可控彎接頭密封結構設計研究

展茂雷，張光偉

(西安石油大學 機械工程學院，西安 710065)*

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可控彎接頭密封結構設計研究

展茂雷，張光偉

(西安石油大學 機械工程學院，西安 710065)*

摘要：旋轉導向鉆井工具在國內已有較大的發展，現已成型的導向鉆具幾乎全為鉆頭推靠式導向方式。可控彎接頭導向鉆具的設計研究為國內全旋轉鉆頭指向式導向鉆具的發展奠定了理論基礎，其研制尚處于起步階段，有許多關鍵技術亟待解決。簡要介紹了旋轉導向鉆井工具結構和工作原理；針對其結構特點和實際的井下工作環境，對其密封結構進行重點研究。設計一種帶有壓力補償的組合密封結構，為存在動態壓力突變的鉆井液-潤滑油這一位置的密封問題提供一種理想的解決方案，并對關鍵密封部件進行有限元分析，以保證密封結構具有徑向補償、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、抗沖擊、長壽命等特點，為可控彎接頭原理樣機的試制與相關原理性試驗奠定良好的理論基礎。

關鍵詞：旋轉導向鉆井工具；可控彎接頭；壓力補償；密封設計；有限元分析

旋轉導向鉆井工具的設計研發近年來才在國內興起，由于國外該技術對我國實行技術封鎖，國內該技術與國外還有較大差距[1-2]。在國內現已成型的旋轉導向鉆井工具幾乎全為鉆頭推靠式，這種依賴推靠井壁來提供導向側向力的系統，容易給定向井帶來井眼清洗不良和產生螺旋井眼等不利影響[3]。隨著旋轉導向鉆井工具在陸地和海上得到越來越廣泛的應用，對其性能也提出了更高的要求。

筆者所在的課題組設計研究了一種新型全旋轉鉆頭指向式旋轉導向鉆井工具——可控彎接頭，主要為滿足復雜油氣藏的開發而設計。作為一種芯軸非連續式的動態指向式旋轉導向鉆井工具，其研究正處于起步階段，有許多關鍵技術亟待解決。可控彎接頭的密封正是研究難點之一，密封結構設計的優劣直接決定其密封性能，進而影響到可控彎接頭能否在井下正常工作，能否保證設計要求的井下工作時間與效率。可控彎接頭密封部位結構空間有限，井下工作條件復雜、工作環境惡劣。因此，可控彎接頭對密封有較高的要求，密封結構一旦失效，則會導致可控彎接頭失去正常工作能力。筆者主要對可控彎接頭導向機構中的密封結構進行設計和分析，以爭取其樣機早日試制成功。

1可控彎接頭密封設計要求

1.1結構原理

可控彎接頭導向工具的結構如圖1所示。

1—伺服電機Ⅰ；2—軸承；3—旋轉外套；4—伺服電機Ⅱ；

圖1中上部控制部分已略去，只顯示可控彎接頭的導向工具的執行機構。該機構是全旋轉導向鉆具，由井下動力鉆具帶動旋轉外套旋轉，使其相對于井壁一直保持轉動。鉆具主要由旋轉外套、偏心環組、萬向軸、推力軸承、導向節等幾部分組成，偏置方式類似Geo-Pilot的偏心環結構。旋轉外套將鉆壓和轉矩通過導向節傳遞給鉆頭，球形導向節可以允許萬向軸在設計的角度內自由擺動。鉆井液經萬向軸流到鉆頭，在垂直鉆進或造斜過程中可控彎接頭執行控制單元發出的指令，控制與球面偏心環組連接的伺服電機的速度與轉向，偏心環組形成不同的配合模式，使萬向軸以導向節為支點與井眼軸線形成一定夾角，從而對井斜和方位進行導向控制[4]。

1.2設計要求

可控彎接頭為“全旋轉”導向機構，旋轉外套通過導向節帶動萬向軸同時轉動，所以旋轉外套與萬向軸之間是相對靜止的，因此它們之間的密封屬于高壓靜密封。但由于旋轉外套與導向節的配合有一定的間隙，因此在鉆具啟動和停止時，密封結構會有微小的錯動。高壓密封結構的設計與密封元件的選用應遵循以下基本原則：

1)高壓密封首先必須耐高壓，可控彎接頭可應用于深井和超深井，因此密封結構要能承受30 MPa以上的高壓。

2)高壓靜密封應有自動補償的能力，密封結構對微小的間隙可以自動補償。由于萬向軸在導向鉆進時會在設計范圍內頻繁地調整其擺角大小，就會引起密封界面產生波動，因此萬向軸在調整擺角大小時密封結構需要有浮動彈性，以及時彌補間隙，避免泄漏。

3)密封件與密封套之間有充足的間隙，以保證在達到最大設計導向角時，萬向軸也能自由擺動，而不受到密封套的約束。

4)高壓密封結構和所選擇的密封材料可較長時間在高溫環境下工作。由于可控彎接頭作業處溫度很高，密封件要浸潤在高溫油浴中，應能耐受150 ℃以上的高溫，并且在達到最高溫度時，其密封不會馬上失效，因此對密封材料有苛刻的要求。

