帶壓作業閘板防噴器膠芯密封性能分析

馬衛國，陳 婷，徐杏娟，吳霽薇，張海峰，曾 琦(.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 43403；.渤海鉆探工程有限公司 工程技術研究院，天津 300457)

帶壓作業閘板防噴器膠芯密封性能分析

馬衛國1，陳 婷1，徐杏娟2，吳霽薇1，張海峰1，曾 琦1
(1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.渤海鉆探工程有限公司 工程技術研究院，天津 300457)

利用三維建模SolidWords軟件及有限元分析軟件ABAQUS，建立了帶壓作業閘板防噴器膠芯與管柱密封結構的三維簡化模型。該密封結構屬于組合式密封結構，由丁腈類橡膠 (NBR) 組成的橡膠基體和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)組成的耐磨塊構成。研究了3種不同封井壓力作用下膠芯與管柱之間的應力分布規律。結果表明：在液壓封井力為20 MPa時，該閘板防噴器膠芯可用于密封井底壓力不超過35 MPa的帶壓作業環空；膠芯失效位置主要集中在橡膠基體與上下墊板接觸區域及耐磨塊圓弧面上靠近中線位置區域，與現場實際應用中膠芯的失效位置基本相符，驗證了分析的正確性。

閘板防噴器；膠芯；密封；分析

在油氣井的勘探、開發到后期的維護過程中，產層都會受到不同程度的傷害。帶壓作業可減輕對產層的污染，最大限度地保護原始地層，改善作業環境，同時給油田中后期的穩產帶來較大的保障[1-2]。閘板防噴器是帶壓作業設備的核心裝置，其膠芯的密封能力、壽命是影響帶壓作業設備的關鍵因素。本文通過對帶壓作業閘板防噴器的工作特性、密封原理進行分析，運用SolidWorks軟件建立帶壓作業閘板防噴器膠芯與管柱的三維模型，并利用ABAQUS進行非線性接觸分析，得到閘板防噴器膠芯與管柱之間接觸應力和Mises應力分布規律，為帶壓作業閘板防噴器膠芯的設計和優化提供參考。

1 帶壓作業閘板防噴器膠芯工作原理

閘板防噴器的密封結構由2個密封副組成，分別是前部膠芯和管柱外徑組成圓周面接觸密封副，頂部膠芯與殼體內頂面組成平面接觸密封副。其中，前部膠芯與管柱組成的圓周面密封副由平面和圓弧面組成，膠芯弧面密封管柱，膠芯平面用來密封2個半環密封的分界平面。在帶壓作業裝置工作過程中，接箍探測器檢測到接箍或井下工具要通過閘板防噴器時發送信號，液壓系統控制活塞驅動閘板體徑向移動，使閘板膠芯解封；當接箍探測器檢測到接箍或井下工具已通過閘板防噴器時發送信號，液壓系統控制活塞驅動閘板體徑向移動，使閘板膠芯的圓弧面與管柱接觸，頂部膠芯與殼體內頂面接觸。在前部橡膠平面部分與圓弧面部分同時被壓縮，直至閘板在各外力作用下平衡時，前部橡膠和頂部橡膠受壓產生變形形成密封比壓來封住井中帶壓流體。上下2個閘板防噴器交替開啟和關閉，使帶壓作業裝置間歇密封，從而保證管柱在密封狀態下安全起出、下放，帶壓作業主要設備組成如圖1所示。其中前部膠芯屬于易損件，本文主要分析前部膠芯，以下統稱為膠芯。

1—下接箍探測器；2—下閘板防噴器；3—壓力平衡短節；4—上接箍探測器；5—上閘板防噴器；6—鎖緊手柄；7—半閘板；8—密封膠芯；9—管柱。圖1 帶壓作業主要設備組成

2 帶壓作業閘板防噴器工況特點

在帶壓作業過程中，閘板防噴器膠芯所密封管柱處于軸向直線運動狀態，密封類型屬于往復式動密封。該工況條件下，管柱與閘板防噴器膠芯圓弧面接觸部分會產生較大動摩擦力，磨損比較嚴重。因此，需要選擇與管柱之間摩擦因數較小且耐磨性好的閘板防噴器膠芯材料。其次，在帶壓作業過程中，閘板防噴器膠芯要高頻率的開啟和關閉，對閘板防噴器密封件的可靠性比一般閘板防噴器相對較高。

