張 杰 武寧盼 張 川 劉 鳴 趙 琳 閻永宏

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院 四川成都 610500；2.油氣裝備技術(shù)四川省科技資源共享服務(wù)平臺四川成都 610500；3.四川寶石機械鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司 四川廣漢 618300；4.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 陜西寶雞 721002)

防噴器是鉆井井控裝置中的核心設(shè)備，用于控制井口壓力，實現(xiàn)近平衡或欠平衡壓力鉆井，提高鉆井速度及安全[1]。膠芯是防噴器密封的核心部件，一旦膠芯失效將導(dǎo)致井噴發(fā)生。膠芯大多是橡膠材料[2]，其密封性能和使用壽命對鉆井安全至關(guān)重要[3]。

環(huán)形防噴器是欠平衡鉆井、煤層氣鉆井和地?zé)徙@井的必備設(shè)備，在井眼環(huán)空與鉆柱之間起封隔作用并提供安全有效的壓力控制，同時具有將井眼返出流體導(dǎo)離井口的作用[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者已開展防噴器膠芯研究工作。劉為民[7]建立了起下鉆工況下旋轉(zhuǎn)防噴器膠芯動態(tài)密封有限元模型，通過密封性能分析優(yōu)化了膠芯和鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù)。DONG等[8]基于橡膠大變形理論建立了膠芯密封鉆桿接頭的有限元模型，提出了小角度長肩鉆桿接頭結(jié)構(gòu)。徐大萍等[9-10]對球形膠芯材料開展力學(xué)實驗，通過對球形防噴器膠芯力學(xué)分析，總結(jié)出球形膠芯的主要失效形式。李震[11]分析了幾種典型工況下環(huán)形防噴器球形膠芯應(yīng)力和變形規(guī)律，分析了膠芯主要失效形式；張保貴等[12]研究了旋轉(zhuǎn)防噴器膠芯的油壓響應(yīng)規(guī)律，得到了注油壓力與最大接觸壓力估算式。LI等[13]對環(huán)形防噴器的頂蓋和殼體進行研究，建立了一種高保真的壓力監(jiān)測方法，測量了頂蓋和殼體的應(yīng)力分布規(guī)律。郭良林等[14]建立膠芯有限元模型，研究膠芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響，通過正交試驗得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。王玥等人[15]針對防噴器膠芯橡膠的本構(gòu)模型問題，提出一種基于實驗的橡膠材料本構(gòu)模型參數(shù)確定方法。姚堯等人[16]建立了氣控環(huán)形防噴器膠芯物理模型，探討防噴器密封過程中膠芯變形與接觸壓力的關(guān)系。何宇航等[17]建立了防噴器膠芯動態(tài)密封有限元模型，對影響膠芯密封面疲勞壽命的因素進行了優(yōu)化分析。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要采用對稱模型研究膠芯密封性能，較少考慮強行起下鉆過程中膠芯的力學(xué)行為。本文作者建立球形防噴器密封的全尺寸數(shù)值模型，研究了封井和起下鉆過程中膠芯和支撐筋的力學(xué)行為及膠芯密封性能，可為防噴器膠芯和支撐筋結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1 球形防噴器封井模型

1.1 基本假設(shè)

球形防噴器膠芯密封過程涉及材料非線性、幾何非線性、接觸非線性和邊界條件非線性[18]，模擬其封井過程比較復(fù)雜，因此對模型做如下假設(shè)：

(1)防噴器各部件及膠芯、支撐筋材料均為各向同性；

(2)封井過程中活塞處于勻速運動狀態(tài)，忽略鉆井液對膠芯的沖擊作用；

(3)忽略溫度、流體介質(zhì)等外界環(huán)境因素對防噴器的影響。

1.2 數(shù)值模型

如圖1所示，F(xiàn)H28-35球形防噴器是目前應(yīng)用最為廣泛的井控裝置之一，膠芯內(nèi)部包含12塊支撐筋，均勻排布在膠芯內(nèi)部。橡膠材料采用Yeoh本構(gòu)模型[19]，系數(shù)C10=4.412 MPa，C20=-0.223 MPa，C30=0.011 MPa；橡膠材料泊松比為0.5，密度為1 500 kg/m3。支撐筋、鉆桿、頂蓋、活塞為彈塑性材料，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，密度為7 800 kg/m3。劃分網(wǎng)格后的模型如圖1(c)所示。

