高温高压下旋转导向系统动密封性能*

张晓诚 王昆剑 余 涵 刘 峰 岳 明 张 毅

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452;2.西南石油大学机电工程学院 四川成都 610500)

旋转导向钻井系统指在钻井过程中，随钻实时完成钻头导向的一种钻进系统。目前国内外对旋转导向钻井系统都开展了大量的基础理论和实验研究，并取得了一系列的研究成果[1-2]。动密封作为保护指向式旋转导向钻井系统中轴承和控制系统的关键部件，对旋转导向钻井系统的可靠性有重要的影响[3]。对于旋转动密封而言，井下的恶劣工况严重影响动密封的性能，用于指向式旋转导向钻井系统中的动密封要经受住井下175 ℃高温和206 MPa的高压环境[4]。滑环组合密封以其优良的耐磨性和可实现自动补偿的特性，在高压系统中广泛使用，本文作者将滑环组合密封应用于旋转导向钻井系统中，结合钻井工况，对滑环组合密封进行分析。

目前，国内外学者对滑环组合密封已经做了大量的研究。王志翔等[5]基于水合物开采泵输系统对旋转动密封的密封性能进行了研究，分析了高压环境和结构参数变化对密封性能的影响。刘菁等人[6]对某型格来圈组合密封形式的漏油故障进行了分析，依据密封理论确定了影响密封性能的关键因素，并模拟了组合密封各密封面的密封效果。石昌帅等[7]基于热老化试验数据建立了热老化效应影响下冲击螺杆钻具密封圈的有限元模型，并分析了工况参数对密封圈密封性能的影响。孙娟娟[8]研究了滑环组合密封结构参数和润滑油流体参数对动密封性能的影响。国外主要是对普通的矩形密封进行了分析， VICENTE等[9]建立了橡胶动密封的数学评价模型，讨论了不同工况下密封圈的密封性能。NIKAS等[10]结合密封实验对矩形橡胶密封的密封性能进行了研究。综上所述，目前国内外研究主要集中在常规的工业领域，虽然考虑了温度和压力对密封性能的影响，但并没有考虑实际工况对橡胶材料的影响，尤其是高温下橡胶的应力松弛现象对密封性能的影响。本文作者结合橡胶材料的黏弹性模型，考虑高温工况下应力松弛现象对橡胶组合密封的影响，建立了滑环组合密封的仿真分析模型，并对工况参数影响下组合密封的性能进行研究。

1 旋转导向系统组合密封模型

指向式旋转导向钻井系统偏置系统的上、下位置安装有两套动密封系统，密封系统内部有偏置机构、控制系统和高压润滑系统。动密封一旦失效，内部的润滑油就会泄漏，造成偏置机构内部重要部件烧毁。偏置机构和密封系统布置如图1所示。

图1 旋转导向钻井系统偏置机构

滑环组合密封的结构如图2所示，密封内侧的滑环为聚四氟乙烯材质，具有很低的摩擦因数，O形圈是丁腈橡胶材料，可以在滑环磨损时给密封面提供很好的弹力。滑环组合密封的外侧为高压钻井液，通过压力平衡系统来保证密封内外压差为0.5 MPa左右。

图2 滑环组合密封示意

2 橡胶黏弹模型

橡胶属于黏弹性材料，其力学行为和环境温度紧密相关，环境温度的升高会加速橡胶密封材料的应力松弛，通常采用弹簧-黏壶模型来模拟黏弹性材料的力学行为。在有限元软件中，黏弹性材料的本构模型通常是由N个Maxwell模型并联组成的广义Maxwell模型[11]。应力松弛影响下橡胶应力σ(t)与应变ε0的关系可以表示为

σ(t)=E(t)ε0

(1)

式中：E(t)是橡胶材料的松弛函数，可以用Prony级数的形式表示

(2)

式中：E0是橡胶材料的瞬时模量；gi是橡胶材料的剪切松弛；τi是Prony延迟时间常数。

文中根据参考文献[12]设置橡胶材料的黏弹性参数，Prony级数系数如表1所示。

表1 Prony级数系数

3 应力松弛下橡胶接触压力分析

由于橡胶材料具有非线性大变形特性，因此需要假设密封圈的压缩量等于有限元分析中施加在边界条件上的位移量；此外，材料的蠕变不影响O形圈密封的体积变化。

在该假设的基础上，建立了滑环组合密封的有限元模型。文中使用M-R模型作为橡胶材料的本构模型，模型中参数取值分别为C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa[13]。此外，文中考虑了橡胶的应力松弛特性，根据表1中的参数，在有限元软件中定义了橡胶的黏弹性本构模型参数。

第一个载荷步密封圈的径向压缩采用自动收缩的方式施加，O形圈的压缩率为12.5%。第二个载荷步是通过有限元软件里的压力渗透功能模拟密封面两侧的润滑油和钻井液压力载荷[14]。模型中润滑油压力最高为15 MPa，泥浆压力为14.5 MPa，可以保证泥浆不会侵入到密封腔内。由于聚四氟乙烯材料的硬度较大，因此可以近似认为该材料为线弹性材料。材料弹性模量为200 MPa，泊松比为0.45。O形圈的网格划分单元为杂交单元CAX4RH，该单元可以模拟橡胶的非线性特性。

