摘　要：分析了油田提升設(shè)備用泥漿盤根的密封原理和密封失效的原因。通過對傳統(tǒng)泥漿盤根的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和成型工藝的摸索，研制出了耐高壓、耐磨、使用壽命長的泥漿盤根產(chǎn)品。

　　關(guān)鍵詞：泥漿盤根;密封失效;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　近年來，伴隨著油田和氣井鉆采深度的增加，井下溫度越來越高，井內(nèi)壓力、泥沙的沖刷、原油及腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，對設(shè)備的安全可靠性也提出了更高的要求。提升設(shè)備作為井上設(shè)備，在鉆井中是不可或缺的，而泥漿盤根作為主要的密封件，是該設(shè)備中薄弱的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)泥漿盤根基本上能滿足不超過3000m 井深的鉆井要求，但隨著鉆井深度的不斷提高，井下壓力急劇增高，泥漿盤根的使用壽命急劇縮短，許多傳統(tǒng)的密封件已經(jīng)達(dá)不到使用要求。

　　目前，我國提升設(shè)備用密封件主要依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約我國在石油、天然氣等領(lǐng)域的發(fā)展。本工作擬通過對泥漿盤根密封原理和密封失效的原因分析，研制出滿足國內(nèi)中深井要求的耐高壓泥漿盤根，提升我國工程裝備制造業(yè)的技術(shù)水平。

　　1　泥漿盤根密封原理

　　泥漿盤根采用液壓自封式密封結(jié)構(gòu)，下部壓環(huán)通過螺紋預(yù)緊后，盤根唇部張開，產(chǎn)生一定的預(yù)密封作用。當(dāng)下部泥漿壓力作用于盤根時，預(yù)緊力加大，密封唇口進(jìn)一步張開，產(chǎn)生相應(yīng)的自密封作用。在泥漿壓力作用下其唇部始終壓緊沖管外壁，用以隔絕泥漿，見圖1。盤根密封結(jié)構(gòu)見圖2，密封盤根與下密封盒一起隨中心管旋轉(zhuǎn)，沖管工作時不旋轉(zhuǎn)，但允許略有軸向竄動，沖管磨損均勻。與泥漿接觸的下部第1級密封圈一側(cè)承受全部泥漿壓力，而背部則為大氣壓力，其他密封圈處于閑置狀態(tài)，直到上一級密封圈失效，下一級密封圈就如同第1級密封圈一樣作用。

　　2　密封失效原因分析

　　造成泥漿盤根密封失效主要有以下幾方面因素：密封圈主體材料、密封圈結(jié)構(gòu)、泥漿壓力、泥漿成分、沖管表面光潔度、偏心及跳動量。

　　2.1　密封圈主體材料

　　目前國內(nèi)提升設(shè)備用泥漿盤根主要有高硬度純橡膠件、聚氨酯純膠件和橡膠織物復(fù)合件3大類。

　　純橡膠類盤根彈性好，在低壓、低轉(zhuǎn)速工況下，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，但應(yīng)用于高壓情況時，由于材料模量低，耐壓不足，加上唇口密封部位磨損嚴(yán)重，同時受高溫及油氣等腐蝕性介質(zhì)的作用，橡膠材料發(fā)生溶脹和軟化等變化，使產(chǎn)品的使用壽命縮短。

　　純聚氨酯類盤根彈性優(yōu)異，耐磨性優(yōu)良，用于中高壓情況時密封性能優(yōu)良，但由于聚氨酯材料耐高溫耐水性較差，受力破壞時易掉塊，因此其使用壽命也不是很理想。

　　橡膠織物復(fù)合類盤根與前兩種純膠件相比，優(yōu)點(diǎn)在于其耐磨性和耐高壓性良好，因此該類盤根更適用于高壓工況下使用。但織物類盤根缺點(diǎn)是其工作一段時間后，密封部位產(chǎn)生應(yīng)力松弛，密封面磨損后接觸面不光滑，導(dǎo)致密封唇口的接觸應(yīng)力下降，發(fā)生密封泄漏。

　　2.2　盤根結(jié)構(gòu)

