（石油与天然气工程专业论文）旋转控制头密封胶芯应力分析与试验研究.pdf

摘要 旋转控制头是安全实施欠平衡钻井技术的重要技术装备，胶芯是旋转控制头 的重要密封元件，其作用是依靠自身与钻具之间的过盈密封钻具与井简之间的环 空，防止井内的带压流体泄漏。用于欠平衡钻井的胶芯所面对的工况环境极为苛 刻( 高低温、高压、高含硫石油、含有各类添加剂和钻屑的钻井液、有时含有硫 化氢、二氧化碳、天然气等井下伴生气) ，一旦胶芯密封失效，产生泄漏，对现 场钻井施工产生较大影响。目前，我国旋转控制头胶芯大部分依赖进口且价格昂 贵，虽然也有部分国产胶芯投入使用，但其性能及工作寿命不稳定，与进口胶芯 存在一定差距。因此，对旋转控制头密封胶芯接触应力进行有限元分析和试验研 究，进一步分析密封胶芯的密封性能、摩擦特性和失效机理，对提高旋转控制头 国产密封胶芯的综合性能具有十分重要的意义。 本文采用有限元法、间隙元法等方法研究了橡胶材料变形及胶芯接触应力的 关系，结合试验的方法对胶芯与钻杆之问摩擦力及胶芯变形进行了测试。以电测 的方法测出钻杆内壁各点的周向应变并推导出对应外表面的接触应力。结合有限 元分析和试验结果，对胶芯失效机理进行了初步研究，针对胶芯的几种主要失效 形式及成因提出相应对策：为提高旋转控制头国产密封胶芯综合性能提供技术支 持和理论依据。 关键词：欠平衡钻井，胶芯，失效，接触应力 r o t a t i n gc o n t r o lh e a ds e a l i n ge l e m e n t s t r e s sa n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c h z h o uk u n ( o i l & g a s e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f b uy 曲u a n s e n i o r - e n g i n e e ry a n gd e ji n g a b s t r a c t r o t a t i n gc o n t r o lh e a d ( r c h ) i st h ec r u c i a lt e c h n i c a le q u i p m e n ti nt h ep r o c e s so f u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g s e a l i n ge l e m e n ti s i m p o r t a n tp a c k i n ge l e m e n to fr c h ，a n di t s f u n c t i o ni st os e a lt h ea n n u l u so fd r i l l i n gt o o l sa n dc a s i n g ，w h i c hc a np r e v e n tt h el e a k a g eo f f l u i du n d e rp r e s s u r e t h eo p e r a t i o n a lm o d e ( h i g hl o wt e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，h i g hs u l p h u r c r u d e ，d r i l l i n gf l u i dc o n t a i n i n gv a r i o u sa d d i t i v e sa n dc u t t i n g s ，h y d r o g e ns u l f i d e ，c a r b o n d i o x i d e ，n a t u r a lg a sa n do t h e ra s s o c i a t e dg a su n d e r g r o u n d ) o fs e a l i n ge l e m e n ti se x t r e m e l y h a r s h s e a l i n ge l e m e n tf a i l u r ew i l lc a u s el e a k a g e ，w h i c hh a sag r e a ti m p a c to nw e l ld r i l l i n g m o s to fo u rs e a l i n ge l e m e n t sa r ei m p o r t e dp r o d u c t s