盘根在水龙头自封式密封结构上的应用

　　钻井水龙头下部通过保护接头连接井下钻具,上部通过鹅颈管与水龙带相连接。水龙头通过提环挂在大钩上,它悬持转动着的钻杆柱承受大部分以至全部钻具质量,向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液。它是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的关键部件,在钻机组成中处于重要的地位。大量的钻井实践表明,水龙头的寿命和性能主要取决于主轴承的结构类型、轴承布置方案和钻井液密封系统的结构形式。特别是高压钻井液密封系统(或称冲管总成)必须工作可靠, 寿命长, 更换快速方便。

　　目前,我国生产的水龙头基本上都采用 Y 型液压自封式密封结构,其密封性能和使用寿命与钻压有关。一般钻井条件下,泥浆压力为21 MPa ,冲管和盘根可以持续工作800 h 。当压力升高到35 MPa时,冲管和盘根只能满负荷工作 100 h ,当泵压急速升高时,通常只能持续50 h 。另外,由于加工制造等方面的原因,有可能造成盘根盒与冲管、冲管与隔环之间的同心度误差,由此导致密封圈和冲管过度磨损,从而增加停钻和更换次数,影响钻进速度。

　　从其工作原理来看,所有的工作压力首先集中在一个密封圈上,直到这个密封圈磨损后,所有的压力又集中在下一个密封圈上,如此依次作用,待所有的密封圈都失效后进行更换。由于冲管密封属于高压动密封结构,密封盘根又是集中受压,密封的快速损坏已经成为影响水龙头使用寿命和更换时间的一个重要的制约因素,钻井水龙头常见故障很大部分来自于密封失效。

　　图1 为西南石油大学机电工程学院设计的一种水龙头自封式密封结构，采用浮动冲管、 V 型液封盘根和快卸结构。当将上、下盘根盒向中间旋出时，能够连同冲管一起取出，很容易更换盘根或冲管，不需拆卸鹅颈管和水龙头接头。冲管用螺母压在上盖支架法兰下面的鹅颈管上,固定不转，而盘根盒则随中心管一起旋转。耐油橡胶(或聚胺酯橡胶)制成的4～ 5 个V 型密封圈用45 号钢制成的隔环分开,这种密封圈具有液压自封作用,即在泥浆液压力作用下其唇部始终压紧冲管外壁,在密封圈不断被磨损的情况下，其唇部仍能依靠液压涨开，保证密封。由于盘根盒、冲管、螺纹等的同心度和圆柱度精度较高，所以可保证磨损量低和耐高压。