（机械工程专业论文）旋转控制头动密封胶芯接触应力有限元分析与试验研究.pdf

申请上海交通大学工程硕士学位论文摘要 旋转控制头动密封胶芯接触应力有限元分析与试验研究 摘要 f 旋转控制头动密封胶芯是欠平衡压力钻井设备的关键易损件，从可 靠性和经济性来讲，它常成为限制性部件，影响到设备的整体性能和使 用成本。目前，国内欠平衡钻井所采用的胶芯全部依靠进口，使用成本 高。对胶芯的研制处于起步阶段，在胶芯材料选择、结构设计、密封性 能研究、摩擦特性分析和失效机理研究等方面可供借鉴的资料极少矿本 文采用理论分析和试验相结合的方法，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、 摩擦特性和失效机理，为旋转控制头胶芯的国产化提供技术支持和理论 依据。 结合欠平衡现场工况，对胶芯的材料、性能提出了具体的要求。鉴 于橡胶材料的非线形、不可压缩性和大变形特性，本文采用两参m o o n e y r i v l i n 模型来描述橡胶变形。采用非线形有限元法，借助a n s y s 5 7 软件， 对旋转控制头胶芯接触应力进行数值模拟。对接触问题采用间隙元法进 行处理。根据不同的工况建立不同的有限元模型，求解了不同井口压力 作用下、不同过盈量条件下胶芯与钻柱之间的接触应力和变形，总结了 不同过盈量、不同压力条件下胶芯与钻柱之间接触应力的变化规律。分 析了当钻柱与胶芯之间存在往复运动时胶芯根部及内锥面处产生的交变 应力作用。为胶芯密封原理的分析、胶芯过盈量的选择及失效原因分析 提供了依据。朱 采用试验的方法，对胶芯与钻杆之间接触应力、摩擦力及胶芯变形 进行了测试。采用间接测量法，以电测的方法测出钻杆内壁各点的周向 应变，根据圆筒受外压时内壁产生应变的计算公式反推出对应外表面的 接触应力。f 确定了试验条件下胶芯与钻杆之间的滑动摩擦系数。对有限 元计算结果和试验测试结果进行了对比，表明在进行胶芯设计时可以采 用有限元方法对胶芯受力情况进行数值模拟。、) l 、 t 申请上海交通大学工程硕士学位论文摘要 最后，结合有限元分析和试验结果，对胶芯失效机理进行了分析， 并提出了相应的对策。 关键词：胶芯；动密封；接触应力? 非线性有限元；旋转控制头；数值 模拟、 1 申请上海交通大学工程硕士学位论 a b s t r a c t 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 o nc o n t a c ts t r e s so fs e a l i n ge l e m e n t i nr o t a t i n gc o n t r o lh 噩a d a b s t r a c t a st h ek e ye l e m e n to fu n d e r b a l a n c e d d r i l l i n ge q u i p m e n t ，r o t a t i n gc o n t r o l h e a d ( r c h ) s e a l i n ge l e m e n t ( s e ) o f t e n b e c o m e st h el i m i t i n gc o m p o n e n tf r o m t h es t a n d p o i n to fr e l i a b i l i t ya n de c o n o m i c s i ti n f l u e n c e sp e r f o r m a n c ea n d a p p l i c a t i o no f t h ew h o l e e q u i p m e n t r e c e n t l a l m o s ta l lt h es e a l i n ge l e m e n t s o fr c hi nc h i n a d e p e n d o n i m p o r t s ，w h i c hi n c r e a s ed r i l l i n gc o s t t h e r ea r e a f e wr e f e r e n c e sf o rr u b b e rs e l e c t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n ，s e a l i n ga n d t r i b o l o g i c a l p r o p e r t y , d u et o i t s b e g i n n i n gs t a g e i n t h i s p a p e r , c o n t a c ts t r e s s b e t w e e n r c h ss ea n dd r i l l i n gs t r i n ga r ei n v e s t i g a t e db y u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e m ) a n dt e s t i n g ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c e t or c h ss e f i r s t l y , t h em a t e r i a lp r o p e r t yo fs e ( r u b b e r ) i sa d v i s e da c c o r d i n gt ot h e u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n gc o n d i t i o n t w op a r a m e t e r sm o o n e y - r i v l i nm o d e li s a d o p t e d t od e s c r i b et h er u b b e rd e f o r m a t i o n b