張 凱

(上海蘭石重工機(jī)械有限公司,上海 201108)

隨著油氣鉆井作業(yè)深度的不斷增加,鉆井液的輸出壓力也隨之增加,導(dǎo)致傳統(tǒng)沖管盤根密封形式失效的難題急需解決。前人對沖管盤根密封所做的研究主要是分析盤根密封工作時的接觸應(yīng)力，改變密封材料或增加輔助措施來保護(hù)密封件等，在7 000 m以下井深工況，有限延長盤根密封使用壽命。

本文基于沖管盤根的密封原理，結(jié)合沖管盤根的工作特性，采用新的密封原理設(shè)計出適用于高壓、大線速度工況的盤根密封結(jié)構(gòu)，并建立有限元模型進(jìn)行分析。

1 傳統(tǒng)沖管盤根密封性能分析

傳統(tǒng)沖管的動密封部分主要由金屬壓套以及多組Y型密封圈并聯(lián)構(gòu)成。在鉆井液壓力的作用下，第1組Y型密封圈唇部緊貼沖管外壁進(jìn)行密封。當(dāng)?shù)?組密封失效后，第2組密封開始工作。此方法可滿足6 000 m以下井的作業(yè)要求[1]。隨著鉆井深度和鉆井液壓力的不斷增加，當(dāng)壓力達(dá)到35 MPa時，盤根密封只能連續(xù)工作100 h。當(dāng)泵壓繼續(xù)升高時，盤根密封只能連續(xù)工作50 h。當(dāng)前鉆井技術(shù)要求的鉆井液壓力非常高，傳統(tǒng)沖管盤根密封裝置已經(jīng)達(dá)不到使用要求[2-3]。因此，盤根密封壽命一直是研究頂驅(qū)及水龍頭的一個技術(shù)難點。文獻(xiàn)[1]中已詳細(xì)論述了傳統(tǒng)沖管盤根的密封原理和失效原因，本文不再做詳細(xì)分析。

2 新型沖管盤根設(shè)計計算

在12 000 m鉆機(jī)的頂驅(qū)研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)沖管盤根無論從結(jié)構(gòu)還是適應(yīng)壓力方面都已無法滿足12 000 m井深的作業(yè)工況要求。根據(jù)GB/T 31049—2014《石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動鉆井裝置》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鉆井液通道直徑和鉆井液循環(huán)通道工作壓力的規(guī)定[4]，12 000 m鉆機(jī)頂驅(qū)的鉆井液通道直徑(沖管內(nèi)徑)為89 mm，沖管外徑為115 mm，鉆井液循環(huán)壓力為52 MPa，設(shè)計出適用于12 000 m鉆機(jī)頂驅(qū)的新型沖管盤根密封結(jié)構(gòu)。

2.1 新型盤根密封結(jié)構(gòu)

圖1為新型沖管盤根[5]結(jié)構(gòu)，分為上、下盤根2部分。上盤根密封為靜密封，仍采用傳統(tǒng)密封形式。下盤根為旋轉(zhuǎn)密封，根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述失效原因，主要是鉆井液壓力增大和磨損加劇導(dǎo)致。

圖1 新型沖管盤根密封結(jié)構(gòu)

沖管的線速度為：

v=π·D·n

式中：v為沖管的線速度；D為沖管的外徑；n為沖管的轉(zhuǎn)速。

鉆井作業(yè)中轉(zhuǎn)速n(本文取100 r/min和210 r/min兩種轉(zhuǎn)速對比)保持不變時，隨著鉆井深度h和沖管直徑D的增大，密封圈與沖管之間的相對線速度v也在增大，進(jìn)一步加大高壓、大線速度工況下的密封難度。

在研發(fā)過程中，采用新的密封原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)有限元分析驗證，在12 000 m鉆井作業(yè)工況下，新型沖管盤根的連續(xù)使用壽命可達(dá)720 h。

2.2 工作原理

新型盤根密封的設(shè)計思路是先減壓，再密封，減小密封件兩側(cè)的壓力差[6-12],為密封圈營造出合適的壓力環(huán)境。整個旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)共分為3個區(qū)域，即，減壓區(qū)、導(dǎo)向減壓區(qū)和密封區(qū)，相應(yīng)的零件是減壓環(huán)、導(dǎo)向減壓環(huán)和VL密封圈(如圖2所示)。這些零件均由TRELLEBORG公司提供定制。

圖2 新型盤根密封結(jié)構(gòu)原理

圖2中，減壓區(qū)域由3個減壓環(huán)組成，導(dǎo)向減壓區(qū)由2個導(dǎo)向減壓環(huán)組成，密封區(qū)由3個VL密封圈組成。根據(jù)TRELLEBORG公司提供的數(shù)據(jù)可知，鉆井液每經(jīng)過1道減壓環(huán)，可降壓10%；經(jīng)過1道導(dǎo)向減壓環(huán)，可降壓5%；經(jīng)過1道VL密封圈，可降壓20%。以額定壓力52 MPa工況為例，經(jīng)過降壓后，VL密封圈3的工作壓力為21.9 MPa。壓降數(shù)據(jù)如表1所示。

