朱麟杰(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

浮式鉆井系統(tǒng)水下井口安裝時(shí)，隨著不同尺寸套管懸掛器逐層進(jìn)行安裝，各層套管懸掛器與井口本體之間形成環(huán)空間隙，為了防止環(huán)空間隙出現(xiàn)流體泄漏，須設(shè)計(jì)相應(yīng)的耐高壓密封件對(duì)水下井口和套管懸掛器之間的環(huán)空間隙進(jìn)行密封，該類環(huán)空密封件對(duì)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用。侯超等[1]對(duì)水下井口系統(tǒng)用主要密封裝置進(jìn)行研究，總結(jié)出密封材料選取、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封裝置加工及密封裝置下方技術(shù)等水下井口系統(tǒng)密封技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。李振濤[2]對(duì)油管懸掛器MEC密封結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)及性能進(jìn)行研究，通過ABAQUS軟件對(duì)34.5 MPa，20～120 ℃的工況條件下不同壓縮量、不同油壓等參數(shù)條件密封件的密封性能進(jìn)行有限元分析，得到了此型密封件較為合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。張凱等[3]對(duì)水下采油樹油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)作介紹，并結(jié)合國外著名制造公司的產(chǎn)品對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行詳盡分析，對(duì)比了不同類型密封件的性能，總結(jié)出水下生產(chǎn)系統(tǒng)密封的關(guān)鍵技術(shù)及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國際上水下生產(chǎn)系統(tǒng)使用的密封件主要有金屬密封件和非金屬密封件兩種形式。本文設(shè)計(jì)一種金屬與非金屬組合密封件，對(duì)水下井口組合密封件的密封結(jié)構(gòu)和力學(xué)分析作了深入研究，并結(jié)合壓力/溫度循環(huán)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，輔以有限元分析進(jìn)行驗(yàn)證，得到較為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，以期推動(dòng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)空密封件國產(chǎn)化進(jìn)程。

1 水下井口金屬與非金屬組合環(huán)空密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的深海油氣開采過程中，水下井口安裝到位后，應(yīng)安裝相配的承載環(huán)，隨后按照尺寸由大到小的順序?qū)⑾鄳?yīng)尺寸的套管掛依次下入至水下井口中。此時(shí)在水下井口和每一層套管掛之間均形成環(huán)空間隙。鉆井過程中遇到的高壓油氣會(huì)通過這些環(huán)空間隙沖擊環(huán)空密封，如若環(huán)空密封失效，輕則造成油氣泄漏，產(chǎn)生污染，重則發(fā)生爆炸，造成人員傷亡。

為了防止此類情況發(fā)生，在每一層套管掛和水下井口之間形成的環(huán)空間隙均應(yīng)安裝環(huán)空密封件，在每一層套管掛安裝完成后，下入一個(gè)井口環(huán)空密封包。密封包安裝到位后，金屬與非金屬組合密封件被激發(fā)，密封件與接觸面發(fā)生擠壓(產(chǎn)生彈性形變)形成預(yù)密封，同時(shí)兩道鎖緊環(huán)被撐開，分別進(jìn)入水下井口和套管掛上設(shè)置的限位槽，起到對(duì)井口密封包限位的作用。水下井口環(huán)空密封具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下井口環(huán)空密封結(jié)構(gòu)示意(激發(fā)狀態(tài))

井口環(huán)空密封包的核心部件是金屬與非金屬組合密封件，其主要結(jié)構(gòu)由彈性橡膠體和包裹在橡膠外的金屬外殼組成。本設(shè)計(jì)中金屬外殼的材料選用316 L，橡膠體材料選用改性HNBR(碳納米管作為增強(qiáng)基)。橡膠通過硫化的方式與金屬外殼相粘合，具體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 水下井口組合環(huán)空密封件結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)水下井口與套管懸掛器之間的環(huán)空間隙出現(xiàn)高壓油氣泄漏時(shí)，由于此時(shí)密封件依靠初始安裝時(shí)外界提供的徑向預(yù)緊力，已被激發(fā)，形成預(yù)密封，密封保持完整。當(dāng)高壓油氣泄漏積累到一定程度時(shí)，介質(zhì)壓力會(huì)周向施加在金屬外殼上，此時(shí)，壓力會(huì)傳導(dǎo)至金屬外殼包裹的橡膠體部分，使該部分形變加劇，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，保持密封。

