带压作业闸板防喷器胶芯密封性能分析

马卫国，陈 婷，徐杏娟，吴霁薇，张海峰，曾 琦(.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 43403；.渤海钻探工程有限公司 工程技术研究院，天津 300457)

带压作业闸板防喷器胶芯密封性能分析

马卫国1，陈 婷1，徐杏娟2，吴霁薇1，张海峰1，曾 琦1
(1.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023；2.渤海钻探工程有限公司 工程技术研究院，天津 300457)

利用三维建模SolidWords软件及有限元分析软件ABAQUS，建立了带压作业闸板防喷器胶芯与管柱密封结构的三维简化模型。该密封结构属于组合式密封结构，由丁腈类橡胶 (NBR) 组成的橡胶基体和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)组成的耐磨块构成。研究了3种不同封井压力作用下胶芯与管柱之间的应力分布规律。结果表明：在液压封井力为20 MPa时，该闸板防喷器胶芯可用于密封井底压力不超过35 MPa的带压作业环空；胶芯失效位置主要集中在橡胶基体与上下垫板接触区域及耐磨块圆弧面上靠近中线位置区域，与现场实际应用中胶芯的失效位置基本相符，验证了分析的正确性。

闸板防喷器；胶芯；密封；分析

在油气井的勘探、开发到后期的维护过程中，产层都会受到不同程度的伤害。带压作业可减轻对产层的污染，最大限度地保护原始地层，改善作业环境，同时给油田中后期的稳产带来较大的保障[1-2]。闸板防喷器是带压作业设备的核心装置，其胶芯的密封能力、寿命是影响带压作业设备的关键因素。本文通过对带压作业闸板防喷器的工作特性、密封原理进行分析，运用SolidWorks软件建立带压作业闸板防喷器胶芯与管柱的三维模型，并利用ABAQUS进行非线性接触分析，得到闸板防喷器胶芯与管柱之间接触应力和Mises应力分布规律，为带压作业闸板防喷器胶芯的设计和优化提供参考。

1 带压作业闸板防喷器胶芯工作原理

闸板防喷器的密封结构由2个密封副组成，分别是前部胶芯和管柱外径组成圆周面接触密封副，顶部胶芯与壳体内顶面组成平面接触密封副。其中，前部胶芯与管柱组成的圆周面密封副由平面和圆弧面组成，胶芯弧面密封管柱，胶芯平面用来密封2个半环密封的分界平面。在带压作业装置工作过程中，接箍探测器检测到接箍或井下工具要通过闸板防喷器时发送信号，液压系统控制活塞驱动闸板体径向移动，使闸板胶芯解封；当接箍探测器检测到接箍或井下工具已通过闸板防喷器时发送信号，液压系统控制活塞驱动闸板体径向移动，使闸板胶芯的圆弧面与管柱接触，顶部胶芯与壳体内顶面接触。在前部橡胶平面部分与圆弧面部分同时被压缩，直至闸板在各外力作用下平衡时，前部橡胶和顶部橡胶受压产生变形形成密封比压来封住井中带压流体。上下2个闸板防喷器交替开启和关闭，使带压作业装置间歇密封，从而保证管柱在密封状态下安全起出、下放，带压作业主要设备组成如图1所示。其中前部胶芯属于易损件，本文主要分析前部胶芯，以下统称为胶芯。

1—下接箍探测器；2—下闸板防喷器；3—压力平衡短节；4—上接箍探测器；5—上闸板防喷器；6—锁紧手柄；7—半闸板；8—密封胶芯；9—管柱。图1 带压作业主要设备组成

2 带压作业闸板防喷器工况特点

在带压作业过程中，闸板防喷器胶芯所密封管柱处于轴向直线运动状态，密封类型属于往复式动密封。该工况条件下，管柱与闸板防喷器胶芯圆弧面接触部分会产生较大动摩擦力，磨损比较严重。因此，需要选择与管柱之间摩擦因数较小且耐磨性好的闸板防喷器胶芯材料。其次，在带压作业过程中，闸板防喷器胶芯要高频率的开启和关闭，对闸板防喷器密封件的可靠性比一般闸板防喷器相对较高。