5)密封結構抗沖擊振動，密封材料耐腐蝕。鉆頭在破巖時會產生沖擊振動，密封結構要有一定的減震緩沖設計，鉆井液的成分復雜，對密封結構中的橡膠材料會有腐蝕作用。

6)密封結構有較高的可靠性和壽命，提高鉆井作業效率，降低維護成本。

7)密封結構還應滿足結構簡單，安裝、拆卸、檢修方便快捷，加工制造簡單，密封緊湊，所用元件少，質量輕，占用空間少等特點[5]。

2可控彎接頭密封結構設計

2.1密封結構設計

可控彎接頭密封結構一側是壓力鉆井液，另一側是潤滑油，而密封結構兩側的壓力差和密封副之間的間隙是引起泄露的主要原因。綜合考慮可控彎接頭實際的井下工作環境，密封結構既要經受井下鉆井液壓力的各種變化，又能給萬向軸留有足夠的擺動空間。基于以上考慮，筆者設計了一種帶有壓力補償的柔性密封結構，如圖2所示。

1—連接環；2—金屬密封波紋管；3—密封套；

可控彎接頭的密封結構設計難點主要有3處：

1)高壓密封結構設計。這不只是簡單的高壓密封，在密封界面位置還伴有高溫、振動、沖擊、偏擺角度等許多不利因素的限制。解決泄漏的關鍵之處在于密封結構和密封材料的選擇，通過降低密封界面兩側的壓力差，阻塞泄漏通道，達到零泄漏或低泄漏的目標。因此，在結構方面設計了一種楔形密封槽式的組合密封圈耐高壓密封結構，如圖3所示。

1—楔形金屬密封圈；2—備用密封圈；3—O形圈。

連接環密封面是整個密封結構主要的泄漏點之一，其上設有3個高壓密封槽，通過O形圈、備用密封圈、楔形金屬密封圈來增加界面的耐高壓能力。但是，單方面增強密封結構的承壓能力并不能有效地提高密封結構的可靠性和壽命。因此，設計了壓力平衡機構以增強密封結構對井下壓力的動態調節能力，大幅降低了連接環密封面處的壓力差，增強了整個密封結構的耐高壓能力。壓力平衡機構主要由壓力缸套、活塞、彈簧、安全閥、單向閥組成。可控彎接頭導向機構的設計內壓高于井下鉆井液的壓力，這有利于防止鉆井液刺穿密封面進入工具內部，造成可控彎接頭失效。當井下鉆井液壓力突然升高時，壓力平衡機構中的活塞就會在鉆井液壓力作用下壓縮潤滑油，使可控彎接頭內壓升高，達到降低密封面兩側壓力差的目的。為了使活塞能感受到鉆井液壓力的變化而又避免其與鉆井液直接接觸，在彈簧的一端設計有螺旋密封結構，其還可以阻止鉆井液中的固體顆粒進入活塞位置處，造成活塞處密封圈的加速磨損，阻塞活塞的活動空間。當潤滑油升溫，使內部壓力達到極限時，潤滑油就會通過安全閥溢流并推動活塞壓縮彈簧來降低內壓。

2)在萬向軸頻繁調整擺角大小時，需要連接環等承壓處的密封面不會隨萬向軸擺動，以免產生間隙而造成泄漏。為此，設計了金屬密封波紋管，使其焊接在連接環和壓力平衡機構之間。當萬向軸調整擺角大小時，金屬密封波紋管就可以隨之擺動，利用其柔性變形連接環承壓密封面就可保持穩定靜止，而其后端壓力平衡機構則可以隨萬向軸一起擺動，不會產生軸線偏移，從而有效地防止泄漏。同時，金屬密封波紋管還可以吸收鉆頭破巖時的沖擊與振動，降低泄漏的發生率。

3)密封結構在實現高效密封的同時，在有限的空間內給萬向軸留有足夠的擺動范圍。為此，在密封套上開有敞口臺階，防止在萬向軸偏擺時鉆井液中的固體顆粒進入偏擺空間，在其中裝有彈性紗網，但須具有良好的彈性、耐高溫、耐磨、耐腐蝕的能力。

2.2壓力平衡密封結構工作原理

可控彎接頭在垂直鉆進時，萬向軸與旋轉外套處于同一軸線，連接環耐高壓密封結構與活塞和螺旋密封起主要密封作用。連接環密封由萬向軸活動空間處進入鉆井液和內部潤滑油，螺旋密封和活塞共同密封由螺旋密封結構處的間隙進入鉆井液和內部潤滑油，并由螺旋密封慮掉鉆井液中的固體顆粒。

可控彎接頭在導向鉆進時，通過金屬密封波紋管的柔性變形，使密封結構隨萬向軸產生擺動角度，而保證連接環和壓力平衡機構的穩定性，降低了對密封圈的浮動彈性要求，減少了摩擦磨損破壞，提高了整體性能。另外，彈簧和金屬密封波紋管的軸向變形也起到一定的減震緩沖作用，對保持高壓密封面的相對穩定也是非常有利的。