基于密封内外润滑油压力po比钻井液压力pf高0.5 MPa，文中分析了不同流体压力下组合密封的接触压力分布情况，如图3所示。可以看出，虽然密封两侧泥浆和润滑油的压差没有改变，但随着介质压力的增大，密封系统的最大接触压力仍在增大。图4所示为不同流体压力下滑环组合密封的Mises应力分布。可以看出，润滑油压力从5 MPa升高到10 MPa时，组合密封的von Mises应力变化很大，主要是由于滑环外侧泥浆压力的作用，使得滑环外侧的张口变化较大，当润滑油压力为10 MPa时，动密封和芯轴之间的接触长度减小较多，从而使得主密封面内侧的应力集中现象更加明显。而当润滑油压力从10 MPa升高到15 MPa时，滑环外侧的张口变化不大，密封在10 MPa时已经处于一种稳定的接触状态，因此von Mises应力变化比较小。

图4 不同流体压力下滑环组合密封Mises应力分布

4 应力松弛下橡胶密封敏感性分析

4.1 流体压力对密封接触压力的影响

根据组合滑环密封在不同流体压力下的接触压力分布情况，提取主密封面的接触压力曲线，如图5所示。可以看出，随着井下压力的增加，密封面的接触压力逐渐增大，同时内侧的压力比外侧要大得多，主要是由于高压钻井液会迫使主密封面靠近钻井液的一侧和导向工具芯轴分开，从而使得密封面外侧的接触压力近似为0。

图5 不同油压下主密封面接触压力分布

图6所示为应力松弛影响下密封面最大接触压力随时间的变化情况。

图6 不同油压下最大接触压力的变化

由图6可以看出，低压工况下，主密封面的最大接触压力有上升的趋势，这是由于低压工况下，O形圈在应力松弛之后无法提供给滑环足够的弹力，进而导致接触长度变小，产生应力集中；而高压工况下，接触面最大接触压力逐渐下降，但下降很小，50 s以后，最大接触压力几乎不变；随着油压的升高，最大接触压力也有所增大，但接触面最大接触压力的变化趋势基本一致；同时可以看出密封面接触压力仍大于密封两侧的介质压力，可以实现可靠的密封效果。

4.2 环境温度对密封接触压力的影响

随着井下温度的升高，密封材料的应力松弛会加速。考虑温度对橡胶材料的影响，通过设置橡胶本构模型，得到5 MPa油压和17.5%压缩率作用下，不同温度对密封接触压力的影响，如图7所示。可以看出，随着温度的升高，主密封面的接触压力有较小的升高趋势，而接触压力曲线基本一致。相对于环境压力而言，温度对接触压力的影响较小。

图7 不同温度下主密封面接触压力分布

应力松弛影响下温度对最大接触压力的影响如图8所示。同一温度下，随着温度的上升，主密封的最大接触压力先陡然增大，随后趋于平缓。此外，虽然O形圈在应力松弛之后无法提供给滑环足够的弹力，但高温会导致O形圈变软，在钻井液和润滑油双侧流体压力的作用下，主密封面的接触长度会变小，导致主密封面内侧的接触压力增大，因此温度越高，主密封面的最大接触压力越大。

图8 不同温度下密封面最大接触压力的变化

4.3 O形圈压缩率对密封接触压力的影响

图9所示为应力松弛和不同压缩率综合影响下密封面接触压力分布。可以看出，较高的压缩率可以使组合密封的有效接触长度增加，降低了最大接触压力，进而可以降低密封面的磨损，提高密封件的使用寿命。

图9 不同O形圈压缩率下主密封面接触压力分布

图10所示为应力松弛和不同压缩率综合影响下主密封面最大接触压力的松弛曲线。可以看出，考虑应力松弛后，主密封面的最大接触压力先陡然增大，然后趋于平稳。主要是由于应力松弛发生的初期阶段，O形密封圈变软会导致主密封外侧的张口进一步增大，从而导致接触长度缩短，主密封面的最大接触压力增大；随后橡胶材料的应力衰减基本不变，和王伟和赵树高[15]对O形密封圈的分析结果基本一致。此外，可以看出，随着压缩率的增大，最大接触压力也逐渐增大。

图10 不同O形圈压缩率下最大接触压力的变化

5 结论

(1)齿形滑环组合密封在双侧承压作用下，虽然密封两侧的压差没有改变，但随着介质压力的增大，密封系统的最大接触压力仍在增大。

(2)随着井下环境压力的增大，齿形滑环组合密封主密封面的接触压力逐渐增大，同时内侧的压力比外侧要大得多。

(3)考虑应力松弛后，低压工况下，主密封面的最大接触压力有上升的趋势，而高压工况下，接触面最大接触压力逐渐下降，随后最大接触压力几乎不变。

(4)温度影响下，主密封面的最大接触压力均随着温度的升高而增大，温度对最大接触压力的影响要小于井下环境压力的影响。

(5)较高的压缩率可以使组合密封主密封面的有效接触长度增加，从而降低最大接触压力，减缓密封面的磨损。