王 玥 付海龍 鄒龍慶 馮志鵬 趙 霖

(1. 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 大慶油田裝備制造公司)

陸地油田作業(yè)井環(huán)空防溢控制用于內(nèi)孔投堵條件下起下管柱[1]，即帶壓起下管柱和外圍高壓注水油井不停注作業(yè)施工，其核心技術(shù)是通過井控裝置在封井條件下，實現(xiàn)帶壓起下油管(鉆桿)，保證修井與作業(yè)井口的防噴、防溢控制和安全生產(chǎn)。防噴器是井控裝置中的核心設(shè)備，其密封能力是環(huán)空防溢控制的關(guān)鍵。國外對于帶壓作業(yè)膠芯密封性能的研究文獻(xiàn)較少，國內(nèi)同行對膠芯尺寸優(yōu)化設(shè)計做過一些基礎(chǔ)工作[2,3]。筆者綜合考慮作業(yè)井實際工況、帶壓起下施工工藝和膠芯材料，對其接觸壓力分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期為提高膠芯使用壽命、保證環(huán)空防溢控制安全操作提供理論支持。

1 作業(yè)井環(huán)空防溢控制工藝

液壓伺服帶壓過油管防噴器是大慶油田用于解決聚區(qū)作業(yè)井帶壓起下施工的一種新型環(huán)空防溢控制設(shè)備[4]。它采用結(jié)構(gòu)簡單的筒形膠件(膠芯)作為主要密封元件，在液壓伺服裝置提供的系統(tǒng)壓力作用下，通過彈性形變形成接觸壓力，達(dá)到對不同油管實現(xiàn)動態(tài)密封的目的。防噴器工作時，使用帶液壓泵的蓄能器調(diào)節(jié)膠芯環(huán)空壓力，膠芯被壓縮實現(xiàn)運動管柱的密封。當(dāng)接箍通過膠芯時，被封直徑增大，膠芯被擠外鼓使得油室壓力升高，蓄能器吞入液壓油；接箍通過后，當(dāng)管柱本體進(jìn)入密封時，被封直徑減小，油室壓力隨之下降，蓄能器向系統(tǒng)吐出液壓油。被封油管接箍、本體如此交替通過筒形膠芯，在蓄能器的調(diào)節(jié)下，膠芯動態(tài)維持了接觸壓力恒定不變，最終實現(xiàn)了環(huán)空帶壓密封前提下的起下作業(yè)。

2 密封膠芯的材料本構(gòu)模型

針對密封膠芯的分析計算，采用近似不可壓縮的彈性材料Mooney-Rivlin模型，同時需要基于條件假設(shè)：橡膠材料不可壓縮且變形前為各向同性；先受拉伸，后疊加截面剪切且服從胡克定律。為此定義各向同性條件[5,6]：

(1)

(2)

(3)

其中，λ1、λ2和λ3分別為3個方向的主伸長率。不可壓縮橡膠材料模型為：

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(4)

其中，C1、C2為力學(xué)性能常數(shù)。該模型適用于描述變形小于150%的橡膠材料力學(xué)性能，同時適用于橡膠應(yīng)用性能計算。

3 環(huán)空防溢控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件的有限元模型

如圖1所示為使用COSMOSFloWorks軟件建立的環(huán)空防溢控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件膠芯-油管裝配有限元模型。由于密封膠芯是通過環(huán)空控制壓力作用對起下油管實現(xiàn)動密封的，為節(jié)約計算成本，提高計算運行效率，簡化了液囊及殼體等次要部件，重點保證膠芯和油管的裝配關(guān)系。網(wǎng)格劃分采用實體網(wǎng)格形式，網(wǎng)格要素大小25.61mm，網(wǎng)格公差1.28mm，對接觸部分進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密設(shè)置。

圖1 膠芯與密封油管裝配體有限元模型

4 密封膠芯接觸壓力計算

4.1有限元前處理

根據(jù)橡膠復(fù)合材料特性，膠芯為帶簾線的丁腈橡膠材料，膠芯主體計算采用了超彈性Moony Rivlin材料模型[6～8]，2-1/2′(φ63.5mm)密封油管為線彈性各向同性的Alloy Steel材料模型，具體材料參數(shù)列于表1。

表1 計算模型中的材料參數(shù)

根據(jù)實際工況追加邊界條件：模擬防噴器殼體上、下壓蓋對防噴器殼體兩端面固定，對液囊油室工作面(圓柱面)施加液體壓力，根據(jù)防噴器對常規(guī)油管本體或接箍密封工況進(jìn)行密封接觸壓力計算。

4.2膠芯接觸壓力計算

環(huán)空密封膠芯原設(shè)計靜壓14.0MPa，動壓9.0MPa，通過有限元軟件對膠芯體施加環(huán)空控制壓力，并使控制壓力在較大范圍內(nèi)逐級遞增，完成密封膠芯的非線性計算。

如圖2所示，控制壓力9.0MPa時，密封膠芯內(nèi)圓柱面中間位置是接觸壓力較大區(qū)域，是實現(xiàn)密封的主要區(qū)域；外圓柱面應(yīng)力較小。壓縮變形量集中在系統(tǒng)環(huán)空壓力的作用面上；從剖切面看，膠芯外表面壓縮量較內(nèi)表面的要大。系統(tǒng)控制壓力作用下，膠芯環(huán)向受擠壓，但兩端面受到上下芯頭和防噴器主殼體的約束與限制，同時被密封管柱上下通行過程中管柱壁與膠芯接觸面產(chǎn)生摩擦作用和流體粘吸，導(dǎo)致膠芯在兩端面發(fā)生堆積，軸向出現(xiàn)明顯外鼓，這與現(xiàn)場使用情況一致。膠芯上端面向外鼓脹較為嚴(yán)重，下端面因存在井壓作用，堆膠現(xiàn)象反得以削弱。膠芯這種形變通常稱為溢膠，是膠芯破壞的主要形式之一。

