一種套管懸掛器金屬密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究*

練章華1 劉 洋1 張耀明 嚴(yán)永發(fā) 王裕海

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 四川成都 610500；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司 新疆庫爾勒 841000)

在國(guó)內(nèi)，塔里木庫車山前高溫高壓氣井已發(fā)生三十余井次BT(橡膠密封圈)或套管懸掛器卡瓦密封失效，給油田造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。井口密封失效會(huì)導(dǎo)致油氣井的產(chǎn)量降低和維修成本增加，也會(huì)引起巨大的安全和環(huán)境問題。這些問題對(duì)氣井的完整性和安全開采提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。因此，需要開展新型套管懸掛器密封材質(zhì)及密封結(jié)構(gòu)研究。崔彥立等[2]為了減輕油氣井壓裂后對(duì)地層的污染并降低作業(yè)成本，研制了高強(qiáng)度環(huán)空壓裂專用懸掛器。韓東穎等[3]對(duì)套管頭在 6 種作業(yè)工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，得到了套管頭的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)，確定了套管頭的危險(xiǎn)部位，對(duì)不滿足校核準(zhǔn)則的工況給出了合理化的建議。楊延青[4]對(duì)懸掛器卡瓦本體進(jìn)行承載能力有限元分析，研究了卡瓦背錐傾角和摩擦因數(shù)對(duì)承載能力的影響。李太元[5]和由保勝等[6]通過對(duì)套管頭各種工況下的力學(xué)分析, 發(fā)現(xiàn)套管頭內(nèi)部懸掛器與套管頭殼體相接觸部位及與表層套管相接處支撐部位應(yīng)力值較大，但均滿足強(qiáng)度要求。李旭冉[7]、王倩琳等[8]利用ANSYS有限元分析軟件和FE-SAFE平臺(tái),研究了變壓力工況下壓裂井口裝置的疲勞失效規(guī)律。MILBERGER和RADI[9]、CARPENTER[10]提出一種套管懸掛器全金屬密封的新型井口裝置，并給出了密封測(cè)試方法。

上述文獻(xiàn)對(duì)套管頭結(jié)構(gòu)可靠性、應(yīng)力分析等方面進(jìn)行了較為全面的研究[11-12]，對(duì)套管懸掛器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很重要的參考價(jià)值，然而針對(duì)芯軸式套管懸掛器用金屬密封研究較少。本文作者以芯軸式懸掛器用金屬密封為研究對(duì)象，采用ANSYS軟件對(duì)芯軸式懸掛器進(jìn)行有限元分析，研究套管懸掛器密封性能，分析不同頂絲壓力、套管懸重下金屬密封結(jié)構(gòu)接觸壓力的變化及分布規(guī)律，為芯軸式懸掛器用錐形金屬密封結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 芯軸式套管懸結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的懸掛器結(jié)構(gòu)密封部分主要采用金屬和橡膠組合的密封結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，通過上部壓力和下端絲扣懸掛井下套管柱，通過上部壓力和套管柱的懸重?cái)D壓上部H形橡膠密封圈和下部X形金屬密封圈，達(dá)到密封四通和芯軸之間環(huán)形空間的目的。由于現(xiàn)有芯軸懸掛器密封部位采用了橡膠密封圈，在井場(chǎng)高溫高壓等惡劣環(huán)境下，長(zhǎng)期使用后會(huì)產(chǎn)生老化，導(dǎo)致井下氣體從密封間隙竄出，引起安全事故。

圖1 芯軸式懸掛器結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)使用的芯軸式懸掛器，密封結(jié)構(gòu)部位長(zhǎng)時(shí)間承受變化劇烈的壓縮載荷和溫度，使橡膠件易老化，在試壓過程中，經(jīng)常發(fā)生主密封失效，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)使用的芯軸結(jié)構(gòu)及橡膠圈失效事故

2 懸掛器結(jié)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元建模

針對(duì)高溫高壓下橡膠密封件的失效問題，設(shè)計(jì)一種新型密封結(jié)構(gòu)，將橡膠密封結(jié)構(gòu)改為錐形金屬密封，通過軟金屬塑性流動(dòng)與基體彈性變形實(shí)現(xiàn)密封。為增加接觸面長(zhǎng)度，提高接觸壓力和增加密封可靠性，文中將線型面改為曲面密封，設(shè)計(jì)了3種不同類型曲面密封結(jié)構(gòu)，分別為正弦、橢圓、拋物線型曲面，如圖3所示，然后分析比較線型、正弦、橢圓、拋物線4種不同密封結(jié)構(gòu)的密封接觸壓力和密封接觸寬度，從而找到一種比較合理的曲面密封結(jié)構(gòu)。

