油氣井旋轉防噴器密封失效分析及對策

劉 亮 張鐵軍 唐光進 李朝明

（1.重慶文理學院新材料技術研究院，重慶402160；2.重慶新泰機械有限責任公司，重慶402160）

0 引言

欠平衡鉆井作業時，旋轉防噴器安裝在環形防噴器或閘板防噴器之上，抱緊鉆具工作，密封井壓并起分流作用。在不壓井起下鉆和帶壓鉆進等作業時，它與液壓防噴器、鉆具止回閥和不壓井起下鉆加壓裝置配套使用起安全防護作用。它對解放和保護有壓油氣層有著很重要的作用。本文研究的旋轉防噴器主要由旋轉總成和殼體兩部分組成，旋轉總成包括旋轉補芯、耐磨襯套、密封膠芯、軸承、中心管幾大部分。其中，密封膠芯和旋轉動密封易出現問題，本文通過對密封膠芯和旋轉動密封進行分析總結，為旋轉防噴器的優化設計提供參考。

1 密封膠芯

方鉆桿通過旋轉防噴器上的旋轉總成，帶動上膠芯懸掛接頭、下膠芯懸掛接頭、中心管及上、下部膠芯總成與鉆柱一起旋轉。密封膠芯與上膠芯懸掛接頭、下膠芯懸掛接頭通過螺栓連接，其內徑小于方鉆桿的內切圓直徑，在方鉆桿通過后，密封膠芯依靠自身的彈性變形和井壓助封來對鉆柱周圍實施密封。密封膠芯外表面下段是錐面的，作業時，井內壓力作用在密封膠芯外錐面上的壓力越來越大，密封膠芯產生的彈性變形也越來越大，從而隨著井壓變化而自我調節實現密封。由于下部膠芯總成實現了密封功能，上部膠芯總成受到的井壓就沒有或者很小，這樣有利于減少上部膠芯總成磨損，延長其使用壽命。中心管外面有兩道推力軸承，可以承受井內介質施加在旋轉總成上的壓力，減少施加在密封膠芯上的摩擦力。

膠芯失效的主要形式有：

（1）膠芯與鉆具接觸段長期作用過程中發生磨損，使得膠芯上的橡膠呈顆粒狀或塊狀逐漸脫離，導致膠芯內徑變大而過盈量越來越小，最終密封失效。

（2）潤滑條件差，造成接觸面局部過熱燒傷。

（3）根部損壞，主要表現為脫膠、根部撕裂、魚鱗狀剝落等形式。

（4）高溫作用下，膠芯變軟，密封性能降低，造成高溫失效。

（5）當通過的鉆柱直徑大于密封膠芯密封直徑后，膠芯產生非常大的變形。在鉆柱通過后，產生的彈性變形不能迅速恢復，造成密封面密封失效。

（6）膠芯接觸面劃傷，形成劃痕，密封失效。

密封膠芯彈性變形范圍大，磨損余量較多，相對來說壽命較長。密封膠芯要采用高性能合成橡膠，成分配制上要綜合彈性變形和耐磨損能力，通過性能試驗確保其內徑被磨損輕微變大后也能封閉額定工作壓力。密封膠芯使用時要求每應用于一口井就換一次。

2 旋轉動密封

旋轉動密封是旋轉防噴器正常工作的核心部件，包括水密封和油密封，通過水密封及油密封的過盈配合與耐磨襯套外表面產生一定的摩擦力，使水密封及油密封發生變形，來抵抗被密封介質的壓力，從而達到密封效果。在水密封與外界之間常通過介質循環帶走熱量。對于承受被密封介質壓力的旋轉動密封，當壓力達到某一數值或者密封面發生磨損時，被密封介質就會從磨損的密封面或失效點泄漏，隨著作業的進行，漏點會進一步擴展，進而導致密封失效，縮短旋轉防噴器的使用壽命。油密封可起潤滑和助封作用，此外，耐磨襯套裝配時的偏斜、不同軸等因素對密封效果影響也較明顯。由于密封面摩擦產生的熱量和密封面磨損是導致密封過早失效的重要原因，因此以下對密封面摩擦受力和摩擦生熱進行分析，提出優化方案，從而使旋轉動密封實現更加理想的密封能力。

