應力松弛影響下液動沖擊器往復密封性能研究

齊悅 柳貢慧 李軍 查春青 田玉棟 張毅

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院 2.北京工業大學材料與制造學部 3.西南石油大學機電工程學院)

0 引 言

隨著油氣開采進一步向深部地層邁進，硬地層的破巖效率越來越低，液動沖擊器可以大幅提高深部地層的破巖效率，能有效緩解鉆頭鉆進過程中的“黏滑”現象[1]。但深部地層鉆進會給鉆井工具帶來嚴重的高溫和高壓問題，液動沖擊器的壽命和往復組合密封的可靠性緊密相關，密封一旦破壞，液動沖擊器的沖擊性能將大幅下降。國內外學者對往復組合密封已經開展了理論和試驗研究。趙樂等[2]通過仿真分析了不同表面結構的旋轉組合密封圈在完成過盈安裝與流體加載后的接觸壓力分布。王軍[3]利用順解法對Y形圈的往復密封潤滑性能進行了求解，研究了往復速度和表面粗糙度對液膜厚度、泄漏率和摩擦力的影響。XIANG C.等[4]基于橡膠材料的黏彈性，建立了帶紋理桿的往復桿密封的瞬態動態平衡條件，計算了不同織構下的液膜壓力。LI T.Y.等[5]提出了一種將油膜厚度與臨界值進行比較的新方法，研究發現，單獨的摩擦因數并不能完全適用于評估活塞環-缸套摩擦系統的潤滑狀態。沈敏等[6]利用有限元軟件對軸用氣動組合密封圈進行模擬仿真，分析了摩擦因數、往復運動速度、壓縮率和密封介質壓力對其密封性能的影響。

可以看出，國內外關于往復密封的研究都主要考慮工況參數對密封性能的影響。然而，對于液動沖擊器而言，高溫環境下橡膠材料會發生應力松弛和蠕變[7]，進而導致密封力不足，造成液動沖擊器外側鉆井液泄漏，但目前研究很少考慮高溫影響下橡膠材料應力松弛對密封性能的影響。本文結合沖擊器的工況參數，對高溫高壓影響下滑環組合密封的密封性能進行研究，以期為液動沖擊器的現場應用和性能優化提供參考。

1 液動沖擊器工作原理及密封結構

液動沖擊器的功能是將鉆井液的流體能量轉換成高頻均勻的機械沖擊能[8]，并直接傳遞給PDC鉆頭。液動沖擊器主要是通過噴嘴和節流套等射吸元件，使其內部的活塞通道上下產生較大的流速差，隨著鉆井液壓力的持續增大，上下腔體的壓力差進一步增大，從而在液動沖擊器內部產生向上的推動力；當活塞到達極限位置時，沖錘又開始向下運動，從而產生周期性的往復沖擊力。圖1為液動沖擊器沖擊部分示意圖。

1—上接頭；2—噴嘴；3—調程塊；4—齒形滑環密封；5—閥；6—導向環；7—活塞；8—上外管；9—沖錘。

滑環組合密封具有優良的抗高溫和耐磨損的特點，在鉆井領域有著廣泛的應用[9]。該密封主要由耐磨損的齒形滑環和能給滑環提供彈力的O形圈組成，當齒形滑環的主密封面磨損時，O形圈可以提供連續的彈力，保證主密封面依然有良好的密封性能。圖2為滑環組合密封結構示意圖。

1—外管；2—閥體；3—滑環；4—O形圈。

2 滑環組合密封模型

2.1 滑環組合密封有限元模型

分析軟件采用ABAQUS，滑環組合密封型號為TB3-I 50×5.3[10]。其中，齒形滑環的材料是聚四氟乙烯，彈性模量為440 MPa，泊松比為0.45；O形圈的材料是丁腈橡膠，有限元分析時，O形圈所選單元為非線性雜交單元CAX4RH，選用M-R模型來體現O形圈材料的應力-應變關系，設置常數C10=1.87、C01=0.47[11]，并將密封槽和軸設置為剛體，采用二維軸對稱模型進行分析。其有限元模型如圖3所示。

圖3 滑環組合密封有限元模型Fig.3 Finite element model for combined seal of slip ring

有限元模型的加載分2步進行，首先通過位移載荷加載體現密封圈的裝配過程，O形圈壓縮率為15%，其次采用壓力加載的方式加載鉆井液壓力載荷[12]。

2.2 O形圈黏彈模型

高溫下O形圈的應力松弛現象對組合密封主密封面的性能有較大影響，本分析選用Maxwell模型來模擬橡膠的黏彈性特征。該模型中松弛函數可以表示為[13-15]：

(1)

