[發明專利]一種模擬井下密封件磨粒磨損過程原位在線觀測試驗機

在審

• 申請號: 202010049361.0
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111077011A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 秦坤;周琴;張凱;李帥帥;呂鳴昊;張翔;李龍;李耀
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（北京）
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/56
• 代理公司: 北京力量專利代理事務所(特殊普通合伙) 11504
• 代理人: 姚遠方

本發明公開了一種模擬井下密封件磨粒磨損過程原位在線觀測試驗機，包括泥漿腔和潤滑腔，沿泥漿腔和潤滑腔的軸線設置有一玻璃軸管，玻璃軸管通過電機驅動進行旋轉；玻璃軸管上端位于潤滑腔內；潤滑腔底板與玻璃軸管之間的環空通過密封函密封；通過開口端伸入熱成像探頭和內窺鏡，內窺鏡的采光面以及熱成像探頭均朝向環槽設置。本發明提出的模擬井下密封件磨粒磨損過程原位在線觀測試驗機，能夠模擬在鉆井過程中鉆井液參數、潤滑介質參數、密封件安裝參數和環境工況參數等因素下井下密封件的磨粒磨損過程，能原位觀測并實時記錄密封件在連續旋轉運動下鉆井液環境中磨粒侵入密封界面的過程，并能實現在線監測密封界面溫度。

技術領域

本發明涉及測試鉆井工程中多工況耦合的復雜環境下橡塑旋轉動密封件的磨粒磨損領域，尤其涉及一種模擬井下密封件磨粒磨損過程原位在線觀測試驗機。

背景技術

我國地質資源儲備豐富，然而近百分之七十五的資源貯藏在五千米以下的地層中，隨著近年來淺層地質資源的枯竭與資源需求的提升，因此亟需提高深部鉆探技術以獲取更多的地質資源。在鉆井工程中，尤其是深井、超深井鉆探中，起鉆更換零部件需要耗費大量的人力物力，還會降低井壁的穩定性引發井壁坍塌等事故。提高井下密封件的使用壽命，能夠有效提高鉆井效率，減少井底事故。

橡塑密封件是目前鉆井工程中普遍使用旋轉動密封件之一，工作在復雜井下環境中密封件通常因磨粒磨損失效而壽命較短。在目前國際上已經投入使用的密封件中性能最好的產自俄羅斯，其使用壽命最長也只有250小時左右。這導致了深井、超深井鉆探技術發展緩慢，密封技術成為制約深部地質鉆探發展的瓶頸之一。在復雜井下工況中密封件的磨粒磨損機制尚不清楚，極大的影響了井下密封件的研制與開發進度。因此，需要設計一種實驗裝置能夠實現原位觀測井下密封件磨粒磨損的過程。

井下密封件磨粒磨損原位觀測的必要性與工程背景

密封件在鉆井環境中的摩擦過程是非常復雜的，從磨礪環境中磨粒侵入密封界面，到磨粒在密封界面的摩擦運動狀態，再到磨粒侵入后密封界面的泄漏狀態，都受到多個因素的影響。影響因素主要包括鉆井液參數：磨粒濃度、磨粒粒度、磨粒成分、磨粒形狀、鉆井液粘度、鉆井液PH值、鉆井液基漿類型等；潤滑介質參數：潤滑油密度、潤滑油粘度、添加劑成分等；密封件安裝參數：壓縮率、偏心度、密封件表面織構、擠出間隙等；環境工況參數：溫度、壓差、鉆井液循環速度、軸向振動、徑向振動等。

為探究密封件在多工況以及多工況耦合環境下的磨粒磨損規律，尤其是鉆井環境中鉆井液固相添加劑和巖屑等磨粒侵入密封界面的規律以及侵入后的摩擦磨損機制，需要原位觀測連續旋轉運動的密封摩擦界面。能為開發符合井下工況的新型密封件與密封結構提供理論基礎與實驗依據。

橡塑密封的磨粒磨損是廣泛研究的課題，然而目前的研究方法大多屬于黑箱方法，通過實驗結果去推測磨粒在摩擦界面的摩擦學行為，這種研究手段對于工作在簡單工況環境中密封件具有較大的指導意義。而對于鉆井環境這種多工況耦合的復雜環境下，如果僅靠黑箱方法去推測磨粒在摩擦界面的摩擦學行為，不僅需要進行大量的實驗驗證，還存在較大的分析難度。因此，迫切的需要一種可以原位在線觀測井下密封件磨粒磨損過程的試驗裝置。

目前摩擦界面的原位觀測實驗裝置較多，但是主要適用于摩擦界面開放的小范圍運動，而沒有針對旋轉動密封件這種摩擦界面為閉合環形并做連續旋轉運動的原位觀測裝置。并且，目前的實驗裝置并不能原位觀測浸泡在介質環境中的試樣，無法模擬井下密封件的鉆井液-潤滑油耦合的工況環境。此外，摩擦界面的溫度是表征摩擦磨損性能的重要指標之一，目前的實驗裝置不具備在線監測摩擦界面溫度的能力。

模擬井下復雜工況是研究井下密封件摩擦磨損機理的重點之一。井下密封件起到封隔鉆井液環境與潤滑環境，在模擬工況時需要同時考慮鉆井液與密封介質之間的耦合作用。目前的實驗裝置只實現了鉆井液環境的模擬，并未考慮潤滑環境的影響。

發明內容