GB∕T 43599-2023 石油天然气钻采设备 机械式固井胶塞的测试与评价（正式版）

石油天然气钻采设备机械式固井胶塞的测试与评价2023-12-28发布国家标准化管理委员会前言 I 2规范性引用文件 13术语和定义 4试验要求 4.1试样制备 4.2试验介质 24.3试验装置通用要求 4.4试验项目 5测试与评价 35.1穿透压力试验 35.2密封压力试验 55.3翻转压力试验 65.4承受回压能力试验 5.5刮拭能力试验 95.6通过能力试验 5.7耐磨性能试验 5.8压缩变形试验 5.9防转能力试验 5.10可钻性能试验 附录A(资料性)试验记录表 附录B(资料性)试验参数推荐表 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SAC/TC96)提出并归口。本文件起草单位：石油工业井下工具质量监督检验中心、中国石油集团渤海钻探工程有限公司、中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司、德州大陆架石油工程技术有限公司、河北上善石油机械有限公司、丹诺(北京)石油技术服务有限公司、北京石油机械有限公司。1石油天然气钻采设备机械式固井胶塞的测试与评价1范围本文件规定了石油天然气注水泥作业用机械式固井胶塞的试验要求、测试与评价。本文件适用于机械式固井胶塞的检测与评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T9867硫化橡胶或热塑性橡胶耐磨性能的测定(旋转辊筒式磨耗机法)GB/T13283工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级GB/T19830石油天然气工业油气井套管或油管用钢管GB/T20971石油天然气工业固井设备注水泥浮动装置性能测试GB/T29166石油天然气工业钢制钻杆SY/T5083石油天然气钻采设备尾管悬挂器及尾管回接装置SY/T5150分级注水泥器SY/T5415钻头使用基本规则和磨损评定方法SY/T7084固井水泥头及常规固井用胶塞3术语和定义SY/T5083和SY/T5150界定的以及下列术语和定义适用于本文件。翻转压力invertpressure胶塞唇片翻转的液体压差。水下释放胶塞sub-seareleaseplug用于浮式或半潜式海上钻井平台，隔离钻井液和水泥浆，并顶替管柱内水泥浆的胶塞。4试验要求4.1试样制备4.1.1试样采用随机抽取的胶塞成品。4.1.2胶塞橡胶材料耐磨性能的测定试样按照GB/T9867的规定进行制备。24.2试验介质4.2.1试验液体应采用清水(可添加防腐液)、合成油或用户指定的液体。4.2.2加热液体采用合成油时，其闪点应高于工作温度20℃以上。4.3试验装置通用要求试验管柱由钻杆及接头或套管及接箍组成。标准试验管柱应符合GB/T规定，特殊尺寸的试验管柱由制造厂商和用户约定。4.3.2.1磨耗试验用试验装置和材料应符合GB/T9867的规定。4.3.2.2对排量有要求的试验用试验泵排量应不低于15L/s,泵送排量应能无级调节。4.3.2.3加热装置应满足加热液体各点处的温差不超过5℃,保温期间温度变化不超过士2℃。4.3.3仪器设备精度4.3.3.1试压泵和试验泵压力、流量测量仪表的精度应不低于GB/T13283规定的0.5级。4.3.3.2加热装置温度测量系统应精确到1℃以内。4.3.3.3收集试验液体的量筒或量杯精度应不低于0.1L。4.3.3.4胶塞尺寸测量仪器精度应不低于0.02mm,称重仪器精度应不低于0.1g。4.3.3.5防转能力试验装置扭矩测量仪表精度应不低于GB/T13283规定的2级。