為了便于計(jì)算，根據(jù)幾何和載荷的對(duì)稱性，可將芯軸式懸掛器密封系統(tǒng)的受力問題簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，模型主要由芯軸-錐形金屬密封件-四通三部分組成。對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在密封接觸區(qū)以加密網(wǎng)格的方式來提高計(jì)算的精度。4種密封錐結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)模型及其網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 懸掛器及其不同密封錐有限元力學(xué)模型

懸掛器及密封錐共有5個(gè)接觸密封面，分別為Pc1、Pc2、Pc3、Pc4和Pc5，其中，在四通下端面施加全位移約束。p1為施加在芯軸下端面的套管懸重，p2為施加在密封錐上端面的頂絲壓力，且p1=400 kN，p2=100 kN。

3 密封錐密封性能分析

3.1 懸掛器材料參數(shù)

芯軸式懸掛器上部密封系統(tǒng)主要由芯軸、密封錐和四通構(gòu)成。各部件采用的材料及屬性如表1所示。

表1 芯軸懸掛器及錐形金屬密封材料屬性

3.2 密封錐面接觸壓力分布

圖4示出了線型、正弦、橢圓和拋物線型4種曲面密封的觸壓力分布。可見，正弦型密封結(jié)構(gòu)的最大密封接觸壓力最大，然后為拋物線和橢圓型密封結(jié)構(gòu)，線型密封結(jié)構(gòu)的最大接觸壓力較小。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，接觸壓力在接觸面最頂面達(dá)到最大，該處為密封部位的主要區(qū)域。

圖5所示為不同密封錐面接觸壓力沿路徑AiBi(i=1,2,3,4)的變化情況(選取的路徑如圖3所示)。可以看出：線型密封錐的4個(gè)錐面上的接觸壓力在接觸路徑均呈現(xiàn)U形，即4個(gè)錐面接觸面中部的接觸壓力較小，接觸面兩端的接觸壓力較大；而正弦曲面、橢圓曲面和拋物線曲面3種非線型密封錐的4個(gè)錐面上的接觸壓力在其接觸路徑上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，即非線型密封錐的最大接觸壓力均出現(xiàn)在接觸路徑的中部處。同時(shí)由表2可知，在相同條件下，接觸密封寬度依次為橢圓、拋物線和正弦。

圖4 芯軸與四通、不同密封錐面接觸壓力分布

圖5 不同密封錐面接觸壓力與路徑的變化關(guān)系

表2p1=400kN和p2=100kN時(shí)的不同接觸面寬度

Table2Contactwidthofdifferentcontactsurfacewhenp1=400kNandp2=100kN

密封面形狀接觸面寬度b/mmPc2Pc3Pc4Pc5正弦0.980.790.790.98橢圓1.291.111.211.09拋物線0.980.980.790.79

通過對(duì)比圖5 (b)、(c)、(d)非線型曲面上接觸壓力與接觸路徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)內(nèi)錐面(Pc2、Pc3)上的接觸壓力均分別大于對(duì)應(yīng)的外錐面上的接觸壓力，因此，對(duì)非線型密封錐可以調(diào)整期內(nèi)外錐度，來保證其密封性能。若綜合考慮接觸壓力和接觸面寬度，可以采用橢圓曲線結(jié)構(gòu)。

3.3 不同頂絲壓力下的密封性能分析

3.3.1 不同頂絲壓力下的接觸寬度分析

選取頂絲壓力為0～100 kN，模擬分析正弦、橢圓、拋物線3種曲面密封錐4個(gè)接觸面上的接觸寬度隨頂絲壓力的變化，結(jié)果如圖6所示。4個(gè)密封接觸面(Pc2、Pc3、Pc4、Pc5)的接觸寬度均隨著頂絲壓力的增加而增加，其中橢圓密封的密封寬度呈平穩(wěn)增加，而正弦和拋物線密封的密封寬度呈起伏式增加。在相同條件下，接觸密封寬度由大到小依次為橢圓、拋物線和正弦曲面，橢圓型密封結(jié)構(gòu)的接觸寬度最大，因而其接觸密封效果相比其他3種結(jié)構(gòu)更好。

