一种钻井中途油气层测试仪免维护快速接头研制

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　　摘要：钻井中途油气层测试仪功能模块之间的流道通过一种快速对接接头连接，使液压油和地层流体贯穿，实现整个仪器串的功能。通过研制一种钻井中途油气层测试仪免维护快速接头，确保在连接或断开各功能模块时，无残留的液压油或流体流出到接头外部，避免48芯插针腐蚀，降低维保难度和成本，实现免维护。

　　关键词：钻井中途油气层测试仪；快速接头；免维护

　　0引言

　　钻井中途油气层测试仪是中海油田服务股份有限公司独立研发的具有自主知识产权的模块化电缆式地层测试器，通过多模块组合工作实现井下地层压力精确测量以及流体实时分析和取样[1]。目前，各功能模块间流体及液压管道的联通需要通过快速接头来实现，而现在使用的快速接头设计存在一定体积的腔室无法完全封闭，在断开各功能模块时，这一腔室体积的液压油或流体会流出到接头外部。油液的不可控流出存在几个方面的危害：

　　(1)极容易造成48芯插针的污染，影响仪器通断绝缘；

　　(2)加速48芯插针腐蚀，造成插针强度大幅下降，产生接触不良、断针等风险[2]；

　　(3)对于液压系统而言，无法封闭的腔室容易被污染，间接导致液压系统受到污染，降低仪器可靠性；

　　(4)不能保证快速接头清洁度和48芯绝缘性，现场操作和维保工序相对复杂[3]。

　　为解决快速接头现有设计的缺陷，新型快速接头基于不外流、免维护这两个方向进行研制，实现仪器在配件成本、可靠性、维保效率方面的大幅度提升。

　　1设计思路

　　1.1现有设计结构分析

　　现有快速接头内部结构[4]，主要由接头母体、小流量密封芯、弹簧和堵头组成。由于钻井中途油气层测试仪功能模块上下接头的压力油快速接头P、回油快速接头R、样品快速接头S原理一致，因此以P口的快速接头公头为例。

　　在现有设计中，当仪器处于断开状态，即P口处于无外力施加的情况时，小流量密封芯会在弹簧的作用下，与接头母体端口平齐。此时小流量密封芯上的开口流道，在接头母体和小流量密封芯的O型密封圈的作用下被密闭，从而使处于腔室内的油液无法导通流出，如图1所示。

　　在功能模块进行对接时[5]，上下接头上的公母快速接头相互作用，使快速接头内部的小流量密封芯往后运动。由于上下接头连接过程缓慢，因此在连接过程中，小流量密封芯上的开口流道被慢慢打开，会有少量油液通过开口流道慢慢流入小流量密封芯的顶部位置；又由于出口处没有设计密封圈等结构进行密封，连接好的上下接头再一次完全断开后，之前流入小流量密封芯内的油液顺着通道流出。同理，外流的液压油和流体混合后也会在上下接头对接时流入液压系统内。

　　1.2改进设计方案

　　1.2.1方案设计原则

　　快速接头导通时，新设计应满足主体尺寸不变情况下快速接头的流量相较更改前不变、接头密封效果不变。

　　快速接头公头与快速接头母头在分离过程中，流体管道内流体不会出现外泄。

　　基于两大设计原则，针对快速接头现有设计中存在的缺陷，通过对上下接头的分析和研究，将在不改变快速接头主体结构尺寸、功能、过流量的前提下，重新设计快速接头结构，实现快速接头对接和断开的任何过程中、在任意位置都处于对外完全封闭状态，从结构上规避因油液不可控流出导致的相关质量风险以及降低使用维保难度。

　　目前常用设计选择上有杆密封和端密封两个方向。相较于杆密封，端面密封的优点是密封件比杆密封更容易复位，密封效果也能达到设计要求；缺点是内部结构较复杂，同等流量的接头，较杆密封快速接头外观尺寸大，这一缺点有悖于设计原则一，因此最终采用杆密封的设计方向。

