一種新型井口密封裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李清濤，邢洪憲，劉傳剛，劉景超，張?jiān)岂Y

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

海上油田水平井洗井沖砂作業(yè)是完井、修井階段的基礎(chǔ)性作業(yè)步驟，為防止上返砂粒形成砂橋而引起卡鉆，常采用反循環(huán)洗井沖砂作業(yè)工藝。利用井口密封裝置封閉鉆具與井壁的環(huán)空[1-5]，沖砂液從鉆套環(huán)空注入，邊沖邊下放管柱。由于環(huán)形防噴器密封膠芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鉆桿本體和接箍摩阻對(duì)膠芯損害極大。若反復(fù)開(kāi)關(guān)防噴器，作業(yè)時(shí)效差；采用旋轉(zhuǎn)防噴器，成本高。針對(duì)反循環(huán)洗井沖砂需求，開(kāi)發(fā)一種新型井口密封裝置，采用欠平衡鉆井旋轉(zhuǎn)控制頭[6-10]的密封設(shè)計(jì)理念，利用膠芯對(duì)鉆具連續(xù)滑動(dòng)密封。膠芯作為井口密封裝置的核心部件，一旦密封失效，將導(dǎo)致整體作業(yè)失敗。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)膠芯的失效原因和失效機(jī)制[11-13]處于探索研究之中，不同公司所使用的膠芯材料和結(jié)構(gòu)形狀差異很大，關(guān)于膠芯的研究尚無(wú)系統(tǒng)的理論分析，而膠芯的可靠性直接影響鉆修井作業(yè)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。本文以膠芯作為主要研究對(duì)象，對(duì)膠芯失效形式、原因進(jìn)行分析及測(cè)試，對(duì)于提高井口密封裝置使用性能及壽命具有重要意義。

1 井口密封裝置設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

井口密封裝置結(jié)構(gòu)如圖1，由殼體、膠芯、連接盤組成。頂部及底部連接均采用法蘭螺栓連接，連接結(jié)構(gòu)可靠，易操作。膠芯為整體式球型膠芯，膠芯頂部硫化帶螺紋的鐵芯通過(guò)固定銷釘與法蘭連接。當(dāng)鉆具通過(guò)膠芯時(shí)，膠芯可在自身彈性作用下抱緊鉆具，同時(shí)還具有液力助封功能，增加了密封的可靠性。殼體上有側(cè)出口，采用由壬連接，方便拆卸，可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)工具進(jìn)行耐壓測(cè)試，也可作為反循環(huán)沖砂液入口。

1.2 膠芯結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1) 膠芯的密封機(jī)理。

井口密封裝置工況分為4種，如圖2所示。其中，圖2a為鉆桿穿過(guò)膠芯工況，圖2b為鉆桿接頭穿出膠芯工況，圖2c為鉆桿接頭穿過(guò)膠芯工況，圖2d為鉆桿接頭穿入膠芯工況。膠芯內(nèi)徑小于鉆具外徑，屬于過(guò)盈配合。

圖2 井口密封裝置4種工況

膠芯密封機(jī)理如圖3所示，鉆具滑動(dòng)過(guò)程中，膠芯在自身彈性作用下，產(chǎn)生收緊力并抱緊鉆具，同時(shí)在井壓助封下，增大了膠芯對(duì)鉆具的抱緊力[14-15]，鉆桿與膠芯的密封面產(chǎn)生接觸壓力，若接觸壓力大于環(huán)空壓力，達(dá)到密封環(huán)空目的。

圖3 膠芯密封機(jī)理

2) 膠芯失效形式[16-17]。

膠芯失效形式如圖4所示，主要有:

圖4 膠芯失效圖

①膠芯根部的疲勞開(kāi)裂。

②膠芯內(nèi)錐面與內(nèi)圓柱面交界處橡膠的顆粒狀、塊狀或魚(yú)鱗狀脫落。

③膠芯內(nèi)表面被鉆具劃傷。形成溝槽。

④膠芯底部的疲勞膨脹開(kāi)裂。

⑤膠芯綜合失效。

3) 膠芯關(guān)鍵尺寸對(duì)接觸壓力的影響。

影響接觸壓力的6個(gè)主要尺寸參數(shù)包括：主密封面高度、錐形密封面高度、內(nèi)錐角度、主密封面直徑、膠芯外徑和膠芯總高度，如圖5。利用有限元法，從這6個(gè)參數(shù)著手，分析不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)膠芯密封面接觸壓力的影響。

h1-主密封面高度；h2-錐形密封面高度；α-內(nèi)錐角度；d-主密封面直徑；D-膠芯外徑；h-膠芯高度。

4) 膠芯結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定。

針對(duì)適用API 18°臺(tái)肩127 mm(5英寸)鉆桿的膠芯進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。膠芯材料選用丁腈橡膠(NBR)，初始給定膠芯的主要尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 膠芯初始尺寸參數(shù)

2 膠芯優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 模型建立及模擬

建立膠芯、鉆桿及殼體的三維模型，網(wǎng)格劃分，對(duì)4種工況進(jìn)行有限元分析，如圖6～7所示，進(jìn)行不同工況下不同尺寸膠芯應(yīng)力分析，如圖8所示。

