探析旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯磨損失效機(jī)理

魏莉鴻 樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

一、引言

在開(kāi)采油氣田鉆井過(guò)程中，欠平衡鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的鉆井技術(shù)，旋轉(zhuǎn)控制頭作為欠平衡鉆井的專用設(shè)備，充當(dāng)著封閉鉆具與井壁之間空隙的作用，可在一定壓力作用下開(kāi)展鉆進(jìn)破巖工作，是鉆井工程中的重要安全保障，其使用性能直接影響著欠平衡鉆井的鉆井效率。旋轉(zhuǎn)控制頭的密封部件主要依托膠芯，如若開(kāi)采過(guò)程中由于磨損造成膠芯失效，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外鉆井公司針對(duì)膠芯的磨損機(jī)理和失效原因在不斷探索中，張衛(wèi)萍等人以Williams工具公司所開(kāi)發(fā)的7100型高壓旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)膠芯損壞主要表現(xiàn)為根部撕裂、脫膠、魚(yú)鱗狀剝落等形式。伍開(kāi)松等人根據(jù)旋轉(zhuǎn)控制頭的工作原理以及膠芯的材料特點(diǎn)，通過(guò)純理論的方式對(duì)旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯的受力與變形規(guī)律分析，總結(jié)了旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯的主要失效形式及導(dǎo)致膠芯失效的主要因素。

二、旋轉(zhuǎn)控制頭特性分析

（一）膠芯密封原理

旋轉(zhuǎn)控制頭根據(jù)膠芯密封形式的不同可分為被動(dòng)式及主動(dòng)密封式兩種類型。基于膠芯與相關(guān)鉆具之間的配合對(duì)鉆井與鉆具之間的縫隙進(jìn)行填充密封的方式為被動(dòng)式密封。主動(dòng)式密封是依靠液壓的動(dòng)力將膠芯推動(dòng)至鉆井內(nèi)腔與鉆具直接接觸實(shí)現(xiàn)的密封。一般而言，根據(jù)實(shí)際的鉆井情況采取合適的密封方式。鉆井初始，鉆桿處于靜止?fàn)顟B(tài)，膠芯插入鉆桿中，始終處于預(yù)緊狀態(tài)，受到了初始的密封壓力以及井底的反作用力。開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)膠芯運(yùn)動(dòng)，膠芯除了受到初始及井底壓力外，還受到來(lái)自連接處的壓力，呈現(xiàn)出拉伸變形的狀態(tài)。鉆進(jìn)結(jié)束收起設(shè)備時(shí)，膠芯受到的力向上，整體呈現(xiàn)出壓緊收縮的狀態(tài)。

（二）膠芯密封的結(jié)構(gòu)模型

針對(duì)7100型旋轉(zhuǎn)控制頭結(jié)構(gòu)包括殼體、膠芯、軸承及驅(qū)動(dòng)器等組成，殼體與軸承之間的密封依靠的是液壓卡箍的作用力，膠芯分為上下膠芯，分別安裝在旋轉(zhuǎn)軸承的底部與頂部。旋轉(zhuǎn)控制頭密封過(guò)程中，膠芯受到大應(yīng)變情況迅速進(jìn)入塑性狀態(tài)，其密封過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題。一般選用的本構(gòu)模型有Mooney-Rivlin、Ogden及Yeoh，常用為Yeoh模型，該模型為變形張量不變量本構(gòu)模型，可用于表示旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯承受大應(yīng)變時(shí)的變形行為，其變能密度來(lái)描述膠芯的物理性質(zhì)。

三、膠芯磨損失效機(jī)理

（一）溫度場(chǎng)對(duì)膠芯磨損的影響

旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯材料常用丁腈橡膠，其物理狀態(tài)受溫度影響較大。伴隨著鉆井深度的增加，鉆井難度也隨之增加。鉆井過(guò)程中，由于高速旋轉(zhuǎn)破巖運(yùn)動(dòng)造成井內(nèi)溫度很高，高溫環(huán)境對(duì)旋轉(zhuǎn)控制頭的正常使用有一定影響。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，橡膠材料對(duì)溫度的變化異常靈敏，極易影響其物理性能的穩(wěn)定，同時(shí)在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿受到溫度變化時(shí)將呈現(xiàn)出熱脹冷縮的變化，與膠芯的連接處也將出現(xiàn)不同程度的變化，改變兩者之間的接觸應(yīng)力大小。