4.3.3.6可钻性能试验装置力值测量仪表和转矩转速测量装置精度应不低于GB/T13283规定的4.4试验项目机械式固井胶塞包括常规固井胶塞、分级固井胶塞、尾管固井胶塞、水下释放胶塞。不同类型的胶塞试验项目和测试方法见表1。表1试验项目和测试方法试验项目测试方法胶塞类型常规固井胶塞分级固井胶塞尾管固井胶塞水下释放胶塞上胶塞下胶塞挠性塞顶替打开塞关闭塞钻杆胶塞尾管胶塞钻杆上胶塞钻杆下胶塞套管上胶塞套管下胶塞穿透压力—√————————√密封压力√ √√√√√√√√翻转压力√—√√√√√√√√ 一承受回压能力√√ √√刮拭能力√√√√√√√√√√√3表1试验项目和测试方法(续)试验项目测试方法胶塞类型常规固井胶塞分级固井胶塞尾管固井胶塞水下释放胶塞上胶塞下胶塞挠性塞顶替打开塞关闭塞钻杆胶塞尾管胶塞钻杆上胶塞钻杆下胶塞套管上胶塞套管下胶塞通过能力——√√√耐磨性能√√√√√√√√√√√压缩变形√√√√√√√√√√√防转能力——√——可钻性能√√√√√√√√√√注：“√”表示应做，“—”表示不适用。具有自锁结构的胶塞进行此项试验。b具有变径结构的胶塞进行此项试验。具有防转结构的胶塞进行此项试验。5测试与评价5.1穿透压力试验穿透压力试验包括静压穿透压力试验和动压穿透压力试验。静压穿透压力试验主要测试胶塞静态条件下隔膜穿透压力和破裂情况。动压穿透压力试验主要测试胶塞在泵送过程中隔膜是否提前穿透及到位后隔膜的穿透压力和破裂情况。5.1.2静压穿透压力试验5.1.2.1.1胶塞静压穿透压力试验示意图见图1。碰压座应有过流孔，过流孔直径不小于46mm,且不大于胶塞芯部孔径。4a)常温试验标引序号说明：1——试压泵；2——储液罐；3——压力计；4——加压口；5——上试压帽；6——试验液体；7——试验管柱；b)工作温度试验8——胶塞；9——碰压座；10——下试压帽；11——温度计；12——加热液体；13——加热装置；14——支撑柱。5.1.2.1.2连接试验工装，下试压帽装入与胶塞匹配的碰压座后，与试验管柱下端连接，胶塞装入试验管柱内，再与上试压帽连接。如胶塞有温度要求，应将试验工装放入加热装置中，加热至规定的工作温度和保温时间。5.1.2.1.3连接并开启试压泵，泵入试验液体，将胶塞缓慢泵送至碰压座，加压至液体穿透胶塞，最高压力为静压穿透压力。5.1.2.1.4如后续不需要进行其他试验，则拆卸试验管柱两端试压帽，检查胶塞与碰压座接触情况，确认胶塞已破裂。从试验管柱下端缓慢取出胶塞，胶塞取出过程应避免撞击且不应反向。5.1.2.1.5胶塞取出后检查胶塞隔膜破裂情况。5.1.2.2.1记录测试参数和结果，穿透压力试验记录表见附录A中表A.1。5.1.2.2.2胶塞静压穿透压力应符合SY/T7084的规定或制造商设计要求。5.1.3动压穿透压力试验5.1.3.1.1胶塞动压穿透压力试验示意图见图2。试验管柱至少由两根套管和一个接箍组成，其中至少一根套管长度不小于10m。碰压座应符合5.1.2.1.1的规定。5标引序号说明：1——试验泵；2——流量计；3——压力计；4——加压口；5——上试压帽；6——试验液体；8——试验管柱；9——接箍；10——套管；11——碰压座；12——下试压帽；13——储液罐。7——胶塞；图2动压穿透压力试验示意图5.1.3.1.2按照5.1.2.1.2要求连接试验工装后，连接并开启试验泵，从加压口泵入试验液体，调节泵排量逐步升至附录B中表B.1推荐的排量或用户与制造商约定的排量，泵送胶塞至液体穿透，最高压力为动压穿透压力。5.1.3.1.3拆卸试验管柱两端试压帽，检查胶塞是否与碰压座接触，确认胶塞已破裂。从套管下端缓慢取出胶塞，胶塞取出过程应避免撞击且不应反向。