2.3 有限元分析

馮·米塞斯認(rèn)為，當(dāng)某一點的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的等效應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到與應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)的定值時，材料就屈服?；蛘哒f，材料處于塑性狀態(tài)時，等效應(yīng)力始終是一不變的定值，這就是MISES屈服準(zhǔn)則[13]。MISES準(zhǔn)則數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(σx-σy)2+(σy-σz)2+(σz-σx)2+

表1 新型盤根密封系統(tǒng)的壓降數(shù)據(jù)(工作壓力)(室溫)

注：1)工況A鉆井液壓力52 MPa；

2)工況B鉆井液壓力105 MPa。

用主應(yīng)力表示為：

式中：σs為材料的屈服點；K為材料的剪切屈服強(qiáng)度；σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力；τxy、τyz、τzx為剪應(yīng)力。

與等效應(yīng)力比較可得：

上式可描述為:在一定變形條件下,當(dāng)受力物體內(nèi)一點的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時,該點開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。

按照新型沖管盤根密封結(jié)構(gòu)尺寸建立三維模型，并運用有限元分析軟件進(jìn)行以下3類MISES等效應(yīng)力計算：

1) 52、65、80、90 MPa工況下，單個VL密封圈二維靜態(tài)綜合應(yīng)力和接觸應(yīng)力情況。

2) 52 MPa、100 r/min工況下，單個VL密封圈三維動態(tài)MISES等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力情況。

3) 52 MPa、100 r/min，52 MPa、210 r/min和105 MPa、100 r/min工況下，整個旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)三維動態(tài)MISES等效應(yīng)力情況。

分析結(jié)果如圖3～9。

圖3 單個VL密封圈二維靜態(tài)MISES應(yīng)力

圖4 單個VL密封圈二維靜態(tài)接觸應(yīng)力

由圖3知，單個VL密封圈在52 MPa壓力情況下沒有發(fā)生擠壓變形；65 MPa時稍微有一點變形，但不明顯；80 MPa時可見有明顯變形產(chǎn)生；90 MPa時產(chǎn)生嚴(yán)重擠壓變形。圖4所對應(yīng)的接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。

圖5和圖6為單個VL密封圈在52 MPa、100 r/min工況下的分析結(jié)果。從圖5可知，單個VL密封圈在此工況下工作狀態(tài)良好，沒有產(chǎn)生塑性變形。

圖5 單個VL密封圈三維動態(tài)MISES應(yīng)力

圖6 單個VL密封圈三維動態(tài)接觸應(yīng)力

將盤根旋轉(zhuǎn)密封部分作為整個系統(tǒng)，更貼近實際工作情況，進(jìn)行3種不同工況的三維動態(tài)分析。圖7為密封系統(tǒng)在52 MPa、100 r/min工況下的分析結(jié)果，VL密封圖沒有擠壓變形現(xiàn)象發(fā)生，整個密封系統(tǒng)的密封性能非常好；圖8為密封系統(tǒng)在52 MPa、210 r/min工況下分析結(jié)果，無明顯擠壓現(xiàn)象產(chǎn)生，系統(tǒng)性能良好；圖9為密封系統(tǒng)在105 MPa、100 r/min工況下分析結(jié)果，VL密封圈擠壓變形非常嚴(yán)重，已無法正常分析計算。

圖7 密封系統(tǒng)52 MPa與100 r/min 工況的MISES應(yīng)力

圖8 密封系統(tǒng)52MPa與210 r/min 工況的MISES應(yīng)力

圖9 密封系統(tǒng)105 MPa與100 r/min 工況的MISES應(yīng)力

3 結(jié)論

1) 有限元分析證明，在鉆井液額定循環(huán)壓力52 MPa和沖管額定轉(zhuǎn)速100 r/min工況下，新型沖管盤根的性能優(yōu)越，完全滿足12 000 m鉆機(jī)頂驅(qū)的正常作業(yè)要求。在52 MPa與210 r/min(高壓、大線速度)工況下仍能保證良好密封性能。

2) 該新型沖管盤根采用逐級減壓，再密封原理，解決了傳統(tǒng)沖管盤根密封無法實現(xiàn)的高壓旋轉(zhuǎn)密封難題。

3) 新型沖管盤根密封的使用壽命是傳統(tǒng)盤根密封的3～4倍。

4) 在高壓沖管盤根密封研究方面，今后應(yīng)傾向于研發(fā)滿足高壓工況的機(jī)械密封裝置，使用壽命大于現(xiàn)有盤根密封10倍以上。