yt a k i n g i t s n o n l i n e a r i t y , i n c o m p r e s s i b i l i t ya n dl a r g ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i ci n t oa c c o u n t s e c o n d l y , t h es e sc o n t a c ts t r e s si sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yn o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n tm e t h o do fa n s y s a n di t sc o n t a c tr e l a t i o ni sd e s c r i b e dw i t h c l e a r a n c ee l e m e n tm e t h o d s e v e r a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e dw i t i lc o n s i d e r a t i o n o fd i f f e r e n tw e l l h e a d p r e s s u r ea n d s e sd i v e r s er a d i a li n t e r f e r e n c es i z e b a s e d o nt h em o d e l s ，t h es e sd e f o r m a t i o na n ds t r e s su n d e rv a r i o u sw o r kc o n d i t i o n s a r eo b t a i n e d ，h o wt h er a d i a li n t e r f e r e n c ed i m e n s i o ni n f l u e n c e ss ei s s t u d i e d ， a n di t sf r i c t i o n a lf o r c ei sa l s oo b t a i n e d i tc o n c l u d e st h a tt h es e a l i n gf o r c ec a n b ei m p r o v e d b y i n c r e a s eo fs e sr a d i a li n t e r f e f e n c ed i m e n s i o n ， i i i - 妻堕圭塑奎望盔堂王堡堡圭堂焦笙璺望墨垒! t h i r d l y , s e sc o n t a c ts t r e s s ，f r i c t i o n a lf o r c e a n dc o n t a c tl e n g t ha r et e s t e d u n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r ec o n d i t i o n s a c c o r d i n g l y , t h e f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n t b e t w e e ns e a n d d r i l l i n gp i p e i sc o n f i r m e d t h e a g r e e m e n t b e t w e e n s i m u l a t i o na n dt e s t i n gm a k e s i tc l e a rt h a tf e m c a nb eu s e dt os i m u l a t es e s d e f o r m a t i o na n ds t r e s su n d e r v a r i o u sw o r kc o n d i t i o n s f i n a i l y s e ，st y p i c a lf a i l u r em e c h a n i s m i si n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt of e m s i m u l a t i o na n dt e s t i n ga n a l y s i s f u r t h e r , m ea p p r o a c h t oa v o i ds e sf a i l u r ei s d i s c u s s e d k e yw o r d s ：s e a l i n ge l e m e n t ，d y n a m i cs e a l i n g ，c o n t a c ts t r e s s ，n o n l i n e a r f e m ，r o t a t i n g c o n t r o lh e a d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - i v - 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密固。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 多百乐指导教师签名：嬲 日期： 年t 月7 , o 日日期：2 一) 年f 月二一日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 易酉玄 日期：伽l 年 月汐日 申请上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 欠平衡钻井技术是国际上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6 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，1 台s h a f f e r 高压旋转防喷器， 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1 1 所示。 