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計時，盤根密封唇口與沖管留有一定的過盈量，產(chǎn)品安裝預(yù)緊后，唇口部位與沖管內(nèi)壁屬于過盈配合，因此，產(chǎn)品唇口與沖管之間的過盈量是關(guān)鍵的一個參數(shù)。過盈量越大，產(chǎn)品安裝時越困難，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，摩擦力越大，產(chǎn)品較容易磨損，使用壽命會降低;過盈量小，產(chǎn)品安裝容易，但兩者界面之間的接觸應(yīng)力會減小，導(dǎo)致密封應(yīng)力不夠，同樣也會影響產(chǎn)品的密封。

　　唇口部位的厚度也是結(jié)構(gòu)方面影響盤根使用壽命的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。唇口部位越厚，張開需要更大的應(yīng)力，對高壓密封越有利。

　　2.3　泥漿壓力、泥漿成分的影響

　　隨著鉆井深度的增加，井下的泥漿壓力和溫度也隨之增大，盤根與沖管間的摩擦力也相應(yīng)的增大，密封部位磨損加劇，導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命縮短。

　　由于產(chǎn)品密封的介質(zhì)為硫化氫、二氧化碳、烴烷、柴油、胺緩蝕劑、蒸氣以及酸類復(fù)合、腐蝕性介質(zhì)，對材料會造成溶脹、微觀破壞等影響，勢必會對產(chǎn)品的壽命造成非常重要的影響。

　　2.4　軸的偏心和跳動量、沖管光潔度

　　盤根工作時，下盤根盒與盤根一起旋轉(zhuǎn)，沖管保持靜止，由于轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的偏心和軸的跳動量，盤根會產(chǎn)生較大的附加振動，這樣的振動也會造成密封失效。

　　表面光潔度較差的沖管會加劇密封面的磨損，會增大其與密封面的摩擦力，不利于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)密封。

　　3　盤根結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

　　考慮到以上諸多因素的影響，本工作從以下幾方面著手，對盤根的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

　　3.1　盤根結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　泥漿盤根工作時，唇口部位與旋轉(zhuǎn)軸接觸(某規(guī)格產(chǎn)品裝配圖見圖3～4)，屬于旋轉(zhuǎn)動密封，其密封介質(zhì)為高壓、摩損性強(qiáng)的鉆井液、泥沙、原油等，所以該產(chǎn)品對耐磨、承壓性要求非常高。結(jié)合橡膠和織物兩類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，泥漿盤根主體采用織物結(jié)構(gòu)，以滿足其耐高壓和耐磨等嚴(yán)格要求，同時，為杜絕外部泥沙等介質(zhì)滲入設(shè)備內(nèi)部，產(chǎn)品外側(cè)采用橡膠層對泥沙等進(jìn)行隔離。設(shè)計的泥漿盤根結(jié)構(gòu)見圖5。

　　3.2　織物的選取

　　傳統(tǒng)的織物類盤根多采用棉帆布作為主體材料[1]。棉帆布雖然與橡膠的粘合性能優(yōu)良，但其強(qiáng)度、延伸率較差，高壓下抗蠕變性較差，因此高壓下產(chǎn)品會出現(xiàn)唇口部位側(cè)翻甚至密封泄漏等問題。化纖布的強(qiáng)度、伸長率和耐磨性都很好，但其與橡膠的粘接性能較差，熱收縮大，產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性差。綜合棉帆布和化纖布兩者的特點(diǎn)，選擇采用棉帆布與化纖布交替疊加的結(jié)構(gòu)，以保證盤根高耐磨、高承壓和良好粘合性能等要求。

　　3.3　唇口過盈量

　　泥漿盤根工作時，外部與靜止的缸體接觸，屬于靜密封，而密封唇口與旋轉(zhuǎn)軸接觸，屬于旋轉(zhuǎn)動密封[2]。工作時，系統(tǒng)內(nèi)壓力及軸轉(zhuǎn)速都非常高，所以，內(nèi)外唇口的過盈量取值非常關(guān)鍵。過盈量取值小時，唇口與金屬面的接觸應(yīng)力小，不足以密封泥沙等介質(zhì);過盈量較大時，接觸面過大，會加劇唇口部位的磨損，也會影響產(chǎn)品的使用壽命。夾布類制品一般用于高壓密封的場合，其過盈量的取值一般要略大于純膠類制品，同時，產(chǎn)品與下盤根盒間的過盈量應(yīng)略小于沖管間的過盈量，因此，結(jié)合以上所述，產(chǎn)品與下盤根盒間的過盈量一般在1.5%～2%，而與沖管的過盈量一般在2.5%～3%范圍內(nèi)。