式中：E0為橡膠材料未產生應力松弛時的彈性模量，Pa；gi為橡膠材料的剪切松弛；τi是Prony延遲時間常數，可參考文獻[13]。

通過在ABAQUS中設置該系數，可以體現出O形圈的松弛特性。在此基礎上，分別加載5、15和30 MPa的鉆井液壓力[16]，滑環組合密封的Mises應力云圖如圖4所示。

圖4 進程、回程時不同流體壓力下組合密封的應力云圖Fig.4 Cloud chart for stress of combined seal at different fluid pressures during progress and return

由圖4可以看出，隨著流體壓力的增大，其最大Mises應力也在增大，且增幅較為均勻：在相同流體壓力下，進程的最大Mises應力約為回程時的50%。

組合密封回程、進程時主密封面的接觸壓力分布情況如圖5所示。

圖5 進程、回程時不同流體壓力下組合密封的接觸壓力Fig.5 Contact pressure of combined seal at different fluid pressures during progress and return

由圖5可以看出，對于回程和進程，在流體壓力下，滑環式組合密封都可以實現較好的密封效果，產生接觸壓力峰值的部位都是主密封面靠近高壓流體側。對于相同的鉆井液壓力，回程時主密封面的最大接觸壓力大于進程時的最大接觸壓力。

3 應力松弛對密封性能的影響分析

由于橡膠O形圈長期處于固定形變時會發生應力松弛，尤其時鉆井過程中的密封壓力和溫度會隨著鉆井深度的變化而連續改變，為了探究這些因素對組合密封性能的影響效果，本文分析了O形圈材料發生應力松弛1 000 s后的密封性能，同時考慮了壓縮率和應力松弛綜合作用對密封性能的影響。

3.1 應力松弛對組合密封應力的影響

圖6為不同密封壓力下應力松弛對組合密封最大應力的影響。

圖6 應力松弛對組合密封最大應力的影響曲線Fig.6 Influence curve of stress relaxation on the maximum stress of combined seal

由圖6可以看出，應力松弛后，回程時組合密封的應力峰值均有所降低。但對于進程而言，當高壓側的壓力在15 MPa及以下時，應力松弛前的應力峰值較大，而當壓力大于15 MPa后，應力松弛后的應力峰值反而更大。這主要是由于當密封壓力較大時，應力松弛會使得O形圈的壓縮狀態發生改變，進而被密封壓力重新擠壓變形，導致應力峰值反而增加。

3.2 應力松弛對組合密封應變的影響

圖7為不同鉆井液壓力下應力松弛對組合密封最大應變的影響。由圖7可以看出，隨著鉆井液壓力的增加，組合密封的最大應變也隨之增加，但當鉆井液壓力到達15 MPa以后，其增長趨勢逐漸變得平緩。此外，組合密封應力松弛后的最大應變均大于初始狀態的最大應變。

圖7 應力松弛對組合密封最大應變的影響曲線Fig.7 Influence curve of stress relaxation on the maximum strain of combined seal

3.3 應力松弛對組合密封接觸壓力的影響

圖8為考慮壓縮率和應力松弛綜合作用對密封性能的影響規律。

圖8 應力松弛在不同壓縮率下對接觸壓力的影響Fig.8 Influence of stress relaxation on contact pressure at different compression ratios

由圖8可以看出：O形圈在應力松弛后，組合密封的主密封面接觸壓力最大值有所下降；從接觸壓力最小值可以看出，隨著壓縮率的增大，主密封面的有效接觸長度逐漸增大，而且當壓縮率達到15%時，主密封面的兩端均出現了較大值。

3.4 井下溫度對密封接觸壓力的影響

溫度對橡膠材料性能會有較大的影響，丁腈橡膠在120 ℃時材料常數C10=0.895、C01=0.689[17]。圖9為不同溫度和應力松弛綜合作用下主密封面的接觸壓力對比圖。從圖9可以看出，與常溫環境相比，高溫下應力松弛對組合密封主密封面接觸壓力的影響較小。此外，高溫環境下組合密封的有效接觸長度也會略小于常溫，說明高溫環境會降低動密封的可靠性。

圖9 應力松弛在不同溫度下對接觸壓力的影響Fig.9 Influence of stress relaxation on contact pressure at different temperatures

4 結 論

(1)隨著流體壓力的增大，往復密封最大Mises應力也在增大，在相同壓力下，進程的最大Mises應力約為回程時的50%，在主密封面靠近鉆井液側產生接觸壓力峰值。

(2)應力松弛會導致回程時組合密封的應力峰值均有所降低，隨著鉆井液壓力的增加，組合密封的最大應變也隨之增加，但當鉆井液壓力到達15 MPa以后，其增長趨勢逐漸放緩。

(3)隨著壓縮率的增大，主密封面的有效接觸長度逐漸增大，而且當壓縮率達到17.5%時，主密封面的兩端均出現較大值。

(4)高溫環境下組合密封的有效接觸長度小于常溫，高溫會降低動密封的可靠性。