圖2 控制壓力9.0MPa時密封膠芯有限元計算云圖

4.3對本體和接箍部分密封時的接觸壓力對比

根據(jù)相同控制壓力條件下，膠芯對油管本體和接箍的接觸壓力計算結(jié)果，繪制環(huán)空控制壓力和工作面最大接觸壓力關(guān)系曲線。圖3為過油管防噴器膠芯在不同控制壓力作用下帶壓密封2-1/2′油管本體和接箍時接觸壓力的計算結(jié)果對比曲線。

圖3 膠芯密封2-1/2′油管本體和接箍時接觸壓力對比曲線

在相同控制壓力條件下，膠芯對接箍和本體的密封曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性特征，且呈周期性變化；控制壓力在7MPa附近時，接觸壓力達(dá)到最大值，表現(xiàn)出較好的密封能力，隨后最大接觸壓力經(jīng)歷多次波動，在17MPa以后迅速下降趨于最低。這是因為膠芯簾線-橡膠屬于低剛度復(fù)合材料，粘彈性特征強(qiáng)，在周期載荷作用下，控制外壓的反復(fù)增大和減小使得橡膠材料出現(xiàn)疲勞，同時伴隨較高的熱生成[9]，這種溫度效應(yīng)使得橡膠表面易產(chǎn)生硬化及龜裂等現(xiàn)象，從而使密封壓力減小，密封質(zhì)量降低。若繼續(xù)增大控制壓力則容易導(dǎo)致硬度過高，膠芯無法有效填充與油管之間的間隙，最終導(dǎo)致密封失效，井壓發(fā)生泄漏。

針對膠芯端面因環(huán)空壓力產(chǎn)生的端面溢膠現(xiàn)象，研究采用硫化工藝，在兩個端面分別硫化與孔徑相當(dāng)?shù)姆劳昏F芯(圖4)，重新投入使用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，端面位置的溢膠現(xiàn)象得到有效抑制，延緩了該位置因應(yīng)力集中極易發(fā)生磨損的問題，并延長了膠芯的使用壽命，從而提高了內(nèi)孔投堵條件下起下管柱的效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

圖4 過油管防噴器密封膠芯

5 結(jié)論

5.1環(huán)空防溢控制系統(tǒng)是環(huán)空防溢控制技術(shù)在大慶油田聚區(qū)作業(yè)井帶壓起下施工過程中的新應(yīng)用，有效解決了作業(yè)井在內(nèi)孔投堵條件下起下管柱的問題，滿足聚區(qū)作業(yè)井生產(chǎn)需要。

5.2密封膠芯是主要密封部件，采用簾線-橡膠復(fù)合材料，可實現(xiàn)對油管的環(huán)空動密封，具有強(qiáng)度好、耐油、耐磨損的特點。

5.3膠芯對2-1/2′油管環(huán)空密封時，膠芯密封面最大接觸壓力分布具有明顯的非線性特征，對接箍密封的接觸壓力明顯大于對本體的密封接觸壓力；控制壓力在7MPa附近時，接觸壓力達(dá)到最大，密封能力最好。

5.4周期載荷反復(fù)作用易導(dǎo)致膠芯材料升溫而發(fā)生硬化效應(yīng)，井液壓力和環(huán)空壓力共同作用，膠芯端面極易溢膠變形，可通過優(yōu)化起下操作工藝和采用增加硫化防突鐵芯的制備工藝解決。

[1] 馬宗金，肖潤德.現(xiàn)代欠平衡鉆井技術(shù)[J].鉆采工藝，2000，23(3)：1～4.

[2] 崔斌，吳應(yīng)湘，許晶禹.油水井帶壓作業(yè)裝置中環(huán)形密封膠芯的設(shè)計[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2009，22(3)： 79～82.

[3] 鄒龍慶，付海龍.過油管防噴器膠芯的模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].潤滑與密封，2008，33(11)：93～95.

[4] 陳建業(yè).作業(yè)井內(nèi)孔與環(huán)空防溢控制技術(shù)研究總結(jié)報告[R].大慶：大慶油田有限責(zé)任公司，2002.

[5] 饒建華，陸兆鵬. O形橡膠密封圈配合擋圈密封的應(yīng)力與接觸壓力有限元分析[J].潤滑與密封，2009，34(5)：65～68.

[6] 鄭明軍，王文靜，陳政南.橡膠Mooney-Rivlin模型力學(xué)性能常數(shù)的確定[J].橡膠工業(yè)，2003，50(8)：462～465.

[7] Yu F，Luo J G.Travelling Waves in a Compressible Mooney-Rivlin Rod[J].Journal of Shanghai University(English Edition)，2011，5(4)：282～286.

[8] 任全彬，蔡體敏，安春利.硅橡膠“O”形密封圈Mooney-Rivlin模型常數(shù)的確定[J].固體火箭技術(shù)，2006，29(2)：130～134.

[9] 劉宇艷，譚惠豐，杜星文.單向簾線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料在周期載荷下的動態(tài)粘彈性[J].高技術(shù)通訊，2002，12(4)： 55～58.