t h o u g hap a r to fd o m e s t i cs e a l i n g e l e m e n ti sp u ti n t ou s e ，i t s p e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gl i f ei si n s t a b l e ，a n di th a v ew i d e n i n gg a p w i t hi m p o r t e dp r o d u c t s s o f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o n t a c ts t r e s s a n df u r t h e ra n a l y s i so fs e a l i n gp r o p e r t y , f r i c t i o n a lb e h a v i o ra n df a i l u r em e c h a n i s ma r eo fg r e a t s i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fs e a l i n ge l e m e n to fr c h t h i sp a p e ra d a p t sf i n i t ee l e m e n ta n dg a pe l e m e n tm e t h o dc o m b i n i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s t os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr u b b e rm a t e r i a ld e f o r m a t i o na n dc o n t a c ts t r e s s b ym e a n so f e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t ，w ec a ng e tt h ec i r c u m f e r e n t i a ls t r a i n so fi n s i d ew a l lo fd r i l lp i p ea n d f e t c ht h er e l e v a n te t e r n a lc o n t a c ts t r e s s c o m b i n i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w es t u d y f a i l u r em e c h a n i s mo fs e a l i n ge l e m e n t ，a n dg i v e t h er e l e v a n t c o u n t e r m e a s u r e si nc o n t r a p o s i t i o nt of a i l u r em o d ea n dg e n e t i ct y p e ，w h i c hc a np r o v i d e t e c h n i c a ls u p p o r ta n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o ru st oe n h a n c et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fs e a l i n g e l e m e n to fr c h k e yw o r d s ：u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g ，s e a l i n ge l e m e n t ，f a i l u r e ，c o n t a c ts t r e s s i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致n ；, 1 - ， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日甄：如叁年 2 目b 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：j 銎熟 指导教师签名：今_ 蔓l 日期：劢年2 月日 日期：；0 0 8 年jj 月日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 本课题研究的目的和意义 第一章绪论 欠平衡钻井技术是国际上2 0 世纪9 0 年代初再次兴起的提高勘探开发效益的钻井新 技术，也是我国2 1 世纪油气资源开发中必不可少的主干技术之一。