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闸板防喷器关键密封件设计与研究 许宏奇( 机械工程) 指导教师：肖文生副教授 摘要 闸板防喷器是井控系统中最重要的设备，闸板胶芯和侧门密封等是闸板 防喷器的关键密封件。目前国内闸板防喷器关键密封件存在的突出问题是：变 径闸板密封范围小；侧门密封不可靠；橡胶材料不耐硫化氢，不能完全满足现 场井控工艺要求。本课题针对上述问题开展了设计与研究。以f z 3 5 7 0 闸板防 喷器为研究对象，对其27 8 ”5 ”变径闸板前密封进行了结构设计，应用 m s c m a r c 有限元软件对橡胶变形和应力进行了非线性分析，进行了产品型式 试验；对侧门密封的失效原因进行了分析，计算了侧门变形，设计和试验了新 型密封结构：对闸板胶芯橡胶材料的耐硫化氢陛能进行了全面测试和评价。通 过上述研究，研制成功27 8 ”5 ”变径闸板前密封，探索了非线性有限元分 析用于复杂弹性体模拟计算的新方法；提出了侧门变形的简化计算模型和计算 方法，设计了两种新型密封结构，试验效果良好；测试表明氢化丁腈橡胶可用 作耐高浓度硫化氢闸板胶芯，常用的丁腈橡胶闸板胶芯可在低浓度硫化氢环境 短时问工作。 关键词：闸板防喷器，胶芯，有限元分析，密封，硫化氢 d e s i g na n d r e s e a r c ho nt h ek e ys e a l s o f l h mb l o w o u tp r e v e n t e r x u h o n g - q i ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i 坨曲e d b y a s s o c i a t e p r o f e s s o r x i a o w e n - s h e n g r a m b o p ( b l o w o u tp r e v e n t e r ) i st h em o s t 呻m a n te q u i p m e n to f w e l lc o n t r o l s y s t e m , r 缸n p a c k e r a n d b o m e t s e a l m a d s o o n a r e t h e k e y f o r t h e r o a n b o p a t p r e s e n t , t h e r ef i l es o m es e r i o u sp r o b l e m se x i s t i n gi n 矗吼b o pi n t e r i o r l y , f o re x a m p l e , t h e a l i n gr a n go f v b r ( v a r i a b l er a m ) i sn a r r o w , s e a l 缸go f t h eb o n n e ts e a li sm u e l i a b l e , m b b 盯m a t e r i a lc a nn o tr e s i s t a n th 2 sa n dc 孤n o tm e e tw i t ht h e q i 】i r 豇i 磺如o f t l a e d f i n i i 】g l o c a t i o n t h e r e f o r e , t h i s a r t i c l e h a s a d e s i g n a n d r e s e a r c h f o r t h e r o b b e r s e a l o f l * d n lb o p i n1 l l i sa r t i c l e h 蟹f o c u so nt h ef z 3 5 - 7 0r d l t tb o p , a n dh a v eas t r u c t m e d e s i g nf o rt h ef l o r as e a lo f 27 8 | f 5 1 1v b r , a n d h a v ean o n - l i n e a ra n a l y s ef o rt h e d i s t o r t i o n a n ds t r e s s o f r u b b e r b y u s i n g t h e f e a s o r w a r c ，m s c m r i 吧, a n d t h e n h a v e a p r o d u c t t e s l a t t h cs t o n e t i m e , w e h a v ea n a l y 础f a i l m e l c a s o i 皓o f b o n n e ts e a l , c a l c u l a t e dt h eb e n do fb o n n e ta n dd e s i g n e da n dt e s tn e ws l n l c t u r eb o n n e ts e a l f u r t h e rm o r e , w eh a v et e s ta n de v a l u a t e dt h et r i mh 2 sm a t e