3 密封面產熱原因及受力分析

3.1 密封面產生熱量的原因

工作溫度是旋轉動密封現場作業時的重要參數。密封面工作溫度升高的原因有多種，包括由旋轉密封元件引起的紊流產生熱量、由于密封面摩擦和介質剪切產生熱量等。同時，接觸面也有部分熱量會被帶走，比如通過水和油循環流動，產生的熱量通過能量交換由密封介質帶走等。作業過程中產生的熱量一般認為由耐磨襯套表面旋轉線速度快慢和摩擦力大小決定。對于線速度，我們要求旋轉防噴器的最高轉速小于旋轉動密封的設計旋轉速度；并且旋轉防噴器現場使用時，在不影響鉆井施工的情況下鉆機轉速應盡可能小，任何情況下都要小于旋轉防噴器的最高設計轉速，這樣才能延長旋轉動密封使用壽命。

3.2 摩擦力分析

下面詳細分析影響動密封使用壽命的另一個相對比較復雜的參數—摩擦力。密封面之間摩擦力大小主要決定于其本身結構尺寸大小、裝配過盈量、加工精度等。

（1）動密封本身的結構尺寸：尺寸越小，接觸面積越小，摩擦力越小，因此設計時在滿足密封要求的情況下要盡量選用小尺寸的旋轉動密封，這樣作業時產生的摩擦阻力較小，有利于減少密封磨損。

（2）旋轉動密封與密封面配合的過盈量大小：動密封過盈量要適宜，過大會增大摩擦力，加快磨損速度，過小又會降低密封介質壓力。過盈量既不容易達到推薦值也很難通過計算來準確獲得，因此只有通過不斷試驗、不斷修改才能最后確定，以實現良好的密封性能。

（3）中心管和耐磨襯套同軸度和光潔度：中心管的同軸度和光潔度對產生的摩擦力大小有直接影響，同軸度誤差愈大，整個密封面的間隙越不均勻，密封性能越差。旋轉軸的表面粗糙度應≤0.5μm。耐磨襯套的表面硬度也不容忽視，因此一般在表面噴涂硬質合金，要求硬度HV≥1 000，這樣就極大地提高了耐磨襯套的表面抗磨損能力。

3.3 影響動密封壽命的其他因素

井口不同軸度、密封介質的黏滯系數、環境溫度、介質壓力都會對動密封壽命產生一定的影響，因此，要延長旋轉動密封工作壽命需從多個方面入手，綜合考慮密封材質、結構和工作環境。另外，旋轉動密封要達到理想的密封效果，必須有一個良好的使用環境。

4 建議

（1）旋轉總成應盡量居中放置，與鉆桿偏移應在12 mm以內，如果偏移度過大，將會造成旋轉軸承總成偏磨現象，加快動密封產熱速度，從而影響其密封性能及使用壽命。

（2）密封膠芯要補償量大且耐磨損能力好。

（3）建議在設計新型旋轉防噴器時選擇小尺寸旋轉動密封，并且合理優化裝配尺寸和過盈量。現場使用時，要時刻保持水循環和油循環冷卻通道暢通。

（4）密封性能及使用壽命與密封件的冷卻有很大關系，鉆進時，應保證設備的循環冷卻水不間斷；起下鉆或拆裝旋轉總成時，應停止供水。做到先開水后開鉆，先停鉆后停水。

（5）旋轉總成上提下放時要扶正且緩慢進行，不能太快太猛，以免損壞密封圈和密封面。

（6）要提高耐磨襯套和軸承壓蓋的同軸度和表面光潔度，同時提高其表面硬度和耐磨性能，建議表面作硬化處理。

（7）旋轉總成與密封膠芯內孔不允許與其不匹配的鉆桿通過，鉆桿在套入旋轉總成前須將方鉆桿上的毛刺銳角打磨掉，以免損壞膠芯及中心管。

（8）潤滑冷卻介質不能含有磨礪性砂礫和鐵屑，最好在鉆井液與動密封之間加防塵密封，盡量避免鉆井液與旋轉動密封直接接觸。

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