圖1 球形防噴器的結(jié)構(gòu)

2 封井過程中膠芯密封力學(xué)

封井過程中膠芯所受到的載荷為動載荷，膠芯表面或內(nèi)部不可避免地出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力超出橡膠的疲勞極限時，極易導(dǎo)致裂紋萌生。

2.1 膠芯力學(xué)行為

圖2所示為封井過程中球形膠芯應(yīng)力分布。防噴器在密封鉆桿過程中，膠芯底部支撐筋與活塞間接接觸區(qū)域中③處應(yīng)力最大，該區(qū)域易出現(xiàn)橡膠脫落；封井過程中膠芯向中心收縮，膠芯內(nèi)壁上部棱邊位置的應(yīng)力較大，該處為膠芯密封主要區(qū)域，易發(fā)生疲勞失效，膠芯內(nèi)壁下部不與鉆桿接觸，因而其應(yīng)力較??；②處為膠芯收縮擠壓產(chǎn)生條狀褶皺，膠芯整個圓周上均勻分布多條褶皺，是膠芯內(nèi)壁易產(chǎn)生疲勞裂紋原因之一；①處由于位于膠芯上部與支撐筋結(jié)合彎角存在明顯應(yīng)力集中；膠芯底部棱角④處形成應(yīng)力集中帶，主要由于膠芯底部橡膠與活塞內(nèi)壁接觸擠壓導(dǎo)致應(yīng)力集中。同時，膠芯底部應(yīng)力呈陣列分布，且高低應(yīng)力區(qū)域與支撐筋數(shù)量相同，高應(yīng)力區(qū)域與低應(yīng)力區(qū)相伴。

圖2 封井過程中膠芯應(yīng)力分布(MPa)

為探究應(yīng)力大小與密封狀態(tài)之間關(guān)系，選取4個關(guān)鍵節(jié)點，與圖2的4個區(qū)域相對應(yīng)，觀察關(guān)鍵點在封井過程中的應(yīng)力變化，如圖3所示。區(qū)域①應(yīng)力隨著封井過程進行呈均勻增長，該應(yīng)力只與膠芯壓縮程度有關(guān)；由于區(qū)域②和④位于密封面上，2個區(qū)域應(yīng)力變化與封井狀態(tài)有關(guān)，其在膠芯與鉆桿接觸前都處于勻速增長階段，封井即將結(jié)束時發(fā)生應(yīng)力激增；區(qū)域③與活塞直接接觸，該區(qū)域應(yīng)力呈拋物線增長，在膠芯與鉆桿接觸前其增長較為緩慢，之后由于和鉆桿接觸以及膠芯之間自擠壓增強導(dǎo)致該區(qū)域增長較快，封井完成時應(yīng)力達到最大。

圖3 封井過程中關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力變化

圖4所示為封井過程中膠芯變形分布。在封井過程中，膠芯由外至內(nèi)位移量逐漸減小，支撐筋上部附近變形最大，這是由于支撐筋帶動周圍橡膠向中心收縮。膠芯內(nèi)壁從上至下位移量呈逐漸遞減，說明了膠芯內(nèi)壁上部橡膠向上變形，主要密封區(qū)域位于膠芯上部棱邊處；下部橡膠向下變形，下部膠芯呈現(xiàn)“倒漏斗”狀，符合球形防噴器膠芯的漏斗效應(yīng)。1/2進程以前，膠芯整體變形均勻；3/4進程以后，膠芯內(nèi)壁開始出現(xiàn)擠壓褶皺；完成封井后，膠芯褶皺現(xiàn)象更為明顯，密封面與鉆桿接觸面積達到最大，呈現(xiàn)柱狀面。

圖4 封井過程中膠芯變形過程(mm)

圖5所示為封井過程中膠芯應(yīng)變分布。1/2進程以前，膠芯變形較小；從3/4進程開始，膠芯內(nèi)壁出現(xiàn)條形應(yīng)變，與上述條形褶皺相一致，支撐筋之間有均勻排列的低應(yīng)變區(qū)域；封井結(jié)束時，膠芯整體變形增大，條形應(yīng)變區(qū)變大，說明膠芯內(nèi)圈已產(chǎn)生較大變形，靠近膠芯外圈的相鄰支撐筋之間橡膠變形也較大，容易產(chǎn)生橡膠裂紋導(dǎo)致其失效。