　　3.4　唇口與沖管間的夾角

　　唇口與沖管間的夾角見圖6。該角度較小時，高壓工作時，相對接觸面積增大，此種情況下，有利于產(chǎn)品的密封，但同時會加劇磨損，影響產(chǎn)品的使用壽命;該角度取值較大時，工作時，唇口與軸的接觸面積減小，不利于密封。該角度取值按經(jīng)驗(yàn)一般為5°～8°，在此范圍內(nèi)一般可保證產(chǎn)品的有效密封，也不會對產(chǎn)品的使用壽命有太大的影響。

　　3.5　其他因素

　　泥漿盤根的斷面圖見圖7。包括根部高度(H)、唇部厚度(S)、內(nèi)側(cè)倒角(R)等。高壓密封時，根部高度較小、唇口較薄時，受壓后，產(chǎn)品易從根部或唇部打斷，所以必須保證根部高度和唇口的厚度，以保證產(chǎn)品在正常使用時不至于損壞。內(nèi)側(cè)倒角若直接選擇倒角時，頂點(diǎn)部位會存在應(yīng)力集中，可能會導(dǎo)致從尖點(diǎn)部位打爛，因此此處選擇圓弧過渡，使作用力平均分布在圓周上，這樣更有利于延長產(chǎn)品的使用壽命。

　　按以上所述，并結(jié)合裝配尺寸，設(shè)計的某規(guī)格產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖8。

　　4　盤根用橡膠材料的研發(fā)

　　設(shè)備工作時，受到泥沙等的沖刷，因此對橡膠材料的耐磨性能要求也很高。另一方面，密封件在工作時接觸大量的原油、天然氣及腐蝕性氣體，故膠料還要求具有防腐、耐油性能�？紤]到以上諸多因素，配方設(shè)計時，主體材料選用丙烯腈含量中等的丁腈橡膠，兼顧其耐油和耐低溫的要求;同時考慮到產(chǎn)品在長期受力情況下較低的壓縮永久變形和加工安全性，膠料采用硫黃和過氧化物復(fù)合的硫化體系，并配以高防護(hù)效果的防老劑以提高材料的耐老化性能;為了滿足膠料的加工工藝性能，補(bǔ)強(qiáng)體系選用噴霧炭黑和快壓出炭黑。

　　按照該思路設(shè)計的膠料配方及測試數(shù)據(jù)見表1。

　　5　泥漿盤根成型工藝

　　泥漿盤根結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由于該產(chǎn)品主體材料為織物，產(chǎn)品的斷面尺寸較厚，因此半成品的制備比較關(guān)鍵。確定成型工藝見圖9。

　　6　裝機(jī)考核驗(yàn)證

　　采用優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、橡膠材料及成型工藝生產(chǎn)的某規(guī)格泥漿盤根產(chǎn)品，已通過打壓試驗(yàn)(試驗(yàn)壓力78MPa)，并已通過實(shí)際裝機(jī)考核試驗(yàn)，滿足高壓52MPa下的使用要求，經(jīng)試用后，產(chǎn)品使用壽命約為30d(傳統(tǒng)密封件使用壽命約為10～15d)，用戶反映良好。

　　7　結(jié)論

　　1)油田提升設(shè)備用泥漿盤根屬于液壓自封式密封結(jié)構(gòu)，密封圈主體材料、密封圈結(jié)構(gòu)、泥漿壓力、沖管表面光潔度、轉(zhuǎn)動慣性和離心力等因素會造成泥漿盤根密封失效;

　　2)通過對傳統(tǒng)盤根結(jié)構(gòu)優(yōu)化、橡膠新材料的研發(fā)及成型工藝的摸索，研制的泥漿盤根經(jīng)實(shí)際裝機(jī)考核驗(yàn)證，滿足高承壓的使用要求，有效提高了產(chǎn)品的使用壽命。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]　謝遂志，劉登祥，周鳴巒.橡膠工業(yè)手冊(第1分冊)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992.

　　[2]　林孔勇，金晟娟，梁星宇.橡膠工業(yè)手冊(第6分冊)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

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