所谓欠平衡钻井， 就是指在钻井过程中钻井液的循环压力( 包括液柱压力和循环回压) 低于地层的孔隙压 力，保持井底轻度溢流，允许产层流体流入井眼，并可将其循环到地面，地面可有效控 制，这一技术称为欠平衡压力钻井技术。与常规钻井技术相比，欠平衡钻井的主要优点 是能减轻地层伤害、增加油井产能。对于探井来讲，实施欠平衡钻井，可以产生良好的 产能显示，为正确评价储层提供条件。采用欠平衡钻井还可以提高机械钻速，减少或防 止压差卡钻。 国内近几年也非常重视该技术的开发应用，经过两年的试验研究，目前胜利油田 的欠平衡钻井总体技术水平已达到国际水平，“欠平衡压力钻井配套技术研究”已被列 为中石化集团公司“十条龙 攻关项目。胜利油田在2 0 0 1 年初还专门成立了中国胜利 欠平衡钻井技术公司。该公司拥有8 套欠平衡钻井设备，其中5 台w i l l i a m s 高压旋转 控制头，3 台s h a f f e r 高压旋转防喷器，现已完成1 0 0 多口欠平衡井的施工。 实施欠平衡钻井所需的设备主要包括：井 口控制设备和地面处理设备。其中井口控制设 备主要指旋转控制头或旋转防喷器，它们与原 有的环型防喷器、闸板防喷器、四通等构成井 口防喷器组，其作用是对油气井实施压力控制， 对事故进行预防、监测、控制，确保钻井人员、 钻井设备及油气井的安全。旋转控制头或旋转 防喷器性能将直接影响油气井欠平衡施工的成 败，在施工过程中一旦出现故障，就可能出现 井喷等大的钻井事故。旋转控制头或旋转防喷 器通常安装在井口原有防喷器组的上部，如图 卜1 所示。 旋转控制头 过度接头 闸板防喷器 四通 井口 图1 - 1 井口防喷器组合 f i g 1 - 1w e l l h e a db o ps t a c k 第一章绪论 目前，欠平衡压力钻井中采用的旋转防喷器主要有两种，一种是w i l l i a m s7 1 0 0 型 旋转控制头( r o t a t i n gc o n t r o lh e a d ) 【啦】，其结构见图1 2 。另一种是s h a f f e r 公司设计 生产的旋转防喷器r s b o p ( r o t a t es p h e r i c a lb l o w o u tp r e v e n t e r ) 【3 】 其结构见图1 3 。这 两种防喷器是目前世界上最先进的欠平衡压力钻井井口压力控制设备，其中w i l l i a m s 公司生产的旋转控制头在世界上应用最为广泛。目前国内引进的井口压力控制设备主要 是w i l l i a m s 公司的7 1 0 0 型旋转控制头，现已经引进2 0 多台。 图1 - 2w i l l i a m s 旋转控制头 f i g 1 - 2w i l l i a m sr o t a t i n gc o n t r o lh e a d 图卜3s h a f f e r 旋转防喷器 f i g 1 - 3s h a f f e rp c w d 如图1 - 2 、图1 - 3 所示，胶芯是其核心密封元件，其作用是密封钻杆及方钻杆，防 止井内涌出的高压油气流泄漏。钻柱从其中心孔通过，钻柱与胶芯之间的主要运动形式 为相对滑动，滑动速度1 ，= 0 5 m s 。工作时，胶芯大部分时间密封的是钻杆和方钻杆本 体，当钻杆接头通过时，胶芯也应具有可靠的密封。在钻进过程中，旋转防喷器能否有 效封住钻柱与井壁间环形空间，关键取决于密封胶芯的性能。 根据胶芯密封原理的不同可以分为两类：自封胶芯和液封胶芯。w i l l i a m s 旋转控制 头胶芯为一种自封胶芯，结构简单。本文着重对w i l l i a m s 旋转控制头动密封进行接触 应力分析及试验研究。 作用于旋转控制头动密封胶芯上的泥浆介质是由油、气、水、钻屑及高分子化合物 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 组成的混合物，含有磨砺性细小颗粒，有时含有硫化氢、二氧化碳、天然气等井下伴生 气，其p h 值通常大于1 0 ( 一般为1 0 ，- - 1 3 ) 。胶芯所承受的密封压力较高，从0 到1 7 5 m p a 不等，一般控制在o 7 m p a ，工作条件十分恶劣。