[实用新型]一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机

说明书

本实用新型公开了一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，包括泥浆腔和润滑腔，沿泥浆腔和润滑腔的轴线设置有一玻璃轴管，玻璃轴管通过电机驱动进行旋转；玻璃轴管上端位于润滑腔内；润滑腔底板与玻璃轴管之间的环空通过密封函密封；通过开口端伸入热成像探头和内窥镜，内窥镜的采光面以及热成像探头均朝向环槽设置。本实用新型提出的模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机，能够模拟在钻井过程中钻井液参数、润滑介质参数、密封件安装参数和环境工况参数等因素下井下密封件的磨粒磨损过程，能原位观测并实时记录密封件在连续旋转运动下钻井液环境中磨粒侵入密封界面的过程，并能实现在线监测密封界面温度。

技术领域

本实用新型涉及测试钻井工程中多工况耦合的复杂环境下橡塑旋转动密封件的磨粒磨损领域，尤其涉及一种模拟井下密封件磨粒磨损过程原位在线观测试验机。

背景技术

我国地质资源储备丰富，然而近百分之七十五的资源贮藏在五千米以下的地层中，随着近年来浅层地质资源的枯竭与资源需求的提升，因此亟需提高深部钻探技术以获取更多的地质资源。在钻井工程中，尤其是深井、超深井钻探中，起钻更换零部件需要耗费大量的人力物力，还会降低井壁的稳定性引发井壁坍塌等事故。提高井下密封件的使用寿命，能够有效提高钻井效率，减少井底事故。

橡塑密封件是目前钻井工程中普遍使用旋转动密封件之一，工作在复杂井下环境中密封件通常因磨粒磨损失效而寿命较短。在目前国际上已经投入使用的密封件中性能最好的产自俄罗斯，其使用寿命最长也只有250小时左右。这导致了深井、超深井钻探技术发展缓慢，密封技术成为制约深部地质钻探发展的瓶颈之一。在复杂井下工况中密封件的磨粒磨损机制尚不清楚，极大的影响了井下密封件的研制与开发进度。因此，需要设计一种实验装置能够实现原位观测井下密封件磨粒磨损的过程。

井下密封件磨粒磨损原位观测的必要性与工程背景

密封件在钻井环境中的摩擦过程是非常复杂的，从磨砺环境中磨粒侵入密封界面，到磨粒在密封界面的摩擦运动状态，再到磨粒侵入后密封界面的泄漏状态，都受到多个因素的影响。影响因素主要包括钻井液参数：磨粒浓度、磨粒粒度、磨粒成分、磨粒形状、钻井液粘度、钻井液PH值、钻井液基浆类型等；润滑介质参数：润滑油密度、润滑油粘度、添加剂成分等；密封件安装参数：压缩率、偏心度、密封件表面织构、挤出间隙等；环境工况参数：温度、压差、钻井液循环速度、轴向振动、径向振动等。

为探究密封件在多工况以及多工况耦合环境下的磨粒磨损规律，尤其是钻井环境中钻井液固相添加剂和岩屑等磨粒侵入密封界面的规律以及侵入后的摩擦磨损机制，需要原位观测连续旋转运动的密封摩擦界面。能为开发符合井下工况的新型密封件与密封结构提供理论基础与实验依据。

橡塑密封的磨粒磨损是广泛研究的课题，然而目前的研究方法大多属于黑箱方法，通过实验结果去推测磨粒在摩擦界面的摩擦学行为，这种研究手段对于工作在简单工况环境中密封件具有较大的指导意义。而对于钻井环境这种多工况耦合的复杂环境下，如果仅靠黑箱方法去推测磨粒在摩擦界面的摩擦学行为，不仅需要进行大量的实验验证，还存在较大的分析难度。因此，迫切的需要一种可以原位在线观测井下密封件磨粒磨损过程的试验装置。

目前摩擦界面的原位观测实验装置较多，但是主要适用于摩擦界面开放的小范围运动，而没有针对旋转动密封件这种摩擦界面为闭合环形并做连续旋转运动的原位观测装置。并且，目前的实验装置并不能原位观测浸泡在介质环境中的试样，无法模拟井下密封件的钻井液-润滑油耦合的工况环境。此外，摩擦界面的温度是表征摩擦磨损性能的重要指标之一，目前的实验装置不具备在线监测摩擦界面温度的能力。

模拟井下复杂工况是研究井下密封件摩擦磨损机理的重点之一。井下密封件起到封隔钻井液环境与润滑环境，在模拟工况时需要同时考虑钻井液与密封介质之间的耦合作用。目前的实验装置只实现了钻井液环境的模拟，并未考虑润滑环境的影响。

实用新型内容