r i a lp e r f o r m a n c ema l l w eh a v ed e v e l o p e da n dm a n u f a c t u r e dt h e 姗p a c k e ro f27 8 ”5 ”v b r , d e v e l o p e dan e wm e t h o dt oc a l c u l a t et h ec o m p l i c a t e de l a s t o l l l 日b y 硫gn o n - l i n e a r f e as o r w a r e , b r o u g h tas i m p l ec a l c u l a t i o nm o d e la n dc o n t r o l 似1 1 埘lw e d e s i g n e d t w o k i n d s o f n e ws e a l s t r u c t u r e ，t h e t e s t i n g r e s u l t i s v e r y w e l l a c c o r d i n g t h e t e s t , i ts h o w st h a tt h eh n b rc 锄b eu s e da sn np a c k e rt o r e s i s t a n th i g h e o n c e n a z f i o nh 2 s ，a n dn b rt h a tw eu s u a l l yu s eg a l lb ew o r k e di nl o w e r c o n o 朗血嘶o n h 2 ss e r v i c e i ns h o r t f i r n e a s r a m p a c k e t k e yw o r d s ：r a mb l o w o u tp r e v e n t e r , p a c k e r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s e , s e a n n g h 2 s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其他教育结构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：埠迭 删年夕月w 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 6 年9 r s 日 毹年其以b 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 防喷器组是井控系统中的核心设备，用于控制井口压力，防止井涌、 井喷事故的发生，实现安全生产，也是实施近平衡或欠平衡压力钻井工艺 必须的工艺装备，用以提高钻井速度及质量，最大限度发现和保护油气藏。 它一旦失效，将导致井喷恶性事故发生，造成机毁人亡和资源环境破坏。 闸板防喷器是防喷器组中最重要的设备，配备不同规格的闸板，可以密封 相应的钻具，具有操作迅速、承压能力强、可靠性高的特点，最终的井口 控制主要依靠它来完成。闸板胶芯、侧门密封等关键密封件是闸板防喷器 的核心元件，其质量直接决定了闸板防喷器的技术性能的好坏，关系到整 个井控系统工作的成败。近年来，在防喷器产品系列逐渐完善的情况下， 国内外防喷器研究机构和制造厂商开始将研究重点转到提高防喷器关键密 封件的性能方面，投入了大量人力物力进行研究与开发，取得一定进展， 但仍然不能完全满足高温、高压、高含硫化氢和极地低温等恶劣工况的井 控工艺要求。 1 1 防喷器的发展及现状 1 1 1 国内防喷器的发展及现状 我国防喷器的设计工作始于1 9 6 4 年，当时主要是仿苏制的m 型防 喷器。1 9 7 2 年，由原大港油田矿机所负责研制国产液压防喷器，先后研制 成功了k p y 2 3 0 2 1 0 、k p y 2 3 3 5 0 、k p y 3 5 2 1 0 三种型号的液压防喷器，并 且进行了工业性现场试验，取得了初步的成功。1 9 8 4 年原石油工业部发布 了我国液压防喷器首部标准s y 5 0 5 2 8 4 。以后修改发布了s y 5 0 5 3 1 9 2 标准， 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 2 0 0 0 年又颁布第二版。目前，参照采用i s o1 3 5 3 3 ：2 0 0 1 及a p is p e e1 6 a ( 第 三版) 的国家标准g b t 2 0 1 7 4 2 0 0 6 即将颁布实施。 近年来，在有关科研院所和制造厂商的共同努力下，我国防喷器研制 工作取得了长足进步，技术水平有了很大提高，对我国钻井工艺水平的提 高起到了积极的推动作用，主要表现在以下几个方面【l l ： ( 1 ) 产品系列逐步完善 f 5 4 1 4 、f 5 3 - 2 1 大口径防喷器组的研制成功填补了国内没有大口径防 喷器组的空白，满足了陆上深井浅层油气及浅海地区的钻探要求。7 0 m p a 防喷器组在设计上采用单面密封组合胶心整体闸板、带钢挡环侧门密封圈 等新结构。