一旦胶芯密封失效，产生泄漏，钻井 过程将不得不停止。这就要求动密封胶芯必须具有耐压值高、抗酸碱能力强、使用寿命 强等特点。 目前，国内欠平衡压力钻井设备中所使用的旋转控制头胶芯大部分依赖进口，价格 昂贵，使用成本高。国内对胶芯的研制尚处于起步阶段，在胶芯材料选择、结构设计、 密封性能研究和失效机理分析等方面可供借鉴的资料极少。胶芯试验手段和试验规范也 不完善。 此外，由于钻杆接头直径比胶芯内孔直径大许多，当钻杆接头通过胶芯时，会产生 很大的摩擦阻力，这会对司钻操作带来不利影响。本文将对该问题进行测试研究，为钻 井过程中司钻操作提供一个准确的依据。同时还可以为旋转控制头轴承总成的受力情况 分析提供试验数据，为确定试验台液压站的工作压力提供设计依据。 本文研究的主要目的是：通过对旋转控制头动密封胶芯接触应力进行有限元分析和 试验研究，进一步分析动密封胶芯的密封性能、摩擦特性，对密封胶芯的几种典型失效 形式进行初步的定性分析，为旋转控制头胶芯的国产化提供技术支持和理论依据。 1 2 旋转控制头动密封相关文献综述 1 2 1 往复式动密封原理及常见结构形式 常见往复运动接触密封包括：o 型密封、填料密封、唇形密封、隔膜密封、活塞环 式密封、组合密封等，主要用于等直径往复轴密封。当往复运动的杆件直径发生变化时， 则需要采用大变形弹性密封元件，如钻杆的密封。 往复运动动密封一般为接触型密封。接触型密封主要靠密封配合面间产生接触应 力，阻止被密封流体从密封接触面间通过，来实现密封的。因此，接触应力的大小及其 分布状况是决定密封性能的重要因素。 绝大多数用于高压流体的密封，通常设计成赋能型密封。赋能型密封能将流体压力 自动加到密封元件上，使密封元件产生变形，改变接触应力及它们的分布状况。这种密 封的接触应力随被密封流体压力的变化而变化，因此能适用于各种压力状况。 往复运动用的润滑和泄漏机理出自于b l o k 的理论h 1 ，b l o k 是由e r t e l 和g r u b i n 在 2 0 世纪4 0 年代创立的流体动力润滑逆问题理论适应于弹性密封的特性。润滑最重要的 3 第一章绪论 问题是确定压力分布，密封所研究的是相反的问题，即给定了被密封部件和密封元件之 间缝隙的压力分布，而研究缝隙的形状和泄漏量。 往复运动单行程时的泄漏量由下式确定： g = 丁z d l 9 pj 0 5 ( 1 _ 1 ) 式中：q ，泄漏量；d 轴径；l ，行程长度：刁，动力粘度；v ，滑动速度；p 。，缝隙 中的压力梯度。 应用式( 卜1 ) 求解泄漏量，必须已知缝隙中的压力梯度p 。值，而p 只能根据密封 接触应力的分布来进行估算。 p w w e r n e c k e 曲1 对往复密封过程进行的分析采用了一种较为简化的理论方法，他考 虑到因压力和流体粘性产生的内摩擦力远大于其他因素的影响，所以采用这种简化的限 制条件在分析往复运动密封和轴之间狭窄缝隙内发生的现象时不会带来很大的误差。 根据p w w e r n e c k e 理论，在微小缝隙内的速度分布可用下式来表示： 二型h a p 笙2 7 7 h 上hl ( 1 _ 2 ) 舐 il i 式中：1 ，滑动速度；h ，缝隙高度；，7 ，动力粘度；_ o p ，缝隙中的压力梯度。 缝隙内层流流动的速度分布见图1 - 4 。( a ) 表示压差单独作用引起的速度分布：( b ) 表示有相对运动时产生的速度分布；( c ) 和( d ) 则表示两种作用的迭加。 图1 - 4 缝隙内层流流动的速度分布 f i g 1 - 4d i s t r i b u t i o no fl a m i n a rf l o wv e l o c i t yi nc l e a r a n c e 流过缝隙的体积流量用下式来表示： 4 po 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 d ：! 锄一土塑竺 ， ( 卜3 ) 一 2 1 2a x r 式中：第一项表示相对运动产生的流量；第二项考虑压差的影响。 从式( 1 - 3 ) 可以看出，压力梯度对泄漏有重要影响，如果设计的密封在往复轴移 氚 动相反方向有极大的当值，则泄漏可减至最小。 6 k 1 2 2 密封摩擦力【6 1 对于接触型动密封而言，密封动静表面之间有相对滑动。密封摩擦力的大小与密封 面液膜厚度，即润滑状态关系密切。根据s t r i b e c k 摩擦特性曲线，见图卜5 ，对于一 切动密封，在边界润滑状况工作摩擦太大，温度高， 磨损快，寿命短；在流体动压润 滑状态工作，液膜太厚，泄漏太大，密封性能极差：显然在混合润滑状态下密封是理想 的，摩擦系数也趋于最小。