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摘要: 盘根密封是水龙头的关键环节,其性能直接影响水龙头的寿命和钻井速度。通过对国民油井公司的一种高压水龙头与现有水龙头密封结构的对比,综合分析了密封的破坏原因。按其工作原理,利用ANSYS 有限元工程分析软件分析了密封圈接触压力,指出了采用高压润滑油隔离泥浆的合理依据。针对目前国内水龙头在高压下密封寿命极短这一问题,提出了改进措施与方法,对于国内高压水龙头设计具有一定的参考价值。
关键词: 水龙头; 盘根装置; 高压; 磨料磨损; 动密封
石油钻井中的水龙头上部通过鹅颈管与水龙带、泥浆泵相连接,下部连接旋转中心管,向旋转着的钻柱内引输高压钻井液。水龙头盘根旋转动密封是水龙头设计的关键环节,密封介质为高压、磨砺性强的钻井液,盘根密封是转与不转的动密封。尤其是在高压下,钻井液盘根密封系统是水龙头的薄弱环节,其密封性能直接影响水龙头的寿命和钻井速度。
1 水龙头密封结构
1. 1 现有水龙头密封结构与工作原理
国内目前使用的水龙头大多采用液压自封式密封结构,如图1 ,在泥浆压力作用下 Y型密封圈唇部始终压紧冲管外壁,基本可以满足中深井工作要求。
图 1 Y 型密封圈结构
传统旋转钻井水龙头盘根密封结构如图 2 ,与泥浆接触的第1 级密封圈一侧承受全部泥浆压力,而背部则为大气压力,其他密封圈处于闲置状态,直到上一级密封圈失效,下一级密封圈就如同第1 级密封圈一样作用。
图 2 传统盘根密封结构
密封盘根与下密封盒一起随中心管旋转,冲管工作时不旋转,但允许略有轴向窜动,冲管磨损均匀。
1. 2 水龙头失效分析
根据现场使用情况,传统水龙头基本上能满足6 000 m 以下的钻井要求。但是,随着泥浆压力增高,传统水龙头寿命急剧减少,当压力升高到 35MPa时,冲管和盘根只能满负荷工作 100 h ,当泵压急剧升高时,通常只能维持50h。而当前钻井技术要求的泥浆压力非常高,因此,许多传统水龙头装置已经达不到使用要求。
分析其失效原因,主要是泥浆压力增大,磨损加剧,导致寿命减少; 另一方面是盘根转动惯量和离心力较大而引起的附加振动。
摩尔认为,两表面在相对滑动时,橡胶的磨损有3 种形式, 即磨料磨损、疲劳磨损、卷筒形成磨损。
水龙头的密封介质是磨砺性强的钻井液,磨粒磨损是盘根密封磨损的主要原因。根据拉宾诺维奇( Rabinowicz) 提出的磨料磨损简化模型,可以粗略解释来说明磨损率大小的相对变化。假设n 个具有顶角为 2θ的硬圆锥微凸体,在法向载荷F 的作用下,在σ sy为软材料的屈服应力软表面上的滑动距离为L ,则在软表面上除去的材料体积WV 为
可见,磨损量与法向载荷和滑动距离基本上成正比利用ANSYS 有限元软件,分析在不同泥浆压力下Y 型密封圈抱紧盘根的接触压力,分析模型简化为轴对称模型,如图 1。橡胶单元采用超弹性单元 HYPER56 , 模型中的接触单元由接触单元CONTA171 和目标单元TA RG E169 配对组成。分析中采用的橡胶材料模型为近似不可压缩弹性材料的Moo ney-Rirlin 模型,与材料的应变能偏量部分有关的2 个材料常数C1 和C2 分别为1 . 87 和0 . 47
图3 是泥浆压力为 15 MPa 下的密封圈 Von Mises应力和接触压力分布云图。
图 3 15 MPa下的密封圈 Von Mises 应力和接触压力
不同泥浆压力下的接触压力如表1 ,密封圈接触压力变化如图4。由表 1 和图 4 可见, Y 型密封圈接触压力高于泥浆压力,满足密封要求; 随着泥浆压力升高,Y 型密封圈抱紧盘根的接触应力相应增高,其磨损速度加快,导致水龙头的寿命极短。