1 0 5 m p a 防喷器组闸板防喷器壳体采用整体锻造，工作压力 1 0 5 m p a ，强度试验压力1 5 7 5m p a ，填补了国内超高压防喷器的空白，可 满足超深超高压钻井工艺要求。此外还研制出被动密封的旋转控制头和主 动密封的旋转防喷器，适应欠平衡作业需要。 ( 2 ) 结构和技术不断改进，整机性能大大增强 剪切闸板的用途是在钻井过程中遇到紧急情况( 如内防喷器失效) 时 强行剪断钻杆后密封井口。目前国内已研制出多种规格剪切闸板，有整体 式和分体式两种结构形式。由合金工具钢和多相合金制造的刀体还具有抗 h 2 s 功能。采用双v 形剪切刃和先进热处理工艺，剪切性能优于国外产品。 承重闸板用来悬挂钻柱并实现密封，通过改进闸板半圆孔设计减少闸 板向外张开的水平分力及在闸板与钻杆接头接触的位置堆焊硬质合金，提 高了承重能力。 变径闸板可实现一付闸板密封不同尺寸钻杆，进而优化防喷器的组合 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 方式，提高系统可靠性，因此国内有关单位都开展过变径闸板的研制工作， 在结构设计、模具制造、橡胶配方及硫化工艺等方面都取得一定进展。但 受设计手段落后和橡胶性能较差的制约，产品变径范围小，密封性能不稳 定。目前比较成功的有与f z 3 5 3 5 配套的中1 2 7 m m 中1 3 7 7 m m 的变径闸 板。 对防喷器接触钻井液的重要密封面，采用敷焊或涂镀耐磨合金等新工 艺进行表面防护，改进了闸板轴密封件结构，消除了井压对弹性挡圈的作 用力，将弹性挡圈材料由6 5 m n 改为特种抗硫不锈钢，解决了挡圈断脱和 不抗h 2 s 的问题。研制出两种结构形式的闸板液压自动锁紧装置，并在部 分型号防喷器上推广应用。 ( 3 ) 基础研究工作取得新进展 橡胶密封材料研究。目前胶芯主要材料为丁腈橡胶，耐h 2 s 形能和耐 低温性能差，不能满足高含h 2 s 油气井及寒冷环境作业需要。氢化丁腈综 合性能较好，但目前全部依赖进口，价格昂贵。国家注射反应中心研究出 适用于胶芯工况的耐水解聚胺脂( h - p u ) ，克服了普通聚胺脂易水解的缺点， 具有一定的抗h 2 s 形能和低温性能，但耐高温性差，制作的闸板胶芯经过 密封试验效果尚可。此外，西北橡胶设计院研究的混炼并用胶在抗h 2 s 方 面也有一定效果。 现代设计方法在产品研制中的应用。目前防喷器设计已经全部实现 c a d ，采用三维实体造型，关键承压件在a n s y s 等大型分析软件上进行 了非线性有限元应力应变计算及优化设计。署恒木等2 1 对带钢骨架的自封胶 芯进行了弹性体有限元计算分析，为今后胶芯的设计验证提供了新的方法。 ( 4 ) 防喷器制造技术和检测手段不断提高 3 中国石油大学( 华东) 工程硕j ：学仿论文第1 章前言 经过三十多年的发展，目前国内已有二十多家工厂生产防喷器，以华北 石油荣盛公司规模最大，实力最强，其生产的防喷器品种规格齐全，通径 从41 1 6 ”到3 0 ”，压力级别从3 5 m p a 到1 0 5 m p a ，逐渐形成了系列化产 品。取得了a p i 会标使用权，产品的设计、制造、检测、试验均严格按照 a p is p e e1 6 a 执行。在钢的冶炼、铸锻成型、热处理等方面应用了先进技 术工艺，建立了计算机监控高压( 包括气密封) 试验装置，配备了数字u t 仪和大功率m t 仪等探伤设备。引进了先进的声发射仪，可进行试压时动 态无损检测。 近年来国产防喷器除满足国内油田外，还出口美国、加拿大、哈萨克 斯坦等几十个国家和地区。 1 1 2 国外防喷器的发展及现状 国外防喷器经历了三个技术发展阶段，第一阶段为手动闸板防喷器， 第二阶段为液动闸板防喷器和环形防喷器的组合，第三阶段仍为液动防喷 器，以高压、大通径、可变通径和不断完善的结构为其主要特征。国外防 喷器经过8 0 年的发展，目前已经发展成多种规格标准系列产品。国外生产 防喷器的主要国家是美国、前苏联、罗马尼亚，其中美国在防喷器研制的 各方面都处于领先地位，三大公司：h y d d l 、c a m e r o n 及s h a f f e r 的产品代 表了当今世界最先进水平。主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 产品标准日趋严格 为满足油气钻探业对并控装备日益严格的要求，美国石油学会将防喷 器设备从a p is p e c6 a 井口和采油树设备规范中分离出来，于1 9 8 6 年 专门发布了a p is p e e1 6 a 钻通设备第一版，在世界范围内推广应用。 4 中国石油大学( 华东) 工稃硕十学位论文第1 章前言 1 9 9 9 年发布了第二版，并上升为国际标准i s 0 1 3 5 3 3 ：2 0 0 1 3 1 ，对防喷器的 材料、设计制造、试验检测和质量控制等方面提出了更为详细而严格的要 求，特别是增加了橡胶密封件的高低温性能及试验方法的规定。2 0 0 4 年发 布了a p is p e c1 6 a 第三版1 4 1 ，对承压件的化学成分和无损检测要求更严格。 ( 2 ) 规格品种齐全 经过多年的发展，美国生产的防喷器已能满足从陆上到海洋等各种环 境工况的要求，品种规格已超出了a p is p e c1 6 a 规范覆盖的范围，通径从 6 5 m m 到7 6 2 m m ( 2 ”3 0 ”) ，压力等级从3 4 5 m p a 1 7 2 5 m p a ( 5 0 0 p s i 2 , 5 0 0 0 p s i ) 都一应俱全。 