油气井旋转防喷器密封失效分析及对策

刘 亮 张铁军 唐光进 李朝明

（1.重庆文理学院新材料技术研究院，重庆402160；2.重庆新泰机械有限责任公司，重庆402160）

0 引言

欠平衡钻井作业时，旋转防喷器安装在环形防喷器或闸板防喷器之上，抱紧钻具工作，密封井压并起分流作用。在不压井起下钻和带压钻进等作业时，它与液压防喷器、钻具止回阀和不压井起下钻加压装置配套使用起安全防护作用。它对解放和保护有压油气层有着很重要的作用。本文研究的旋转防喷器主要由旋转总成和壳体两部分组成，旋转总成包括旋转补芯、耐磨衬套、密封胶芯、轴承、中心管几大部分。其中，密封胶芯和旋转动密封易出现问题，本文通过对密封胶芯和旋转动密封进行分析总结，为旋转防喷器的优化设计提供参考。

1 密封胶芯

方钻杆通过旋转防喷器上的旋转总成，带动上胶芯悬挂接头、下胶芯悬挂接头、中心管及上、下部胶芯总成与钻柱一起旋转。密封胶芯与上胶芯悬挂接头、下胶芯悬挂接头通过螺栓连接，其内径小于方钻杆的内切圆直径，在方钻杆通过后，密封胶芯依靠自身的弹性变形和井压助封来对钻柱周围实施密封。密封胶芯外表面下段是锥面的，作业时，井内压力作用在密封胶芯外锥面上的压力越来越大，密封胶芯产生的弹性变形也越来越大，从而随着井压变化而自我调节实现密封。由于下部胶芯总成实现了密封功能，上部胶芯总成受到的井压就没有或者很小，这样有利于减少上部胶芯总成磨损，延长其使用寿命。中心管外面有两道推力轴承，可以承受井内介质施加在旋转总成上的压力，减少施加在密封胶芯上的摩擦力。

胶芯失效的主要形式有：

（1）胶芯与钻具接触段长期作用过程中发生磨损，使得胶芯上的橡胶呈颗粒状或块状逐渐脱离，导致胶芯内径变大而过盈量越来越小，最终密封失效。

（2）润滑条件差，造成接触面局部过热烧伤。

（3）根部损坏，主要表现为脱胶、根部撕裂、鱼鳞状剥落等形式。

（4）高温作用下，胶芯变软，密封性能降低，造成高温失效。

（5）当通过的钻柱直径大于密封胶芯密封直径后，胶芯产生非常大的变形。在钻柱通过后，产生的弹性变形不能迅速恢复，造成密封面密封失效。

（6）胶芯接触面划伤，形成划痕，密封失效。

密封胶芯弹性变形范围大，磨损余量较多，相对来说寿命较长。密封胶芯要采用高性能合成橡胶，成分配制上要综合弹性变形和耐磨损能力，通过性能试验确保其内径被磨损轻微变大后也能封闭额定工作压力。密封胶芯使用时要求每应用于一口井就换一次。

2 旋转动密封

旋转动密封是旋转防喷器正常工作的核心部件，包括水密封和油密封，通过水密封及油密封的过盈配合与耐磨衬套外表面产生一定的摩擦力，使水密封及油密封发生变形，来抵抗被密封介质的压力，从而达到密封效果。在水密封与外界之间常通过介质循环带走热量。对于承受被密封介质压力的旋转动密封，当压力达到某一数值或者密封面发生磨损时，被密封介质就会从磨损的密封面或失效点泄漏，随着作业的进行，漏点会进一步扩展，进而导致密封失效，缩短旋转防喷器的使用寿命。油密封可起润滑和助封作用，此外，耐磨衬套装配时的偏斜、不同轴等因素对密封效果影响也较明显。由于密封面摩擦产生的热量和密封面磨损是导致密封过早失效的重要原因，因此以下对密封面摩擦受力和摩擦生热进行分析，提出优化方案，从而使旋转动密封实现更加理想的密封能力。

