展茂雷，張光偉

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065)*

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可控彎接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

展茂雷，張光偉

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065)*

摘要：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在國(guó)內(nèi)已有較大的發(fā)展，現(xiàn)已成型的導(dǎo)向鉆具幾乎全為鉆頭推靠式導(dǎo)向方式?？煽貜澖宇^導(dǎo)向鉆具的設(shè)計(jì)研究為國(guó)內(nèi)全旋轉(zhuǎn)鉆頭指向式導(dǎo)向鉆具的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，其研制尚處于起步階段，有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。簡(jiǎn)要介紹了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)和工作原理；針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際的井下工作環(huán)境，對(duì)其密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)研究。設(shè)計(jì)一種帶有壓力補(bǔ)償?shù)慕M合密封結(jié)構(gòu)，為存在動(dòng)態(tài)壓力突變的鉆井液-潤(rùn)滑油這一位置的密封問題提供一種理想的解決方案，并對(duì)關(guān)鍵密封部件進(jìn)行有限元分析，以保證密封結(jié)構(gòu)具有徑向補(bǔ)償、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、抗沖擊、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，為可控彎接頭原理樣機(jī)的試制與相關(guān)原理性試驗(yàn)奠定良好的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具；可控彎接頭；壓力補(bǔ)償；密封設(shè)計(jì)；有限元分析

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的設(shè)計(jì)研發(fā)近年來才在國(guó)內(nèi)興起，由于國(guó)外該技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)該技術(shù)與國(guó)外還有較大差距[1-2]。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)已成型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具幾乎全為鉆頭推靠式，這種依賴推靠井壁來提供導(dǎo)向側(cè)向力的系統(tǒng)，容易給定向井帶來井眼清洗不良和產(chǎn)生螺旋井眼等不利影響[3]。隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在陸地和海上得到越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)其性能也提出了更高的要求。

筆者所在的課題組設(shè)計(jì)研究了一種新型全旋轉(zhuǎn)鉆頭指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具——可控彎接頭，主要為滿足復(fù)雜油氣藏的開發(fā)而設(shè)計(jì)。作為一種芯軸非連續(xù)式的動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，其研究正處于起步階段，有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決?？煽貜澖宇^的密封正是研究難點(diǎn)之一，密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定其密封性能，進(jìn)而影響到可控彎接頭能否在井下正常工作，能否保證設(shè)計(jì)要求的井下工作時(shí)間與效率?？煽貜澖宇^密封部位結(jié)構(gòu)空間有限，井下工作條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣。因此，可控彎接頭對(duì)密封有較高的要求，密封結(jié)構(gòu)一旦失效，則會(huì)導(dǎo)致可控彎接頭失去正常工作能力。筆者主要對(duì)可控彎接頭導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以爭(zhēng)取其樣機(jī)早日試制成功。

1可控彎接頭密封設(shè)計(jì)要求

1.1結(jié)構(gòu)原理

可控彎接頭導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—伺服電機(jī)Ⅰ；2—軸承；3—旋轉(zhuǎn)外套；4—伺服電機(jī)Ⅱ；

圖1中上部控制部分已略去，只顯示可控彎接頭的導(dǎo)向工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，由井下動(dòng)力鉆具帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)外套旋轉(zhuǎn)，使其相對(duì)于井壁一直保持轉(zhuǎn)動(dòng)。鉆具主要由旋轉(zhuǎn)外套、偏心環(huán)組、萬(wàn)向軸、推力軸承、導(dǎo)向節(jié)等幾部分組成，偏置方式類似Geo-Pilot的偏心環(huán)結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)外套將鉆壓和轉(zhuǎn)矩通過導(dǎo)向節(jié)傳遞給鉆頭，球形導(dǎo)向節(jié)可以允許萬(wàn)向軸在設(shè)計(jì)的角度內(nèi)自由擺動(dòng)。鉆井液經(jīng)萬(wàn)向軸流到鉆頭，在垂直鉆進(jìn)或造斜過程中可控彎接頭執(zhí)行控制單元發(fā)出的指令，控制與球面偏心環(huán)組連接的伺服電機(jī)的速度與轉(zhuǎn)向，偏心環(huán)組形成不同的配合模式，使萬(wàn)向軸以導(dǎo)向節(jié)為支點(diǎn)與井眼軸線形成一定夾角，從而對(duì)井斜和方位進(jìn)行導(dǎo)向控制[4]。

