油氣井旋轉(zhuǎn)防噴器密封失效分析及對策

劉 亮 張鐵軍 唐光進(jìn) 李朝明

（1.重慶文理學(xué)院新材料技術(shù)研究院，重慶402160；2.重慶新泰機(jī)械有限責(zé)任公司，重慶402160）

0 引言

欠平衡鉆井作業(yè)時，旋轉(zhuǎn)防噴器安裝在環(huán)形防噴器或閘板防噴器之上，抱緊鉆具工作，密封井壓并起分流作用。在不壓井起下鉆和帶壓鉆進(jìn)等作業(yè)時，它與液壓防噴器、鉆具止回閥和不壓井起下鉆加壓裝置配套使用起安全防護(hù)作用。它對解放和保護(hù)有壓油氣層有著很重要的作用。本文研究的旋轉(zhuǎn)防噴器主要由旋轉(zhuǎn)總成和殼體兩部分組成，旋轉(zhuǎn)總成包括旋轉(zhuǎn)補(bǔ)芯、耐磨襯套、密封膠芯、軸承、中心管幾大部分。其中，密封膠芯和旋轉(zhuǎn)動密封易出現(xiàn)問題，本文通過對密封膠芯和旋轉(zhuǎn)動密封進(jìn)行分析總結(jié)，為旋轉(zhuǎn)防噴器的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 密封膠芯

方鉆桿通過旋轉(zhuǎn)防噴器上的旋轉(zhuǎn)總成，帶動上膠芯懸掛接頭、下膠芯懸掛接頭、中心管及上、下部膠芯總成與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。密封膠芯與上膠芯懸掛接頭、下膠芯懸掛接頭通過螺栓連接，其內(nèi)徑小于方鉆桿的內(nèi)切圓直徑，在方鉆桿通過后，密封膠芯依靠自身的彈性變形和井壓助封來對鉆柱周圍實施密封。密封膠芯外表面下段是錐面的，作業(yè)時，井內(nèi)壓力作用在密封膠芯外錐面上的壓力越來越大，密封膠芯產(chǎn)生的彈性變形也越來越大，從而隨著井壓變化而自我調(diào)節(jié)實現(xiàn)密封。由于下部膠芯總成實現(xiàn)了密封功能，上部膠芯總成受到的井壓就沒有或者很小，這樣有利于減少上部膠芯總成磨損，延長其使用壽命。中心管外面有兩道推力軸承，可以承受井內(nèi)介質(zhì)施加在旋轉(zhuǎn)總成上的壓力，減少施加在密封膠芯上的摩擦力。

膠芯失效的主要形式有：

（1）膠芯與鉆具接觸段長期作用過程中發(fā)生磨損，使得膠芯上的橡膠呈顆粒狀或塊狀逐漸脫離，導(dǎo)致膠芯內(nèi)徑變大而過盈量越來越小，最終密封失效。

（2）潤滑條件差，造成接觸面局部過熱燒傷。

（3）根部損壞，主要表現(xiàn)為脫膠、根部撕裂、魚鱗狀剝落等形式。

（4）高溫作用下，膠芯變軟，密封性能降低，造成高溫失效。

（5）當(dāng)通過的鉆柱直徑大于密封膠芯密封直徑后，膠芯產(chǎn)生非常大的變形。在鉆柱通過后，產(chǎn)生的彈性變形不能迅速恢復(fù)，造成密封面密封失效。

（6）膠芯接觸面劃傷，形成劃痕，密封失效。

密封膠芯彈性變形范圍大，磨損余量較多，相對來說壽命較長。密封膠芯要采用高性能合成橡膠，成分配制上要綜合彈性變形和耐磨損能力，通過性能試驗確保其內(nèi)徑被磨損輕微變大后也能封閉額定工作壓力。密封膠芯使用時要求每應(yīng)用于一口井就換一次。

2 旋轉(zhuǎn)動密封

旋轉(zhuǎn)動密封是旋轉(zhuǎn)防噴器正常工作的核心部件，包括水密封和油密封，通過水密封及油密封的過盈配合與耐磨襯套外表面產(chǎn)生一定的摩擦力，使水密封及油密封發(fā)生變形，來抵抗被密封介質(zhì)的壓力，從而達(dá)到密封效果。在水密封與外界之間常通過介質(zhì)循環(huán)帶走熱量。對于承受被密封介質(zhì)壓力的旋轉(zhuǎn)動密封，當(dāng)壓力達(dá)到某一數(shù)值或者密封面發(fā)生磨損時，被密封介質(zhì)就會從磨損的密封面或失效點泄漏，隨著作業(yè)的進(jìn)行，漏點會進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效，縮短旋轉(zhuǎn)防噴器的使用壽命。油密封可起潤滑和助封作用，此外，耐磨襯套裝配時的偏斜、不同軸等因素對密封效果影響也較明顯。由于密封面摩擦產(chǎn)生的熱量和密封面磨損是導(dǎo)致密封過早失效的重要原因，因此以下對密封面摩擦受力和摩擦生熱進(jìn)行分析，提出優(yōu)化方案，從而使旋轉(zhuǎn)動密封實現(xiàn)更加理想的密封能力。