圖5 封井過程中膠芯應(yīng)變分布

2.2 膠芯的密封性能

為研究封井過程中膠芯密封效果，在鉆桿密封面上由上至下依次取S1、S2、S3、S4、S5節(jié)點。圖6(a)所示為封井過程中5個節(jié)點接觸應(yīng)力變化曲線，平行虛線為環(huán)空壓力35 MPa，圖6(b)所示為封井過程中鉆桿接觸應(yīng)力分布。整個進程為膠芯剛與鉆桿接觸到完全接觸的過程，活塞進程為1/4時，S3、S4節(jié)點開始出現(xiàn)接觸應(yīng)力，但接觸長度較短；隨著活塞運動，膠芯與鉆桿接觸面積增加，密封長度逐漸變長，密封效果逐漸增強。從膠芯與鉆桿接觸到完全封井，5個節(jié)點接觸應(yīng)力呈增長趨勢，且增長速率基本一致，S3節(jié)點接觸應(yīng)力始終大于其他節(jié)點，最大接觸應(yīng)力為56 MPa，從該點向上下兩端接觸應(yīng)力逐漸減小，說明S3節(jié)點處為關(guān)鍵密封區(qū)域。

圖6 封井過程中接觸應(yīng)力分布(MPa)

2.3 支撐筋力學(xué)行為

支撐筋是整個球形膠芯的骨架，其剛度與受力對膠芯影響較大。圖7所示為封井后支撐筋的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力主要分布于2個區(qū)域：一處位于支撐筋下板塊拐角處，該處與活塞間接接觸，產(chǎn)生了橫向鼓點狀的高應(yīng)力分布，服役環(huán)境下容易產(chǎn)生疲勞損傷；另一處位于支撐筋上板塊背部拐角處，由于上板塊是懸臂梁結(jié)構(gòu)，封井時活塞運動與頂蓋限位共同作用下導(dǎo)致該處受壓。膠芯的中等應(yīng)力區(qū)主要位于上板塊與下板塊過渡連接處，由于該處結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中；位于支撐筋上板塊彎角處有小部分中等應(yīng)力區(qū)；2個高應(yīng)力區(qū)域附近都存在均勻分布的中等應(yīng)力區(qū)。圖8所示為支撐筋關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力變化曲線。觀察在封井過程中2個節(jié)點應(yīng)力的變化規(guī)律，節(jié)點1處應(yīng)力在進程前3/4呈線性增長，在進程末期增長較快，最大約為1 000 MPa；節(jié)點2處應(yīng)力在進程前1/4幾乎不變，保持在20 MPa左右，之后呈現(xiàn)快速增長。

圖7 支撐筋應(yīng)力分布(MPa)

圖8 支撐筋關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力變化

2.4 傾斜鉆桿狀態(tài)封井

鉆井過程中由于外力或安裝等因素導(dǎo)致鉆桿與防噴器發(fā)生相對傾斜，圖9所示為不同傾斜角度下防噴器封井時的鉆桿接觸應(yīng)力分布。防噴器密封傾斜鉆桿與垂直鉆桿的接觸應(yīng)力變化較小，但密封區(qū)域產(chǎn)生相應(yīng)傾斜。當(dāng)鉆桿傾斜角為1°時，接觸應(yīng)力和密封區(qū)域與垂直鉆桿無明顯差別；當(dāng)鉆桿傾斜角為3°時，接觸應(yīng)力基本不變，但密封區(qū)域發(fā)生明顯傾斜。隨著鉆桿傾斜角度增大，其圓周密封力分布不均，易導(dǎo)致泄漏或其他嚴(yán)重事故發(fā)生。

圖9 不同傾斜角下鉆桿接觸應(yīng)力分布(MPa)

圖10所示為密封不同傾斜角鉆桿的膠芯應(yīng)力對比。從整體來看，膠芯密封面應(yīng)力變化不大，由于鉆桿設(shè)置為向右側(cè)傾斜，上下兩側(cè)的密封面應(yīng)力無明顯變化，左右兩側(cè)應(yīng)力發(fā)生變化。隨著傾斜角度增大，左側(cè)密封面為鉆桿傾斜的相反側(cè)，膠芯密封空間變大，膠芯之間擠壓變強，產(chǎn)生明顯褶皺，密封面應(yīng)力集中區(qū)域變大；右側(cè)密封面為鉆桿傾斜側(cè)，膠芯密封空間變小，膠芯之間擠壓變?nèi)?，產(chǎn)生褶皺帶變小，密封面上應(yīng)力集中區(qū)域變小，但膠芯與鉆桿之間擠壓變強。左右兩側(cè)應(yīng)力均小幅度增大，左側(cè)主要由于膠芯之間自擠壓增強導(dǎo)致應(yīng)力增大，右側(cè)則由于膠芯與鉆桿之間擠壓導(dǎo)致應(yīng)力增大。鉆桿傾斜導(dǎo)致膠芯應(yīng)力集中增大，其使用壽命降低。

