12 000 m鉆機(jī)頂驅(qū)用高壓沖管盤根密封設(shè)計(jì)

張 凱

(上海蘭石重工機(jī)械有限公司,上海 201108)

隨著油氣鉆井作業(yè)深度的不斷增加,鉆井液的輸出壓力也隨之增加,導(dǎo)致傳統(tǒng)沖管盤根密封形式失效的難題急需解決。前人對(duì)沖管盤根密封所做的研究主要是分析盤根密封工作時(shí)的接觸應(yīng)力，改變密封材料或增加輔助措施來(lái)保護(hù)密封件等，在7 000 m以下井深工況，有限延長(zhǎng)盤根密封使用壽命。

本文基于沖管盤根的密封原理，結(jié)合沖管盤根的工作特性，采用新的密封原理設(shè)計(jì)出適用于高壓、大線速度工況的盤根密封結(jié)構(gòu)，并建立有限元模型進(jìn)行分析。

1 傳統(tǒng)沖管盤根密封性能分析

傳統(tǒng)沖管的動(dòng)密封部分主要由金屬壓套以及多組Y型密封圈并聯(lián)構(gòu)成。在鉆井液壓力的作用下，第1組Y型密封圈唇部緊貼沖管外壁進(jìn)行密封。當(dāng)?shù)?組密封失效后，第2組密封開始工作。此方法可滿足6 000 m以下井的作業(yè)要求[1]。隨著鉆井深度和鉆井液壓力的不斷增加，當(dāng)壓力達(dá)到35 MPa時(shí)，盤根密封只能連續(xù)工作100 h。當(dāng)泵壓繼續(xù)升高時(shí)，盤根密封只能連續(xù)工作50 h。當(dāng)前鉆井技術(shù)要求的鉆井液壓力非常高，傳統(tǒng)沖管盤根密封裝置已經(jīng)達(dá)不到使用要求[2-3]。因此，盤根密封壽命一直是研究頂驅(qū)及水龍頭的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]中已詳細(xì)論述了傳統(tǒng)沖管盤根的密封原理和失效原因，本文不再做詳細(xì)分析。

2 新型沖管盤根設(shè)計(jì)計(jì)算

在12 000 m鉆機(jī)的頂驅(qū)研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)沖管盤根無(wú)論從結(jié)構(gòu)還是適應(yīng)壓力方面都已無(wú)法滿足12 000 m井深的作業(yè)工況要求。根據(jù)GB/T 31049—2014《石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鉆井液通道直徑和鉆井液循環(huán)通道工作壓力的規(guī)定[4]，12 000 m鉆機(jī)頂驅(qū)的鉆井液通道直徑(沖管內(nèi)徑)為89 mm，沖管外徑為115 mm，鉆井液循環(huán)壓力為52 MPa，設(shè)計(jì)出適用于12 000 m鉆機(jī)頂驅(qū)的新型沖管盤根密封結(jié)構(gòu)。

2.1 新型盤根密封結(jié)構(gòu)

圖1為新型沖管盤根[5]結(jié)構(gòu)，分為上、下盤根2部分。上盤根密封為靜密封，仍采用傳統(tǒng)密封形式。下盤根為旋轉(zhuǎn)密封，根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述失效原因，主要是鉆井液壓力增大和磨損加劇導(dǎo)致。

圖1 新型沖管盤根密封結(jié)構(gòu)

沖管的線速度為：

v=π·D·n

式中：v為沖管的線速度；D為沖管的外徑；n為沖管的轉(zhuǎn)速。

鉆井作業(yè)中轉(zhuǎn)速n(本文取100 r/min和210 r/min兩種轉(zhuǎn)速對(duì)比)保持不變時(shí)，隨著鉆井深度h和沖管直徑D的增大，密封圈與沖管之間的相對(duì)線速度v也在增大，進(jìn)一步加大高壓、大線速度工況下的密封難度。

在研發(fā)過程中，采用新的密封原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)有限元分析驗(yàn)證，在12 000 m鉆井作業(yè)工況下，新型沖管盤根的連續(xù)使用壽命可達(dá)720 h。

2.2 工作原理

新型盤根密封的設(shè)計(jì)思路是先減壓，再密封，減小密封件兩側(cè)的壓力差[6-12],為密封圈營(yíng)造出合適的壓力環(huán)境。整個(gè)旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)共分為3個(gè)區(qū)域，即，減壓區(qū)、導(dǎo)向減壓區(qū)和密封區(qū)，相應(yīng)的零件是減壓環(huán)、導(dǎo)向減壓環(huán)和VL密封圈(如圖2所示)。這些零件均由TRELLEBORG公司提供定制。

圖2 新型盤根密封結(jié)構(gòu)原理

圖2中，減壓區(qū)域由3個(gè)減壓環(huán)組成，導(dǎo)向減壓區(qū)由2個(gè)導(dǎo)向減壓環(huán)組成，密封區(qū)由3個(gè)VL密封圈組成。根據(jù)TRELLEBORG公司提供的數(shù)據(jù)可知，鉆井液每經(jīng)過1道減壓環(huán)，可降壓10%；經(jīng)過1道導(dǎo)向減壓環(huán)，可降壓5%；經(jīng)過1道VL密封圈，可降壓20%。以額定壓力52 MPa工況為例，經(jīng)過降壓后，VL密封圈3的工作壓力為21.9 MPa。壓降數(shù)據(jù)如表1所示。