在整個導向鉆進過程中，壓力補償機構實時根據井下鉆井液壓力做出相應調整，通過活塞的移動調節使密封結構兩側壓力差保持在設計要求之內，提高了密封件壽命和性能。

3密封結構有限元分析

金屬密封波紋管在該密封結構中要隨萬向軸頻繁地調整擺角大小，在頻繁的彎曲變形過程中，金屬密封波紋管很容易發生疲勞破壞，造成泄漏，從而影響可控彎接頭的正常使用。因此，有必要計算工作狀態下的金屬密封波紋管的疲勞壽命。筆者通過SolidWorks軟件建立了金屬密封波紋管的三維結構模型，利用ANSYS軟件模擬了它在承受內外壓力和彎曲載荷條件下的疲勞壽命。

3.1有限元模型

建立金屬密封波紋管三維立體模型，金屬密封波紋管結構參數如表1，導入ANSYS中選擇殼體單元shell 63，進行有限元分析。金屬密封波紋管材料為1Cr18Ni9Ti，材料的各項屬性如表2所示。金屬密封波紋管左端為全約束，金屬密封波紋管右端施加徑向壓力載荷。

表1　波紋管幾何參數

表2　波紋管材料屬性

在ANSYS中對金屬密封波紋管進行疲勞壽命分析時，可以忽略其特性的非線性部分，其應力云圖如圖4所示[6]，節點編號為40059處的應力值最大，此處會首先出現疲勞破壞。

圖4　波紋管徑向應力分布

3.2疲勞壽命分析

定義金屬密封波紋管材料的疲勞屬性，在ANSYS中載荷與疲勞失效的關系采用的是應力-壽命曲線[7]，即S-N曲線來表示，如圖5所示。

圖5　材料的疲勞循環次數與應力強度曲線

由圖5可知：該節點處所受的最大應力值為365 MPa，通過材料的S-N曲線找到對應的循環次數約為28 000次。定義好了應力、位置、事件以及所有涉及的材料參數，對指定的位置進行疲勞計算，最后求得波紋管在徑向壓力載荷作用下的疲勞壽命為50 000次。可見金屬密封波紋管滿足設計需要，具有較高的使用壽命。

4結語

壓力補償組合密封結構的設計研究是可控彎接頭理論研究的一個重要組成部分。將壓力補償單元應用于可控彎接頭的高壓密封結構設計之中，在可控彎接頭有限的結構空間內，實現了在垂直鉆進和導向鉆進2種工作狀態下的密封要求，提高了可控彎接頭旋轉導向鉆井機構在高溫、高壓、高固相含量等惡劣工況條件下的可靠性和使用壽命。

參考文獻：

[1]熊繼有，溫杰文，榮繼光，等．旋轉導向鉆井技術研究新進展[J]．天然氣工業，2010，30(4)：87-90．

[2]李俊，倪學莉.動態指向式旋轉導向鉆井工具設計探討[J].石油礦場機械，2009，38(2)：63-66.

[3]牛海峰，蔣世全.旋轉導向工具驅動總成控制器設計[J].中國石油和化工標準與質量，2013(7)：99-100.

[4]張光偉.基于旋轉導向鉆進方式的可控彎接頭發展現狀[J].鉆采工藝，2009，32(2)：23-25.

[5]馮定，檀便友，袁詠心，等.惡劣環境下的動密封結構設計[J].潤滑與密封，2011，36(4)：87-89.

[6]周琴，劉寶林，楊甘生，等.旋轉導向工具的徑向補償組合動密封設計[J].潤滑與密封，2010，35(4)：97-99.

[7]張朝暉.ANSYS.12.0.結構分析工程應用實例解析[M].3版.北京：機械工業出版社，2010：450-468.

Design and Research of Controllable Bent Sub Seal Structure

ZHAN Maolei，ZHANG Guangwei

(SchoolofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China)

Abstract：Rotary steerable drilling tool has initial development in our country，but the prototypes almost are the push-the-bit system.The design and research of controllable bent sub for all domestic rotating and point-the-bit type steering downhole development laid a solid theoretical foundation，its development is in its infancy，and there are a number of key technical problems to be solved.An overview of the structure and working principle are given，which focus on the seal for its structural characteristics and actual underground work environment.A combination seal with pressure balance components are designed according to its structure characteristic and practical working condition which solved the seal problem between the dynamic pressure drilling fluid and lubricant.It also does the finite element analysis to the critical sealing components in order to meet the design performance requirements radial compensation high temperature high pressure corrosion resistance impact resistant and long life.A good theoretical basis is laid for its prototype making and the relevant principles test.

Keywords：rotary steering drilling tool；controllable bent sub；pressure balance；seal design；finite element analysis

中圖分類號：TE921.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.008

作者簡介：展茂雷(1987-)，男，山東濟南人，碩士研究生，主要從事旋轉導向鉆井系統研究，E-mail：zhanmaolei@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目“井下閉環可控彎接頭導向機構基礎理論研究”( 51174164)

收稿日期：2015-09-14

文章編號：1001-3482(2016)04-0028-04