常规闸板防喷器一般用于封井或在发生紧急情况时使用。通过关闭闸板防喷器，可使管柱与套管之间的环形空间密封，防止泥浆液或高压油气溢出。因此，常规闸板防喷器胶芯的工作状态主要是静密封。常规闸板防喷器胶芯主要采用丁腈类橡胶(NBR)，这类材料的自润滑性、耐磨性较差。由于闸板防喷器自身结构特点，胶芯磨损后无法实现自补偿，不能满足后续工作要求。相比之下，带压作业闸板防喷器胶芯的性能要求更高，常规的闸板防喷器胶芯不能直接用于带压作业，需要针对带压作业制造配套的闸板防喷器胶芯。

3 带压作业闸板防喷器胶芯性能分析

3.1 胶芯的物理模型

带压作业闸板防喷器胶芯由丁腈类橡胶(NBR)和插入前部的耐磨块组成，属于组合式密封结构。橡胶基体实现高弹性，属于静密封形式；耐磨块实现耐磨功能，耐磨块的圆弧面与管柱接触面间密封形式属于动密封。该结构中耐磨块采用自润滑性、耐磨性较好的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)。此结构在耐磨块失效时，只需更换耐磨块，橡胶基体无需更换。根据其工作特点和设计原理，利用三维软件建立其几何模型，如图2 所示。

1—丁腈类橡胶(NBR)；2—耐磨块。图2 带压作业闸板防喷器胶芯模型

3.2 有限元计算

3.2.1 材料性能参数

ABAQUS材料库中的超弹性材料模型有很多种类型，用户可以根据实际材料的试验特性来选择合适的模型。工程上常采用Yeoh模型来模拟橡胶材料，其本构模型系数选取以下材料常数：C10=2.539 8 MPa，C20=-1.816 1 MPa，C30=1.246 0 MPa[3-8]。耐磨块材料基本常数如下：E=600 MPa，μ=0.3，拉伸屈服强度δs=50 MPa。橡胶基体之间的摩擦因数为0.5，橡胶与闸板之间的摩擦因数为0.5，耐磨块与管柱之间的摩擦因数为0.05[8-10]。

3.2.2 网格划分

对橡胶基体采用四面体线性C3D4H 单元进行网格划分，共划分73 620个单元；耐磨块采用六面体减缩单元C3D8R，同时对耐磨块圆弧面进行网格细分，共划分13 530个单元；闸板设为离散刚体，采用R3D3单元划分，总共划分5 824个单元；管柱设为解析刚体，不需要对其进行网格划分。胶芯划分后的网格模型如图3所示。

图3 胶芯网格模型

3.2.3 边界条件

根据闸板防喷器的实际工况(不考虑管柱偏心)，管柱设置全约束，管柱轴线与y轴重合，约束闸板体其他方向的自由度，使它只能沿z轴运动，约束胶芯两端x方向。沿z轴在闸板体的两后平面分别施加10、15、20 MPa液压载荷。

4 计算结果分析

胶芯在20 MPa液压载荷下的有限元仿真分析结果如图4。由图4可知，耐磨块与橡胶基体相比，耐磨块所受的Mises相对较大，Mises应力较大的位置在耐磨块与橡胶基体接触部位的上下棱角处。橡胶基体中Mises应力分布相对较小，其中应力集中较明显的区域位于橡胶基体与上下垫板接触区域。因此，随着关井次数增加，橡胶基体与上下垫板接触区域会发生疲劳性损坏，出现橡胶撕裂、掉胶等现象[11]。

图4 20 MPa下胶芯Mise应力云图

胶芯密封面接触应力云图如图5，橡胶基体平面密封面接触应力分布均匀；耐磨块密封面上接触应力分布相对不均，耐磨块与橡胶基体接触处接触应力较大，耐磨块平面与圆弧面交汇处接触应力较小。

