封撑环与金属密封圈只接触，并未挤压变形。压盖与密封上盖之间存在间隙，该间隙为压力加载位置。流体通过密封上盖的加压注液孔注入高压流体，填充间隙，而后驱动压盖向下滑动，压盖挤压上部密封撑环向下移动，下部密封撑环受密封下盖的限制不会发生移动，金属密封圈受到挤压，迫使内外其两侧变形，随着压力增加，上部密封撑环下移距离逐渐增大，当达到最大位移时，金属密封圈达到最大变形，与密封外壳体和密封内芯形成密封。同时，在压盖向下移动时，带动行程指示杆移动，通过行程指示杆的位移传感器可读取位移量，保证压盖、驱动环已移动到最大位移，完成密封。

加载密封过程装置内部流体流动情况：

(1)首先通过打压泵从密封上盖的加压注液孔将流体注入并充满密封上盖与压盖之间的空间，在打压泵加压过程中，该空间流体压力随之增大，起到压盖加压使其下移的作用。

(2)当压盖向下滑移时，压盖与密封内芯顶部之间原存有的流体可通过行程指示杆中心流道流出，防止此处憋压，压盖无法下移。

(3)金属密封圈与密封内芯、密封外壳体之间的原存有的流体在金属密封圈受挤压变形且当密封未完成时，将向上下挤出部分流体。

(4)密封撑环一端开有通压孔，密封外壳体开有外壳体环槽和外壳体通流孔。在上部的密封撑环与金属密封圈上部限位环槽挤压过程中，限位环槽中的流体可通过通压孔流出，进而通过外壳体凹槽和外壳体通流孔流出外壳体，防止出现金属密封圈上部的限位环槽处流体憋压，而无法密封的问题。

(5)密封下盖与密封撑环接触面开有密封下盖通流槽，密封内芯端面开有密封内芯通流槽。在下部密封撑环与金属密封圈下部限位环槽挤压过程中，金属密封圈下部限位环槽中的流体可通过下部密封撑环的通压孔流出，进而通过密封盖通流槽、密封内芯通流槽、测试注液孔流出装置。防止出现金属密封圈下部限位环槽凹槽处流体憋压，而无法密封的问题。

2.加载密封完后卸载上部液压，密封撑环不会移动，密封仍然继续。将密封上盖打开，密封上盖和压盖之间的间隙增大，在该间隙添加垫片，保证压盖、垫片、密封上盖三者紧密叠放，目的是保证在后续密封测试时，压盖不发生滑移，在垫片、密封上盖安装完成后，进行密封性测试。

3.密封下盖带有测试注液孔，用于进行反向密封测试。用于模拟套管挂的密封内芯上下端面均开有内芯通流槽。当高压流体通过密封下盖进入装置后，高压流体将分别挤压金属密封环内外两侧的密封面。当金属密封圈与密封内芯之间的密封面失效时，流体通过该位置，而后流经密封内芯顶部的内通流槽流动通和行程指示杆的中空通道，流出装置，证明内侧密封失效；当金属密封圈与密封外壳体间密封面失效时，流体通过失效位置、外壳体凹槽和外壳体通流孔流出外壳体流出装置，证明外侧密封面失效。上述过程可确认所述装置的密封相对薄弱的位置，根据是否满足工作需求进行结构优化。