因此，在进行动密封设计时，要控制密封接触面间液膜厚度， 使其处于混合润滑状态，这样既能使密封具有最小的泄漏率，又可避免过大的摩擦损失 和过快的磨损，使密封具有最长的使用寿命。 鲁多y 甚囊7 羲营；。 图i - 5s t r i b e c k 摩擦特性曲线 f i g 1 - 5s t r i b e c kf r i c t i o n a lb e h a v i o rc u r v e 根据文献畸1 ，在没有任何干摩擦的情况下，往复运动流体动密封摩擦力取决于缝隙 高度和流体粘度，密封摩擦力为： f ：蒯旦一蒯望生( 1 4 ) 五ax2 5 第一章绪论 式中：f ，密封摩擦力；d ，轴径；，接触长度：1 ，滑动速度；7 7 ，动力粘度； h ，缝隙高度；o p ，缝隙中的压力梯度。 o 在缝隙很小的情况下，或者仅在流体动力产生的摩擦力占主导地位的情况下，密封 摩擦力可以简化为： f ：栅堕 h 若密封在无润滑的条件下工作，即干摩擦状态，干摩擦力为： f 岫= 翮l p e 弘 式中：p 。，有效接触压力；1 ，摩擦系数。 ( 卜5 ) ( 1 - 6 ) 1 2 3 旋转控制头动密封胶芯的类型及密封原理 旋转控制头或旋转防喷器是实现欠平衡钻井的关键设备。其主要功能是提供井口压 力控制，实现旋转密封，使得钻井作业在井口有压力的情况下能够照常进行。在结构上 所有的旋转防喷器都是通过胶芯包绕钻具来实现密封。不同结构的旋转控制头或旋转防 喷器所采用的胶芯也不尽相同【7 1 。 w i l l i a m s 旋转控制头( r c h ) 1 2 1 采用上下双重密封胶芯，通过芯胶芯本身弹性变形 的恢复和井下液体压力作用抱紧钻柱实现密封。底部胶芯承压，磨损早于顶部胶芯。当 底部胶芯失效后，顶部胶芯仍能保持密封，从而增加了施工的安全程度。 s h a f f e r 公司的旋转防喷器( r s b o p ) 【3 】采用球型胶芯，通过外部液压系统提供压力， 实现胶芯与钻具的密封，低压密封性能良好。 美国s e a l t e c h 公司研制的旋转防喷器胶芯为一种内袋型封隔器【8 】，它由内外两部 分组成，通过外部油压作用使之与钻杆接触并保持密封。内袋可以单独更换。其最大静 密封压力为1 4 m p a ，钻井时的最大工作压力1 0 5 m p a 、最佳工作压力7 m p a ，强行起下钻 时的工作压力为7 m p a 。 r b o p 公司的旋转防喷器采用了原喀麦隆环行防喷器的基本结构，密封部分由三层 胶芯组成( 外密封胶芯、内密封胶芯、快速更换胶芯) ，其一层损坏，另外两层仍可继 续工作，密封可靠。但与w i l l i a m s 旋转控制头相比，更换胶芯不够方便。 h y d r i l 公司旋转控制头的密封胶芯可适应于任何形式的方钻杆，下钻也不需要“导 入头”，一只胶芯上设计有两道密封环，增加了施工的安全性。 目前我国主要引进了w i l l i a m s7 0 0 0 型和7 1 0 0 型旋转控制头及s h a f f e r 公司的 6 p c w d 旋转防喷器。 胶芯是旋转防喷嚣的桉心元件。在钻进过程中，旋转防喷器能否有效封住环形宅i j j ， 关键取决于密封胶芯的性能。 l 据胶芯密封原理的不同可以分为两类：白封胶芯和液封 胶芯。根据结构形状，自封胶芯也可以称为锥型胶芯，液封胶芯也可以称为球型胶芯( 见 图卜6 ，图17 ) 。 图1 _ 6w l l l 旋转控制头胶芯 f i g1 西s e a l i n ge l e m e n to f w i l l i a m s 图卜7s h a f f e r 旋转防喷器胶芯 f i 9 1 7s e a l i n g e l c n l e n to f s h a f f e rp c w d 自封胶芯的密j = 寸原理是罪胶芯本身弹性变形的恢复和井r 液体压力作用抱紧钻柱 米密封环空的。随着胶芯的磨损，胶芯本身弹性变形小断减小，胶芯将密封不住环空压 力，此时胶芯密封失效。井下液体压力对胶芯有辅助密封作川。这种形式密封属十被动 密封。 液封胶芯的密封原理是通过系统提供的液压力推动活塞向上运动，活皋推动胶芯沿 球而向上运动，自外缘向巾心挤j 士、收拢、变形，抱紧钻柱实现密封。在钻进( 带压起 f 钻) 过程中，随着胶芯磨损，可适当增大外部液压力，使球形胶芯能够不断向j 。、向 内移动，实现连续密封。这种密封形式属于主动密封。 这两种胶芯密封各有特点，十h 比而占，液封胶芯可根据地层及钻井情况，通过明整 系统液压力，控制胶芯 、台及胶芯埘钻朴抱紧程度，从而方便钻井作业，减小胶芯的 辟损。