圖10 不同傾斜角下膠芯應(yīng)力分布(MPa)

3 提升和下放鉆桿對膠芯影響

提升和下放鉆桿過程不同于靜密封，特別是鉆桿接頭直徑大于鉆桿直徑，且存在過渡倒角，當(dāng)鉆桿接頭通過膠芯時會產(chǎn)生應(yīng)力突變，易導(dǎo)致泄漏或加劇膠芯的疲勞破壞。

3.1 下放鉆桿通過膠芯

3.1.1 鉆桿中部通過

膠芯封井后的狀態(tài)屬于靜態(tài)密封，當(dāng)強行下放鉆桿時，鉆桿與膠芯之間屬于動態(tài)密封。圖11所示為下放鉆桿進程中膠芯的應(yīng)力分布。該過程的密封狀態(tài)由靜態(tài)密封變?yōu)閯討B(tài)密封，膠芯內(nèi)壁條狀褶皺向兩邊擴散，這是由于下放鉆桿時摩擦力帶動橡膠向下移動，條狀褶皺加重；相鄰支撐筋之間存在低應(yīng)力區(qū)，是因為該處橡膠只向中心收縮，不與鉆桿發(fā)生接觸。圖12所示為下放鉆桿進程中膠芯三節(jié)點應(yīng)力變化曲線。3個節(jié)點應(yīng)力變化趨勢基本一致，鉆桿剛開始下放時，節(jié)點應(yīng)力發(fā)生波動，之后基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后應(yīng)力比初始值稍大。說明當(dāng)鉆桿中部通過時對膠芯影響相對較小。

圖11 鉆桿中部通過時應(yīng)力分布(MPa)

圖12 下放鉆桿進程中膠芯三節(jié)點應(yīng)力變化

3.1.2 鉆桿接頭通過

為研究下放鉆桿接頭對膠芯密封性能影響，在膠芯內(nèi)壁上端棱角處從上到下依次選取5個節(jié)點，進行接觸應(yīng)力分析。圖13(a)所示為關(guān)鍵節(jié)點接觸應(yīng)力變化曲線，圖13(b)所示為鉆桿接觸應(yīng)力分布。當(dāng)鉆桿接頭通過時，接觸應(yīng)力增加7～20 MPa；每個節(jié)點接觸應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，進程初始階段的接觸應(yīng)力產(chǎn)生小波動，后趨于平穩(wěn)；鉆桿接頭下端在進入膠芯密封區(qū)時，鉆桿接頭過渡倒角附近產(chǎn)生小間隙，節(jié)點在通過時接觸應(yīng)力出現(xiàn)下降，完全通過倒角后接觸應(yīng)力增大，在接頭上端通過膠芯時，會產(chǎn)生相反現(xiàn)象，這是鉆桿接頭兩端完全對稱導(dǎo)致。即下鉆進程2/5附近的初次應(yīng)力突變?yōu)殂@桿接頭下端進入密封區(qū)，4/5附近的應(yīng)力突變?yōu)榻宇^上端通過密封區(qū)。從圖13(b)可知，鉆桿接頭通過時密封長度基本不變，密封區(qū)域處于接頭過渡倒角時接觸應(yīng)力較小，密封區(qū)域處于接頭上時接觸應(yīng)力較大，是由于接頭直徑大于鉆桿直徑導(dǎo)致接觸壓力變大。

圖13 鉆桿接頭通過時接觸應(yīng)力(MPa)