圖6 膠芯密封鉆桿幾何模型

d 鉆桿接頭穿出膠芯

a 鉆桿穿過(guò)膠芯

2.2 參數(shù)分析

1) 主密封面高度分析。

依據(jù)表1的尺寸參數(shù)，分析膠芯在不同主密封面高度參數(shù)下密封性能的變化。分析膠芯在4種工況下的密封性能，每種工況下井內(nèi)的環(huán)空壓力為20 MPa，在膠芯主密封面到錐形密封面從下到上取一條接觸壓力分布的路徑，路徑上所有的點(diǎn)接觸壓力均>0，該路徑長(zhǎng)度即為鉆桿與膠芯的接觸長(zhǎng)度。膠芯的接觸壓力分布如圖9所示，0點(diǎn)表示膠芯主密封面底部。

由圖9可知：當(dāng)主密封高度小于86 mm時(shí)，最大接觸壓力隨主密封高度的增加而變大。當(dāng)高度增加到86 mm后，最大接觸壓力值會(huì)隨著主密封高度增加而減小。隨著主密封面高度的增大，最大接觸應(yīng)力的分布區(qū)域會(huì)逐漸上移。如果盲目增大主密封面的高度，會(huì)使最大接觸應(yīng)力區(qū)域從主密封面移動(dòng)到錐形密封面，不利于膠芯密封。因此，要改善膠芯的密封性能，可以適量地增高膠芯主密封面高度，以增大接觸壓力的最大值，但不能盲目增加，膠芯主密封面高度太大也同樣不利于膠芯的密封。

圖9 不同主密封高度接觸壓力分布

由分析可知，膠芯的主密封面高度取80～86 mm較為合適。主密封高度取值80 mm時(shí)，其最大接觸壓力值最小，這在保證膠芯密封的前提下有利于增加膠芯的使用壽命，因此主密封高度優(yōu)選80 mm。

2) 錐形密封面高度分析。

分析膠芯在不同錐形密封面高度參數(shù)下密封性能的變化。研究膠芯在4種工況下錐形密封面高度變化導(dǎo)致的密封性能變化，其接觸壓力分布如圖10所示。

由圖10可知：隨著錐形密封面高度的增加，膠芯的主密封面接觸壓力變大，而錐形密封面接觸壓力變小。當(dāng)錐形密封面高度取值80～86 mm時(shí)，膠芯主密封面接觸壓力比取值為67 mm和74 mm時(shí)要大，而錐形密封面接觸壓力比取值為92 mm時(shí)也大，膠芯的錐形密封面高度取值80～86 mm較為合適。

圖10 不同錐形密封面高度接觸壓力分布

3) 內(nèi)錐角度分析。

分析膠芯在不同內(nèi)錐角度下密封性能的變化。研究膠芯在4種工況下內(nèi)錐角度數(shù)變化導(dǎo)致的密封性能的變化，其接觸壓力分布如圖11所示。

圖11 不同內(nèi)錐角度的接觸壓力分布

由圖11可知：在鉆桿穿過(guò)膠芯的情況下，主密封面上接觸壓力會(huì)隨著內(nèi)錐角變大而減小，錐形密封面上接觸壓力會(huì)隨著內(nèi)錐角變大而變大，總體接觸應(yīng)力變化不大。但在鉆桿接頭穿過(guò)膠芯的情況下，錐角為20°時(shí)，密封面上接觸壓力明顯大于其他角度。綜合考慮，膠芯的內(nèi)錐角取值20°左右較為適宜，同時(shí)錐形密封面高度取值80 mm較為適宜。

4) 主密封面直徑分析。

分析膠芯在不同主密封面直徑下密封性能的變化。研究膠芯在4種工況下主密封面直徑變化時(shí)密封性能的變化，其接觸壓力分布如圖12所示。

圖12 不同主密封面直徑接觸壓力分布

由圖12可知：密封面上接觸壓力隨著主密封直徑增大而減小，由于主密封直徑的增大，會(huì)導(dǎo)致鉆桿與膠芯的過(guò)盈量減小，從而導(dǎo)致接觸壓力減小。主密封直徑減小會(huì)增大接觸壓力，但會(huì)導(dǎo)致鉆桿與膠芯的過(guò)盈量增加，從而加速膠芯的磨損。考慮膠芯內(nèi)表面的劃傷以及磨損余量等，主密封面直徑取105 mm較為適宜。

5) 膠芯外徑分析。

分析膠芯在不同外徑下密封性能的變化。研究膠芯外徑變化時(shí)在4種工況的密封性能，其接觸壓力分布如圖13所示。

由圖13可知：隨著膠芯外徑的增加，膠芯主密封面接觸壓力減小，但錐形密封面接觸壓力會(huì)變大；隨著膠芯外徑尺寸的增大，也會(huì)加快膠芯外表面的磨損從而導(dǎo)致膠芯的失效，且由于殼體內(nèi)徑為346 mm，故膠芯的外徑不應(yīng)超過(guò)346 mm。綜合考慮，膠芯外徑取值345 mm較為合適。