2 組合環(huán)空密封件受壓過程有限元模擬分析

根據(jù)應(yīng)用情況，用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)組合環(huán)空密封件安裝到位時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行模擬分析，并對(duì)其軸向及徑向位移進(jìn)行計(jì)算以確定密封性能和強(qiáng)度。

2.1 有限元模型設(shè)定

給定密封件橫截面內(nèi)外徑與密封溝槽尺寸相匹配，密封件安裝時(shí)，設(shè)定一個(gè)軸向載荷作用于組合密封件上部金屬外殼端面，將環(huán)空擠壓受到的徑向載荷設(shè)定為靜載荷，并將其施加在同軸心的模型上(該模型尺寸與實(shí)際密封件尺寸一致)，從而最大限度的模擬實(shí)際受壓過程，充分表現(xiàn)物理密封特性，得到較為合理的結(jié)果[4]，圖3為所設(shè)置計(jì)算模型。

圖3 有限元分析計(jì)算模型

2.2 分析驗(yàn)證

2.2.1 密封件密封性能分析

組合密封件安裝到位后，無流體壓力，僅受到環(huán)空擠壓，發(fā)生形變并產(chǎn)生應(yīng)變，形成預(yù)緊力，產(chǎn)生預(yù)密封，此時(shí)應(yīng)通過密封位置密封件的過盈量來判斷密封件的密封是否起效。圖4是組合密封件安裝到位時(shí)，徑向位移云圖。

圖4 安裝到位時(shí)組合密封件徑向位移

由圖4可知，密封件安裝到位時(shí)，受環(huán)空擠壓，整體均出現(xiàn)徑向位移，其中最大徑向位移出現(xiàn)在組合密封件橡膠體中段凸起部分，且外側(cè)徑向位移大于內(nèi)測徑向位移。具體數(shù)值為外側(cè)最大位移1.092 2 mm，內(nèi)測最大位移0.657 2 mm，在設(shè)計(jì)過程中，給予環(huán)空密封的過盈量一般為單側(cè)0.5 mm，由此可知，組合密封件安裝到位后即形成密封，且密封性能優(yōu)良。

圖5是組合密封件安裝到位時(shí)，軸向位移云圖。

圖5 安裝到位時(shí)組合密封件軸向位移

由圖5可知，當(dāng)設(shè)定載荷開始作用于組合密封件上部金屬外殼端面至密封件安裝到位，整體軸向位移為6.392 6 mm。由于組合密封件為中心對(duì)稱設(shè)計(jì)，所以密封件整體軸向位移呈對(duì)稱分布，形態(tài)較為穩(wěn)定，但越靠近軸向載荷作用面，則位移相對(duì)較大。

圖6是組合密封件安裝到位時(shí)，整體形變?cè)茍D。

由圖6可知，密封件安裝到位時(shí)，整體形態(tài)較為穩(wěn)定，各對(duì)稱位置形變較為均勻，兩端金屬骨架起到了支撐的作用，金屬骨架與橡膠之間未撕裂，橡膠部分也未被擠出，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

2.2.2 對(duì)模擬計(jì)算的分析

下面通過對(duì)密封件激發(fā)狀態(tài)時(shí)應(yīng)力及應(yīng)變分析驗(yàn)證其密封性能及強(qiáng)度。圖7是組合密封件激發(fā)狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布云圖。

圖6 安裝到位時(shí)組合密封件整體形變

圖7 組合密封件激發(fā)狀態(tài)應(yīng)力分布

觀察圖7可知，組合密封件正確激發(fā)時(shí)，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在兩端金屬外殼腔體外沿處[5]，最大值為120.79 MPa，小于金屬外殼選用材料316L的許用強(qiáng)度，表明密封件激發(fā)狀態(tài)時(shí)，金屬外殼能夠保持形態(tài)完整和功能穩(wěn)定。彈性橡膠體所受應(yīng)力最大為13.448 MPa，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在金屬外殼與橡膠硫化粘合的位置，小于碳納米管改性氫化丁晴橡膠的拉伸強(qiáng)度[6]，表明此時(shí)橡膠形態(tài)穩(wěn)定，與金屬殼體的粘合保持緊密，密封性能良好。