2.3 有限元分析

馮·米塞斯認(rèn)為，當(dāng)某一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的等效應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到與應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)的定值時(shí)，材料就屈服。或者說(shuō)，材料處于塑性狀態(tài)時(shí)，等效應(yīng)力始終是一不變的定值，這就是MISES屈服準(zhǔn)則[13]。MISES準(zhǔn)則數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(σx-σy)2+(σy-σz)2+(σz-σx)2+

表1 新型盤根密封系統(tǒng)的壓降數(shù)據(jù)(工作壓力)(室溫)

注：1)工況A鉆井液壓力52 MPa；

2)工況B鉆井液壓力105 MPa。

用主應(yīng)力表示為：

式中：σs為材料的屈服點(diǎn)；K為材料的剪切屈服強(qiáng)度；σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力；τxy、τyz、τzx為剪應(yīng)力。

與等效應(yīng)力比較可得：

上式可描述為:在一定變形條件下,當(dāng)受力物體內(nèi)一點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí),該點(diǎn)開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。

按照新型沖管盤根密封結(jié)構(gòu)尺寸建立三維模型，并運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行以下3類MISES等效應(yīng)力計(jì)算：

1) 52、65、80、90 MPa工況下，單個(gè)VL密封圈二維靜態(tài)綜合應(yīng)力和接觸應(yīng)力情況。

2) 52 MPa、100 r/min工況下，單個(gè)VL密封圈三維動(dòng)態(tài)MISES等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力情況。

3) 52 MPa、100 r/min，52 MPa、210 r/min和105 MPa、100 r/min工況下，整個(gè)旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)三維動(dòng)態(tài)MISES等效應(yīng)力情況。

分析結(jié)果如圖3～9。

圖3 單個(gè)VL密封圈二維靜態(tài)MISES應(yīng)力

圖4 單個(gè)VL密封圈二維靜態(tài)接觸應(yīng)力

由圖3知，單個(gè)VL密封圈在52 MPa壓力情況下沒有發(fā)生擠壓變形；65 MPa時(shí)稍微有一點(diǎn)變形，但不明顯；80 MPa時(shí)可見有明顯變形產(chǎn)生；90 MPa時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)D壓變形。圖4所對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。

圖5和圖6為單個(gè)VL密封圈在52 MPa、100 r/min工況下的分析結(jié)果。從圖5可知，單個(gè)VL密封圈在此工況下工作狀態(tài)良好，沒有產(chǎn)生塑性變形。

圖5 單個(gè)VL密封圈三維動(dòng)態(tài)MISES應(yīng)力

圖6 單個(gè)VL密封圈三維動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力

將盤根旋轉(zhuǎn)密封部分作為整個(gè)系統(tǒng)，更貼近實(shí)際工作情況，進(jìn)行3種不同工況的三維動(dòng)態(tài)分析。圖7為密封系統(tǒng)在52 MPa、100 r/min工況下的分析結(jié)果，VL密封圖沒有擠壓變形現(xiàn)象發(fā)生，整個(gè)密封系統(tǒng)的密封性能非常好；圖8為密封系統(tǒng)在52 MPa、210 r/min工況下分析結(jié)果，無(wú)明顯擠壓現(xiàn)象產(chǎn)生，系統(tǒng)性能良好；圖9為密封系統(tǒng)在105 MPa、100 r/min工況下分析結(jié)果，VL密封圈擠壓變形非常嚴(yán)重，已無(wú)法正常分析計(jì)算。

圖7 密封系統(tǒng)52 MPa與100 r/min 工況的MISES應(yīng)力

圖8 密封系統(tǒng)52MPa與210 r/min 工況的MISES應(yīng)力

圖9 密封系統(tǒng)105 MPa與100 r/min 工況的MISES應(yīng)力

3 結(jié)論

1) 有限元分析證明，在鉆井液額定循環(huán)壓力52 MPa和沖管額定轉(zhuǎn)速100 r/min工況下，新型沖管盤根的性能優(yōu)越，完全滿足12 000 m鉆機(jī)頂驅(qū)的正常作業(yè)要求。在52 MPa與210 r/min(高壓、大線速度)工況下仍能保證良好密封性能。

2) 該新型沖管盤根采用逐級(jí)減壓，再密封原理，解決了傳統(tǒng)沖管盤根密封無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高壓旋轉(zhuǎn)密封難題。

3) 新型沖管盤根密封的使用壽命是傳統(tǒng)盤根密封的3～4倍。

4) 在高壓沖管盤根密封研究方面，今后應(yīng)傾向于研發(fā)滿足高壓工況的機(jī)械密封裝置，使用壽命大于現(xiàn)有盤根密封10倍以上。