一種套管懸掛器金屬密封結構設計與研究*

練章華1 劉 洋1 張耀明 嚴永發 王裕海

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

在國內，塔里木庫車山前高溫高壓氣井已發生三十余井次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濟損失和安全隱患。井口密封失效會導致油氣井的產量降低和維修成本增加，也會引起巨大的安全和環境問題。這些問題對氣井的完整性和安全開采提出了嚴峻挑戰[1]。因此，需要開展新型套管懸掛器密封材質及密封結構研究。崔彥立等[2]為了減輕油氣井壓裂后對地層的污染并降低作業成本，研制了高強度環空壓裂專用懸掛器。韓東穎等[3]對套管頭在 6 種作業工況下的受力狀態進行了分析，得到了套管頭的變形和應力分布狀態，確定了套管頭的危險部位，對不滿足校核準則的工況給出了合理化的建議。楊延青[4]對懸掛器卡瓦本體進行承載能力有限元分析，研究了卡瓦背錐傾角和摩擦因數對承載能力的影響。李太元[5]和由保勝等[6]通過對套管頭各種工況下的力學分析, 發現套管頭內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力值較大，但均滿足強度要求。李旭冉[7]、王倩琳等[8]利用ANSYS有限元分析軟件和FE-SAFE平臺,研究了變壓力工況下壓裂井口裝置的疲勞失效規律。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，并給出了密封測試方法。

上述文獻對套管頭結構可靠性、應力分析等方面進行了較為全面的研究[11-12]，對套管懸掛器的結構設計具有很重要的參考價值，然而針對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象，采用ANSYS軟件對芯軸式懸掛器進行有限元分析，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構接觸壓力的變化及分布規律，為芯軸式懸掛器用錐形金屬密封結構的參數設計提供參考。

1 芯軸式套管懸結構

現有的懸掛器結構密封部分主要采用金屬和橡膠組合的密封結構(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擠壓上部H形橡膠密封圈和下部X形金屬密封圈，達到密封四通和芯軸之間環形空間的目的。由于現有芯軸懸掛器密封部位采用了橡膠密封圈，在井場高溫高壓等惡劣環境下，長期使用后會產生老化，導致井下氣體從密封間隙竄出，引起安全事故。

圖1 芯軸式懸掛器結構

現場使用的芯軸式懸掛器，密封結構部位長時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，經常發生主密封失效，如圖2所示。

圖2 現場使用的芯軸結構及橡膠圈失效事故

2 懸掛器結構密封結構的設計及有限元建模

針對高溫高壓下橡膠密封件的失效問題，設計一種新型密封結構，將橡膠密封結構改為錐形金屬密封，通過軟金屬塑性流動與基體彈性變形實現密封。為增加接觸面長度，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，設計了3種不同類型曲面密封結構，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種不同密封結構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構。

為了便于計算，根據幾何和載荷的對稱性，可將芯軸式懸掛器密封系統的受力問題簡化為二維軸對稱模型進行分析，模型主要由芯軸-錐形金屬密封件-四通三部分組成。對實體模型進行網格劃分，并在密封接觸區以加密網格的方式來提高計算的精度。4種密封錐結構的有限元力學模型及其網絡模型如圖3所示。

圖3 懸掛器及其不同密封錐有限元力學模型

懸掛器及密封錐共有5個接觸密封面，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

芯軸式懸掛器上部密封系統主要由芯軸、密封錐和四通構成。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，正弦型密封結構的最大密封接觸壓力最大，然后為拋物線和橢圓型密封結構，線型密封結構的最大接觸壓力較小。從圖中還可發現，接觸壓力在接觸面最頂面達到最大，該處為密封部位的主要區域。

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)?？梢钥闯觯壕€型密封錐的4個錐面上的接觸壓力在接觸路徑均呈現U形，即4個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個錐面上的接觸壓力在其接觸路徑上呈現出先增大后減小的趨勢，即非線型密封錐的最大接觸壓力均出現在接觸路徑的中部處。同時由表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系

表2p1=400kN和p2=100kN時的不同接觸面寬度

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

通過對比圖5 (b)、(c)、(d)非線型曲面上接觸壓力與接觸路徑的關系，發現內錐面(Pc2、Pc3)上的接觸壓力均分別大于對應的外錐面上的接觸壓力，因此，對非線型密封錐可以調整期內外錐度，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構。

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個接觸面上的接觸寬度隨頂絲壓力的變化，結果如圖6所示。4個密封接觸面(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，橢圓型密封結構的接觸寬度最大，因而其接觸密封效果相比其他3種結構更好。

圖6 不同頂絲壓力下4個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個密封錐面平均接觸壓力的變化

可知，4個線型接觸面處的平均接觸壓力隨頂絲壓力的增加而增加，但接觸壓力增長的幅度較??；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增加，表明橢圓型接觸面有利于密封的穩定。

4 橢圓型曲面密封結構設計

通過對4種結構的密封圈進行計算分析后，選取橢圓型密封接觸面進行加工試制并建立試驗裝置進行研究。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。該結構密封部位的橢圓型金屬密封圈分為為上、下部，通過加載懸重及進口加壓實現橢圓型金屬密封圈的壓緊，使橢圓型金屬密封圈的2個橢圓面與芯軸和四通接觸面產生過盈配合，實現金屬密封。

圖8 芯軸式懸掛器及密封試驗裝置結構圖

5 橢圓型金屬密封圈密封試驗研究

將芯軸、上下金屬密封圈按照圖9進行組裝后，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試壓孔加壓對密封件進行試壓。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至少具有量程0.5%的精度。測量壓力值應在壓力表量程25%～75%范圍內。試壓泵連接線、接頭等附件應安全可靠。

各工裝完成后，對試壓壓力進行記錄，得到如圖10、圖11所示的試壓曲線。

圖10和圖11的實驗結果表明：從A環空逐級加壓至140 MPa，穩壓30 min，密封圈I無泄漏，滿足密封要求；從單U上部逐級加壓至140 MPa，再穩壓60 min，密封圈II無泄漏，滿足密封要求。

圖9 密封件試驗裝置及密封圈實物圖

圖10 密封圈I試壓曲線

圖11 密封圈II試壓曲線

通過上述對橢圓型金屬密封圈的試壓實驗表明，在壓力140 MPa下，上下密封結構都滿足密封要求，沒有發生密封泄漏。該橢圓型金屬密封圈在高溫超高壓環境下可以使用。

6 結論

(1)針對高溫高壓下懸掛器橡膠密封件的失效問題，設計一種采用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與基體彈性變形實現金屬面之間的密封，能有效提高懸掛器密封結構的使用壽命。

(2)從Pc2、Pc3、Pc4和Pc5接觸數據得到，對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，橢圓曲線結構密封性能相對優越。

(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增加，表明采用橢圓型接觸面有利于密封的穩定。

(4)試壓結果表明，橢圓型金屬密封結構密封性能良好，可以承受高溫高壓環境，相對橡膠密封圈，可極大地提高密封結構整體壽命。