（二）轉(zhuǎn)速對(duì)膠芯的影響

主軸轉(zhuǎn)速大小對(duì)膠芯磨損也有一定的影響。根據(jù)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)磨損情況，表明由于旋轉(zhuǎn)軸與膠芯試件的接觸壓力、摩擦阻力非常大，交界處的橡膠受到很大的剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的；膠芯試件與旋轉(zhuǎn)主軸之間會(huì)出現(xiàn)十分嚴(yán)重的摩擦生熱現(xiàn)象，造成膠芯試件內(nèi)表面局部過(guò)熱而引起；膠芯試件磨損表面還存在疲勞開(kāi)裂情況，主要是由于主軸在膠芯試件中間上、下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，試件根部和下部的橡膠將會(huì)受到拉伸時(shí)候（主軸向下運(yùn)動(dòng)）和壓縮時(shí)候（主軸向上運(yùn)動(dòng)）的變應(yīng)力作用而引起。

綜上，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，膠芯試件的摩擦力矩、磨損量逐漸增大。

（三）含砂濃度對(duì)膠芯磨損的影響

在不同含砂濃度潤(rùn)滑條件中膠芯試件的磨損表面存在著許多平行而間距不均勻的撕裂條紋以及微觀層狀表面結(jié)構(gòu)，撕裂出的橡膠表面形成凹坑狀的傷痕。隨著水潤(rùn)滑條件中的含砂濃度的增加，其撕裂條紋的間距大體上會(huì)減少；隨著法向載荷的增加，膠芯試件表面上的撕裂條紋的深度會(huì)增加。可以看出磨損后膠芯試件表面上的撕裂條紋的邊緣呈不規(guī)則狀，這是由于形狀不規(guī)則的尖銳砂粒，在膠芯試件與鋼副的摩擦表面間沿滑動(dòng)方向?qū)δz芯試件表面產(chǎn)生了擠壓和犁削作用，砂粒對(duì)膠芯試件有滑動(dòng)摩擦作用的同時(shí)還存在滾動(dòng)摩擦。膠芯試件磨損表面的微觀層狀結(jié)構(gòu)的磨損花紋生長(zhǎng)方向與滑動(dòng)方向垂直，而隨著載荷的增長(zhǎng)，膠芯試件表面的磨損花紋生長(zhǎng)方向變成與互動(dòng)方向幾乎平行。這是因?yàn)樵谳^大載荷的情況下，水潤(rùn)滑條件中的砂粒在膠芯試件與鋼副間的流動(dòng)性很差，這時(shí)可以看成膠芯試件是與一個(gè)表面粗糙的鋼絲網(wǎng)在摩擦磨損，因此造成了磨損花紋方向的改變。因此，當(dāng)砂粒濃度小于臨界濃度時(shí)，磨損量隨磨粒濃度的增加而增加；當(dāng)磨粒濃度為臨界濃度時(shí)橡膠磨損量達(dá)到最大值，隨后逐漸下降。

四、結(jié)論

基于以上影響因素，可以從膠芯自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與操作人員著手，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求設(shè)計(jì)膠芯，操作人員具備科學(xué)調(diào)整轉(zhuǎn)速的能力。一是提高泥漿性能，能夠有效將泥漿中的鉆屑清除干凈，減少泥漿中大顆粒的含量；二是提高鉆桿接頭表面質(zhì)量，使接觸表面盡量光滑。欠平衡鉆井工作過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯磨損是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，受到多種因素的影響，包括溫度場(chǎng)、膠芯類型的選擇、膠芯的配方、鉆柱組合及含砂濃度等。為提高膠芯的壽命和可靠性，可從以下幾方面做相應(yīng)改進(jìn)：結(jié)構(gòu)上，優(yōu)化鐵芯的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，降低鐵芯與橡膠連接處的峰值應(yīng)力；材料上，改進(jìn)膠芯橡膠材料配方和硫化工藝，提高橡膠的抗拉性能、耐磨性能和抗疲勞性能等；盡量改善潤(rùn)滑條件，適當(dāng)降低膠芯與鉆具間的摩擦因數(shù)。