近几年来，s h a f f e r 公司开发生产了4 7 6 m m x1 0 3 5 m p a 和5 4 0 m i n x 6 9 0 m p a 的大通径闸板防喷器：h y a r i l 公司生产了2 7 9 m m x1 3 8 0 m p a 的超 高压环形防喷器和7 6 2 m m x 2 1 o m p a 的大通径闸板防喷器；c a m e r o n 公司 推出了1 0 3 m i n x1 7 2 5 m p a 的超高压防喷器。双环形、三闸板及四闸板防喷 器也都有应用。近年来，随着欠平衡钻井工艺的推广应用，s h a f f e r 公司研 制了p c w d 旋转防喷器，保持了其球形防喷器寿命长的优点，采用液压操 作主动密封方式，动密封压力可达2 1 m p a 。w e a t h f o r d 的产品在传统旋转自 封头上应用了多项新技术，其7 1 0 0 型的动密封压力达1 7 5 m p a 。 ( 3 ) 结构不断创新，性能更趋完善 近几年来美国产品的结构和原理没有重大的变化，各厂商主要致力于 关键部件、材料、工艺技术的研究和改进，不断推出换代产品，以提高技 术性能，减低操作维修成本。主要表现在： 在闸板防喷器侧门连接和密封方面，c a m e r o n 公司的径向组合密 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 封、h y d r i l 公司的活塞式自紧密封和q u i kl o q 连接、s h a f f e r 公司的端面浮 动密封和锁销快开连结等新结构显著提高了密封可靠性及操作方便性。 发展了新的闸板液压锁紧机构，可在任意位置关闭遥控操作锁定闸 板，可靠性高。 新型超强剪切闸板可剪断中1 2 7 r a m 甚至中1 6 8 3 m m 的s 级钻杆。 还推出了套管剪切闸板。 变径闸板的密封尺寸范围扩大，推出了规格巾8 8 9 1 5 2 4 m m 和巾 1 0 1 6 1 7 7 8 m m 的大范围变径闸板胶芯，c a m e r o n 还研制了耐高温的f l e x 变径闸板胶芯。 环形防喷器壳体与顶盖的连接普遍采用承载可靠、拆卸方便的快装 结构，如h y d r i l 的爪块连接、s h a f f e r 的楔形连接、c a m e r o n 的快装盖连接。 各厂商都研制了适应2 6 - - 1 7 7 c 范围内不同温度段的相应密封材 料，密封件系列中工作温度最高的达2 3 0 1 2 ，最低的为一5 9 。c 。耐h 2 s 密封 橡胶公开的数据较少，c a m e r o n 公司的产品信息表中称其c a m r a m3 5 0 闸板胶芯可在h 2 s 含量3 5 的气体中工作。 ( 4 ) 制造技术及检测手段先进 就防喷器壳体而言，c a m e r o n 公司采用3 5 0 0 0 t 水压机多向模锻成型， s h a f f e r 和h y d r i l 公司的环形壳体采用厚钢板卷筒经埋弧自动焊成型，材料 内在质量好。c a m e r o n 公司投巨资扩建了橡胶厂，可生产适应多种工况的 特种橡胶件。c a m e r o n 和h y d r i l 公司还建立了防喷器高、低温试验室，可 按a p i1 6 a 规范进行整机温度试验。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 2 闸板防喷器关键密封件的技术现状及发展 闸板防喷器要密封井口，需要四处密封部位同时起作用才能实现，即 闸板前密封与管柱之间( 无管柱时为前密封之间) 、闸板顶密封与壳体之间、 壳体与侧门之间、闸板轴与侧门之间。见图1 1 。 图1 1闸板防喷器密封原理图 由于闸板防喷器关键密封件在井控系统中的重要性，近年来，国内外 对其进行了广泛和深入的研究。 1 2 1 普通管子闸板胶芯的设计与分析 崔岚、林军等5 1 1 6 1 对固定尺寸管子闸板胶芯的封井机理与结构参数设计 进行了研究，主要研究内容为：( 1 ) 认为闸板胶芯密封机理是在受外力挤 压作用下，胶芯前部弧面橡胶变形紧贴钻具表面，两半胶芯前部接合面橡 胶同时压紧，产生大于井内介质压力的接触密封比压，实现封井。闸板胶 芯的封井过程有三个阶段，闸板总成向中心移动，闸板胶芯的弧面首先与 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 钻具表面接触，由于被封钻具表面半径通常大于胶芯内弧半径，在封井力 的作用下钻具挤压扩张闸板胶芯半环的内弧面，直到相对两块闸板胶芯前 部密封橡胶平面相接触为止，这是第一阶段；闸板继续向中心运动，闸板 胶芯前部的圆弧面和平面两部分橡胶同时受闸板推力挤压压缩变形，分别 在钻具及两半胶芯接合面上产生挤压压缩接触密封压力，随着闸板移动挤 压接触密封力增大，直到关井推力与被密封的反力达到平衡为止，这是第 二阶段；当闸板防喷器关井时，井内介质压力可到达闸板的背部产生助推 力，使胶芯前部密封弧面和平面上的接触比压增大，形成助封的效果，这 是第三阶段。三个阶段连续进行，通常第二、三阶段同时完成。