5.1.3.1.4胶塞取出后检查胶塞隔膜破裂情况。5.1.3.2.1记录测试参数和结果，穿透压力试验记录表见表A.1。5.1.3.2.2胶塞动压穿透压力应符合制造商设计要求，且在泵送过程中隔膜不应提前穿透。5.2密封压力试验密封压力试验主要测试胶塞坐落到碰压座后承受上部液体压差的能力。5.2.2.1胶塞密封压力试验示意图见图3。6a)常温试验标引序号说明：1——试压泵；2——储液罐；3——压力计；4——加压口；5——上试压帽；6——试验液体；7——试验管柱；b)工作温度试验8——胶塞；9——碰压座；10——下试压帽；11——温度计；12——加热液体；13——加热装置；14——支撑柱。图3密封压力试验示意图5.2.2.2按照5.1.2.1.2要求连接试验工装。胶塞可以装入5.1.2试验后未取出胶塞的试验管柱中，带有密封头的胶塞应使用机械加载或液体加压的方法使密封头完全进入碰压座。如胶塞有高温要求，应将试验工装放入加热装置中，加热至规定的工作温度和保温时间；如有低温要求，低温测试由制造商和用户约定。5.2.2.3连接并开启试压泵，从加压口泵入试验液体，加压至规定压力，最高试验压力应不超过规定压力的3%,保压15min。5.2.2.4压力完全泄掉后，拆卸试验管柱两端试压帽，检查胶塞是否有翻边、剥离等情况。从试验管柱下端缓慢取出胶塞，胶塞取出过程应避免撞击且不应反向。5.2.2.5胶塞取出后检查胶塞外观形态。5.2.3.1记录测试参数和结果，密封压力试验记录表见表A.2。5.2.3.2测试结果应符合SY/T5083或SY/T7084的规定，或制造商设计要求。5.3翻转压力试验翻转压力试验主要测试胶塞在遇阻或碰压(碰压座上有落物)后，下部唇片没有被完全支撑时，导致胶塞唇片产生翻转的液体压差。根据胶塞在管柱中状态，进行胶塞与碰压座完全接触测试和胶塞与碰压座部分接触测试。75.3.2胶塞与碰压座完全接触5.3.2.1.1胶塞与碰压座完全接触时的翻转压力试验示意图见图4。碰压座应有旁通孔，并应保证胶塞最下面的唇片有自由翻转空间。具有变径结构的胶塞应分别在相适应的试验管柱内进行试验。a)常温试验标引序号说明：1——试压泵；2——储液罐；3——压力计；4——加压口；5——上试压帽；6——试验液体；7——试验管柱；b)工作温度试验8——胶塞；9——碰压座；10——下试压帽；12——加热液体；13——加热装置；14——支撑柱。图4胶塞与碰压座完全接触时的翻转压力试验示意图5.3.2.1.2连接试验工装，下试压帽装入与胶塞匹配的碰压座后，与试验管柱下端连接，胶塞装入试验管柱内，再与上试压帽连接。胶塞有温度要求时，应将试验工装放入加热装置中，加热至规定的工作温度和保温时间。5.3.2.1.3连接并开启试压泵，从加压口泵入液体，加压至密封压力或液体从胶塞唇片旁通。5.3.2.1.4拆卸试验管柱两端试压帽，检查胶塞与碰压座接触情况，检查胶塞唇片形态。从试验管柱下端缓慢取出胶塞，胶塞取出过程应避免撞击且不应反向。5.3.2.1.5胶塞取出后检查胶塞外观形态。5.3.2.2.1记录测试参数和结果，翻转压力试验记录表见表A.3。5.3.2.2.2测试结果应符合制造商设计要求。5.3.3胶塞与碰压座部分接触胶塞与碰压座部分接触时的翻转压力试验示意图见图5。碰压座应符合5.3.2.1.1的规8定，垫块尺寸和位置由制造厂商和用户约定。a)常温试验2——储液罐；3——压力计；4——加压口；5——上试压帽；6——试验液体；7——试验管柱；8——胶塞；b)工作温度试验10——下试压帽；12—-加热液体；13——加热装置；14——支撑柱；15——垫块。