分析認(rèn)為，模擬計(jì)算設(shè)置的條件是單個(gè)密封件以初始狀態(tài)在設(shè)置好的溫度條件及工作狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力分析，在該條件下，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，但并不能體現(xiàn)循環(huán)試驗(yàn)對(duì)密封件性能的測試。即單個(gè)密封件在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷多個(gè)不同溫度下的保壓過程后，其密封性能的表現(xiàn)。并且對(duì)于組合密封件中起主要密封作用的橡膠部分，密封件的應(yīng)力分布并不能作為判斷密封性能是否達(dá)標(biāo)的主要因素，其主要是能夠體現(xiàn)密封件受到流體壓力時(shí)，自身發(fā)生形變以實(shí)現(xiàn)密封時(shí)所受到的干擾。

圖8 組合密封件激發(fā)狀態(tài)應(yīng)變分布

圖9 組合密封件激發(fā)狀態(tài)應(yīng)變峰值點(diǎn)

此時(shí)，用應(yīng)變作為主要參考因素通常比應(yīng)力更能體現(xiàn)整體密封性能。密封件激發(fā)狀態(tài)的應(yīng)變?cè)茍D峰值點(diǎn)如圖8所示，該狀態(tài)下的應(yīng)變峰值點(diǎn)如圖9所示。

由圖8及圖9可知，組合密封件的密封性能主要通過橡膠體的大幅形變與密封面過盈配合實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)變的峰值出現(xiàn)在金屬殼與橡膠硫化粘合的位置。

可以推斷在實(shí)際工況條件下，密封件激發(fā)時(shí)，由于彈性模量相差較大，應(yīng)變峰值處的金屬與橡膠形變量相差較大，此處可能出現(xiàn)橡膠被撕裂，甚至發(fā)生橡膠與金屬外殼脫落的情況，從而對(duì)密封效果產(chǎn)生不良影響，進(jìn)一步地分析還需要通過仿真試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 井口環(huán)空密封件壓力/溫度循環(huán)仿真試驗(yàn)

根據(jù)章節(jié)2分析結(jié)果，按照API-SPEC 17D標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)金屬與非金屬組合環(huán)空密封件進(jìn)行壓力/溫度循環(huán)試驗(yàn)以驗(yàn)證其在仿真試驗(yàn)中的密封效果[7]。

3.1 工裝壓力容器設(shè)計(jì)

為了模擬實(shí)際工況，即測試組合密封件對(duì)水下井口和套管懸掛器環(huán)空間隙發(fā)生泄漏時(shí)的密封效果，設(shè)計(jì)如圖10所示的壓力容器作為試驗(yàn)工裝。實(shí)際生產(chǎn)中，介質(zhì)壓力來自于井下，所以設(shè)置#1、#2端口為打壓孔，#3端口為觀察孔。

由章節(jié)2.2.1及密封安裝細(xì)節(jié)可知，當(dāng)環(huán)空密封安裝到位時(shí)，密封件已激發(fā)，形成預(yù)密封。

3.2 壓力/溫度循環(huán)仿真試驗(yàn)過程

3.2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

選取氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)介質(zhì)，以更好地觀察試驗(yàn)全過程是否出現(xiàn)泄漏；試驗(yàn)溫度為V級(jí)(2～121 ℃)；在測試前應(yīng)確保“壓力/溫度測試設(shè)備”的系統(tǒng)承壓完整性，以更好模擬實(shí)際工況[8]。工裝內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，確保試驗(yàn)過程中正確監(jiān)視對(duì)象內(nèi)部溫度，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖10 井口環(huán)空密封試壓工裝及密封件安裝細(xì)節(jié)