( 2 ) 应用 g e n ta n 和l i n d l e yp b 提出的“无限长矩形橡胶板受轴向压缩”的大变形 非线性计算公式，计算胶芯密封面的接触密封压力，认为影响闸板胶芯封 井性能的结构参数是胶芯偏心距e ，胶芯垫铁内弧半径r 1 和r 1 的中心位置 偏心距m ，以及胶芯宽度b 等，并计算了胶芯偏心距e 的取值范围。 林军、伍开松 7 1 1 8 利用m d c p 混合离散优化设计方法，建立了胶芯密 封结构参数优化设计模型，并对f z 2 9 7 0 闸板胶芯进行了优化。 崔岚 9 1 对管子闸板胶芯的损伤失效模式和失效机理及闸板胶芯的受力 性质进行了分析研究，得出闸板胶芯的失效属强机械力重复作用下的低周 疲劳损伤失效的结论，研究结果与胶芯实际寿命试验的损伤形式和部位相 吻合。 陈健涛等1 1 0 】对闸板胶芯进行了光弹实验研究，认为胶芯强度由内部剪 应力和应力集中控制，给出了整个应力场的分布规律。 原中国石油天然气总公司组织防喷器胶芯联合技术攻关，通过三年努 力，7 0 m p a 闸板胶芯的主要技术性能指标超过a p is p e c1 6 a 要求，达到国 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 际先进水平，并取得丰硕的基础研究成梨n 】。 1 2 2 新型闸板的研究 传统的闸板只完成其特定的单一功能，如全封闸板只能全封闭井口， 普通管柱闸板只能封闭特定外径尺寸的管柱。为满足作业的不同需要，就 要求同时装配多付不同的闸板，从而增加了闸板防喷器的使用数量，使防 喷器组的外形尺寸( 特别是高度) 和重量增大。新型闸板主要是指可以完 成一些特殊的功能，或者是集几种功能于一身的闸板。新型闸板的应用大 大地降低了生产作业成本，提高系统可靠性，并且促进了新技术新工艺的 应用，如在连续油管( c t ) 作业、不压井起下管柱作业等。目前新型闸板 密封的研究是国内外防喷器领域的研究重点，主要集中在大范围变径闸板、 起下管柱闸板等方面。 ( 1 ) 变径闸板( v b r ) 的前密封胶芯的孔径在关井力作用下可做大的 收缩和扩张变形，实现用一付闸板密封一定范围内的不同规格的管柱，各 生产厂商的交径闸板结构原理基本相刚1 2 1 ，三角形状的支承筋呈扇形排列， 形成一个可收张的钢环，与橡胶密封材料硫化为一体。图1 - 2 是两种可变径 闸板的结构图，图1 - 3 为相对应的骨架结构图【1 3 】【1 4 1 1 ”1 。从图1 2 中可以看 出，两种闸板的胶芯形状类似，所不同的是金属骨架的形状和排列方式。 从图1 3 中可以看出，金属骨架为对称结构，都由上下压块和中间相连的肋 板组成，肋板嵌在胶芯橡胶中，上下压块能防止密封过程中橡胶材料的轴 向挤出。 9 中国石油大学( 华东) 工稃硕士学位论文第l 章前言 封 ( a )( ” 图1 2 可变径闸板胶芯结构 图1 2 ( a ) 是早期的一种结构，其骨架互相交叠着沿周向斜排在胶芯 孔侧，密封时，胶芯前密封的弧面挤向钻具，骨架相互挤压并带动相连的 橡胶材料一起运动，同时骨架摆动以适应这种运动，就象照相机的快门一样 旋转闭合，从而完成密封功能这种结构的优点是在密封位置骨架能提供均 匀的密封压力，缺点是金属骨架的相邻压块之问没有空隙，运动中压块直 接相互挤压滑动，需要较大的推动力，且不能保证同步运动：又由于是金 属骨架带动橡胶运动，导致胶芯材料内部的应力集中，降低了其使用寿命。 兽 ( a )( b ) 图1 - 3 可变径闸板金属骨架示意图 图1 2 ( b ) 是n e l s o n 提出的结构，它能够克服上述结构的缺点，在前 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 密封弧面部分的骨架沿圆周排列，中间间隔一定的距离，平面部分骨架沿径 向排列。两部分的骨架形状相似，只是压块的形状有所不同，弧面部分压 块的截面为梯形，平面部分骨架的形状为矩形。骨架的这种排列方式，使 压块之间不再直接相互挤压，而是通过橡胶的变形和运动带动骨架的运动， 这样就避免了在橡胶材料内部产生应力集中。这种闸板的缺点是当要求的 密封压力较高时，橡胶有通过相邻骨架压块之间的缝隙沿轴向挤出的趋势， 这会使该处的橡胶受到较大的剪应力作用，造成胶芯的损坏。 在工作温度低于8 2 时，支承筋可以很好地保持密封橡胶，限制其过 大的变形量。在更高的温度下，橡胶的流动性增大，由于支承筋间和闸板 与钻具间有较大的间隙，有较多的密封橡胶挤出而降低密封的可靠性。 h y d d l 公司将三角形状的支承筋加大，互相交错，弥补了支承筋间的日j 隙。 c a m e r o n 公司设计了v b r - i i 型，对支承筋前部结构进行了优化，使之贴合 更加紧密，此外该公司设计了一种新式的f l e x 密封结构，将多层同心的 环板切成四个扇形部分，取代三角形状的支承筋。每一层环板适合于密封 一种规格的钻具，减小了密封橡胶的挤出间隙。 国内在上世纪9 0 年代初才开始变径闸板的研究，1 9 9 3 年四川石油钻 采院研制出口1 1 4 3 1 3 9 7 m m 的变径闸板，1 9 9 4 年该单位又试制了口 8 8 9 1 2 7 m m 的规格，未取得成功。