高温高压对机械仪器仪表精度及稳定性的影响

本文为863计划“高温高压钻井及井筒测试技术”部分内容。课题编号2006A06Z211.朱黎，男，工程师，目前主要从事压力计维护及标定工作。

概况地层测试井下机械仪器仪表主要包括机械压力计、时钟、温度计等压力记录装置。压力记录装置的精度及稳定性直接关系到地层测试的成功与否。如果压力计、时钟在有效的测试时间内不能正常工作或出现故障，将导致测试卡片记录不完整或记录失真读取数据不准确，得到的解释成果将造成对地层的误解解直接造成巨大的经济损失。

随着油田勘探开发的深入，深井、超深井越来越多，许多深井、超深井时也是高温高压井，由于井况的恶劣，加上目前国内机械压力记录装置更新少、老化严重，所以高温高压井机械压力记录装置的稳定性和精度问题越来越严重。

高温高压对井下机械仪器仪表的影响常用的井下机械压力计包括弹簧管式压力计和活塞式压力计。*典型的弹簧管式和活塞式压力计分别是RPG-3型压力计、200型压力计，它们都是由压力传递和压力记录两部分组成。压力传递部分由压力隔膜和波纹管组成，压力隔膜的作用是将井筒液体与压力专用介质油分隔开。

由于RPG-3型压力计是在一张135X55mm小卡片上记录测试全过程，要在135mm的时间轴展开长达几十小时，甚至几天，数据读取较困难，所以RPG-3型压力计一般用于监测、定性评估测试工艺是完全。而200型压力计可以在一张152X大卡片上循环多圈记录测试全过程，只需在178mm的时间轴展开9h，对于96h时钟，易于较方便地读取温压数据。因此，200-型压力计常用于各种地层测试工作中，而RPG-3型压力计多与电子压力计组合甩起监测、定性评估测试工艺的完整性。

对压力隔膜的影响压力隔膜是由橡胶制成，主要用于隔开井筒液体与传压介质油，高温高压对其影响较小，采用高温氟橡胶隔膜耐温可达200°C.但橡胶隔膜在高温下耐老化时间短，如果质量不高或时间过长，都可能导致隔膜损坏，使油室内混进井筒液，严重时导致波纹管无法随压力变化自由伸长或缩短，这些都将会导致压力计的精度和稳定性下降。所以，当井下温度高于175C、压力大于70MPa时，应优选高质量的氟橡胶材料隔膜并及时更换。

波纹管由波纹状的铜质材料制成，它的主要功能是随着温度的升降、压力的增减发生自由伸缩，以保证压力记录的准确性。温度对铜质材料本身影响较小，但温度的变化会引起传压介质的膨胀或收缩，1200-压力计的活塞杆与张力弹簧！样也是压于，寸钟发嫌这是因为时钟在这种膨胀和收缩，也将引起波纹管作相应的伸长或缩短。

在地面保养、维修、标定压力计时，要根据当时的温度来确定波纹管的高度。这样就能确定不同温度下波纹管的实际自由长度。如果压力计使用后，在保养过程中，经“波纹管高度调整规”检查后，发现与该温度下的高度不相符，比实际高度高或低，说明压力系统密封件变形受损，密封油室有气体进入或介质油有泄露。这将影响压力计的稳定性和数据的精度，保养时要及时更换密封部件，排尽进入的气体或加足漏出的油。

波纹管的刚度对压力计的稳定性和数据的精度影响很大，波纹管的刚度过大、变形或被击穿，将影响压力计的稳定性和数据的精度。

波纹管严重变形或被击穿是其主要故障表现形式，主要是由于密封油室大量进入气体和介质油严重漏失、超量程运行（往往是压力波动造成）橡胶隔膜损坏、岩屑沉淀等造成。

对张力弹簧的影响张力弹簧（或C形弹簧）是压力计的核心部件之一，它是压力计标定数据的主要来源，也是影响压力计的精度和稳定性的主要因素之一，压力计长时间使用，张力弹簧会逐渐疲劳，精度和稳定性将随之下降，如果标定压力计时，其精度超过了0.25%（200-压力计的精度），说明该压力计张力弹簧已超过使用周期，应当更换张力弹簧或报废。

随着温度的升高，在给压力计施加同等压力的情况下，张力弹簧的伸长量逐渐增大，温度越高，增加值越多。这是因为一方面随着温度的升高，密封于弹簧周围的专用介质油膨胀越加速，介质油的热膨胀作用于密封空间内而引起张力弹簧的伸长。另一方面，温度升高张力弹簧的弹性相对下降，同等条件下，弹簧的伸长量相对加大。因此，高温对压力计的精度和稳定性的影响主要就是对专用介质油的影响，而通过弹簧的伸长量反映出来。

单纯张力弹簧的力学性质符合胡克定律，但压力计装置内的弹簧的受力性质在低压和高压下都有计量不稳定的特点，所以，在选择压力计量程时，所测压力*好在该压力计量程的20%~80%内，这样能使200压力计的稳定性达到*好。

对活塞杆及其密封外壳的影响力计的核心部件。压力计日常使用中*易发生的故障，如“走台阶”、“不回零‘压力计漏油”等，都发生在这对密封偶件上。它们是影响压力计的精度和稳定性的另一主要原因，是压力计维修保养的重点环节。活塞杆是光洁度高、加工精度高、强度高的圆柱状金属杆。表面电镀并研磨过。密封外壳是由铜质材料制成，与活塞杆接触面是密封面，光洁度和加工精度极高。它们之间的配合间隙严格控制在0.03左右内，工作时要求无摩阻。活塞杆与密封外壳之间有橡胶组件密封。它既要保证活塞杆在压力增减过程中伸缩自如，又要保证在这种来回伸缩的重复运动中活塞杆与密封外壳之间不漏油，只有这样才能保证压力计的精度和稳定性。

