隨鉆測量自保護密封原理及影響因素分析

王耀民，葉根飛，趙永哲，高 科，劉衛衛，段會軍

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013；4.吉林大學 建設工程學院，吉林 長春 130015)

定向鉆進技術因軌跡可控、目標層位鉆遇率高等優點，在煤田地質勘探中得到大規模應用，定向鉆進關鍵設備隨鉆測量儀器也得到長足發展[1-2]。但隨鉆測量儀器為電子設備，在應用過程中受到鉆井液、鉆孔水腐蝕和巖粉磨損等威脅，隨著鉆孔深度增加，隨鉆測量儀器密封問題更加突出[3]。

目前，煤礦井下隨鉆測量儀器密封通常采用多級O 型密封圈組合靜密封結構，通過多級密封延緩密封裝置失效時間，以滿足長鉆孔隨鉆測量要求。O 型密封圈具有結構簡單、便于更換等優點，在鉆孔深度較小時，能夠滿足正常工作需要[4-6]。但隨著鉆孔深度增加，鉆機等設備功率增大，配套隨鉆測量儀器精密元件日益增多，對密封性能要求越來越高，O 型密封圈組合密封結構因自身缺陷不能滿足更高密封要求[7-8]。組合靜密封結構中各級密封圈不是逐級保護，而是并列保護，不能保證一級密封失效時，其他各級密封都能夠正常工作[9-11]。在現場實際應用過程中，因密封圈損壞造成隨鉆測量儀器無法正常工作的現象時有發生，如無信號、信號不穩定等，造成設備損壞和經濟損失。

針對組合靜密封結構缺陷，依據空氣彈簧原理，設計一種自保護密封裝置[12-13]。利用空氣彈簧特性，使自保護密封裝置在其他密封件失效時，氣囊膨脹與儀器殼體形成擠壓接觸，隔絕外部液體侵入儀器內部通道，從而達到將組合靜密封結構的并列保護改為逐級保護目的。通過逐級保護密封結構，延長隨鉆測量儀器工作壽命，保護儀器在孔內不受傷害，從而適應定向深孔的要求。

1 自保護密封裝置結構及工作原理

如圖1 所示，自保護密封裝置作為密封結構最后一級，與隨鉆測量儀器殼體2、中心軸3、O 型密封圈4 和儀器內部保護液組成一套逐級保護多級密封結構[14-15]。在O 型密封圈密封失效時，通過橡膠氣囊膨脹與隨鉆測量儀器擠壓接觸實現密封，可與隨鉆測量儀器整合，向操作人員發出報警，提示需及時更換。

圖1 自保護密封裝置剖面Fig.1 Section of the self-protective sealing device

自保護密封裝置由固定支撐5、橡膠氣囊6 和自保護氣體發生殼體8 組成，自保護氣體殼體與固定支撐和橡膠氣囊通過氣體通道連接。固定支撐用于限制橡膠氣囊位移和承受膨脹氣壓、水壓等壓力，保護橡膠氣囊。橡膠氣囊由內外兩個氣囊組成，內部有氣體通道進行連接。自保護氣體殼體內設置有自保護氣體藥品9 和自保護發熱電阻絲10，電阻絲與內腔壓力傳感器11 連接。自保護密封裝置通過固定螺栓7 固定在儀器殼體表面。

當O 型密封圈正常工作時，橡膠氣囊6 不膨脹，與儀器殼體2 不接觸，只通過固定螺栓固定在儀器殼體表面；當O 型密封圈損壞，儀器密封腔內部保護液泄漏時，橡膠氣囊迅速膨脹與儀器殼體擠壓接觸，隔絕外部液體侵入儀器內部通道，保護儀器內部元件。

自保護密封裝置的功能通過電路實現。如圖2 所示，外部電源傳遞電能，內腔壓力傳感器作為電路開關，平時處于斷開狀態，當O 型密封圈損壞，儀器密封腔內部保護液泄漏、壓力減小時迅速閉合，電阻絲發熱，自保護氣體藥品受熱膨脹或化學分解產生氣體，并經氣體通道注入橡膠氣囊，使橡膠氣囊迅速膨脹，實現密封。儀器內部保護液壓力大于外部液體壓力，在內部壓力開始減少時電阻絲發熱，在內外部液體壓力相同之前，橡膠氣囊膨脹與儀器接觸完成密封。可通過預估鉆孔內液體壓力和橡膠氣囊膨脹時間，對儀器內部保護液壓力進行調整，使橡膠氣囊在外部液體侵入儀器內部之前實現密封。