综上分析,动密封不能单纯依靠密封结合面之间的间隙来实现密封,因为间隙愈紧密,对偶表面相对运动时的摩擦阻力就愈大,磨损快,使密封很快失效。因此动密封作用原理的要点是既要保持密封而又不产生较大摩擦磨损,包括减小密封两侧的压力差、使结合面之间保持流体润滑膜等。
图 4 密封圈接触压力
表 1 不同泥浆压力下的接触压力
2 新型液压密封结构
National Oilw ell 和 Kal si Engineering 公司设计的冲管盘根密封系统即新型液压密封结构,其设计压力达到52. 5 MPa ,工作寿命为传统水龙头盘根密封的5 倍。
2. 1 结构
如图5 ,冲管与旋转中心管刚性连接,上盘根盒与鹅颈管刚性连接; 下盘根为静密封,卡环保持冲管与调整环的相对径向位置,冲管与下盘根盒的径向间隙通常在0. 5 ～ 0 . 6 mm 之间,以保持冲管相对于中心管完全静止; 上盘根为动密封,上盘根盒和隔环的间隙通常在0 . 3 ～ 0. 4 mm 之间,当数值为0. 3 mm ,以允许一定的径向偏差。
图 5 国民油井公司的盘根密封结构
与传统水龙头相比,冲管随中心管旋转,动密封的盘根盒不转,冲管磨损比较均匀,避免了盘根转动惯量大可能引起的附加振动。
2. 2 原理
该冲管盘根密封系统通过给密封圈低压力侧提供增压润滑油来降低有效压差,提高密封寿命。高压润滑油压力是按泥浆比例预先确定的,其值在泥浆压力与大气压之间,通常设定每个密封圈都承受相同的压差。润滑油的压力一般都低于泥浆压力,防止润滑油压力过度而泄露。
由于泥浆液中含有固体颗粒,因此,与泥浆接触的第1 个密封圈的背压实际上高于泥浆压力。如图6 ,密封圈设计为“漂浮”在油上,很像汽车车轮在湿路上打滑; 少量的润滑油从密封圈渗出来,保证钻井泥浆液不和密封面接触; 冲管盘根实际上是通过润滑油的“适量泄露”来延长寿命的。
高压润滑油是由一套液压装置提供的,如图7。润滑油压力源来自泥浆压力,通过液压缸分配各级润滑油压力。每个与密封圈背部腔室相连的管道都配有止回阀,防止密封盘根的泥浆压力倒流回液压缸。
图 6 国民油井公司新型冲管密封结构
密封圈采用 Kalsi Engineering 公司开发的流体动压圈密封结构( 弹性橡胶流体动压径向密封圈),该结构有流体动压润滑和阻止磨粒侵入作用2个主要特点。利用流体动压效应,在动密封面之间形成一层能避免 2个相对运动表面直接接触的动压油膜,从而降低密封圈运行时的磨损和摩擦热[ 6 -7 ]。
图 7 国民油井公司盘根液压缸系统
2. 3 特点
a) 隔离密封系统 泥浆中含有大量固体颗粒,磨粒磨损是密封圈主要的磨损形式。因此,该液压冲管系统的密封首先采用隔离密封系统,在与泥浆接触的密封圈背部提供略高于泥浆压力的润滑油,冲洗泥浆,净化介质。工作时,通过润滑油适量的、有控制的泄露,使泥浆不和密封面接触,以阻止泥浆磨粒侵入到动密封面之间。
b) Kal si密封圈 Kalsi 密封圈主要有流体动压润滑和阻止磨粒侵入2 个作用。
3 结论与建议
1) Y 型密封圈接触压力高于泥浆压力,满足密封要求; 接触压力随泥浆压力增加而增大。
2) 采用高压润滑油隔离系统冲洗泥浆,净化介质; 在每一级密封圈背部提供高压润滑油,减小有效压差。
3) 动压圈密封结构利用动压效应能有效润滑。
4) 采用冲管旋转、盘根密封静止结构,减小旋转离心力,消除潜在振动。
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