選取下鉆進程中不同狀態(tài)的膠芯應(yīng)力分布如圖14所示。初始狀態(tài)時，膠芯內(nèi)壁之間擠壓產(chǎn)生多個條狀應(yīng)力集中帶；中間狀態(tài)時，膠芯內(nèi)壁條狀應(yīng)力集中帶變?yōu)槠瑺罘植记覘l數(shù)減小，這是由于鉆桿接頭直徑過大導(dǎo)致膠芯之間擠壓變形嚴(yán)重，存在2個或多個條狀褶皺融合現(xiàn)象；最終狀態(tài)時，片狀應(yīng)力集中帶的面積和位置幾乎沒有變化，是由于中間狀態(tài)對膠芯造成損傷積累，但應(yīng)力值有所下降，這是由于鉆桿直徑小于接頭造成的。在此進程中，膠芯上部與支撐筋結(jié)合彎角處應(yīng)力集中有所下降，是由于鉆桿接頭下放使膠芯內(nèi)壁的橡膠向下位移變形導(dǎo)致此位置擠壓減輕，應(yīng)力值減小。下放鉆桿進程易刮蹭膠芯內(nèi)壁的橡膠，加劇膠芯的疲勞損傷。

圖14 鉆桿接頭通過時等效應(yīng)力分布(MPa)

接頭通過前后的膠芯應(yīng)變分布如圖15所示。除包裹支撐筋上部橡膠外，膠芯其余部分發(fā)生了變形，其中膠芯內(nèi)壁變形最大。鉆桿接頭通過前膠芯內(nèi)壁有多條條形應(yīng)變區(qū)；接頭通過時，由于接頭直徑大于鉆桿直徑，膠芯內(nèi)壁的條形應(yīng)變區(qū)數(shù)量減小，應(yīng)變區(qū)域變大，變形量增大；接頭通過后應(yīng)變區(qū)域基本不變，應(yīng)變值有較小下降，說明接頭通過易導(dǎo)致膠芯內(nèi)壁裂紋萌生，降低其疲勞壽命。

圖15 鉆桿接頭通過前后的應(yīng)變對比

3.2 提升鉆桿通過膠芯

3.2.1 鉆桿中部通過

圖16所示為強行提升鉆桿進程中的膠芯應(yīng)力分布。此進程中，膠芯內(nèi)壁條狀應(yīng)力集中帶變?yōu)槠瑺罘植?，中等?yīng)力分布區(qū)域向下延展，說明此膠芯內(nèi)壁橡膠向上變形，密封區(qū)域向下移動；膠芯上部與支撐筋結(jié)合彎角處的應(yīng)力集中加劇，這是由于膠芯內(nèi)壁橡膠向上變形，導(dǎo)致該處擠壓加重；支撐筋之間低應(yīng)力區(qū)變大，這是由于密封區(qū)域下移導(dǎo)致上部未參與密封的橡膠變多，進而低應(yīng)力區(qū)變大；膠芯內(nèi)壁下端不參與密封，一直處于低應(yīng)力區(qū)，其余區(qū)域應(yīng)力變化不大。

圖16 提升鉆桿進程中的膠芯應(yīng)力分布(MPa)

圖17所示為提升鉆桿進程中膠芯3個節(jié)點的應(yīng)力變化。與下放鉆桿進程相似，3個節(jié)點應(yīng)力變化趨勢一致，提升鉆桿初期應(yīng)力發(fā)生小幅度增長，之后趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)后應(yīng)力與初始值相差不大，說明提升鉆桿在鉆桿中部通過時會讓應(yīng)力處于動平衡狀態(tài)，應(yīng)力波動范圍較小。鉆桿由靜到動的過程初期，其應(yīng)力會發(fā)生較大波動。

圖17 提升鉆桿進程中膠芯三節(jié)點應(yīng)力變化

3.2.2 鉆桿接頭通過

提升鉆桿接頭過程中的膠芯接觸應(yīng)力如圖18所示。從圖18(a)可知，鉆桿接頭通過時的膠芯接觸應(yīng)力增加12～25 MPa;L1～L4節(jié)點接觸應(yīng)力初始時產(chǎn)生波動后緩慢減小，L5節(jié)點接觸應(yīng)力值緩慢增大，主要由于膠芯密封區(qū)域下移導(dǎo)致L5節(jié)點接觸應(yīng)力增大；L1節(jié)點接觸應(yīng)力在起鉆進程為2/5時為0，是由于鉆桿接頭過渡倒角處產(chǎn)生間隙和密封區(qū)域下移共同導(dǎo)致。節(jié)點接觸應(yīng)力變化與下放鉆桿接頭進程的接觸應(yīng)力變化基本一致，都在鉆桿接頭進入膠芯和通過時發(fā)生應(yīng)力突變。從圖18(b)可知，鉆桿接頭通過時的密封長度基本不變；最大接觸應(yīng)力位于倒角與接頭連接線上，說明角度突變會引起接觸應(yīng)力突變，可通過減小鉆桿的過渡倒角來提高膠芯密封的穩(wěn)定性。