3 密封面產(chǎn)熱原因及受力分析

3.1 密封面產(chǎn)生熱量的原因

工作溫度是旋轉(zhuǎn)動密封現(xiàn)場作業(yè)時的重要參數(shù)。密封面工作溫度升高的原因有多種，包括由旋轉(zhuǎn)密封元件引起的紊流產(chǎn)生熱量、由于密封面摩擦和介質(zhì)剪切產(chǎn)生熱量等。同時，接觸面也有部分熱量會被帶走，比如通過水和油循環(huán)流動，產(chǎn)生的熱量通過能量交換由密封介質(zhì)帶走等。作業(yè)過程中產(chǎn)生的熱量一般認(rèn)為由耐磨襯套表面旋轉(zhuǎn)線速度快慢和摩擦力大小決定。對于線速度，我們要求旋轉(zhuǎn)防噴器的最高轉(zhuǎn)速小于旋轉(zhuǎn)動密封的設(shè)計旋轉(zhuǎn)速度；并且旋轉(zhuǎn)防噴器現(xiàn)場使用時，在不影響鉆井施工的情況下鉆機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能小，任何情況下都要小于旋轉(zhuǎn)防噴器的最高設(shè)計轉(zhuǎn)速，這樣才能延長旋轉(zhuǎn)動密封使用壽命。

3.2 摩擦力分析

下面詳細(xì)分析影響動密封使用壽命的另一個相對比較復(fù)雜的參數(shù)—摩擦力。密封面之間摩擦力大小主要決定于其本身結(jié)構(gòu)尺寸大小、裝配過盈量、加工精度等。

（1）動密封本身的結(jié)構(gòu)尺寸：尺寸越小，接觸面積越小，摩擦力越小，因此設(shè)計時在滿足密封要求的情況下要盡量選用小尺寸的旋轉(zhuǎn)動密封，這樣作業(yè)時產(chǎn)生的摩擦阻力較小，有利于減少密封磨損。

（2）旋轉(zhuǎn)動密封與密封面配合的過盈量大?。簞用芊膺^盈量要適宜，過大會增大摩擦力，加快磨損速度，過小又會降低密封介質(zhì)壓力。過盈量既不容易達(dá)到推薦值也很難通過計算來準(zhǔn)確獲得，因此只有通過不斷試驗、不斷修改才能最后確定，以實現(xiàn)良好的密封性能。

（3）中心管和耐磨襯套同軸度和光潔度：中心管的同軸度和光潔度對產(chǎn)生的摩擦力大小有直接影響，同軸度誤差愈大，整個密封面的間隙越不均勻，密封性能越差。旋轉(zhuǎn)軸的表面粗糙度應(yīng)≤0.5μm。耐磨襯套的表面硬度也不容忽視，因此一般在表面噴涂硬質(zhì)合金，要求硬度HV≥1 000，這樣就極大地提高了耐磨襯套的表面抗磨損能力。

3.3 影響動密封壽命的其他因素

井口不同軸度、密封介質(zhì)的黏滯系數(shù)、環(huán)境溫度、介質(zhì)壓力都會對動密封壽命產(chǎn)生一定的影響，因此，要延長旋轉(zhuǎn)動密封工作壽命需從多個方面入手，綜合考慮密封材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境。另外，旋轉(zhuǎn)動密封要達(dá)到理想的密封效果，必須有一個良好的使用環(huán)境。

4 建議

（1）旋轉(zhuǎn)總成應(yīng)盡量居中放置，與鉆桿偏移應(yīng)在12 mm以內(nèi)，如果偏移度過大，將會造成旋轉(zhuǎn)軸承總成偏磨現(xiàn)象，加快動密封產(chǎn)熱速度，從而影響其密封性能及使用壽命。

（2）密封膠芯要補(bǔ)償量大且耐磨損能力好。

（3）建議在設(shè)計新型旋轉(zhuǎn)防噴器時選擇小尺寸旋轉(zhuǎn)動密封，并且合理優(yōu)化裝配尺寸和過盈量。現(xiàn)場使用時，要時刻保持水循環(huán)和油循環(huán)冷卻通道暢通。

（4）密封性能及使用壽命與密封件的冷卻有很大關(guān)系，鉆進(jìn)時，應(yīng)保證設(shè)備的循環(huán)冷卻水不間斷；起下鉆或拆裝旋轉(zhuǎn)總成時，應(yīng)停止供水。做到先開水后開鉆，先停鉆后停水。

（5）旋轉(zhuǎn)總成上提下放時要扶正且緩慢進(jìn)行，不能太快太猛，以免損壞密封圈和密封面。

（6）要提高耐磨襯套和軸承壓蓋的同軸度和表面光潔度，同時提高其表面硬度和耐磨性能，建議表面作硬化處理。

（7）旋轉(zhuǎn)總成與密封膠芯內(nèi)孔不允許與其不匹配的鉆桿通過，鉆桿在套入旋轉(zhuǎn)總成前須將方鉆桿上的毛刺銳角打磨掉，以免損壞膠芯及中心管。

（8）潤滑冷卻介質(zhì)不能含有磨礪性砂礫和鐵屑，最好在鉆井液與動密封之間加防塵密封，盡量避免鉆井液與旋轉(zhuǎn)動密封直接接觸。

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