常規閘板防噴器一般用于封井或在發生緊急情況時使用。通過關閉閘板防噴器，可使管柱與套管之間的環形空間密封，防止泥漿液或高壓油氣溢出。因此，常規閘板防噴器膠芯的工作狀態主要是靜密封。常規閘板防噴器膠芯主要采用丁腈類橡膠(NBR)，這類材料的自潤滑性、耐磨性較差。由于閘板防噴器自身結構特點，膠芯磨損后無法實現自補償，不能滿足后續工作要求。相比之下，帶壓作業閘板防噴器膠芯的性能要求更高，常規的閘板防噴器膠芯不能直接用于帶壓作業，需要針對帶壓作業制造配套的閘板防噴器膠芯。

3 帶壓作業閘板防噴器膠芯性能分析

3.1 膠芯的物理模型

帶壓作業閘板防噴器膠芯由丁腈類橡膠(NBR)和插入前部的耐磨塊組成，屬于組合式密封結構。橡膠基體實現高彈性，屬于靜密封形式；耐磨塊實現耐磨功能，耐磨塊的圓弧面與管柱接觸面間密封形式屬于動密封。該結構中耐磨塊采用自潤滑性、耐磨性較好的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)。此結構在耐磨塊失效時，只需更換耐磨塊，橡膠基體無需更換。根據其工作特點和設計原理，利用三維軟件建立其幾何模型，如圖2 所示。

1—丁腈類橡膠(NBR)；2—耐磨塊。圖2 帶壓作業閘板防噴器膠芯模型

3.2 有限元計算

3.2.1 材料性能參數

ABAQUS材料庫中的超彈性材料模型有很多種類型，用戶可以根據實際材料的試驗特性來選擇合適的模型。工程上常采用Yeoh模型來模擬橡膠材料，其本構模型系數選取以下材料常數：C10=2.539 8 MPa，C20=-1.816 1 MPa，C30=1.246 0 MPa[3-8]。耐磨塊材料基本常數如下：E=600 MPa，μ=0.3，拉伸屈服強度δs=50 MPa。橡膠基體之間的摩擦因數為0.5，橡膠與閘板之間的摩擦因數為0.5，耐磨塊與管柱之間的摩擦因數為0.05[8-10]。

3.2.2 網格劃分

對橡膠基體采用四面體線性C3D4H 單元進行網格劃分，共劃分73 620個單元；耐磨塊采用六面體減縮單元C3D8R，同時對耐磨塊圓弧面進行網格細分，共劃分13 530個單元；閘板設為離散剛體，采用R3D3單元劃分，總共劃分5 824個單元；管柱設為解析剛體，不需要對其進行網格劃分。膠芯劃分后的網格模型如圖3所示。

圖3 膠芯網格模型

3.2.3 邊界條件

根據閘板防噴器的實際工況(不考慮管柱偏心)，管柱設置全約束，管柱軸線與y軸重合，約束閘板體其他方向的自由度，使它只能沿z軸運動，約束膠芯兩端x方向。沿z軸在閘板體的兩后平面分別施加10、15、20 MPa液壓載荷。

4 計算結果分析

膠芯在20 MPa液壓載荷下的有限元仿真分析結果如圖4。由圖4可知，耐磨塊與橡膠基體相比，耐磨塊所受的Mises相對較大，Mises應力較大的位置在耐磨塊與橡膠基體接觸部位的上下棱角處。橡膠基體中Mises應力分布相對較小，其中應力集中較明顯的區域位于橡膠基體與上下墊板接觸區域。因此，隨著關井次數增加，橡膠基體與上下墊板接觸區域會發生疲勞性損壞，出現橡膠撕裂、掉膠等現象[11]。

圖4 20 MPa下膠芯Mise應力云圖

膠芯密封面接觸應力云圖如圖5，橡膠基體平面密封面接觸應力分布均勻；耐磨塊密封面上接觸應力分布相對不均，耐磨塊與橡膠基體接觸處接觸應力較大，耐磨塊平面與圓弧面交匯處接觸應力較小。