图5胶塞与碰压座部分接触时的翻转压力试验示意图5.3.3.2.1记录测试参数和结果，翻转压力试验记录表见表A.3。5.3.3.2.2测试结果应符合制造商设计要求。5.4承受回压能力试验承受回压能力试验主要测试具有自锁功能的胶塞与碰压座复合后承受胶塞下部液体压差的能力。5.4.2.1胶塞承受回压能力试验示意图见图6。9a)常温承受回压能力试验b)工作温度承受回压能力试验标引序号说明：1——试压泵；7——下试压帽；2——储液罐；8——密封圈；14——碰压座；3——压力计；9——胶塞；4——下加压口；10——试验管柱；5——试验液体；6——锁环；11—-上试压帽；12——上加压口；17——支撑柱。图6承受回压能力试验示意图5.4.2.2连接试验工装，下试压帽装入与胶塞匹配的碰压座后，与试验管柱下端连接，胶塞装入试验管柱内。5.4.2.3使用机械加载或试验液体加压的方法，从胶塞上端加载或加压直至胶塞进入碰压座与其复合，记录最高试验载荷或压力。如胶塞有温度要求，应将试验工装放入加热装置中，加热至规定的工作温度和保温时间。5.4.2.4连接并开启试压泵，从下加压口泵入液体，加压至规定压力，最高试验压力应不超过规定压力的3%,保压15min。5.4.2.5压力完全泄掉后，拆卸试验管柱两端试压帽，从试验管柱下端缓慢取出胶塞，胶塞取出过程应避免撞击且不应反向。5.4.2.6胶塞取出后检查胶塞头与碰压座接触情况。5.4.3.1记录测试参数和结果，承受回压能力试验记录表见表A.4。5.4.3.2测试结果应符合SY/T5083的规定或制造商设计要求。5.5刮拭能力试验刮拭能力试验主要测试胶塞对管柱内壁附着物进行机械擦除的程度。5.5.2.1胶塞刮拭套管试验管柱试验示意图见图7a),试验管柱至少由两根套管和一个接箍组成，其中至少一根套管长度不小于10m;胶塞刮拭钻杆试验管柱试验示意图见图7b),试验管柱至少由两根钻杆组成，其中至少一根钻杆长度不小于9m。上试压帽应有加压口和排气口，排气口应处于高位。下试压帽应有排液口和排气口，排液口应处于低位，排气口应处于高位，排液管应高于试验管柱。刮拭能力试验液体采用钻井液时应符合GB/T20971要求。a)胶塞刮拭套管管柱b)胶塞刮拭钻杆管柱标引序号说明：1——加压口；8——注液阀；15——排液管；2——上试压帽排气阀；9——注液孔；16——收集装置；3——上试压帽；10——下试压帽排气阀；17——储液罐；4——套管；11——下试压帽；5——胶塞；19——钻杆。6——接箍；7——注液流量计；13——排液阀；14——排液流量计；图7刮拭能力试验示意图5.5.2.2连接试验工装，胶塞装入试验管柱内，再与试压帽连接。5.5.2.3关闭排液阀，开启注液阀和下试压帽排气阀，从注液孔向试验管柱内注满试验液体后，关闭下试压帽排气阀，计算注入液体体积。5.5.2.4打开排液阀，继续从注液孔向试验管柱注入试验液体直至试验液体从排液管流出，使排液管充满试验液体。5.5.2.5关闭注液阀，开启上试压帽排气阀，从加压口向试验管柱内注满试验液体，关闭上试压帽排气阀。5.5.2.7开启试压泵/试验泵，从上试压帽加压口泵入试验液体，泵送胶塞至下试压帽停止。5.5.2.8关闭排液阀，拆卸下试压帽，从试验套管下端缓慢取出胶塞，收集胶塞底部及唇片之间的试验液体，计算排出液体总体积。5.5.2.9将试验管柱冲洗干净，按5.5.2.2～5.5.2.8的要求，重复试验4次。5.5.2.10检查胶塞外观形态。5.5.3测试结果5.5.3.1记录测试参数和结果，刮拭能力试验记录表见表A.5。5.5.3.2刮拭效率(C)按公式(1)计算：式中：C——刮拭效率；V₁——泵送胶塞前注入液体体积的平均值，单位为升(L);V₂——泵送胶塞排出液体体积的平均值，单位为升(L)。