1 9 9 4 年中原石油勘探局研制出规格为口 1 2 7 1 3 9 7 m m 的变径闸板，密封性能基本上达到a p is p c c1 6 a 的要求，在 现场应用较普遍。国内的变径闸板胶芯还处于测绘和仿制国外早期产品的 阶段( 无法得到国外的最新产品实物) ，设计方法落后，没有适用的设计理 论和分析方法。 ( 2 ) 强行起下管柱闸板主要用于带压作业的场合，允许有轻微的渗漏， 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 但寿命长，使用经济“6 1 。防磨镶嵌式( w e 讣i n 涮t ) 闸板密封结构，具有可以 更换的特福龙( t e f l o n ) 或尼龙材料的镶嵌密封件，这些镶嵌件用销钉固定 在闸板密封件的上下两块挚铁上，更换它们就可重复使用密封胶芯。 1 2 3 适应性能的研究 文献利用三维有限元法对海底高压防喷器及密封胶件在不同工况下 的温度分布进行了分析计算。分析模型是通径为1 83 4 ”，工作压力为 1 5 ，0 0 0 p s i 的“u l l ”型c a m e r o n 防喷器，浸入4 4 c 的水中，井内流体温度为 1 7 7 ，在三种工况下，即正常钻井操作、循环泥浆及试井时分别进行分析。 有限元分析结果表明：除闸板前密封和顶密封外，传导到其余密封件 的最高温度均在丁腈橡胶的使用范围内。在三种工况下，闸板前密封直接 暴露在1 7 7 的流体中，闸板顶密封处的温度分别为1 0 3 、1 0 1 和4 3 。c ， 侧门与壳体的密封处的温度分别为4 4 、1 9 c 和8 c 。与二维有限元分析 的结果对比，温度分布曲线基本上是相近的。 在设计选择在高温环境工作下的闸板密封件时，应保证能在高温下保 持足够的物理性能，并且在温度波动时能有较好的稳定性。对高温下的闸 板，特别是变径闸板，必须减小支承筋间以及闸板与钻具问的间隙，试验 证明，即使是支承筋上一个3 x 4 5 。的倒角，在1 7 7 的高温、1 0 5 m p a 的 压力下，不足3 0 分钟就可使整个闸板密封材料发生严重流动，失去密封性 能。 低温性能是指防喷器在低温环境下能够正常操作，维持密的封性能。 低温性能在工业应用上很受重视，在低温达到多少时防喷器需要加热才能 工作，这也是一个与经济效益有关的问题。文献1 1 8 】对s h a f f e r 公司的双闸板 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 防喷器( 通径1 7 9 r a m ，工作压力3 5 m p a ) 进行了各种温度下的试验研究。防 喷器内试验介质为水与乙二醇的混合物，在没有冰冻的情况下，对3 付 8 8 9 r a m 普通闸板、2 付全封普通闸板及3 付8 8 9 r a m 低温闸板( 装有低温 密封件) 2 付全封低温闸板进行密封低压1 4 m p a 和高压3 5 m p a 的试验。经 过6 6 次压力试验，由试验得出结论：在1 0 以上，可选用装配任何闸板： 在1 0 2 0 ，应采用低温闸板；在2 5 以下，防喷器应加热，使其工 作温度保证在2 5 以上。近几年，低温密封材料的低温性能有了进一步的 发展，但其适用范围仍然较窄。 闸板防喷器密封材料经受的最严峻考验是h 2 s 和c 0 2 腐蚀，特别是 h 2 s 腐蚀。由于美国防喷器厂商都将关键密封件的耐h 2 s 橡胶技术资料做 为核心商业机密，因此有关闸板防喷器的耐h 2 s 密封件的文献很少，只在 其产品样本或公告上有简要的性能介绍。张汝义u g l 介绍了氢化丁腈 ( m 姻r ) 的工艺性能和耐酸性介质腐蚀性能，认为h n b r 在h 2 s 环境中 具有一定的稳定性，可用于含h 2 s 和c o z 酸性介质的石油和天然气中。 1 3 国内产品的差距与技术发展方向 从前所述可知，国产防喷器与国外防喷器的的整体技术水平正在逐渐 接近，但在关键密封件的技术性能和规格品种方面还存在很大差距，主要 表现在：密封材料品种单一，产品适用工况范围窄，目前只能生产常规 产品，耐高温( 1 2 0 以上) 、耐低温( 1 8 以下) 及耐中高浓度h 2 s ( 分 压 0 i m p a ) 的产品还是空白。变径闸板技术水平落后，变径范围小， 性能不稳定。侧门连接和密封结构设计落后，密封性能差，可靠性低。 现场操作不便，劳动强度大。检测试验手段不完善，国内目前只能进行 中国石油大学( 华东) 工程硕+ 学位论文第1 章前言 a p i1 6 a 中常规出厂试验，至今还没有一问防喷器高低温实验室，无法对产 品进行耐温密封测试。 针对存在的差距和现场实际需要，今后几年国内相关单位在防喷器关 键密封件研究方面应开展以下工作：深入开展密封材料的研究，研制出 适用于不同温度级别的橡胶密封件，以及耐高浓度h 2 s 的橡胶密封件。 深入开展大范围变径闸板的研究，研制出满足井控工艺要求的高质量产品。 研究新型的侧门连接机构，提高操作性能。改进侧门密封结构设计，增 强密封可靠性。建立防喷器高低温实验室，为研制适应高温介质和寒冷 环境的防喷器提供必要条件。 1 4 本课题的研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 本课题针对国产防喷器的现状及与国外先进产品的差距，以及目前现 场实际需要，结合国内现有研究条件，重点对闸板防喷器关键密封件进行 研究。