当活塞杆与密封外壳之间间隙过小时会导致活塞杆与密封外壳之间会产生高摩檫力，橡胶密封组件易损，反映到记录卡片上就会出现锯齿状的压力跳跃，即所谓的“走台阶”；严重时，活塞杆不能自由伸缩而卡住，反映到记录卡片上就会出现“压力停走，。

当活塞杆与密封外壳之间间隙过大时会导致漏油，漏油首先会导致记录的压力数据失真。漏油严重时导致密封油室内缺油，压力计波纹管被击穿，井筒液体就会进入密封室，甚至与记录室的始终连通，将时钟击穿，导致压力计、时钟都报废。

因此活塞杆与密封外壳之间间隙及橡胶密封组件的尺寸精度是压力计的精度和稳定性的主要因素。

在高温情况下，活塞杆与密封外壳之间间隙将会因为受热膨胀而变小，两者之间形成的摩擦阻力加大，压力计出现故障的几率加大。现场反馈的信息表明高温情况下，压力计的精度和稳定性大大降低。压力计在高温下工作时间越长，精度和稳定性越低；温度越高，精度和稳定性降低的幅度越大。

对橡胶密封件的影响200压力计及时钟共九处采用橡胶密封。高温下，橡胶密封件易变形、老化一旦密封件受损，压力计、时钟的精度和稳定性将无法保证。

200时钟发条与普通钟表发条一样，都是由优质不锈钢材料制成，但它与普通钟表发条的区别在使用过程中受到的各种冲击、震动远大于普通钟表，较大的发条力矩有助于克服外来震动对时钟走时的影响。

较大的发条力矩虽然有助于克服外来震动对时钟走时的影响，但却导致走时误差较大。实际上200时钟走时误差达到每小时1~2min.高温会加大发条间的摩擦，一般高温高压井都较深，深井就意味着时钟将会受更大地冲击、震动，所以，高温高压井出现发条故障的几率很高，高温高压井几支时钟同时出现故障的情况非常普遍。

200时钟的传动系统由六组传动齿轮组成。

发条的能力通过齿轮传递给擒纵调速系统，擒纵调速系统反过来有控制着齿轮传递系统的转速，擒纵轮间歇转动，它的转角与时间有一定的比例关系。齿轮系统传动时要受到齿轮啮合面之间、齿轮轴与轴孔之间、齿轮轴端面与其固定夹板之间的摩擦阻力的影响，各摩擦位置都加有专用润滑油以减小摩擦，保证时钟正常走时，保证时钟的精度和稳定性。

传动齿轮之间相互啮合的间隙、各轴的径向间隙、轴向间隙都是影响时钟精度和稳定性的重要因素。在高温高压井测试中，热胀现象会使各间隙减小，进一步加大摩擦，时钟出现停走或偷停的几率加大，所以，温度是时钟精度和稳定性的一项重要指标。由于材料和制造工艺的差距，进口时钟耐温可达200C，而国产时钟耐温指标极限在150~如果井下温度达到180C，各种时钟的故障率会大大增加。在齿轮传动系统中，*小齿轮轴直径只有0.08mm齿轮片与齿轮轴是铆合而成，耐冲击、震动能力有一定的限度，如果遇到遇阻、遇卡、顿钻、解卡等特殊情况，轮片发生断裂、脱落、位移等故障的现象时有发生。所以，高温高压井出现传动齿轮故障的几率也很高。

擒纵机构和摆轮游丝系统是时钟*核心的部件，也是*精密、*易发生故障的部位。轮系的传动动作与摆轮游丝系统的周期往复振动是通过擒纵机构的联动来完成，发条的力矩通过轮系传递到擒纵轮上，用擒纵叉来控制擒纵齿轮的捉放（又称擒纵），这种特殊的能力捕获与释放装置称为擒纵机构。擒纵机构中的擒纵轮、擒纵叉及摆轮游丝系统的摆轮运行。由于这种特殊的工作原理，使得它们之间的配合要求高度精密，不允许有任何误差，否则这种“间歇‘式运动无法进行下去。所以，高温高压井施工中，更应该避免高速起下钻、急刹车以减少对机械仪表的冲击和震动，如果施工过程中因遇阻、遇卡、顿钻等中起、返工情况，一定要及时更换时钟。

利用标定与保养保障精度和稳定性地面模拟试验同时也是对橡胶密封件的一次检验。在200压力计专用标定装置上进行模拟井下温度、压力、时间，与检定压力计的精度、温度系数、M值、A值、台阶、回零性能等检定项目同时进行。

200压力计专用标定装置能有效地模拟井下要求的温度和压力，温度可模拟200C压力可达100MPa以上。通过标定和标定数据计算，可以得到被标定压力计的精度、温度系数、M值、A值，可以实际观察到“0”型圈的密封、漏油状况、台阶大小、回零情况。如果经过标定，压力计的精度值超过0.25，则该压力计标定数据不合格，该压力计应更换张力弹簧或报废。在精度合格的前提下，如漏油严重、台阶峰值大于0.1mm或回零*大距离大于0.15，其中任一项指标超标，此次标定为不合格。所以，模拟高温高压试验对压力计标定是检验压力计精度、稳定性、密封件性能的重要手段。

结束语针对高温高压井测试仪器仪表的隐患问题，在现有条件和设备状况下，要获取高温高压井可靠的测试资料，必须做好地面维护保养、调试、标定工作，加密温度和压力标定系数，通过选用进口仪器、配件、增加时钟和压力计下井数、避免遇阻、遇卡等来提高仪器的稳定性和可靠性。

本文2007―12―28编辑穆立婷在力矩传递过程中，彼此间有暂时胗离，而独立