圖5 20 MPa下膠芯密封面接觸應力云圖

取3條不同的路徑S1、S2、S3，如圖2，對10、15、20 MPa 3種封井壓力下，前部膠芯密封面上不同位置的接觸應力分布規律進行分析。S1取沿閘板防噴器長度方向并處在前部膠芯密封面的中線上，S2取沿閘板防噴器厚度方向并處在前部膠芯耐磨塊平面與圓弧面交匯處尖角，S3取沿閘板厚度方向并處在前部膠芯耐磨塊圓弧面接觸區域的中線上。

根據有限元分析結果，提取S1、S2和S33條路徑上不同接觸應力值，分別繪制3條路徑在不同載荷作用下的曲線，如圖6。

由圖6可知，膠芯密封面上的接觸應力隨著液壓封井壓力的增大而增大；液壓載荷為15 MPa時，膠芯密封面上接觸應力大于35 MPa，可用于密封井底壓力不超過35 MPa的帶壓作業環境。由圖6a、6b可知，路徑S1和S2隨著液壓載荷的增加，沿閘板厚度方向的變形量增大，符合閘板防噴器膠芯密封的實際情況。由圖6a、6c可知，耐磨塊圓弧面接觸區域接觸應力隨著封井壓力的增大而增大、總體接觸應力比其他部分大，越靠近圓弧面中線位置接觸應力越大。面接觸且接觸面之間有相對滑動時，接觸應力越大的區域磨損會越嚴重，所以耐磨塊圓弧面上靠近中線位置區域磨損較嚴重。由于閘板防噴器自身結構特點，膠芯磨損量達到極值時，耐磨塊失效。

a S1路徑的接觸應力曲線

b S2路徑的接觸應力曲線

c S3路徑的接觸應力曲線

5 結論

1) 在帶壓作業工況下，閘板防噴器膠芯的耐磨性能至關重要。故帶壓作業閘板防噴器膠芯要采用耐磨性能優異的材料。

2) 閘板防噴器膠芯選用丁腈類橡膠(NBR)和自潤滑性能優異的超高分子量聚乙烯組成的密封結構，在力學及密封性能上能夠滿足帶壓作業需求。通過分析結果可知，這種形式的閘板防噴器可以用于密封井底壓力不超過35 MPa的帶壓作業環空。

3) 有限元分析結果可知，膠芯失效位置主要集中在橡膠基體與上下墊板接觸區域和耐磨塊接觸應力較大區域。這與現場實際應用中膠芯的失效位置基本相符，說明分析方法的正確性。有限元數值模擬可為帶壓作業閘板防噴器的設計及優化提供參考依據。

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Sealing Performance Analysis of Ram Blowout Preventer Rubber Core in Snubbing Service

MA Weiguo1，CHEN Ting1，XU Xingjuan2，WU Jiwei1，ZHANG Haifeng1，ZENG Qi1
(1.SchoolofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China；2.CNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLiited，Tianjing300457，China)

The three-dimensional simplified model between rubber core and pipe of the Rom BOP used in snubbing service were established by utilizing software Solidworks，which is composed of the rubber substrate (NBR) and wear insert (UHMW-PE).Meanwhile，the model was analyzed by using the finite element analysis soft Abaqus，which is the nonlinear finite element contact analysis.The distribution of contact stress between the rubber core and the drilling pipe in three different loading were studied.The results show that the rubber core can be used for sealing no more than 35 MPa in snubbing at the hydraulic stripper force of 20 MPa.The main failure location of rubber core focus on the contact area between the rubber matrix and top and bottom plate and near the central position on the circular surface of wear insert，which is consistent with the actual conditions of the oilfield and which explained the reliable of finite element analysis results，otherwise，which provides a theoretical reference for rubber core.

ram blowout preventer；rubber core；sealing；analysis

2016-12-08

長江青年人才基金(201526862)資助

馬衛國(1961-)，男，教授，博士生導師，研究方向為石油機械，E-mail：mwg-jh@ vip.sina.com。

1001-3482(2017)03-0029-04

TE921.50

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.006