选择现场使用最多的f z 3 5 - 7 0 闸板防喷器作为重点研究对象，对其 中的薄弱环节27 8 ”5 ”变径闸板前密封、侧门密封进行设计、分析和试 验；对目前川东北气田勘探开发急需的的耐硫化氢橡胶密封材料进行试验 研究。由于国内缺乏高低温试验手段，本课题暂不涉及高、低温密封件的 问题。主要开展的研究工作如下： ( 1 ) 27 8 ”一5 ”变径闸板前密封的结构设计和有限元分析； ( 2 ) 侧门密封的分析及结构改进设计； ( 3 ) 耐h 2 s 闸板胶芯橡胶密封材料的研究。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 研究目标是：缩小国产闸板防喷器关键密封件与国外产品的差距，使 产品技术性能达到a p is p e c1 6 a 要求，增强国产防喷器的可靠性和适用性， 提升我国防喷器的技术水平和市场竞争力，更好地满足油气勘探开发的井 控工艺需要。 1 4 2 研究技术路线 ( 1 ) 调查国内外闸板防喷器密封件的研究状况，了解其最新发展趋势， 吸取借鉴国内外的先进技术； ( 2 ) 采用最新的权威技术标准，包括a p is p e c1 6 a ( 第3 版) ，n a c e t m 0 1 8 7 2 0 0 3 等； ( 3 ) 应用有限元软件进行计算分析： ( 4 ) 对橡胶材料耐硫化氢性能进行综合分析，选择重点材料进行全面试 验，获得翔实数据； ( 5 ) 对产品进行严格的室内检测试验，达到标准要求后再投入工业试 验。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章变径闸板前密封胶芯设计和分析 2 1 概述 第2 章变径闸板前密封胶芯设计和分析 井控系统中，闸板防喷器是最主要的一个设备，绝大部分井喷、井涌 事故都要依靠关闭闸板防喷器来最终控制井口。普通的管子闸板只能密封 相对应的一种规格的管柱，而常规地面防喷器组所能同时安装的闸板规格 很有限，一般不超过3 种规格，其中还包括全封或剪切全封闸板。当井内 所使用的管柱更换后，就需要更换防喷器中的相应规格闸板。在进行更换 防喷器的闸板作业时，需要停钻打开防喷器的侧门，而且在更换以后还要 对防喷器进行密封试验，以确保其可靠性。作业的劳动强度大，耽误的时 间长。在特殊情况下，停钻更换闸板，井口防喷器可能处于失控状态，增 大了事故的危险性。在海上钻井作业时，更换闸板部件比较困难，因此需要 设置多套闸板防喷器，使费用大为增加。 变径闸板与普通闸板一样，也是安装在防喷器内使用，它能够封闭一 定范围不同规格的管柱与套管间的环空，适用于一定范围内不同尺寸的钻 具的密封。这样在钻井期间内，就减少了更换闸板的次数，提高了钻井作 业效率和效益。 国内从上世纪8 0 年代末开始研制变径闸板，但受到设计和制造技术的 限制，一直是局限于小范围的变径，例如5 ”51 2 ”、41 2 ”51 2 ”等， 最大变径范围都不超过1 英寸，比较成熟可靠的只有5 ”51 2 ”变径闸 板。美国c a m e r o n 公司在上世纪8 0 年代初率先研制出变径闸板，其他如 h y d r i l 、s h a f f e r 、s & s 公司也相继研制成功。其变径范围大，如27 8 ”5 ”、5 ”7 ”等，规格齐全。近几年来，越来越多的国内钻井队伍走向国 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章变径闸板前密封胶芯设计和分析 际市场，在投标时遇到很多配备大范围变径闸板的要求，国内钻井工程中 也急需此产品。本章以f z 3 5 7 0 闸板防喷器27 8 ”5 ”变径闸板前密封为 研究对象，对其结构参数进行设计，并进行详细的有限元分析。 2 。2 变径闸板前密封胶芯结构设计 f 3 5 7 0 闸板防喷器的27 8 ”5 ”变径闸板主要由闸板体、前密封胶 芯和顶密封组成，见图2 1 。 图2 127 8 ”5 ”变径闸板总成 1 一顶密封2 一前密封胶芯3 一闸板体 前密封胶芯安装于闸板中间的槽内，顶密封安装于闸板上端面的环形 槽内，顶密封两端的长销插入到前密封两端的孔内，并伸出到闸板体的定 位孔内。 闸板体、顶密封的结构与普通闸板相似，最为关键的是前密胶芯封， 它由骨架和垫铁与橡胶硫化而成，见图2 2 。 1 7 中国石油大学( 华东) 工稗硕士学位论文第2 章变行闸板前密封胶芯设计和分析 图2 - 2 前密封 l 一骨架2 一垫铁3 一橡胶 2 2 1 变径闸板前密封胶芯的密封原理 橡胶是一种粘弹性材料，具有一定的流动性，受力后变形大，能填充 并阻塞介质泄漏的通道，并与密封面形成接触应力，实现密封；去掉外力 后依靠弹性恢复原状，以备重复使用。变径闸板胶芯就是依靠橡胶这种显 著特性，通过胶芯橡胶的变形使通孔直径变化来密封不同的管柱。为减小 橡胶的变形率，采用了胶芯通孔挤缩一扩张相结合的密封原理。在初始状 态下，胶芯的中间通孔直径介于27 8 ”和5 ”之间。当密封27 8 ”的钻杆 时，胶芯的前端面首先互相接触，在关闭液压力的作用下，挤压橡胶，使 得橡胶向中间的通孔处流动，填充中间通孔与钻杆之间的间隙，实现密封 钻杆。