现已完成3 0 多口欠平衡井的施工。 旋转控制头 过度接头 闸板防喷器 四通 井口 l 奎i1 1 井口防喷器组合 f i g 1 1w e l l h e a db o p s t a c k 申请上海交通大学工程硕士学位论文 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 ) u 2 j ，其结构见图1 - 2 。另种是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 b l o w o u tp r e v e n t e r ) 3 1 ，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 订1 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 l o o 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 图卜3s h a f f e r 旋转防喷器 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 f i g 1 3s h a f f e rr s b o p 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v = o 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。竹i 1 1 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 ，2 申请上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 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 l p a 不等，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。 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、摩擦特性和失效机理，为旋转控 制头胶芯的国产化提供技术支持和理论依据。 目前，国内欠平衡压力钻井设备中所使用的控制头胶芯全部是进口的，价格昂贵， 使用成本高。国内还没有一家专门研究这种胶芯的单位，对胶芯的研制处于起步阶段， 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。因此，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，分析动密封胶芯的密封性能、摩擦特性，探求动密封 胶芯失效机理，对旋转控制头胶芯的国产化具有十分重要的意义。 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。 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：0 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。 申请上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 往复运动用的润滑和泄漏机理出自于b l o k 的理论“1 ，b l o k 是由e r t e 和g r u b i n 在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： 9 ：辈f 罢1 0 5 ( 1 - 1 ) 驴丁l 方 式中：q ，泄漏量；d ，轴径；l ，行程长度；卵，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 ”3 对往复密封过程进行的分析采用了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： x - - - - - 骂鱼：h 小2f c y 2 一y h o xhhl z ) 2 竹l j【 式中：v ，滑动速度：h ，缝隙高度；r ，动力粘度：罢，缝隙中的压力梯度。 缝隙内层流流动的速度分布见图1 - 4 。 ( b ) 表示有相对运动时产生的速度分布； ( a ) 表示压差单独作用引起的速度分布 ( c ) 和( d ) 则表示两种作用的迭加。 图l 一4 缝隙内层流流动的速度分布 f i g 1 - 4 d i s t r i b u t i o no f l a m i n a r f l o w v e l o c i t y i n c l e a r a n c e 申请上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 流过缝隙的体积流量用下式来表示： q ；三v n 一壶罢等 c 一s ， 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。 从式卜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动 相反方向有极大的罢值，则泄漏可减至最小。 1 2 2 密封摩擦力 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。 