圖11 壓力/溫度循環(huán)測試試驗(yàn)裝置

3.2.2 試驗(yàn)過程

用接口#1進(jìn)行升降壓，此時(shí)應(yīng)將接口#2封死，將接口#3留作觀察口。確保圖表記錄器可以持續(xù)記錄腔體內(nèi)壓力及溫度數(shù)據(jù)。

(1)高溫保壓階段：從室溫和大氣壓力下開始加熱整個(gè)裝置，升溫至121 ℃(核實(shí)溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即每分鐘溫度變化小于0.5 ℃，并且持續(xù)保持30 min)。從接口#1處通過氣泵加壓達(dá)到試驗(yàn)壓強(qiáng)68.9 MPa，保壓至少1 h(當(dāng)每小時(shí)試驗(yàn)壓強(qiáng)變化不大于2.1 MPa，應(yīng)認(rèn)為壓力穩(wěn)定。在整個(gè)保壓期間，每小時(shí)壓強(qiáng)變化應(yīng)保持在2.1 MPa以內(nèi))。之后釋放壓力。注意整個(gè)試驗(yàn)階段需要保持溫度在121～132 ℃之間。

(2)低溫保壓階段：冷卻整個(gè)裝置，降溫至2 ℃(核實(shí)溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)每分鐘溫度變化小于0.5 ℃，并且持續(xù)保持30 min)。從接口#1處通過氣泵加壓到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h(當(dāng)每小時(shí)試驗(yàn)壓力變化不大于2.1 MPa，應(yīng)認(rèn)為壓力穩(wěn)定。在整個(gè)保壓期間，每小時(shí)壓力變化應(yīng)保持在2.1 MPa以內(nèi))。之后釋放壓力。注意整個(gè)試驗(yàn)階段需要保持溫度在2～-1 ℃之間。

(3)帶壓升溫至高溫保壓階段：升溫至室溫。從接口#1處通過氣泵注入氮?dú)?，加壓到試?yàn)壓力68.9 MPa。加熱裝置，升溫至121 ℃，升溫過程中，要保持50%～100%的試驗(yàn)壓力(34.5～68.9 MPa)。在接口#1處通過氣泵加壓達(dá)到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h。

(4)帶壓降溫至低溫保壓階段：降溫至-18 ℃。降溫過程中，要保持50%～100%的試驗(yàn)壓力(34.5～68.9 MPa)。在接口#1處通過氣泵加壓到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h。

(5)帶壓升溫階段：加熱整個(gè)裝置，升溫至室溫，升溫過程中，要保持50%～100%的試驗(yàn)壓力(34.5～68.9 MPa)。然后釋放壓力。

(6)重復(fù)(1)，即由常溫升溫至121 ℃，溫度穩(wěn)定后打壓至68.9 MPa，進(jìn)行保壓。保壓完成后釋放壓力。

(7)重復(fù)(2)，即降溫至2 ℃，溫度穩(wěn)定后打壓至68.9 MPa，進(jìn)行保壓，保壓完成后釋放壓力。

(8)常溫保壓階段：升溫至室溫，溫度穩(wěn)定后，在接口#1處通過氣泵加壓到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h，確保壓力穩(wěn)定，壓力穩(wěn)定周期至少1 h。保壓完成后泄壓至零。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

測試結(jié)果應(yīng)滿足API-SPEC 17D水下井口裝置和采油樹設(shè)備的規(guī)范中所規(guī)定的要求，如保壓期間發(fā)生可見泄漏，或保壓期間初始試驗(yàn)壓力及壓力監(jiān)控儀表顯示的壓降速率超出規(guī)范要求，則該次試驗(yàn)失敗，測試需重新進(jìn)行。

圖12是第一次高溫保壓階段及第一次低溫保壓階段(3.2.2章節(jié)中(1)、(2))試驗(yàn)曲線，觀察曲線圖可知，整個(gè)階段保壓過程穩(wěn)定，表明該過程中密封穩(wěn)定可靠。

