探析旋转控制头胶芯磨损失效机理

魏莉鸿 乐山职业技术学院

一、引言

在开采油气田钻井过程中，欠平衡钻井技术在国内外已发展成为一项成熟的钻井技术，旋转控制头作为欠平衡钻井的专用设备，充当着封闭钻具与井壁之间空隙的作用，可在一定压力作用下开展钻进破岩工作，是钻井工程中的重要安全保障，其使用性能直接影响着欠平衡钻井的钻井效率。旋转控制头的密封部件主要依托胶芯，如若开采过程中由于磨损造成胶芯失效，可能会产生严重的后果。现阶段，国内外钻井公司针对胶芯的磨损机理和失效原因在不断探索中，张卫萍等人以Williams工具公司所开发的7100型高压旋转控制头胶芯为研究对象，发现胶芯损坏主要表现为根部撕裂、脱胶、鱼鳞状剥落等形式。伍开松等人根据旋转控制头的工作原理以及胶芯的材料特点，通过纯理论的方式对旋转控制头胶芯的受力与变形规律分析，总结了旋转控制头胶芯的主要失效形式及导致胶芯失效的主要因素。

二、旋转控制头特性分析

（一）胶芯密封原理

旋转控制头根据胶芯密封形式的不同可分为被动式及主动密封式两种类型。基于胶芯与相关钻具之间的配合对钻井与钻具之间的缝隙进行填充密封的方式为被动式密封。主动式密封是依靠液压的动力将胶芯推动至钻井内腔与钻具直接接触实现的密封。一般而言，根据实际的钻井情况采取合适的密封方式。钻井初始，钻杆处于静止状态，胶芯插入钻杆中，始终处于预紧状态，受到了初始的密封压力以及井底的反作用力。开始钻进时，钻杆旋转带动胶芯运动，胶芯除了受到初始及井底压力外，还受到来自连接处的压力，呈现出拉伸变形的状态。钻进结束收起设备时，胶芯受到的力向上，整体呈现出压紧收缩的状态。

（二）胶芯密封的结构模型

针对7100型旋转控制头结构包括壳体、胶芯、轴承及驱动器等组成，壳体与轴承之间的密封依靠的是液压卡箍的作用力，胶芯分为上下胶芯，分别安装在旋转轴承的底部与顶部。旋转控制头密封过程中，胶芯受到大应变情况迅速进入塑性状态，其密封过程是一个复杂的非线性问题。一般选用的本构模型有Mooney-Rivlin、Ogden及Yeoh，常用为Yeoh模型，该模型为变形张量不变量本构模型，可用于表示旋转控制头胶芯承受大应变时的变形行为，其变能密度来描述胶芯的物理性质。

三、胶芯磨损失效机理

（一）温度场对胶芯磨损的影响

旋转控制头胶芯材料常用丁腈橡胶，其物理状态受温度影响较大。伴随着钻井深度的增加，钻井难度也随之增加。钻井过程中，由于高速旋转破岩运动造成井内温度很高，高温环境对旋转控制头的正常使用有一定影响。通过调研发现，橡胶材料对温度的变化异常灵敏，极易影响其物理性能的稳定，同时在钻进过程中，钻杆受到温度变化时将呈现出热胀冷缩的变化，与胶芯的连接处也将出现不同程度的变化，改变两者之间的接触应力大小。

（二）转速对胶芯的影响

主轴转速大小对胶芯磨损也有一定的影响。根据调研现场磨损情况，表明由于旋转轴与胶芯试件的接触压力、摩擦阻力非常大，交界处的橡胶受到很大的剪切应力而产生的；胶芯试件与旋转主轴之间会出现十分严重的摩擦生热现象，造成胶芯试件内表面局部过热而引起；胶芯试件磨损表面还存在疲劳开裂情况，主要是由于主轴在胶芯试件中间上、下运动的时候，试件根部和下部的橡胶将会受到拉伸时候（主轴向下运动）和压缩时候（主轴向上运动）的变应力作用而引起。

综上，随着主轴转速的增加，胶芯试件的摩擦力矩、磨损量逐渐增大。

（三）含砂浓度对胶芯磨损的影响

在不同含砂浓度润滑条件中胶芯试件的磨损表面存在着许多平行而间距不均匀的撕裂条纹以及微观层状表面结构，撕裂出的橡胶表面形成凹坑状的伤痕。随着水润滑条件中的含砂浓度的增加，其撕裂条纹的间距大体上会减少；随着法向载荷的增加，胶芯试件表面上的撕裂条纹的深度会增加。可以看出磨损后胶芯试件表面上的撕裂条纹的边缘呈不规则状，这是由于形状不规则的尖锐砂粒，在胶芯试件与钢副的摩擦表面间沿滑动方向对胶芯试件表面产生了挤压和犁削作用，砂粒对胶芯试件有滑动摩擦作用的同时还存在滚动摩擦。胶芯试件磨损表面的微观层状结构的磨损花纹生长方向与滑动方向垂直，而随着载荷的增长，胶芯试件表面的磨损花纹生长方向变成与互动方向几乎平行。这是因为在较大载荷的情况下，水润滑条件中的砂粒在胶芯试件与钢副间的流动性很差，这时可以看成胶芯试件是与一个表面粗糙的钢丝网在摩擦磨损，因此造成了磨损花纹方向的改变。因此，当砂粒浓度小于临界浓度时，磨损量随磨粒浓度的增加而增加；当磨粒浓度为临界浓度时橡胶磨损量达到最大值，随后逐渐下降。

四、结论

基于以上影响因素，可以从胶芯自身的结构设计与操作人员着手，结合现场需求设计胶芯，操作人员具备科学调整转速的能力。一是提高泥浆性能，能够有效将泥浆中的钻屑清除干净，减少泥浆中大颗粒的含量；二是提高钻杆接头表面质量，使接触表面尽量光滑。欠平衡钻井工作过程中的旋转控制头胶芯磨损是一个较为复杂的过程，受到多种因素的影响，包括温度场、胶芯类型的选择、胶芯的配方、钻柱组合及含砂浓度等。为提高胶芯的寿命和可靠性，可从以下几方面做相应改进：结构上，优化铁芯的结构形状和尺寸，降低铁芯与橡胶连接处的峰值应力；材料上，改进胶芯橡胶材料配方和硫化工艺，提高橡胶的抗拉性能、耐磨性能和抗疲劳性能等；尽量改善润滑条件，适当降低胶芯与钻具间的摩擦因数。