图1 - 5s t ri b e c k 摩擦特性曲线 f i g 1 5s l r i b e c k f r i c t i o u a lb e h a v i o rc u r v e 根据文献8 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： 申请上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 f ：枷堕一枷至生( 1 4 ) h融2 式中：f ，密封摩擦力；d ，轴径；，接触长度；v ，滑动速度；玎，动力粘度；h ， 缝隙高度；a p ，缝隙中的压力梯度。 ( t x 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 ；蒯孚( 1 5 ) ，z 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 k = ，叫p 。 ( 卜6 ) 式中：p 。，有效接触压力；，摩擦系数。 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”1 。 w 订lj a m s 旋转控制头( r c h ) “”采用上下双重密封胶，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”。，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 0 大气压，钻井时的最大工作压力1 0 5 大气压、最佳工作压力7 0 大气压，强行起下钻时的工作压力为7 0 大气压。 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、快速更换胶蕊) ，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 申请上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 “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 p c w d 旋转防喷器。 胶芯是旋转防喷器的核心元件。在钻进过程中，旋转防喷器能否有效封住环形空 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。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 ，图卜7 ) 。 图1 - 6w i ll i s i l l s 旋转控制头肢芯图卜7s h a f f e r 旋转防喷器胶芯 f i g 1 - 6s e a l i n ge l e m e n to f w i l l i a m sr c hf i g 1 - 7s e a l i n ge l e m e n to f s h a f f e rr s b o p 自封胶芯的密封原理是靠胶芯本身弹性变形的恢复和井下液体压力作用抱紧钻 柱来密封环空的。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。井下液体压力对胶芯有辅助密封作用。这种形式密封属 于被动密封。 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，活塞推动胶芯 沿球面向上运动，自外缘向中心挤压、收拢、变形，抱紧钻柱实现密封。在钻进( 带 压起下钻) 过程中，随着胶芯磨损，可适当增大外部液压力，使球形胶 芯能够不断向上、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，相比而言，液封胶芯可根据地层及钻井情况，通过调 整系统液压力，控制胶芯开、合及胶芯对钻杆抱紧程度，从而方便钻井作业，减小胶 芯的磨损。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。自封胶芯结构简单，具有自封作用，现场维护方便。但胶芯的补偿能力差，随 1 申请上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 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 i l l i a m s7 1 0 0 型旋转控制头自封胶芯的机械性能。 12 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。八十年代后期和九十年代初期，美国开发的欠平衡专 用工具和装备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 摄先进的国家。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o 3 。 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 i l l i & m s 公司、s r a f f e r 公司、s e a l t e c h 公司、 r b o p 公司、t f f 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全部依靠进口，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 米的井一般消耗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，但样品 性能与国外胶芯相比还有明显的差距，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f l o , u j 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。 