圖18 鉆桿接頭通過時接觸應(yīng)力(MPa)

選取下鉆進程中3個狀態(tài)研究接頭通過時膠芯應(yīng)力變化,結(jié)果如圖19所示。膠芯內(nèi)壁多個條狀應(yīng)力集中帶變化與下放鉆桿進程的變化一致。膠芯上部與支撐筋結(jié)合彎角處應(yīng)力集中有所加劇，這是由于鉆桿接頭提升使橡膠向上位移變形導(dǎo)致。膠芯上部區(qū)域應(yīng)力隨著進程的推進而減小，這是由于鉆桿接頭提升導(dǎo)致密封區(qū)域下移，上部局部橡膠不再參與密封，橡膠之間相互作用減弱導(dǎo)致應(yīng)力減小。提升鉆桿易加劇膠芯疲勞損傷，縮短防噴器膠芯使用壽命。

圖19 鉆桿接頭通過時膠芯等效應(yīng)力分布(MPa)

圖20所示為提升鉆桿過程中鉆桿接頭通過前后的膠芯應(yīng)變對比。與下放鉆桿過程類似，除包裹支撐筋上部橡膠外，膠芯其余部分發(fā)生了變形，且膠芯內(nèi)壁變形最大。鉆桿接頭通過時，膠芯內(nèi)壁的多條條形應(yīng)變區(qū)數(shù)量變少，環(huán)繞膠芯內(nèi)壁出現(xiàn)5個應(yīng)變增大區(qū)，該區(qū)域為膠芯受壓產(chǎn)生的褶皺部分，接頭通過后應(yīng)變區(qū)域基本不變，應(yīng)變值有所減少。

圖20 鉆桿接頭通過前后的應(yīng)變對比

4 結(jié)論

(1)球形防噴器封井過程中，膠芯內(nèi)壁產(chǎn)生條狀褶皺，膠芯底部出現(xiàn)圓形陣列分布的高應(yīng)力，易導(dǎo)致膠芯底部橡膠脫落并發(fā)生疲勞破壞；膠芯內(nèi)壁出現(xiàn)條形應(yīng)變區(qū)，與條狀褶皺相一致，易導(dǎo)致橡膠裂紋萌生；膠芯上部棱邊附近為主要密封區(qū)域。支撐筋下板塊拐角處有橫向鼓點狀高應(yīng)力分布，支撐筋頸部和背部存在應(yīng)力集中，易導(dǎo)致支撐筋上板塊沿頸部和背處發(fā)生彎曲折斷。

(2)防噴器密封傾斜鉆桿時，膠芯主要密封區(qū)域發(fā)生傾斜，圓周方向的密封力分布不均；膠芯左右兩側(cè)的應(yīng)力小幅增大，左側(cè)為膠芯之間自擠壓增強導(dǎo)致應(yīng)力增大，右側(cè)為膠芯與鉆桿擠壓增強導(dǎo)致應(yīng)力增大。鉆桿傾斜導(dǎo)致膠芯應(yīng)力集中增大，其使用壽命降低。

(3)強行下放鉆桿過程中，鉆桿中部通過時膠芯應(yīng)力在初期發(fā)生波動，之后趨于平穩(wěn)；膠芯內(nèi)壁的條狀應(yīng)力集中變?yōu)槠瑺罘植?。?dāng)鉆桿接頭通過膠芯時，膠芯內(nèi)壁條狀應(yīng)力集中變?yōu)槠瑺罘植几鼮槊黠@，但密封長度基本不變，鉆桿接頭過渡倒角附近產(chǎn)生小間隙易導(dǎo)致泄漏。

(4)強行提升鉆桿過程中，鉆桿中部通過時膠芯應(yīng)力處于動平衡狀態(tài)，波動范圍較??；膠芯上部與支撐筋結(jié)合彎角處的應(yīng)力集中加劇。鉆桿接頭通過時，膠芯關(guān)鍵密封區(qū)域下移，膠芯上部出現(xiàn)部分低應(yīng)力區(qū)；接頭通過時膠芯出現(xiàn)2次應(yīng)力突變；提升和下放進程都會導(dǎo)致膠芯內(nèi)壁受損，使用壽命降低。