胶芯磨损后补偿能力强。但其监控系统复杂，现场使用可靠性低，维护不方便。 臼封胶芯结构简单，具有白封作川，现场维护方便。f h 胶芯的补偿能，j 差，随着胶芯的 磨损，胶芯本身弹性变形不断减小胶芯将密封不住环空压力，此时胶芯密封失效。 本文着重研究w l l l i a m s7 1 0 0 型旋转控制头自封胶芯的机械性能。 第一章绪论 1 2 4 国内外发展现状及发展趋势 一项新型钻井工艺的成功应用与配套的专用工具及装备的发展是分不开的。欠平衡 钻井工艺的优点早已被人们所认识，但由于成本、安全因素及需求太低的缘故，其发展 速度在八十年代相应滞后。2 0 世纪8 0 年代后期和9 0 年代初期，美国开发的欠平衡专用 工具和装备已成功应用于现场作业，取得了良好的效果，使美国成为欠平衡钻井技术最 先进的国家。近十年国外欠平衡技术发展非常快，同时也进一步促进了欠平衡装备的发 展【9 1 。 旋转控制头或旋转防喷器欠平衡井安全施工的保障，密封胶芯更是重中之重。国外 生产旋转防喷设备的公司主要有：w i1 1j a m s 公司、s h a f f e r 公司、s e a l t e c h 公司、r b o p 公司、h y d r i l 公司等，这几家公司的产品各有特点，密封胶芯的结构也不尽相同，有的 已形成系列。在胶芯材料、结构、设计、试验等方面的投入和技术水平也远远超过国内 厂家。 国内进行欠平衡钻井所需要的胶芯目前大部分依靠进口，进口一个胶芯约2 3 万元。 据有关资料报道，目前胶芯的最长的使用寿命为2 8 小时纯钻进时间。大港油田近期钻 了一口井，井底欠压1 m p a 时，胶芯的平均使用寿命约2 0 小时。据统计，每口欠平衡段 为1 5 0 - - 3 0 0 m 的井一般消耗4 6 只胶芯，价值为9 - - - 1 4 万元，成本非常高。 目前，国内仅有少数几家单位在做胶芯国产化的工作，在材料选择、结构设计、分 析计算、性能试验等方面可供借鉴的资料极少。胜利油田钻井院已立项进行胶芯的国产 化研制，是国内首家进行欠平衡钻井用胶芯研制的单位。先后与国内的多家橡胶厂进行 了合作，已有三个合作厂家试制出了样品，并进行了室内试验和现场试验，在材料配方、 结构、加工工艺等方面还需进一步研究。 有关胶芯大变形分析、接触应力计算、密封性能研究等方面的文章极少，文献【1 0 ，“】 对自封式封井器胶芯进行了大变形分析，讨论了胶芯尺寸、结构形状对密封性能的影响。 旋转控制头密封胶芯的发展趋势： ( 1 ) 发展适用于不同地层、不同井况的胶芯系列，如：适用于高压地层的胶芯、 适用于油基泥浆的胶芯、抗高温的胶芯等等，以满足日益发展的欠平衡钻井工艺要求。 ( 2 ) 努力提高胶芯寿命，以降低钻井成本。 1 3 本文主要研究内容与技术路线 主要研究内容包括： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 1 ) 根据橡胶弹性理论，借助a n s y s 软件，对旋转控制头胶芯动密封进行有限元 计算，求解在不同过盈量条件下胶芯与钻柱间接触应力的变化情况。探求沿密封接触面 接触应力的分布规律，为胶芯结构设计提供依据。 ( 2 ) 结合欠平衡钻井工艺对旋转控制头胶芯提出的使用要求，确定试验方案，设 计实验台架，对胶芯密封性能、摩擦性能进行试验，并对胶芯过接头及在介质压力作用 下的接触应力、胶芯摩擦力进行测试。将理论计算结果与试验结果进行对比分析。 ( 3 ) 胶芯失效机理探讨。对在用胶芯( 或试验胶芯) 进行跟踪观察，结合有限元 计算结果和试验结果，分析其失效形式，提出改进意见。 技术路线： 采用理论分析与试验研究相结合的技术路线。结合胶芯受力特点，分不同的工况对 胶芯接触应力进行有限元分析，求出胶芯与钻具间的接触应力、摩擦力，然后通过试验 测试进行对比分析，找出沿密封接触面接触应力的分布规律。根据理论分析及试验测试 结果，对胶芯失效机理进行定性分析。 9 第二章胶芯材料及其物理特性分析 2 1 前言 第二章胶芯材料及其物理特性分析 欠平衡钻井过程中，胶芯要对通过其内孔的钻具保持良好的密封作用，其密封的介 质为钻井液( 水基、油基、泡沫、注氮钻井液) 。钻井液是由油、气、水、钻屑及高分 子化合物等组成的混合物，有时含有硫化氢、二氧化碳、天然气等井下伴生气，其p h 值通常大于1 0 ( 一般为l o 1 3 ) 。钻井液的温度也比较高，通常每1 0 0 米井深增加1 。 胶芯所承受的密封压力较高，从0 到1 7 5 m p a 不等，一般控制在0 7 m p a 。此外，胶芯 所密封的钻具的直径是不断变化的n 幻，而且变化幅度较大。以5 胶芯为