圖2 自保護密封裝置工作原理Fig.2 Working principle of the self-protection sealing device

隨鉆測量儀器工作時，通過測量短節測出傾角、方位角等數據后，轉化為電信號傳遞給驅動裝置和脈沖發生器產生脈沖信號，傳遞給孔口設備，經孔口隨鉆測量系統解碼后顯示鉆孔數據。電信號是隨鉆測量儀器將孔內數據轉化為脈沖信號的關鍵，自保護密封裝置工作時，會產生儀器內部壓力泄漏電信號，可將內部壓力泄漏電信號整合至測量短接電信號傳遞路徑上。在自保護密封裝置開始工作時，同時通過脈沖信號向工作人員發出報警信號。

2 自保護密封裝置膨脹數值模擬研究

自保護密封裝置主要是依靠電阻絲加熱后，自保護氣體藥品產生氣體，氣體受熱膨脹推動橡膠氣囊向四周膨脹與儀器內壁擠壓接觸，從而隔絕外部液體侵入儀器內部。橡膠氣囊膨脹位移是自保護密封裝置關鍵，采用SOLIDWORKS 軟件Simulation 模塊對橡膠氣囊進行模擬膨脹分析。為保證數值模擬結果可靠性，建立模型1 和模型2 兩個尺寸大小不同的自保護密封裝置模型，參數見表1。

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表1 自保護密封裝置結構參數Table 1 Structural parameters of the self-protective sealing device mm

2.1 自保護密封裝置模型及網格劃分

在Simulation 模塊中建立自保護密封裝置模型，由固定支撐和橡膠氣囊組成。其中，固定支撐材料為普通碳鋼，橡膠氣囊材料為丁腈橡膠。同時對自保護密封裝置按照結構尺寸大小進行網格劃分，如圖3 所示。圖中白色部分為固定支撐網格，紅色部分為橡膠氣囊網格。

圖3 自保護密封裝置網格Fig.3 Grid diagram of the self-protection sealing device

2.2 定義邊界條件和載荷

結合自保護密封裝置實際工作狀態，對固定支撐進行固定約束，并使其成剛性，限制其位移和形變。對橡膠氣囊做膨脹處理，分別對橡膠氣囊內部施加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0、1.5 和2 MPa 8 個不同氣壓做實驗，得出橡膠氣囊膨脹位移，具體位移見表2。

表2 不同氣壓下自保護密封裝置膨脹位移Table 2 Expansion displacement of the self-protective sealing device under different air pressures

2.3 膨脹過程數值模擬分析

在建立橡膠氣囊模型和網格劃分、定義邊界條件和載荷后，進行數值模擬得到橡膠氣囊在不同氣壓條件下的膨脹位移，變化結果如圖4 所示。

圖4 橡膠氣囊膨脹位移隨氣壓變化Fig.4 Variation diagram of the expansion displacement of the rubber airbag with air pressure

如圖4 所示，橡膠氣囊膨脹位移隨著氣壓增大而增大，呈線性關系，將線性比例系數命名為膨脹位移比k，可得到所需氣體壓力p的計算公式：

式中：p為氣體壓力，MPa；l為橡膠氣囊膨脹位移，由自保護密封裝置和儀器尺寸所決定，mm；k為橡膠氣囊膨脹位移比，mm/MPa。

通過式(1)求得密封時所需氣體壓力p，進而求得所需氣體物質的量n。氣體物質的量n可通過氣體壓力計算公式得出：

式中：V為橡膠氣囊膨脹時內部空腔體積，mm3；n為氣體物質的量，mol；R為常數，為8.314；T為熱力學溫度，K。

若自保護氣體所需物質的量n已知，可通過化學方程式等公式求出所需自保護氣體藥品質量。為滿足橡膠氣囊持續膨脹要求，自保護氣體藥品填裝質量要大于所需質量。

為滿足密封要求，需根據環境溫度和橡膠氣囊材料，選擇不同自保護氣體藥品。以丁腈橡膠為材料的橡膠氣囊承受溫度范圍為-50～150℃，NaHCO3受熱分解溫度為130℃，在橡膠氣囊承受溫度內。以NaHCO3生成C O2為例，化學方程式：

