液壓及密封技術在石油機械中的應用

摘 要： 本文重點介紹流體動壓徑向密封技術是基于流體動壓效應衍生和發展起來的機械原理，對常規的徑向密封圈有較好的替代作用，能夠解決常規機件中存在的隱患及弊端，特別是對于空間有限、磨損嚴重和作業量大等工作場合，具有廣泛的適用性和操作性。本文重點結合流體動壓徑向密封技術在石油機械的應用情況進行研究。

關鍵詞： 流體動壓； 徑向密封技術； 石油機械

隨著石油開采企業開始進入精細化發展軌道， 石油產品由產業密集型向技術多樣型轉變， 石油機械的集成化、自動化、智能化程度越來越高， 經過嚴格測試， 設備整體搭配基本趨于合理， 但因其具有高壓、高溫、高速等特點， 對傳統設備當中的環形密封橡膠圈質量要求較高。傳統的徑向密封圈如果長時間處于高速摩擦狀態，會引發高熱磨損， 產生物理化學吸附膜，導致失去應有效果。因此，急需對徑向密封圈進行改進產生流體動壓密封技術。

1.流體動壓徑向密封技術及其作用

流體動壓徑向密封技術最早發現于1965年，德國學者A﹒Layer于1966年開始研究， 將這種技術與普通的環形密封圈結合在一起，經過多年的發展，美國M.S.在1986年申請了專利Us4610369，標志著流體動壓徑向技術正式商業化。這種密封技術主要就是利用流體動壓原理， 在動密封面間制造一種動壓油膜， 用以避免機械運動表面直接接觸而產生過速摩擦的問題，

能夠有效降低機件損耗和運行過熱。通過實踐來看，能夠實現80%的理論效果，基于當前計算機技術的蓬勃發展， 可以合數據轉化成精密的機件，使用性能和性價比較高。它指出密封件間的運動速度越快形成了油膜就越厚，體動壓徑向密封技術具有極強適應性。Kalsi提出的新型流體動壓密封技術，通過實物來看， 密封圈接近于矩形， 用以安裝在密封溝槽內， 在靜止時， 與傳統密封圈性能相同， 運動時才會體現出不同的特性： 一是潤滑作用。通過在密封潤滑脂與波紋接觸面上產生一定的速度， 確保在動密封面之間形成動壓潤滑膜， 轉速越快， 流體動壓潤滑膜就越厚， 既有效的降低溫度，又可以起到潤滑作用；二是阻塵作用。密封圈靠近外部環境邊緣部分設計成銳利直角， 防止外界顆粒較大的磨料進入到密封圈內。同時， 在設計當中， 有控制的讓部分潤滑脂從外側邊緣漏出，可以有效的將磨料粘住和擠出密封面間。如密封面間進入到軸向運動時，這個直角還可以起到刮塵的作用， 也可以防止微粒進入。

2.徑向密封技術在石油機械中應用

根據流體動壓徑向密封機理， 結合石油礦場機械應用實際， 重點從以下五個方面探討。

2.1.在牙輪鉆頭軸承系統中的應用。在20世紀80年代，M.S.Kalsi與DBS公司進行技術合作，給過反復研發，于80年代末期推出了由流體動壓密封組件為核心的牙輪鉆頭。通過實驗來看， 流體動壓徑向密封圈具有極強的穩定性、可靠性和耐磨性，可以有效的提高滑動軸承密封鉆頭的壽命， 也可提高密封圈的性能， 延長其應用時間。事實證明， 流體動壓徑向密封原理

是可行的， 可以長期滿足井下機械的使用。此后， 又開發出外部為碟形端面的密封， 內部為環形的徑向密封以及雙密封的牙輪鉆頭。

2.2.在井下鉆具支承節中的應用。在1976年—1982年，美國能源部門資助Sandia國家實驗室，重點研究分析潤滑脂、封閉螺桿及支承節等內容。實驗采取了組合、對比和綜合歸納的方式進行梳理， 對當時主流的高壓密封件都進行了一一對比， 但局限當時的技術條件和思維模式， 在最理想的電壓和磨損情況下，密封件的最高壽命也僅有48小時。在1984年，Kalsi在國家實驗結果的基礎上，嘗試將“O型”圈流體密封機件傾斜安裝，經過反復實驗和總結，1986年，才在牙輪鉆頭軸承系統中得以試驗成功，以此為基礎，完善技術和開發產品，通過井下應用來看， 產品性能穩定， 可靠程度高，密封件壽命可達250～450 h。

2.3.在螺桿泵采油系統中的應用。目前， 國內外在油田開采中， 采用最多的是地面機械驅動的螺桿泵采油系統， 該系統的工作原理是依靠光桿的旋轉帶動抽油桿， 通過抽油桿聯動進井下螺桿泵進行作業。當前， 光桿的動密封采用的密封方式，存在著不便于維修和環境污染問題。為了解決此類問題，Kalsi的研究人員開發研究了光桿密封組合套裝， 在光桿密封部位加裝襯套， 利用兩個動壓密封圈保證整個驅動系統的潤滑， 通過實驗來看， 該系統具有較強的通用性， 可以與當前的井口驅動裝置全部配套。同時， 此系統還廣泛應用于開采大油氣比油、高粘度油和含砂油的開采中。

2.4.在旋轉防噴器中的應用。20世紀90年代，國外興起了欠平衡鉆井技術，這種技術的關鍵設備就是旋轉防噴器， 比較有代表性就是環形膠芯自封式和膨脹膠囊可編程控制式， 我們國家部分油田已經開始引進和使用這種技術。事實上，此類技術的技術難點是轉承包和鉆桿密封結構的使用壽命上， 研究人員常常把關注點放在鉆桿密封結構的應用上，而忽略前者。而美國Tool公司很早就已經開始應用流體動壓密封圈，改善和解決這個問題。

2.5.在沖管總成中的應用。沖管下部與中心管用動密封進行聯接， 鉆井液做為密封介質， 主要是在轉與不轉之間體現出更耐高壓、耐磨損的特點。沖管總成是水龍頭的重要組成部分，而鉆井液密封系統是其中的最薄弱環節，在21 MPa下可以持續運行800 h，但隨著壓力上升，35 MPa時其工作壽命就會在50 h左右。Kalsi經過多年研究， 對水龍頭鉆井密封系統進行了改

造， 采用液體密封取代傳統密封， 并采取與之匹配的潤滑劑， 以提高其使用壽命。在模擬現場條件下，持續運行1450小時才因油脂原因而失敗， 基于此技術條件， 該_公司生產的密封沖管， 工作壽命大約為常規的5 倍之多。

參考文獻：

[1]陳家慶，徐林林，許宏奇.流體動壓徑向密封及其在石油機械中的應用[J].石油機械，2002（3）：53-55.