5.5.3.3刮拭效率应符合制造商设计要求。5.6通过能力试验5.6.1概述通过能力试验主要测试胶塞在一定排量下通过缩径/变径管柱的难易程度。5.6.2测试方法5.6.2.1胶塞通过缩径/变径试验管柱的通过能力试验示意图见图8,缩径段的结构和尺寸以及变径管柱内径由制造厂商和用户约定，变径管柱长度应大于胶塞长度。a)胶塞通过缩径试验管柱图8通过能力试验示意图b)胶塞通过变径试验管柱标引序号说明：1——流量计；2——压力计；3——加压口；4——试压帽；5——胶塞；6——试压管柱；7——缩径段；8——捕塞器；9——储液罐；10——试验泵；11——变径试验管柱；12——变径接头。图8通过能力试验示意图(续)5.6.2.2连接试验工装，胶塞装入试验管柱内，再与试压帽连接。5.6.2.3连接并开启试验泵，从试压帽加压口泵入试验液体，见表B.1推荐的排量或制造厂商和用户约定的排量泵送胶塞通过缩径/变径试验管柱，记录压力变化。5.6.2.4从捕塞器取出胶塞，按照5.6.2.2～5.6.2.3的要求重复试验至制造厂商和用户约定的次数。5.6.2.5试验结束后检查胶塞外观形态。5.6.3.1记录测试参数和结果，通过能力试验记录表见表A.6。5.6.3.2泵送胶塞通过试验管柱的压力应符合SY/T5150的规定或制造商设计要求，且胶塞不应损坏。5.7耐磨性能试验耐磨性能试验主要测试胶塞在泵送过程中抵抗由于与管柱内壁摩擦使胶塞表面产生的磨损量。采用胶塞循环通过一段试验管柱的方法测定胶塞磨损情况，可与5.5刮拭能力试验同步进行。如不具备试验条件，可用测定胶塞橡胶材料耐磨性能来替代。5.7.2胶塞通过试验管柱的耐磨性试验5.7.2.1.1胶塞通过试验管柱的耐磨性能试验示意图见图9。试验管柱应符合5.5.2.1的规定。试验液体不应对胶塞的质量和体积产生影响。a)胶塞通过套管试验管柱b)胶塞通过钻杆试验管柱标引序号说明：6——胶塞；图9胶塞耐磨性能试验示意图5.7.2.1.2擦拭胶塞并测量胶塞外径、唇片厚度和质量。5.7.2.1.4连接并开启试验泵，从试压帽加压口泵入试验液体，见表B.1推荐的排量或制造厂商和用户约定的排量泵送胶塞通过试验管柱。5.7.2.1.5从捕塞器取出胶塞，按照5.7.2.1.3～5.7.2.1.4的要求重复试验至制造厂商和用户约定的长度。5.7.2.2.1记录测试参数和结果，耐磨性能试验记录表见表A.7。5.7.2.2.2胶塞耐磨性能采用单位长度质量损失率△m来表示，按公式(2)计算：GB/T43599—2023式中：△m——单位长度质量损失率；m₁——试验前胶塞质量，单位为克(g);m₂——泵送胶塞通过约定长度后的质量，单位为克(g);L——通过长度，单位为(m)。5.7.2.2.3耐磨性能应符合制造商设计要求。5.7.3胶塞橡胶材料耐磨性能试验5.7.3.1胶塞橡胶材料耐磨性能的测定按照GB/T9867规定的方法A进行。5.7.3.2测试结果应符合制造商设计要求。5.8压缩变形试验5.8.1概述胶塞有时候会在水泥头或管柱中安装相当长的时间后才能投放使用，压缩变形试验主要测试胶塞在装入水泥头或管柱中一定时间后产生的压缩永久变形。5.8.2测试方法5.8.2.1测量胶塞各唇片最大外径。5.8.2.2将胶塞装入与之匹配的水泥头或试验管柱内静置24h或者24h的倍数。5.8.2.3从水泥头或试验管柱下端缓慢取出胶塞，胶塞取出过程应避免撞击且不应反向。5.8.2.4胶塞自由状态静置恢复30min时，测量胶塞各唇片的最大外径。5.8.3测试结果5.8.3.1记录测试参数和结果，压缩变形试验记录表见表A.8。