由化學方程式(3)可得，假設生成1 mol CO2氣體，需要2 mol NaHCO3。 NaHCO3相 對摩爾質量 為84 g/mol，所需 NaHCO3質量為168 g。

3 自保護密封裝置流體數值模擬及隨鉆實驗

自保護密封裝置作為密封結構最后一環，可防止外部鉆井液等液體進入儀器內部破壞儀器，保護隨鉆測量儀器直至離開鉆孔，但自保護密封裝置屬于氣壓膨脹性密封，密封效果未知。因此，需對自保護密封裝置進行橡膠氣囊膨脹情況下流體數值模擬分析研究。

3.1 自保護密封裝置模型及網格劃分

在SOLIDWORKS 軟件Flow Simulation 模塊中建立簡易自保護密封裝置密封系統模型(以下簡稱簡易模型)，同時對簡易模型按照結構尺寸大小進行網格劃分。簡易模型由儀器殼體、自保護密封裝置(固定支撐和橡膠氣囊)和中間軸組成。其中，殼體、軸和固定支撐材料為普通碳鋼，橡膠氣囊材料為丁腈橡膠。

3.2 定義邊界條件和載荷

結合簡易模型實際工作狀態，對殼體、軸和固定支撐進行固定約束并使其成剛性，限制其位移；因模型1 壁厚小于模型2，密封性能較差，以模型2 為分析示例。根據簡易模型內外徑分別為25、44 mm 和模型2 結構尺寸，求得橡膠氣囊所需膨脹位移為4 mm。根據式(1)求得所需壓力為0.48 MPa。為滿足密封需求，實際氣壓應大于計算所需壓力，因此對橡膠氣囊內部施加0.6 MPa 壓力。現場施工過程中隨鉆測量裝置O 型密封圈失效時，孔內水流速為2 m/s，因自保護密封裝置在O 型密封圈失效同時開始工作，故選用流體水為流速2 m/s。

3.3 流體數值模擬分析

在建立簡易模型和網格劃分、定義邊界條件和載荷后，自保護密封裝置模型膨脹與儀器殼體進行接觸，并使其正對水流方向，進行數值模擬得到簡易模型水流動軌跡圖，如圖5 所示。

圖5 自保護密封裝置數值模擬流體軌跡Fig.5 Diagram of the fluid trajectory by numerical simulation of the self-protective sealing device

水從簡易模型殼體外壁流過，簡易模型內部無水流動軌跡，證明了自保護密封裝置密封性能可靠。簡易模型內部無液體流動痕跡，證明自保護密封裝置可作為多級密封結構最后一級，與其他密封裝置共同組成逐級保護密封結構，避免組合靜密封結構并列保護缺陷，保護隨鉆測量儀器在孔內不受外部液體傷害，從而延長隨鉆測量儀器工作壽命。

3.4 自保護密封裝置組合密封結構隨鉆實驗

自保護密封裝置組成的組合密封結構隨雙鉆頭自平衡鉆進系統進行了室內不固定巖樣取心實驗。實驗過程中，鉆進系統平穩運行，組合密封結構未出現異常。鉆進時為滿足取心要求，鉆井液采用局部反循壞方式，直接威脅組合密封結構，但在鉆井液高速沖擊下，組合密封結構仍保障鉆進系統正常運行，證明了由自保護密封裝置組成的組合密封結構能夠保護隨鉆測量儀器在孔內鉆進不受鉆井液等傷害。

4 橡膠氣囊膨脹因素分析

如圖4 所示，自保護密封裝置模型1 與模型2 膨脹位移比k并不相同，模型1 與模型2 唯一變量為結構尺寸。因此，對橡膠氣囊膨脹位移比k和結構尺寸關系進行分析。橡膠氣囊結構包括氣囊空腔和氣囊橡膠外壁，其結構參數有內外圈直徑、寬度和高度以及氣體通道直徑和長度，如圖6 所示。因模型1 和模型2 高度和氣體通道直徑和長度相同，且氣囊內外圈直徑與自保護密封裝置整體尺寸有關，因此選擇氣囊空腔寬度和氣囊壁厚作為自變量。從橡膠氣囊整體進行分析，增加氣囊直徑和氣囊寬度2 個自變量。