图5 20 MPa下胶芯密封面接触应力云图

取3条不同的路径S1、S2、S3，如图2，对10、15、20 MPa 3种封井压力下，前部胶芯密封面上不同位置的接触应力分布规律进行分析。S1取沿闸板防喷器长度方向并处在前部胶芯密封面的中线上，S2取沿闸板防喷器厚度方向并处在前部胶芯耐磨块平面与圆弧面交汇处尖角，S3取沿闸板厚度方向并处在前部胶芯耐磨块圆弧面接触区域的中线上。

根据有限元分析结果，提取S1、S2和S33条路径上不同接触应力值，分别绘制3条路径在不同载荷作用下的曲线，如图6。

由图6可知，胶芯密封面上的接触应力随着液压封井压力的增大而增大；液压载荷为15 MPa时，胶芯密封面上接触应力大于35 MPa，可用于密封井底压力不超过35 MPa的带压作业环境。由图6a、6b可知，路径S1和S2随着液压载荷的增加，沿闸板厚度方向的变形量增大，符合闸板防喷器胶芯密封的实际情况。由图6a、6c可知，耐磨块圆弧面接触区域接触应力随着封井压力的增大而增大、总体接触应力比其他部分大，越靠近圆弧面中线位置接触应力越大。面接触且接触面之间有相对滑动时，接触应力越大的区域磨损会越严重，所以耐磨块圆弧面上靠近中线位置区域磨损较严重。由于闸板防喷器自身结构特点，胶芯磨损量达到极值时，耐磨块失效。

a S1路径的接触应力曲线

b S2路径的接触应力曲线

c S3路径的接触应力曲线

5 结论

1) 在带压作业工况下，闸板防喷器胶芯的耐磨性能至关重要。故带压作业闸板防喷器胶芯要采用耐磨性能优异的材料。

2) 闸板防喷器胶芯选用丁腈类橡胶(NBR)和自润滑性能优异的超高分子量聚乙烯组成的密封结构，在力学及密封性能上能够满足带压作业需求。通过分析结果可知，这种形式的闸板防喷器可以用于密封井底压力不超过35 MPa的带压作业环空。

3) 有限元分析结果可知，胶芯失效位置主要集中在橡胶基体与上下垫板接触区域和耐磨块接触应力较大区域。这与现场实际应用中胶芯的失效位置基本相符，说明分析方法的正确性。有限元数值模拟可为带压作业闸板防喷器的设计及优化提供参考依据。

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Sealing Performance Analysis of Ram Blowout Preventer Rubber Core in Snubbing Service

MA Weiguo1，CHEN Ting1，XU Xingjuan2，WU Jiwei1，ZHANG Haifeng1，ZENG Qi1
(1.SchoolofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China；2.CNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLiited，Tianjing300457，China)

The three-dimensional simplified model between rubber core and pipe of the Rom BOP used in snubbing service were established by utilizing software Solidworks，which is composed of the rubber substrate (NBR) and wear insert (UHMW-PE).Meanwhile，the model was analyzed by using the finite element analysis soft Abaqus，which is the nonlinear finite element contact analysis.The distribution of contact stress between the rubber core and the drilling pipe in three different loading were studied.The results show that the rubber core can be used for sealing no more than 35 MPa in snubbing at the hydraulic stripper force of 20 MPa.The main failure location of rubber core focus on the contact area between the rubber matrix and top and bottom plate and near the central position on the circular surface of wear insert，which is consistent with the actual conditions of the oilfield and which explained the reliable of finite element analysis results，otherwise，which provides a theoretical reference for rubber core.

ram blowout preventer；rubber core；sealing；analysis

2016-12-08

长江青年人才基金(201526862)资助

马卫国(1961-)，男，教授，博士生导师，研究方向为石油机械，E-mail：mwg-jh@ vip.sina.com。

1001-3482(2017)03-0029-04

TE921.50

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.006