1.2設(shè)計(jì)要求

可控彎接頭為“全旋轉(zhuǎn)”導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)外套通過導(dǎo)向節(jié)帶動(dòng)萬(wàn)向軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以旋轉(zhuǎn)外套與萬(wàn)向軸之間是相對(duì)靜止的，因此它們之間的密封屬于高壓靜密封。但由于旋轉(zhuǎn)外套與導(dǎo)向節(jié)的配合有一定的間隙，因此在鉆具啟動(dòng)和停止時(shí)，密封結(jié)構(gòu)會(huì)有微小的錯(cuò)動(dòng)。高壓密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與密封元件的選用應(yīng)遵循以下基本原則：

1)高壓密封首先必須耐高壓，可控彎接頭可應(yīng)用于深井和超深井，因此密封結(jié)構(gòu)要能承受30 MPa以上的高壓。

2)高壓靜密封應(yīng)有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰?，密封結(jié)構(gòu)對(duì)微小的間隙可以自動(dòng)補(bǔ)償。由于萬(wàn)向軸在導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)會(huì)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)頻繁地調(diào)整其擺角大小，就會(huì)引起密封界面產(chǎn)生波動(dòng)，因此萬(wàn)向軸在調(diào)整擺角大小時(shí)密封結(jié)構(gòu)需要有浮動(dòng)彈性，以及時(shí)彌補(bǔ)間隙，避免泄漏。

3)密封件與密封套之間有充足的間隙，以保證在達(dá)到最大設(shè)計(jì)導(dǎo)向角時(shí)，萬(wàn)向軸也能自由擺動(dòng)，而不受到密封套的約束。

4)高壓密封結(jié)構(gòu)和所選擇的密封材料可較長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作。由于可控彎接頭作業(yè)處溫度很高，密封件要浸潤(rùn)在高溫油浴中，應(yīng)能耐受150 ℃以上的高溫，并且在達(dá)到最高溫度時(shí)，其密封不會(huì)馬上失效，因此對(duì)密封材料有苛刻的要求。

5)密封結(jié)構(gòu)抗沖擊振動(dòng)，密封材料耐腐蝕。鉆頭在破巖時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，密封結(jié)構(gòu)要有一定的減震緩沖設(shè)計(jì)，鉆井液的成分復(fù)雜，對(duì)密封結(jié)構(gòu)中的橡膠材料會(huì)有腐蝕作用。

6)密封結(jié)構(gòu)有較高的可靠性和壽命，提高鉆井作業(yè)效率，降低維護(hù)成本。

7)密封結(jié)構(gòu)還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、拆卸、檢修方便快捷，加工制造簡(jiǎn)單，密封緊湊，所用元件少，質(zhì)量輕，占用空間少等特點(diǎn)[5]。

2可控彎接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可控彎接頭密封結(jié)構(gòu)一側(cè)是壓力鉆井液，另一側(cè)是潤(rùn)滑油，而密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)的壓力差和密封副之間的間隙是引起泄露的主要原因。綜合考慮可控彎接頭實(shí)際的井下工作環(huán)境，密封結(jié)構(gòu)既要經(jīng)受井下鉆井液壓力的各種變化，又能給萬(wàn)向軸留有足夠的擺動(dòng)空間。基于以上考慮，筆者設(shè)計(jì)了一種帶有壓力補(bǔ)償?shù)娜嵝悦芊饨Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1—連接環(huán)；2—金屬密封波紋管；3—密封套；

可控彎接頭的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有3處：

1)高壓密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這不只是簡(jiǎn)單的高壓密封，在密封界面位置還伴有高溫、振動(dòng)、沖擊、偏擺角度等許多不利因素的限制。解決泄漏的關(guān)鍵之處在于密封結(jié)構(gòu)和密封材料的選擇，通過降低密封界面兩側(cè)的壓力差，阻塞泄漏通道，達(dá)到零泄漏或低泄漏的目標(biāo)。因此，在結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)了一種楔形密封槽式的組合密封圈耐高壓密封結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