圖6 自保護密封裝置結構Fig.6 Structural diagram of the self-protective sealing device

從氣囊直徑、氣囊寬度、氣囊內腔寬度和橡膠壁厚四個自變量對橡膠氣囊膨脹位移進行數值模擬分析。為保證實驗準確性，建立五個橡膠氣囊模型，并根據四個自變量，共做20 次膨脹模擬，其參數見表3。并施加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0、1.5 和2.0 MPa 8 個不同氣壓做實驗，得出橡膠氣囊膨脹位移比。在數值模擬過程中，發現自保護密封裝置橡膠氣囊膨脹數值模擬圖中隨著自變量變化，橡膠氣囊內外圈膨脹位移大小不同，如圖7 所示。且最大值未出現在同一地方，而是內外圈均有出現。

表3 橡膠氣囊膨脹自變量參數Table 3 Independent variable parameters of rubber airbag expansion mm

圖7 自保護密封裝置膨脹位移Fig.7 Expansion displacement diagram of the self-protective sealing device

針對這一情況，對橡膠氣囊內外圈分別進行自變量數值模擬，發現內外圈中膨脹位移最大值與橡膠氣囊整體膨脹位移值相同。對橡膠氣囊整體和內外圈分別進行數值模擬后，對其膨脹位移比k進行歸整后結果如圖8 所示。橡膠氣囊膨脹位移比k隨氣囊直徑和寬度增大先增大后減小，與氣囊直徑、寬度呈二次函數關系；隨氣囊內腔寬度和壁厚增大而減小，與內腔寬度、壁厚呈反比關系；但隨氣囊內腔寬度變化幅度與其他三個自變量相比較小。

圖8 橡膠氣囊膨脹位移比變化Fig.8 Variation diagram of the expansion displacement ratio of the rubber airbag device

從圖8a、圖8d 可以看出，在直徑和壁厚較小時，外圈膨脹位移比大于內圈，但隨著直徑和壁厚繼續增大，外圈膨脹位移比均明顯小于內圈。從圖8a、圖8b可以看出，外圈膨脹位移比上升幅度小于內圈而下降幅度大于內圈，且橡膠氣囊內圈體積小于氣囊外圈體積。因此，可以判斷橡膠氣囊結構尺寸存在臨界值，此時，橡膠氣囊膨脹位移比k最大。為滿足自保護密封裝置正常工作，實際使用時應選取其中小膨脹位移比作為自保護密封裝置整體膨脹位移比。

橡膠氣囊直徑和寬度受隨鉆測量儀器結構尺寸影響，而橡膠壁厚與氣囊密封性能和工作壽命密切相關[16-20]。壁厚越大，密封效果越好，工作壽命越長。從內腔寬度(圖8c)和壁厚(圖8d)中可以看出，氣囊膨脹位移比k隨內腔寬度和壁厚增大而減小。因此，在實際應用過程中，可縮減氣囊內腔寬度增加橡膠壁厚，達到更好密封性能，從而延長隨鉆測量儀器工作壽命。

5 結 論

a.靜力學膨脹模擬表明橡膠氣囊膨脹位移與氣壓成正比，從而依據膨脹位移量確定自保護氣體藥品質量。

b.橡膠氣囊膨脹位移與氣囊直徑、寬度呈二次函數關系，和氣囊壁厚、內腔寬度成反比，得到橡膠氣囊膨脹位移與自身結構尺寸關系，為設計滿足隨鉆測量儀器安裝空間自保護密封裝置結構設計提供依據。

c.對自保護裝置研究仍處于模擬狀態，橡膠氣囊膨脹位移最大時的結構尺寸臨界值未求出，仍需進行大量數值模擬。

d.由自保護裝置組成的組合靜密封結構通過流體模擬和室內隨鉆實驗，驗證了自保護密封裝置作為密封結構最后一步，密封可靠。為進一步驗證自保護裝置組成密封結構的密封性能，現場試驗和深入研究是后續要開展的工作。