圖6 不同頂絲壓力下4個(gè)密封錐面平均接觸寬度的變化

3.3.2 不同頂絲壓力下的接觸壓力分析

圖7示出了4個(gè)密封錐面平均接觸壓力隨頂絲壓力的變化。

圖7 不同頂絲壓力下4個(gè)密封錐面平均接觸壓力的變化

可知，4個(gè)線型接觸面處的平均接觸壓力隨頂絲壓力的增加而增加，但接觸壓力增長(zhǎng)的幅度較小；而隨頂絲壓力的增加，正弦和拋物線型密封的平均接觸壓力為起伏式增加，橢圓密封的平均接觸壓力為平穩(wěn)增加，表明橢圓型接觸面有利于密封的穩(wěn)定。

4 橢圓型曲面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)4種結(jié)構(gòu)的密封圈進(jìn)行計(jì)算分析后，選取橢圓型密封接觸面進(jìn)行加工試制并建立試驗(yàn)裝置進(jìn)行研究。如圖8所示，芯軸式懸掛器密封部位主要由橢圓型金屬密封圈I、橢圓型金屬密封圈II、芯軸和四通組成。該結(jié)構(gòu)密封部位的橢圓型金屬密封圈分為為上、下部，通過加載懸重及進(jìn)口加壓實(shí)現(xiàn)橢圓型金屬密封圈的壓緊，使橢圓型金屬密封圈的2個(gè)橢圓面與芯軸和四通接觸面產(chǎn)生過盈配合，實(shí)現(xiàn)金屬密封。

圖8 芯軸式懸掛器及密封試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

5 橢圓型金屬密封圈密封試驗(yàn)研究

將芯軸、上下金屬密封圈按照?qǐng)D9進(jìn)行組裝后，向套管懸重流道注入約5 MPa壓力油，然后開啟試壓泵，在雙U試壓孔加壓對(duì)密封件進(jìn)行試壓。試壓泵及其壓力表量程范圍為0～160 MPa，試壓泵上的壓力表應(yīng)至少具有量程0.5%的精度。測(cè)量壓力值應(yīng)在壓力表量程25%～75%范圍內(nèi)。試壓泵連接線、接頭等附件應(yīng)安全可靠。

各工裝完成后，對(duì)試壓壓力進(jìn)行記錄，得到如圖10、圖11所示的試壓曲線。

圖10和圖11的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從A環(huán)空逐級(jí)加壓至140 MPa，穩(wěn)壓30 min，密封圈I無泄漏，滿足密封要求；從單U上部逐級(jí)加壓至140 MPa，再穩(wěn)壓60 min，密封圈II無泄漏，滿足密封要求。

圖9 密封件試驗(yàn)裝置及密封圈實(shí)物圖

圖10 密封圈I試壓曲線

圖11 密封圈II試壓曲線

通過上述對(duì)橢圓型金屬密封圈的試壓實(shí)驗(yàn)表明，在壓力140 MPa下，上下密封結(jié)構(gòu)都滿足密封要求，沒有發(fā)生密封泄漏。該橢圓型金屬密封圈在高溫超高壓環(huán)境下可以使用。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)高溫高壓下懸掛器橡膠密封件的失效問題，設(shè)計(jì)一種采用316L軟金屬的橢圓型金屬密封圈，該密封圈通過軟金屬塑性流動(dòng)與基體彈性變形實(shí)現(xiàn)金屬面之間的密封，能有效提高懸掛器密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。

(2)從Pc2、Pc3、Pc4和Pc5接觸數(shù)據(jù)得到，對(duì)于上部密封效果而言，線性接觸面的密封壓力最大，正弦線型的密封壓力比較適中，綜合考慮接觸壓力和接觸面寬度，橢圓曲線結(jié)構(gòu)密封性能相對(duì)優(yōu)越。

(3)隨頂絲壓力的增加，線型密封各接觸面處的平均接觸壓力增幅較小，正弦和拋物線型密封各接觸面處的平均接觸壓力起伏式增加，橢圓密封各接觸面處的平均接觸壓力平穩(wěn)增加，表明采用橢圓型接觸面有利于密封的穩(wěn)定。

(4)試壓結(jié)果表明，橢圓型金屬密封結(jié)構(gòu)密封性能良好，可以承受高溫高壓環(huán)境，相對(duì)橡膠密封圈，可極大地提高密封結(jié)構(gòu)整體壽命。