当密封5 ”的钻杆时，钻杆的外圆柱面首先和闸板前密封的中间通孔 接触，在关闭液压力的作用下，钻杆向外挤压橡胶，使得闸板前密封的中 间通孔涨大到与钻杆适配的尺寸，并将橡胶挤向胶芯的两侧，使两侧的端 面密封。密封27 8 ”和5 ”之间的其它尺寸钻杆时与以上流动相似，只不 过是橡胶的变形量略小一些。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章变径闸板前密封胶芯设计和分析 图2 - 3 密封小钻具橡胶流动图2 4 密封大钻具橡胶流动 在胶芯孔径变化时，骨架随之径向移动，始终形成一个封闭的钢环， 防止橡胶受井压上翻撕裂。 由于胶芯的橡胶变形量比较大，所以要求要有充足的橡胶储量。 2 2 2 变径闸板前密封胶芯结构参数设计 变径闸板能否实现变径，首要因素就是前密封胶芯的结构。主要考虑 三个方面，第一要保证有足够的橡胶储量，能适应不同钻具尺寸的需要； 第二是包容橡胶的垫铁、骨架，要合理的布置，并有足够的强度，能够可 靠的包容不同情况下挤压流动的橡胶；第三是橡胶的变形量要控制在其物 理性能允许的范围之内。 图2 - 5 密封27 8 ”钻杆的橡胶变形 r 一胶芯内孔尺寸 n 一27 8 一钻杆半径 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕七学位论文第2 章变径闸板前密封胶芯设计和分析 图2 - 6 密封5 ”钻杆的橡胶变形 r 一胶芯内孔尺寸砒一5 4 钻杆半径 胶芯橡胶的变形主要考虑三个方面，即前端面的变形量t i 和通孔的变 形量t 、t 2 。通过对这三个变形量进行静态分析，可以对前密封进行初步结 构设计。 ( 1 ) 胶芯的通孔橡胶变形量t 分析 对应橡胶变形量t 的橡胶伸长率与通孔尺寸r 的关系见下图： 1 2 9 6 1 1 l o 9 9 6 杏l l8 掣7 晕0 9 6 矾 4 3 2 4 74 8鲫 5 【) 5 l5 z略5 4 通孔半襁i m 图2 - 7 橡胶伸长率与胶芯通孔尺寸r 的关系 图中反映了选取不同通孔尺寸r 时分别密封27 8 ”和5 ”钻杆的橡胶 伸长率，根据上图，可以看出密封27 8 ”和5 ”钻杆的橡胶变形量平衡 点，根据现场使用的特点，密封5 ”钻柯要比密封27 8 ”钻杆常用一些， 所以可以略偏向密封5 ”钻杆考虑设计。 2 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章变径闸板前密封胶芯设计和分析 ( 2 ) 胶芯端面橡胶变形量t 1 分析 对应橡胶变形量t i 的橡胶压缩率l 与尺寸a 的关系见下图： 爵 骠 出 1 2 1 1 l o j 6 9 8 j 6 7 o 8 j 6 4 即6 57 0 。7 58 0 8 5 9 09 5 am m 图2 - 8 橡胶压缩率al 与尺寸a 的关系 a 尺寸的选取要再考虑适当的储胶量，并结合闸板体的强度设计，在 满足闸板强度设计的前提下尽量加大该尺寸。 ( 3 ) 胶芯的通孔橡胶变形量t 2 分析 对应橡胶变形量t 2 的橡胶仲长率2 与尺寸l l 的关系见下图 1 2 1 1 褂嵫 半跳 晕受 蕊 粕 踟l 哪l 1 1 0 1 1 5 1 2 01 2 51 3 0 l m 吡 图2 - 9 橡胶伸长率2 与尺寸l l 的关系 通过前面的分析，前密封的几个关键尺寸a 、r 、l l 都可以得到初步 确定。以上情况均没有考虑橡胶的进一步挤压变形，橡胶需要产生足够的 密封比压才可以实现密封钻杆的目的，另外尚需考虑各部的橡胶储量以及 永久变形量，所以在最后确定尺寸时考虑这一点。 2 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章变行闸板前密封胶芯设计和分析 2 2 3 骨架结构设计 封闭橡胶的垫铁、骨架要合理地布置，并有足够的强度，能够可靠地 包容不同情况下挤压流动的橡胶。橡胶变形并不是均匀的，所以为实现骨 架能均匀一致地移动，形成一个完整的封闭圆，采用了各骨架之间互相搭 接的设计结构，一个骨架移动就可带动其它骨架一块移动。在上下压块上 开出台阶面，外侧增加钩体，并开出相应的滑槽。密封过程中，压块会在 相邻压块的台阶面上滑动，钩体会在相邻骨架的凹槽中滑动，这样不但封 住了相邻压块之间的缝隙，使橡胶不会沿轴向挤出，只能沿径向挤向管柱， 而且保证了骨架沿径向同时运动。同时压块也不会直接相挤压，仍然是由 橡胶带动骨架运动。 凹 肋 下 图2 - 1 0骨架结构形状 骨架的设计应考虑在分别密封27 8 ”和5 ”钻杆的极限位置，参见图 2 1 1 、图2 1 2 。 oo 图2 1 i 密封27 8 ”钻杆的骨架位置图2 - 1 2 密封5 ”钻杆的骨架位置 2 2 鎏 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章变径闸板前密封胶芯设计和分析 2 3 变径闸板前密封胶芯有限元分析 由于变径前密封胶芯的橡胶变形大，文献【5 】【6 】阴【8 】中的计算分析方 法已不适用，探索借助非线性有限元软件来进行变形和应力的模拟计算的 新途径。 2 3 1 有限元分析模型的建立 2 3 1 1 计算软件及相关分析理论 ( 1 ) m a r c 软件简介 变径闸板前密封胶芯的工作过程属于三维复杂多体大面积接触问题， 从所涉及到的材料来看，除金属材料之外，还涉及到橡胶这种高