1—楔形金屬密封圈；2—備用密封圈；3—O形圈。

連接環(huán)密封面是整個(gè)密封結(jié)構(gòu)主要的泄漏點(diǎn)之一，其上設(shè)有3個(gè)高壓密封槽，通過O形圈、備用密封圈、楔形金屬密封圈來增加界面的耐高壓能力。但是，單方面增強(qiáng)密封結(jié)構(gòu)的承壓能力并不能有效地提高密封結(jié)構(gòu)的可靠性和壽命。因此，設(shè)計(jì)了壓力平衡機(jī)構(gòu)以增強(qiáng)密封結(jié)構(gòu)對(duì)井下壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，大幅降低了連接環(huán)密封面處的壓力差，增強(qiáng)了整個(gè)密封結(jié)構(gòu)的耐高壓能力。壓力平衡機(jī)構(gòu)主要由壓力缸套、活塞、彈簧、安全閥、單向閥組成。可控彎接頭導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)壓高于井下鉆井液的壓力，這有利于防止鉆井液刺穿密封面進(jìn)入工具內(nèi)部，造成可控彎接頭失效。當(dāng)井下鉆井液壓力突然升高時(shí)，壓力平衡機(jī)構(gòu)中的活塞就會(huì)在鉆井液壓力作用下壓縮潤(rùn)滑油，使可控彎接頭內(nèi)壓升高，達(dá)到降低密封面兩側(cè)壓力差的目的。為了使活塞能感受到鉆井液壓力的變化而又避免其與鉆井液直接接觸，在彈簧的一端設(shè)計(jì)有螺旋密封結(jié)構(gòu)，其還可以阻止鉆井液中的固體顆粒進(jìn)入活塞位置處，造成活塞處密封圈的加速磨損，阻塞活塞的活動(dòng)空間。當(dāng)潤(rùn)滑油升溫，使內(nèi)部壓力達(dá)到極限時(shí)，潤(rùn)滑油就會(huì)通過安全閥溢流并推動(dòng)活塞壓縮彈簧來降低內(nèi)壓。

2)在萬(wàn)向軸頻繁調(diào)整擺角大小時(shí)，需要連接環(huán)等承壓處的密封面不會(huì)隨萬(wàn)向軸擺動(dòng)，以免產(chǎn)生間隙而造成泄漏。為此，設(shè)計(jì)了金屬密封波紋管，使其焊接在連接環(huán)和壓力平衡機(jī)構(gòu)之間。當(dāng)萬(wàn)向軸調(diào)整擺角大小時(shí)，金屬密封波紋管就可以隨之?dāng)[動(dòng)，利用其柔性變形連接環(huán)承壓密封面就可保持穩(wěn)定靜止，而其后端壓力平衡機(jī)構(gòu)則可以隨萬(wàn)向軸一起擺動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生軸線偏移，從而有效地防止泄漏。同時(shí)，金屬密封波紋管還可以吸收鉆頭破巖時(shí)的沖擊與振動(dòng)，降低泄漏的發(fā)生率。

3)密封結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)高效密封的同時(shí)，在有限的空間內(nèi)給萬(wàn)向軸留有足夠的擺動(dòng)范圍。為此，在密封套上開有敞口臺(tái)階，防止在萬(wàn)向軸偏擺時(shí)鉆井液中的固體顆粒進(jìn)入偏擺空間，在其中裝有彈性紗網(wǎng)，但須具有良好的彈性、耐高溫、耐磨、耐腐蝕的能力。

2.2壓力平衡密封結(jié)構(gòu)工作原理

可控彎接頭在垂直鉆進(jìn)時(shí)，萬(wàn)向軸與旋轉(zhuǎn)外套處于同一軸線，連接環(huán)耐高壓密封結(jié)構(gòu)與活塞和螺旋密封起主要密封作用。連接環(huán)密封由萬(wàn)向軸活動(dòng)空間處進(jìn)入鉆井液和內(nèi)部潤(rùn)滑油，螺旋密封和活塞共同密封由螺旋密封結(jié)構(gòu)處的間隙進(jìn)入鉆井液和內(nèi)部潤(rùn)滑油，并由螺旋密封慮掉鉆井液中的固體顆粒。

可控彎接頭在導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)，通過金屬密封波紋管的柔性變形，使密封結(jié)構(gòu)隨萬(wàn)向軸產(chǎn)生擺動(dòng)角度，而保證連接環(huán)和壓力平衡機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低了對(duì)密封圈的浮動(dòng)彈性要求，減少了摩擦磨損破壞，提高了整體性能。另外，彈簧和金屬密封波紋管的軸向變形也起到一定的減震緩沖作用，對(duì)保持高壓密封面的相對(duì)穩(wěn)定也是非常有利的。