圖13 不同膠芯外徑接觸壓力分布

6) 膠芯總高度分析。

分析膠芯在不同總高度下密封性能的變化。研究膠芯總高度變化時(shí)在4種工況的密封性能，其接觸壓力分布圖如圖14所示。

圖14 不同膠芯總高度接觸壓力分布

由圖14可知：隨著膠芯總高度增加，密封面上平均接觸壓力減小，但變化不大。分析影響膠芯密封性能的因素主要是密封面的尺寸參數(shù)，在其他尺寸參數(shù)保持不變的情況下，僅改變膠芯的總高度，對(duì)膠芯的密封性能改變不明顯。綜合考慮膠芯主密封面高度、錐形密封面高度以及密封裝置中鐵圈的位置，膠芯總高度取220 mm較為適宜。

2.3 小結(jié)

綜合以上參數(shù)分析，確定膠芯尺寸的最優(yōu)參數(shù)，具體數(shù)值如表2。

表2 膠芯優(yōu)化尺寸

3 井口密封裝置功能測(cè)試

準(zhǔn)備2個(gè)膠芯，進(jìn)行井口密封裝置的功能測(cè)試，如圖15～17。試驗(yàn)要求：

圖15 試驗(yàn)用膠芯

1) 耐靜態(tài)壓差20 MPa以上。在管柱滑動(dòng)速度為大于20 m/h的條件下(管柱無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng))，動(dòng)態(tài)滑動(dòng)密封8 MPa以上。

2) 膠芯壽命。至少能通過(guò)500 m鉆桿(50對(duì)鉆桿接頭， API 18°臺(tái)肩127 mm(5英寸)鉆桿接頭)不損壞，可實(shí)現(xiàn)500 m的滑動(dòng)密封。

圖16 井口密封裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖17 膠芯靜密封試驗(yàn)

3.1 靜壓密封試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)裝置將127 mm(5英寸)試驗(yàn)用光鉆桿緩慢壓入井口密封裝置膠芯中，保持試驗(yàn)鉆桿不動(dòng)，然后向試驗(yàn)腔內(nèi)灌滿清水、排氣、加壓、測(cè)試。其數(shù)據(jù)如表3所示，證明井口密封裝置的靜壓密封性能良好。

表3 膠芯靜壓測(cè)試

3.2 動(dòng)密封試驗(yàn)

1) 鉆桿本體動(dòng)密封測(cè)試。如圖18，試驗(yàn)壓力為8 MPa，將井口密封裝置安裝到承壓起下鉆設(shè)備上，將蓄能器連接到井口密封裝置上，并將其預(yù)充壓力到試驗(yàn)時(shí)井壓的75%。向殼體內(nèi)加壓至8 MPa。使試驗(yàn)光鉆桿以大于20 m/h的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在承壓起下鉆過(guò)程中控制井壓的變化不超過(guò)±10%。試驗(yàn)過(guò)程中，127 mm(5英寸)光桿起下次數(shù)共計(jì)100次，達(dá)到累計(jì)鉆桿長(zhǎng)度500 m以上，期間密封性能良好。

圖18 膠芯光鉆桿動(dòng)密封試驗(yàn)

2) 帶壓起下鉆試驗(yàn)。將光鉆桿換為帶API 18°臺(tái)肩的127 mm(5英寸)鉆桿，向殼體內(nèi)加壓至8 MPa，使帶API 18°臺(tái)肩的127 mm(5英寸)鉆桿以大于20 m/h的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在承壓起下鉆過(guò)程中控制井壓的變化不超過(guò)±10%，共計(jì)通過(guò)50次，期間井口密封裝置表現(xiàn)出良好的密封性能。

3) 破壞性試驗(yàn)。帶壓操作壓力提升到10 MPa，通過(guò)鉆桿接頭5次，期間密封性能良好,井口密封裝置無(wú)泄漏，膠芯密封性能良好。然后壓力逐次提高1 MPa進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)壓力提升到14 MPa，在鉆桿提升過(guò)程中，高壓流體泄露，膠芯撕裂破壞；另一個(gè)膠芯當(dāng)壓力增大至13 MPa時(shí)，膠芯破壞，如圖19，破壞位置處于錐形密封面與主密封面交界處。

4 結(jié)論

1) 研制的新型井口密封裝置能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)洗井沖砂技術(shù)要求，密封壓力10 MPa，至少可滿足500 m鉆具的滑動(dòng)密封，且現(xiàn)場(chǎng)更換便捷，提高了作業(yè)時(shí)效。

2) 膠芯失效形式多樣，主要因素包括鐵芯與橡膠連接處的應(yīng)力集中，起下鉆過(guò)程中膠芯受交變應(yīng)力的反復(fù)作用、膠芯與鉆具之間的摩擦及過(guò)盈量等導(dǎo)致膠芯失效。通過(guò)對(duì)膠芯的主密封面高度、錐形密封面高度、內(nèi)錐角、主密封面直徑、膠芯外徑、膠芯總高度等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了膠芯的使用性能及壽命。