圖13是第二次高溫保壓，第二次低溫保壓階段(3.2.2章節(jié)中(3)、(4))試驗(yàn)曲線，與第一階段有所區(qū)別的是，該階段升、降溫過程均為帶壓，更接近實(shí)際工況。觀察曲線圖可知，整個(gè)階段保壓過程穩(wěn)定，表明該過程中密封穩(wěn)定可靠。

圖14是第三次高溫保壓，第三次低溫保壓以及最后常溫保壓階段試驗(yàn)曲線，該階段模擬井口環(huán)空組合密封在經(jīng)歷多次溫度/壓力循環(huán)后，自身密封性能是否保持，對(duì)密封件整體的綜合力學(xué)性能及高低溫拉伸性能要求極高。觀察曲線圖可知，整個(gè)階段保壓過程穩(wěn)定，表明該金屬與非金屬組合密封件設(shè)計(jì)能夠滿足水下井口與套管掛之間的環(huán)空間隙密封要求。

圖12 第一次壓力/溫度循環(huán)測試試驗(yàn)曲線

圖13 第二次壓力/溫度循環(huán)測試試驗(yàn)曲線

圖14 第三次壓力/溫度循環(huán)測試及常溫測試試驗(yàn)曲線

由壓力/溫度循環(huán)測試的結(jié)果可知，該組合密封件能夠在實(shí)際工況下有效密封水下井口與套管掛之間形成的環(huán)空間隙。

試驗(yàn)完成后，拆除試驗(yàn)工裝并對(duì)密封總成進(jìn)行拆分，將組合密封件單獨(dú)拆解并進(jìn)行測量和觀察，發(fā)現(xiàn)組合密封件被環(huán)空擠壓變形后的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相符合，但其內(nèi)、外側(cè)金屬外殼與橡膠體粘合的部位，一些位置出現(xiàn)撕裂，具體情況如圖15所示。但從試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)組合密封件整體密封效果沒有影響，這與有限元分析的分析結(jié)果相吻合，也為該型密封件后續(xù)改進(jìn)提供了方向。

圖15 壓力/溫度循環(huán)測試完成后組合密封件狀態(tài)

4 結(jié)語

水下井口與多層套管懸掛器之間的環(huán)空密封是否能夠有效實(shí)現(xiàn)直接關(guān)系到水下生產(chǎn)系統(tǒng)能否安全生產(chǎn)。本文所述有限元分析及仿真壓力/溫度循環(huán)測試過程和結(jié)果為該類水下井口組合環(huán)空密封件的實(shí)際應(yīng)用和國產(chǎn)化進(jìn)程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(1)組合密封件相比單一的金屬密封件或非金屬密封件，更能適應(yīng)從低壓到高壓的全過程密封需求。安裝到位，即受環(huán)空擠壓產(chǎn)生初始密封力，形成預(yù)密封，并且隨著流體壓力上升，其密封功能被完全激發(fā)。

(2)金屬骨架的設(shè)計(jì)使用是合理且必要的，可以有效支撐、包裹橡膠部分，以免受到高壓時(shí)，密封件被擠出導(dǎo)致密封失效。

(3)HNBR材料在高溫121 ℃時(shí)，發(fā)生熱膨脹，膨脹量比較大，密封效果好，低溫2 ℃時(shí)，橡膠體發(fā)生收縮，膨脹量小或者幾乎不膨脹，橡膠變形量小，且短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷高低溫循環(huán)，橡膠的性能回復(fù)較慢。所以壓力/循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照API 17D相關(guān)規(guī)定，其升降溫過程應(yīng)盡可能的模擬實(shí)際工況，避免出現(xiàn)急劇的升溫和降溫過程，使橡膠部分發(fā)生撕裂，從而影響密封。

(4)密封件在實(shí)際工況中，受壓力而產(chǎn)生應(yīng)變的峰值出現(xiàn)在金屬外殼與橡膠硫化粘合的位置，該位置為密封失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。金屬外殼與橡膠相粘合的部位結(jié)構(gòu)應(yīng)加以改進(jìn)，使其結(jié)合更緊密，同時(shí)橡膠的改性增強(qiáng)及硫化工藝也有待改善。