发展趋势： 申请上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 】、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 欠平筏压力钻井配套技术研究研究是中国石油化工集团总公司“十条龙”项目之 一，旋转控制头胶芯国产化设计是该研究项目的一部分。本课题拟对旋转控制头密封 胶芯动密封接触应力进行分析及试验研究，为胶芯的研制提供技术支持，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。 主要研究内容包括： l 、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。 参考文献 【1 】a d a mt b o u r g o y n ej r r o t a t i n gc o n t r o lh e a da p p l i c a t i o ni n c r e a s i n g o i l & g a s j o u r n a l 1 9 9 5 ，9 3 ( 4 1 ) ：7 2 7 7 。9 - 申请上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 121d o n h a n n e g a n a p p l i c a t i o n sw i d e n i n g f o r r o t a t i n gc o n t r o lh e a d s d r i l l i n g c o n 一 仃a c t o r 1 9 9 6 ，5 2 ( 4 ) ：1 6 - - 1 9 【3 】v a r c os h a f f e r ，i n c 。p r e s s u r ec o n t r o lw h i l ed r i l l i n gs y s t e ma n dd u a lm o t o r c o n t r o lu n i tu s e r sm a n u a l v a r c os h a f f e r ，i n c 1 9 9 9 【4 】h b l o k i n v e r s ep r o b l e m si nh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t e df l e x i b l es u r f a c e ss y m p o s i u m o nl u b r i c a t i o na n d w e a r u n i v e r s i t yo f h o u s t o n 1 9 6 3 【5 1p w w e r n e c k e 著蒋树德译往复密封过程分析国际流体密封会议论文集机械 工业出版社1 9 9 1 1 ：6 1 刘令勋，刘英贵动态密封设计技术北京：中国标准出版社1 9 9 3 ：2 9 8 【7 】孙振纯，王守谦，徐明辉井控设备北京：石油工业出版社1 9 9 7 ：3 7 3 9 1 ：8 1m i c h a e lj t a n g e d a h l ，c h a r l e sr ( r i c k ) s t o n e r o t t i n gp r e v e n t e r s t e c h n o l o g y f o rb e t t e rw e l lc o n t r 0 1 1 9 9 2 ，2 1 3 ( 1 0 ) ：6 3 6 6 【9 】郑桂荣，张让亮，彭军生等欠平衡钻井技术胜利石油管理局钻井工艺研究 院1 9 9 8 【1 0 】罗文莉，孙东平骨架对旋转自封胶芯密封应力的影响石油矿场机械 1 9 9 9 ，2 8 ( 2 ) ：3 3 3 7 【1 1 】署恒木，罗文莉自封式封井器胶芯大变形分析石油大学学报( 自然科学 版) 1 9 9 7 ，2 1 ( 3 ) ：6 8 7 2 申请上海交通大学工程硕士学位论文第二章胶芯材料銎 蛰理壁壁! ! 堑 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1 0 1 3 ) 。钻井液的温度也比较高，通常每1 0 0 米井深 增加l 。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 。 此外，胶芯所密封的钻具的直径是不断变化的，而且变化幅度较大。以5 ”胶芯为 例，其内孔直径为1 0 4 m m ，所要密封的5 ”钻杆本体直径为1 2 7 咖，钻杆接头直径为 1 6 8 r a m ：5 - 1 4 ”六方钻杆，接头尺寸中1 6 1 9 m m 。 因此对胶芯的材料提出了较高的要求： l 、具有高压密封能力：当钻杆与胶芯相对静止时，其静密封压力最高为3 5 m p a ； 当钻杆与胶芯相对滑动时，其动密封能力最高为1 7 5 m p a 。 2 、具有低压密封能力。在压力在0 7 1 m p a 时，具有较好的密封。 3 、具有较强的韧性和抗疲劳强度的能力，具有较好的弹性。 4 、具有很好的抗腐蚀能力，特别是抗硫化氢、二氧化碳的腐蚀能力。 5 、具有较好的耐高温的能力，其使用温度为7 0 1 5 0 ； 6 、具有较长的使用寿命。 2 2 胶芯材料 钻井中使用的胶芯类型根据所采用的钻井方式、压力、泥浆类型及钻井目的来确 定。胶芯的材料组成和设计要由旋转控制头的制造厂家来确定。 标准的胶芯适用于空气钻井、气体钻井和水基泥浆钻井，既可用于高压地层又可 用于低压地层。聚氨基甲酸乙脂橡胶胶芯可用于油基泥浆钻井。抗高温橡胶胶芯可用 于高温环境。 胶芯的主体材料是橡胶。橡胶的种类很多，用作油田行业的橡胶材料( 2 , 3 , 4 1 主要有 申请上海交通大学工程硕士学位论文第二章胶芯材料及其物理特性分析 天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊二烯橡胶、丁腈橡胶( n b r ) 、氢化丁腈橡胶 ( h n b r ) 、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶( f l m ) 、硅橡胶等。