12 000 m钻机顶驱用高压冲管盘根密封设计

2020-05-29张凯

石油矿场机械 2020年3期

张凯

(上海兰石重工机械有限公司,上海 201108)

随着油气钻井作业深度的不断增加,钻井液的输出压力也随之增加,导致传统冲管盘根密封形式失效的难题急需解决。前人对冲管盘根密封所做的研究主要是分析盘根密封工作时的接触应力，改变密封材料或增加辅助措施来保护密封件等，在7 000 m以下井深工况，有限延长盘根密封使用寿命。

本文基于冲管盘根的密封原理，结合冲管盘根的工作特性，采用新的密封原理设计出适用于高压、大线速度工况的盘根密封结构，并建立有限元模型进行分析。

1 传统冲管盘根密封性能分析

传统冲管的动密封部分主要由金属压套以及多组Y型密封圈并联构成。在钻井液压力的作用下，第1组Y型密封圈唇部紧贴冲管外壁进行密封。当第1组密封失效后，第2组密封开始工作。此方法可满足6 000 m以下井的作业要求[1]。随着钻井深度和钻井液压力的不断增加，当压力达到35 MPa时，盘根密封只能连续工作100 h。当泵压继续升高时，盘根密封只能连续工作50 h。当前钻井技术要求的钻井液压力非常高，传统冲管盘根密封装置已经达不到使用要求[2-3]。因此，盘根密封寿命一直是研究顶驱及水龙头的一个技术难点。文献[1]中已详细论述了传统冲管盘根的密封原理和失效原因，本文不再做详细分析。

2 新型冲管盘根设计计算

在12 000 m钻机的顶驱研发过程中发现，传统冲管盘根无论从结构还是适应压力方面都已无法满足12 000 m井深的作业工况要求。根据GB/T 31049—2014《石油钻机顶部驱动钻井装置》标准中关于钻井液通道直径和钻井液循环通道工作压力的规定[4]，12 000 m钻机顶驱的钻井液通道直径(冲管内径)为89 mm，冲管外径为115 mm，钻井液循环压力为52 MPa，设计出适用于12 000 m钻机顶驱的新型冲管盘根密封结构。

2.1 新型盘根密封结构

图1为新型冲管盘根[5]结构，分为上、下盘根2部分。上盘根密封为静密封，仍采用传统密封形式。下盘根为旋转密封，根据文献[1]所述失效原因，主要是钻井液压力增大和磨损加剧导致。

图1 新型冲管盘根密封结构

冲管的线速度为：

v=π·D·n

式中：v为冲管的线速度；D为冲管的外径；n为冲管的转速。

钻井作业中转速n(本文取100 r/min和210 r/min两种转速对比)保持不变时，随着钻井深度h和冲管直径D的增大，密封圈与冲管之间的相对线速度v也在增大，进一步加大高压、大线速度工况下的密封难度。

在研发过程中，采用新的密封原理进行结构设计。经有限元分析验证，在12 000 m钻井作业工况下，新型冲管盘根的连续使用寿命可达720 h。

2.2 工作原理

新型盘根密封的设计思路是先减压，再密封，减小密封件两侧的压力差[6-12],为密封圈营造出合适的压力环境。整个旋转密封系统共分为3个区域，即，减压区、导向减压区和密封区，相应的零件是减压环、导向减压环和VL密封圈(如图2所示)。这些零件均由TRELLEBORG公司提供定制。

图2 新型盘根密封结构原理

图2中，减压区域由3个减压环组成，导向减压区由2个导向减压环组成，密封区由3个VL密封圈组成。根据TRELLEBORG公司提供的数据可知，钻井液每经过1道减压环，可降压10%；经过1道导向减压环，可降压5%；经过1道VL密封圈，可降压20%。以额定压力52 MPa工况为例，经过降压后，VL密封圈3的工作压力为21.9 MPa。压降数据如表1所示。

2.3 有限元分析

冯·米塞斯认为，当某一点的应力、应变状态的等效应力、应变达到与应力、应变状态有关的定值时，材料就屈服。或者说，材料处于塑性状态时，等效应力始终是一不变的定值，这就是MISES屈服准则[13]。MISES准则数学表达式为：

(σx-σy)2+(σy-σz)2+(σz-σx)2+

表1 新型盘根密封系统的压降数据(工作压力)(室温)

注：1)工况A钻井液压力52 MPa；

2)工况B钻井液压力105 MPa。

用主应力表示为：

式中：σs为材料的屈服点；K为材料的剪切屈服强度；σ1、σ2、σ3为主应力；τxy、τyz、τzx为剪应力。

与等效应力比较可得：

上式可描述为:在一定变形条件下,当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时,该点开始进入塑性状态。

按照新型冲管盘根密封结构尺寸建立三维模型，并运用有限元分析软件进行以下3类MISES等效应力计算：

1) 52、65、80、90 MPa工况下，单个VL密封圈二维静态综合应力和接触应力情况。

2) 52 MPa、100 r/min工况下，单个VL密封圈三维动态MISES等效应力和接触应力情况。

3) 52 MPa、100 r/min，52 MPa、210 r/min和105 MPa、100 r/min工况下，整个旋转密封系统三维动态MISES等效应力情况。

分析结果如图3～9。

图3 单个VL密封圈二维静态MISES应力

图4 单个VL密封圈二维静态接触应力

由图3知，单个VL密封圈在52 MPa压力情况下没有发生挤压变形；65 MPa时稍微有一点变形，但不明显；80 MPa时可见有明显变形产生；90 MPa时产生严重挤压变形。图4所对应的接触应力也相应增大。

图5和图6为单个VL密封圈在52 MPa、100 r/min工况下的分析结果。从图5可知，单个VL密封圈在此工况下工作状态良好，没有产生塑性变形。

图5 单个VL密封圈三维动态MISES应力

图6 单个VL密封圈三维动态接触应力

将盘根旋转密封部分作为整个系统，更贴近实际工作情况，进行3种不同工况的三维动态分析。图7为密封系统在52 MPa、100 r/min工况下的分析结果，VL密封图没有挤压变形现象发生，整个密封系统的密封性能非常好；图8为密封系统在52 MPa、210 r/min工况下分析结果，无明显挤压现象产生，系统性能良好；图9为密封系统在105 MPa、100 r/min工况下分析结果，VL密封圈挤压变形非常严重，已无法正常分析计算。