5.8.3.2压缩变形率按公式(3)计算：式中：Y——压缩变形率；d₀——每个胶塞唇片初始最大外径，单位为毫米(mm);d₁——每个胶塞唇片恢复后的最大外径，单位为毫米(mm);d₂——套管内径，单位为毫米(mm)。5.8.3.3压缩变形率应符合制造商设计要求。5.9防转能力试验5.9.1概述防转能力试验主要测试胶塞防转结构啮合后能够传递的最大扭矩值。5.9.2测试方法5.9.2.1胶塞防转能力试验示意图见图10,扶正套应能在下接头内自由旋转。a)单胶塞标引序号说明：1——扭矩仪；2——横梁；3——轴承；4——扭转杆；5——胶塞固定扭转帽；6——胶塞固定螺柱；7——扶正套；b)双胶塞8——胶塞；9——防转齿；10——碰压座；11——下接头；12—-夹紧固定装置；13——压紧块。图10防转能力试验示意图5.9.2.2连接试验工装，将胶塞装入并与碰压座完全啮合后，移动横梁使胶塞固定扭转帽与压紧块完全接触，用夹紧螺柱将胶塞固定，再将试验工装夹紧固定。5.9.2.3对胶塞施加扭矩至规定扭矩或防转结构破坏。5.9.2.4从试验工装内取出胶塞，检查胶塞下端防转齿形态。5.9.3.1记录测试参数和结果，防转能力试验记录表见表A.9。5.9.3.2测试结果应符合SY/T7084的规定或制造商设计要求。5.10可钻性能试验可钻性能试验主要测试胶塞在推荐钻头及钻进参数下被钻除的难易程度。5.10.2测试方法5.10.2.1胶塞可钻性能试验示意图见图11。标引序号说明：1——下接头；9——力传感器；2——碰压座；3——夹紧固定装置；11—-排液口；4——水泥石；12——压力计；5——胶塞；13——流量计；6——钻头；14——收集装置；7——试验管柱；15——储液罐；8——旋转钻进装置；16——试验泵。图11可钻性能试验示意图5.10.2.2连接试验工装，下接头装入与胶塞匹配的碰压座后，与试验管柱下端连接。胶塞装入试验管柱内，胶塞各唇片之间应充满水泥浆。5.10.2.3推动胶塞与碰压座接触或复合后，常温养护时间不少于48h。5.10.2.4胶塞固化后将试验工装固定在旋转钻进装置试验台上。5.10.2.5开启试验泵和旋转钻进装置，见表B.2推荐的钻头及钻进参数，或制造厂商和用户约定的钻头及钻进参数进行钻进。5.10.2.7检查胶塞碎片形态和钻头磨损情况。5.10.2.8钻头磨损按照SY/T5415的规定进行评定。5.10.3.1记录测试参数和结果，可钻性能试验记录表见表A.10。5.10.3.2胶塞可钻性能通过钻穿时间、钻头磨损分级和胶塞碎片大小进行综合评价，测试结果应符合制造商设计要求。(资料性)试验记录表机械固井胶塞试验记录表见表A.1～表A.10。表A.1穿透压力试验记录表产品类型规格型号编号生产单位生产日期试验地点环境温度标准规定或设计要求试验数据(结果)结论管柱内径/mm试验液体泵送排量/(L/s)泵送压力/MPa工作温度/℃保温时间/min破裂压力/MPa流通压力/MPa破裂情况备注：表A.2密封压力试验记录表产品类型规格型号编号生产单位生产日期试验地点环境温度标准规定或设计要求试验数据(结果)结论管柱内径/mm试验液体工作温度/℃保温时间/min试验压力/MPa保压时间/min压降/MPa外观形态备注：表A.3翻转压力试验记录表产品类型规格型号编号生产单位生产日期试验地点环境温度标准规定或设计要求试验数据(结果)结论管柱内径/mm试验液体工作温度/℃保温时间/min翻转压力/MPa旁通压力/MPa外观形态备注：表A.4承受回压能力试验记录表产品类型规格型号编号生产单位生产日期试验地点环境温度标准规定或设计要求试验数据(结果)结论管柱内径/mm试验液体复合载荷/复合压力工作温度/℃保温时间/min试验压力/MPa保压时间/min压降/MPa胶塞头与碰压座接触情况备注：