　　1.2.2免维护快速接头公母头配合状态及工作原理

　　上下接头在处于断开状态时，由于采用平面密封结构，免维护快速接头两端处于封闭密封状态。

　　上下接头在处于对接状态时，公头进入母头，此时公头密封阀芯退回，同时母头密封内环退回，实现公母头流道导通。在从对接向断开状态转变时，公头密封阀芯和母头密封内环逐步在弹簧的作用下前移复位，油口逐渐收拢，并在快速接头前端O型密封圈的密封作用下，实现上下接头断开过程中油液不外泄。

　　免维护快速接头公头主要由接头母体、密封阀芯、弹簧、堵头组成；免维护快速接头母头主要由接头母体、密封内环、阀芯、弹簧、堵头组成。

　　快速接头公头在无外力作用时，弹簧处在轻载荷伸长状态，密封阀芯在弹簧力的作用下复位，密封阀芯与两道O型密封圈形成密封，达到密封效果，如图2所示。

　　快速接头公头在外力作用下，密封阀芯克服弹簧力向内移动，当密封阀芯脱离第一道O型密封圈时，接头母体小径部分与外界联通，密封阀过流孔移动至第二道O型密封圈时，接头内流体与外界导通，如图3所示。

　　快速接头母头在无外力作用下，在弹簧作用下向外移动，通过两道O型密封圈与阀芯、接头母体形成密封，接头内流体与外界密封隔离，如图4所示。

　　快速接头母头在外力作用下，密封内环克服弹簧力内移，处于导通状态，如图5所示。

　　与现有设计比较，采用杆密封的改进方案，改进后的流量与现有快速接头一致。更改前的快速接头，在接头密封时，虽然能密封住流体管线内的流体，但是快速接头密封腔外本体残留的流体会流出至快速接头外，对整个上下接头液压、电气部分造成污染，而改进后的快速接头对设计方案所提的原则都能很好地满足。

　　在设计方面除了功能需求外，充分考虑了产品制造工艺，保证产品能实现生产以及产品在实际的使用中能达到设计性能。

　　同时还充分考虑产品制造成本和技术成本因素，设计的免维护快速接头能在不对原有仪器本体快速接头安装孔座修改的情况下，直接替换原有快速接头，保证了免维护快速接头与原有件的互换性，因此产品与原有配件外部连接尺寸一致。

　　2应用对比分析

　　实施后有效保证了在连接或断开各功能模块时，没有液压油或残留样品流出快速接头外部，从根本上解决了由快速接头残留流体外流引起的一系列问题。

　　3实验数据与免维护效果

　　3.1实验数据

　　为有效验证免维护快速接头的功能和其他方面的效益，进行了效果验证，共验证86次，均没有出现流体溢出的情况，可实现免维护功能。统计结果如表1所示。

　　3.2免维护效果

　　钻井中途油气层测试仪一般根据保养策略，执行相对应级别的保养动作，同时在现场操作中也常常需要执行额外的保养动作。免维护效果主要针对以下高频维护程序：在一级保养中，需要彻底清洗48芯转接棒和48芯承压接头，避免其受到流体污染；在每次连接不同功能模块短节之前，要对上下接头进行清洗检查；模块短节在连接之前，需要将48芯转接棒旋转位于上方，避免外泄流体流入；根据免维护快速接头不外泄特性，有效删减相应维护程序，达到目标免维护效果。

　　4结语

　　免维护快速接头的成功研制以及试验，证明了免维护快速接头设计的合理性。同时，本次研制打破维保人员在维保程序上做加法的惯例，而是通过对仪器的改进升级，完成对应维保程序优化，这对提升维保效率和质量意义重大。

　　参考文献：

　　[1]冯永仁,左有祥,王健,等.地层测试技术及其应用的进展与挑战[J].测井技术,2019,43(3)：217-227.

　　[2]杨君.钻井中途油气层测试仪保养流程的优化[J].化学工程与装备,2020(12)：1-3.

　　[3]杨君.钻井中途油气层测试仪维修保养浅析[J].天津化工,2021,35(3)：92-94.

　　[4]冯永仁.一种流体快速接头：1447055 A[P].2003-10-08.

　　[5]秦小飞,冯永仁,周明高.电缆式测井仪器液压系统设计及应用[J].液压气动与密封,2015,35(2)：81-84.

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