在整個(gè)導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中，壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)根據(jù)井下鉆井液壓力做出相應(yīng)調(diào)整，通過活塞的移動(dòng)調(diào)節(jié)使密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓力差保持在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，提高了密封件壽命和性能。

3密封結(jié)構(gòu)有限元分析

金屬密封波紋管在該密封結(jié)構(gòu)中要隨萬(wàn)向軸頻繁地調(diào)整擺角大小，在頻繁的彎曲變形過程中，金屬密封波紋管很容易發(fā)生疲勞破壞，造成泄漏，從而影響可控彎接頭的正常使用。因此，有必要計(jì)算工作狀態(tài)下的金屬密封波紋管的疲勞壽命。筆者通過SolidWorks軟件建立了金屬密封波紋管的三維結(jié)構(gòu)模型，利用ANSYS軟件模擬了它在承受內(nèi)外壓力和彎曲載荷條件下的疲勞壽命。

3.1有限元模型

建立金屬密封波紋管三維立體模型，金屬密封波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，導(dǎo)入ANSYS中選擇殼體單元shell 63，進(jìn)行有限元分析。金屬密封波紋管材料為1Cr18Ni9Ti，材料的各項(xiàng)屬性如表2所示。金屬密封波紋管左端為全約束，金屬密封波紋管右端施加徑向壓力載荷。

表1　波紋管幾何參數(shù)

表2　波紋管材料屬性

在ANSYS中對(duì)金屬密封波紋管進(jìn)行疲勞壽命分析時(shí)，可以忽略其特性的非線性部分，其應(yīng)力云圖如圖4所示[6]，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為40059處的應(yīng)力值最大，此處會(huì)首先出現(xiàn)疲勞破壞。

圖4　波紋管徑向應(yīng)力分布

3.2疲勞壽命分析

定義金屬密封波紋管材料的疲勞屬性，在ANSYS中載荷與疲勞失效的關(guān)系采用的是應(yīng)力-壽命曲線[7]，即S-N曲線來表示，如圖5所示。

圖5　材料的疲勞循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度曲線

由圖5可知：該節(jié)點(diǎn)處所受的最大應(yīng)力值為365 MPa，通過材料的S-N曲線找到對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)約為28 000次。定義好了應(yīng)力、位置、事件以及所有涉及的材料參數(shù)，對(duì)指定的位置進(jìn)行疲勞計(jì)算，最后求得波紋管在徑向壓力載荷作用下的疲勞壽命為50 000次。可見金屬密封波紋管滿足設(shè)計(jì)需要，具有較高的使用壽命。

4結(jié)語(yǔ)

壓力補(bǔ)償組合密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究是可控彎接頭理論研究的一個(gè)重要組成部分。將壓力補(bǔ)償單元應(yīng)用于可控彎接頭的高壓密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，在可控彎接頭有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在垂直鉆進(jìn)和導(dǎo)向鉆進(jìn)2種工作狀態(tài)下的密封要求，提高了可控彎接頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井機(jī)構(gòu)在高溫、高壓、高固相含量等惡劣工況條件下的可靠性和使用壽命。

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Design and Research of Controllable Bent Sub Seal Structure

ZHAN Maolei，ZHANG Guangwei

(SchoolofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China)

Abstract：Rotary steerable drilling tool has initial development in our country，but the prototypes almost are the push-the-bit system.The design and research of controllable bent sub for all domestic rotating and point-the-bit type steering downhole development laid a solid theoretical foundation，its development is in its infancy，and there are a number of key technical problems to be solved.An overview of the structure and working principle are given，which focus on the seal for its structural characteristics and actual underground work environment.A combination seal with pressure balance components are designed according to its structure characteristic and practical working condition which solved the seal problem between the dynamic pressure drilling fluid and lubricant.It also does the finite element analysis to the critical sealing components in order to meet the design performance requirements radial compensation high temperature high pressure corrosion resistance impact resistant and long life.A good theoretical basis is laid for its prototype making and the relevant principles test.

Keywords：rotary steering drilling tool；controllable bent sub；pressure balance；seal design；finite element analysis

中圖分類號(hào)：TE921.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.008

作者簡(jiǎn)介：展茂雷(1987-)，男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，主要從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究，E-mail：zhanmaolei@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“井下閉環(huán)可控彎接頭導(dǎo)向機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)理論研究”( 51174164)

收稿日期：2015-09-14

文章編號(hào)：1001-3482(2016)04-0028-04