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                  油田提升設備用泥漿盤根的優化設計
                  添加:2022-3-30 9:18:26    游覽:304    來源:網絡

                    摘 要:分析了油田提升設備用泥漿盤根的密封原理和密封失效的原因。通過對傳統泥漿盤根的結構優化設計和成型工藝的摸索,研制出了耐高壓、耐磨、使用壽命長的泥漿盤根產品。

                    關鍵詞:泥漿盤根;密封失效;結構優化

                    近年來,伴隨著油田和氣井鉆采深度的增加,井下溫度越來越高,井內壓力、泥沙的沖刷、原油及腐蝕性介質的侵蝕,對設備的安全可靠性也提出了更高的要求。提升設備作為井上設備,在鉆井中是不可或缺的,而泥漿盤根作為最主要的密封件,是該設備中最薄弱的環節之一。傳統泥漿盤根基本上能滿足不超過3000m 井深的鉆井要求,但隨著鉆井深度的不斷提高,井下壓力急劇增高,泥漿盤根的使用壽命急劇縮短,許多傳統的密封件已經達不到使用要求。

                    目前,我國提升設備用密封件主要依賴進口,嚴重制約我國在石油、天然氣等領域的發展。本工作擬通過對泥漿盤根密封原理和密封失效的原因分析,研制出滿足國內中深井要求的耐高壓泥漿盤根,提升我國工程裝備制造業的技術水平。

                    1 泥漿盤根密封原理

                    泥漿盤根采用液壓自封式密封結構,下部壓環通過螺紋預緊后,盤根唇部張開,產生一定的預密封作用。當下部泥漿壓力作用于盤根時,預緊力加大,密封唇口進一步張開,產生相應的自密封作用。在泥漿壓力作用下其唇部始終壓緊沖管外壁,用以隔絕泥漿,見圖1。盤根密封結構見圖2,密封盤根與下密封盒一起隨中心管旋轉,沖管工作時不旋轉,但允許略有軸向竄動,沖管磨損均勻。與泥漿接觸的下部第1級密封圈一側承受全部泥漿壓力,而背部則為大氣壓力,其他密封圈處于閑置狀態,直到上一級密封圈失效,下一級密封圈就如同第1級密封圈一樣作用。

                  圖1 泥漿盤根產品結構

                  圖2 泥漿盤根密封結構示意圖

                    2 密封失效原因分析

                    造成泥漿盤根密封失效主要有以下幾方面因素:密封圈主體材料、密封圈結構、泥漿壓力、泥漿成分、沖管表面光潔度、偏心及跳動量。

                    2.1 密封圈主體材料

                    目前國內提升設備用泥漿盤根主要有高硬度純橡膠件、聚氨酯純膠件和橡膠織物復合件3大類。

                    純橡膠類盤根彈性好,在低壓、低轉速工況下,運轉情況良好,但應用于高壓情況時,由于材料模量低,耐壓不足,加上唇口密封部位磨損嚴重,同時受高溫及油氣等腐蝕性介質的作用,橡膠材料發生溶脹和軟化等變化,使產品的使用壽命縮短。

                    純聚氨酯類盤根彈性優異,耐磨性優良,用于中高壓情況時密封性能優良,但由于聚氨酯材料耐高溫耐水性較差,受力破壞時易掉塊,因此其使用壽命也不是很理想。

                    橡膠織物復合類盤根與前兩種純膠件相比,最大的優點在于其耐磨性和耐高壓性良好,因此該類盤根更適用于高壓工況下使用。但織物類盤根最大的缺點是其工作一段時間后,密封部位產生應力松弛,密封面磨損后接觸面不光滑,導致密封唇口的接觸應力下降,最終發生密封泄漏。

                    2.2 盤根結構

                    結構設計時,盤根密封唇口與沖管留有一定的過盈量,產品安裝預緊后,唇口部位與沖管內壁屬于過盈配合,因此,產品唇口與沖管之間的過盈量是最關鍵的一個參數。過盈量越大,產品安裝時越困難,設備運轉時,摩擦力越大,產品較容易磨損,使用壽命會降低;過盈量小,產品安裝容易,但兩者界面之間的接觸應力會減小,導致密封應力不夠,同樣也會影響產品的密封。

                    唇口部位的厚度也是結構方面影響盤根使用壽命的一項關鍵因素。唇口部位越厚,張開需要更大的應力,對高壓密封越有利。

                    2.3 泥漿壓力、泥漿成分的影響

                    隨著鉆井深度的增加,井下的泥漿壓力和溫度也隨之增大,盤根與沖管間的摩擦力也相應的增大,密封部位磨損加劇,導致產品使用壽命縮短。

                    由于產品密封的介質為硫化氫、二氧化碳、烴烷、柴油、胺緩蝕劑、蒸氣以及酸類復合、腐蝕性介質,對材料會造成溶脹、微觀破壞等影響,勢必會對產品的壽命造成非常重要的影響。

                    2.4 軸的偏心和跳動量、沖管光潔度

                    盤根工作時,下盤根盒與盤根一起旋轉,沖管保持靜止,由于轉動時產生的偏心和軸的跳動量,盤根會產生較大的附加振動,這樣的振動也會造成密封失效。

                    表面光潔度較差的沖管會加劇密封面的磨損,會增大其與密封面的摩擦力,不利于產品實現密封。

                    3 盤根結構優化設計

                    考慮到以上諸多因素的影響,本工作從以下幾方面著手,對盤根的結構進行改進。

                    3.1 盤根結構優化

                    泥漿盤根工作時,唇口部位與旋轉軸接觸(某規格產品裝配圖見圖3~4),屬于旋轉動密封,其密封介質為高壓、摩損性強的鉆井液、泥沙、原油等,所以該產品對耐磨、承壓性要求非常高。結合橡膠和織物兩類產品的結構特點,泥漿盤根主體采用織物結構,以滿足其耐高壓和耐磨等嚴格要求,同時,為杜絕外部泥沙等介質滲入設備內部,產品外側采用橡膠層對泥沙等進行隔離。設計的泥漿盤根結構見圖5。