几种常见 橡胶的物理及力学性能见表2 1 ，热性能见表2 2 。 表2 - 1 几种橡胶的物理及力学性能 t a b 2 - 】p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s e v e r a lr u b b e r s 注：v h - 很高，h 一高，f h 一较高，m 一中等，f l 一较低，l 低，v l _ j 艮低。 表2 - 2 几种橡胶的热性能 t a b 2 2h e a tq u a l i t yo fs e v e r a lr u b b b e r s 材料名称适用温度耐热性耐寒性玻璃化温度 天然橡胶5 5 1 0 0f lh7 3 丁苯橡胶4 5 1 0 0f lf h6 0 顺丁橡胶7 0 1 0 0f lh一8 5 丁基橡胶5 0 1 2 5mh7 9 氯丁橡胶2 0 1 2 0f hf h5 0 丁腈橡胶一2 0 1 2 0m f ll m2 2 乙丙橡胶5 0 1 5 0hm 5 8 氟橡胶2 0 2 5 0v hl2 2 硅橡胶一9 0 2 5 0v hv h1 2 0 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、 - 1 2 - 申请上海交通大学工程硕士学位论文第二章胶芯材料壁塑里壁丝坌堑 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，钻井过程将不得不停止，造成极大的经济损失。这对 胶芯橡胶材料的选择提出了更高的要求：高强度、高弹性、耐温、耐压、耐磨、耐油 耐酸碱、耐腐蚀。 选用时，首先保证产品的主要使用性能，再考虑其他辅助性能。可参考表2 3 。 表2 - 3 橡胶的选用 t a b 2 3s e l e c t i o no f r u b b e r 23 胶芯材料物理特征 橡胶作为一种高分子材料，高弹性是其显著的特征。弹性材料的分子结构是由高 分子链相互连接形成的网状结构，这种网络是基于链间的主化学键，但也可以因链之 间强烈的吸引力形成。橡胶的网状结构通常是由主分子链间的化学键作用形成。 橡胶的弹性机理与金属和其他刚性固体由明显的不同。 与金属材料相比，一般具有以下特征 6 , 7 , 8 1 ： 1 大变形特性：弹性变形很大，而弹性模量很小。典型橡胶的剪切模量是2 0 n c m 2 量级。橡胶具有几倍的弹性形变能力，其体积弹性模量是其剪切模量的几千倍。橡胶 的弹性变形可达1 0 0 0 ，而大多数高分子材料的弹性变形大约只有1 ，多数金属材 料的弹性变形则小于o 5 。 2 不可压缩性：橡胶的泊松比数值( 0 4 9 ) 比一般金属材料大，接近于液体的泊 1 3 申请上海交通大学工程硕士学位论文第二章胶芯材料及其物理特性分析 松比( o 5 ) ，所以橡胶在发生形变时，其体积几乎不变。 3 非线形： ( 1 ) 物理非线形：主要是指材料的应力与应变为非线形关系。 ( 2 ) 几何非线形：是指大位移问题，当物体变形过大时，变形量对平衡方程的影响 不可忽略，由此而导致了平衡方程的非线形。 ( 3 ) 边界非线形：如变形前后的空隙消失、表面接触问题等等。 24 橡胶弹性理论 橡胶弹性是指以天然橡胶为代表的一些高分子材料表现出的大幅度可逆变形的 性质。橡胶的弹性机理与金属和其他刚性固体由明显的不同。 g u t h 和m a r k 提出了橡胶弹性统计理论 9 , 1 0 , 1 1 】，该理论是建立在今天大家所熟知 的高斯链的基础上的。根据g u t h - - m a r k 理论，储存在形变弹性体中的能量可以写成 w = c + 驾+ 驾一3 ) ( 2 1 ) 式中：w ，应变能函数；c ，由分予理论导出的常数； ，五，五：是- - - 个主伸长比。 对许多形变实验而言，公式( 2 1 ) 显然不够充分。m o o n e y 提出了满足剪切形变 虎克定律的更通用的公式。其公式为 = c 。k + 驾+ 驾- 3 ) + c ： 击+ 去+ 击一。 c z - z ， r i v l i n 将这一模型作了进一步发展，按照他的方法，对各向同性材料，储存在弹 性体中的能量可以写成变形张量不变量。，：，的函数，即 w = r v ( 1 i ，2 ，3 ) ( 2 3 ) 其中 ，= 砰+ 驾+ 驾，：= 首码+ 驾驾+ 彳驾，= 砰钙霉 ( 2 4 ) 各向同性材料的应变能函数的最一般的形式是幂级数： w = ( i l - 3 ) ( ，2 3 ) ( 1 3 3 ) ( 2 5 ) j - ，k = 0 根据橡胶的不可压缩性，有 史堕圭童奎望盔堂三堡堡主堂垡笙塞 量三皇壁苎塑垫墨基望里壁堡! 盟 从而 ，3 = 丑1 2 2 2 五；= 1 = c r ( ，t 一3 ) 5 ( ，2 3 ) ( 2 6 ) 式中c ，是材料常数。 一般广泛采用的是m o o n e y r i v l i n 模型，即 = c 】( 一3 ) + c 2 ( 厶一3 ) ( 2 7 ) 该模型能很好地描述橡胶变形在1 5 0 内的特征。 近来，y e o h 1 2 , 1 3 根据实验提出了适合橡胶材料大应变的y e o h 模型，其应变能函 数如下 w = a o ( ，。一3 ) + a 2 0 ( ，】- 3 ) 2 + 彳3 0 ( ，l 一3 ) 3 ( 2 8 ) 其中，a ，。、a ：。、a 。为材料系数，除4 ：。小于零外，其余都大于零，根据实验来确 定_ ，1 2 ) 坳别为变形张量的鼾第二、第三不变量。由于豢一般较于豢 小很多，通过舍弃含，的项得到既大大简化又不失高精度的本构关系。 y e o h 模型能适应更大的变形范围，而且仅由单轴拉伸实验即可确定其系数。从概念 上讲y e o h 模型是一种考虑剪切模量随变形变化的应变能