3 密封面产热原因及受力分析

3.1 密封面产生热量的原因

工作温度是旋转动密封现场作业时的重要参数。密封面工作温度升高的原因有多种，包括由旋转密封元件引起的紊流产生热量、由于密封面摩擦和介质剪切产生热量等。同时，接触面也有部分热量会被带走，比如通过水和油循环流动，产生的热量通过能量交换由密封介质带走等。作业过程中产生的热量一般认为由耐磨衬套表面旋转线速度快慢和摩擦力大小决定。对于线速度，我们要求旋转防喷器的最高转速小于旋转动密封的设计旋转速度；并且旋转防喷器现场使用时，在不影响钻井施工的情况下钻机转速应尽可能小，任何情况下都要小于旋转防喷器的最高设计转速，这样才能延长旋转动密封使用寿命。

3.2 摩擦力分析

下面详细分析影响动密封使用寿命的另一个相对比较复杂的参数—摩擦力。密封面之间摩擦力大小主要决定于其本身结构尺寸大小、装配过盈量、加工精度等。

（1）动密封本身的结构尺寸：尺寸越小，接触面积越小，摩擦力越小，因此设计时在满足密封要求的情况下要尽量选用小尺寸的旋转动密封，这样作业时产生的摩擦阻力较小，有利于减少密封磨损。

（2）旋转动密封与密封面配合的过盈量大小：动密封过盈量要适宜，过大会增大摩擦力，加快磨损速度，过小又会降低密封介质压力。过盈量既不容易达到推荐值也很难通过计算来准确获得，因此只有通过不断试验、不断修改才能最后确定，以实现良好的密封性能。

（3）中心管和耐磨衬套同轴度和光洁度：中心管的同轴度和光洁度对产生的摩擦力大小有直接影响，同轴度误差愈大，整个密封面的间隙越不均匀，密封性能越差。旋转轴的表面粗糙度应≤0.5μm。耐磨衬套的表面硬度也不容忽视，因此一般在表面喷涂硬质合金，要求硬度HV≥1 000，这样就极大地提高了耐磨衬套的表面抗磨损能力。

3.3 影响动密封寿命的其他因素

井口不同轴度、密封介质的黏滞系数、环境温度、介质压力都会对动密封寿命产生一定的影响，因此，要延长旋转动密封工作寿命需从多个方面入手，综合考虑密封材质、结构和工作环境。另外，旋转动密封要达到理想的密封效果，必须有一个良好的使用环境。

4 建议

（1）旋转总成应尽量居中放置，与钻杆偏移应在12 mm以内，如果偏移度过大，将会造成旋转轴承总成偏磨现象，加快动密封产热速度，从而影响其密封性能及使用寿命。

（2）密封胶芯要补偿量大且耐磨损能力好。

（3）建议在设计新型旋转防喷器时选择小尺寸旋转动密封，并且合理优化装配尺寸和过盈量。现场使用时，要时刻保持水循环和油循环冷却通道畅通。

（4）密封性能及使用寿命与密封件的冷却有很大关系，钻进时，应保证设备的循环冷却水不间断；起下钻或拆装旋转总成时，应停止供水。做到先开水后开钻，先停钻后停水。

（5）旋转总成上提下放时要扶正且缓慢进行，不能太快太猛，以免损坏密封圈和密封面。

（6）要提高耐磨衬套和轴承压盖的同轴度和表面光洁度，同时提高其表面硬度和耐磨性能，建议表面作硬化处理。

（7）旋转总成与密封胶芯内孔不允许与其不匹配的钻杆通过，钻杆在套入旋转总成前须将方钻杆上的毛刺锐角打磨掉，以免损坏胶芯及中心管。

（8）润滑冷却介质不能含有磨砺性砂砾和铁屑，最好在钻井液与动密封之间加防尘密封，尽量避免钻井液与旋转动密封直接接触。

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