                  圖3 盤根裝配圖

                  圖4 隔環尺寸

                  圖5 泥漿盤根構造圖

                    3.2 織物的選取

                    傳統的織物類盤根多采用棉帆布作為主體材料[1]。棉帆布雖然與橡膠的粘合性能優良,但其強度、延伸率較差,高壓下抗蠕變性較差,因此高壓下產品會出現唇口部位側翻甚至密封泄漏等問題。化纖布的強度、伸長率和耐磨性都很好,但其與橡膠的粘接性能較差,熱收縮大,產品的尺寸穩定性差。綜合棉帆布和化纖布兩者的特點,選擇采用棉帆布與化纖布交替疊加的結構,以保證盤根高耐磨、高承壓和良好粘合性能等要求。

                    3.3 唇口過盈量

                    泥漿盤根工作時,外部與靜止的缸體接觸,屬于靜密封,而密封唇口與旋轉軸接觸,屬于旋轉動密封[2]。工作時,系統內壓力及軸轉速都非常高,所以,內外唇口的過盈量取值非常關鍵。過盈量取值小時,唇口與金屬面的接觸應力小,不足以密封泥沙等介質;過盈量較大時,接觸面過大,會加劇唇口部位的磨損,也會影響產品的使用壽命。夾布類制品一般用于高壓密封的場合,其過盈量的取值一般要略大于純膠類制品,同時,產品與下盤根盒間的過盈量應略小于沖管間的過盈量,因此,結合以上所述,產品與下盤根盒間的過盈量一般在1.5%~2%,而與沖管的過盈量一般在2.5%~3%范圍內。

                    3.4 唇口與沖管間的夾角

                    唇口與沖管間的夾角見圖6。該角度較小時,高壓工作時,相對接觸面積增大,此種情況下,有利于產品的密封,但同時會加劇磨損,影響產品的使用壽命;該角度取值較大時,工作時,唇口與軸的接觸面積減小,不利于密封。該角度取值按經驗一般為5°~8°,在此范圍內一般可保證產品的有效密封,也不會對產品的使用壽命有太大的影響。

                  圖6 唇口與沖管間夾角

                    3.5 其他因素

                    泥漿盤根的斷面圖見圖7。包括根部高度(H)、唇部厚度(S)、內側倒角(R)等。高壓密封時,根部高度較小、唇口較薄時,受壓后,產品易從根部或唇部打斷,所以必須保證根部高度和唇口的厚度,以保證產品在正常使用時不至于損壞。內側倒角若直接選擇倒角時,頂點部位會存在應力集中,可能會導致從尖點部位打爛,因此此處選擇圓弧過渡,使作用力平均分布在圓周上,這樣更有利于延長產品的使用壽命。

                  圖7 盤根斷面圖

                    按以上所述,并結合裝配尺寸,最終設計的某規格產品結構見圖8。

                  圖8 優化后產品結構及尺寸

                    4 盤根用橡膠材料的研發

                    設備工作時,受到泥沙等的沖刷,因此對橡膠材料的耐磨性能要求也很高。另一方面,密封件在工作時接觸大量的原油、天然氣及腐蝕性氣體,故膠料還要求具有防腐、耐油性能。考慮到以上諸多因素,配方設計時,主體材料選用丙烯腈含量中等的丁腈橡膠,兼顧其耐油和耐低溫的要求;同時考慮到產品在長期受力情況下較低的壓縮永久變形和加工安全性,膠料采用硫黃和過氧化物復合的硫化體系,并配以高防護效果的防老劑以提高材料的耐老化性能;為了滿足膠料的加工工藝性能,補強體系選用噴霧炭黑和快壓出炭黑。

                    按照該思路設計的膠料配方及測試數據見表1。

                  表1 膠料性能

                    5 泥漿盤根成型工藝

                    泥漿盤根結構較為復雜,由于該產品主體材料為織物,產品的斷面尺寸較厚,因此半成品的制備比較關鍵。最終確定成型工藝見圖9。

                  圖9 泥漿盤根成型工藝

                    6 裝機考核驗證

                    采用優化后的產品結構、橡膠材料及成型工藝生產的某規格泥漿盤根產品,已通過打壓試驗(試驗壓力78MPa),并已通過實際裝機考核試驗,滿足高壓52MPa下的使用要求,經試用后,產品使用壽命約為30d(傳統密封件使用壽命約為10~15d),用戶反映良好。

                    7 結論

                    1)油田提升設備用泥漿盤根屬于液壓自封式密封結構,密封圈主體材料、密封圈結構、泥漿壓力、沖管表面光潔度、轉動慣性和離心力等因素會造成泥漿盤根密封失效;

                    2)通過對傳統盤根結構優化、橡膠新材料的研發及成型工藝的摸索,研制的泥漿盤根經實際裝機考核驗證,滿足高承壓的使用要求,有效提高了產品的使用壽命。

                    參考文獻:

                    [1] 謝遂志,劉登祥,周鳴巒.橡膠工業手冊(第1分冊)[M].北京:化學工業出版社,1992.

                    [2] 林孔勇,金晟娟,梁星宇.橡膠工業手冊(第6分冊)[M].北京:化學工業出版社,1993.

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