油田提升设备用泥浆盘根的优化设计

　　摘　要：分析了油田提升设备用泥浆盘根的密封原理和密封失效的原因。通过对传统泥浆盘根的结构优化设计和成型工艺的摸索，研制出了耐高压、耐磨、使用寿命长的泥浆盘根产品。

　　关键词：泥浆盘根;密封失效;结构优化

　　近年来，伴随着油田和气井钻采深度的增加，井下温度越来越高，井内压力、泥沙的冲刷、原油及腐蚀性介质的侵蚀，对设备的安全可靠性也提出了更高的要求。提升设备作为井上设备，在钻井中是不可或缺的，而泥浆盘根作为主要的密封件，是该设备中薄弱的环节之一。传统泥浆盘根基本上能满足不超过3000m 井深的钻井要求，但随着钻井深度的不断提高，井下压力急剧增高，泥浆盘根的使用寿命急剧缩短，许多传统的密封件已经达不到使用要求。

　　目前，我国提升设备用密封件主要依赖进口，严重制约我国在石油、天然气等领域的发展。本工作拟通过对泥浆盘根密封原理和密封失效的原因分析，研制出满足国内中深井要求的耐高压泥浆盘根，提升我国工程装备制造业的技术水平。

　　1　泥浆盘根密封原理

　　泥浆盘根采用液压自封式密封结构，下部压环通过螺纹预紧后，盘根唇部张开，产生一定的预密封作用。当下部泥浆压力作用于盘根时，预紧力加大，密封唇口进一步张开，产生相应的自密封作用。在泥浆压力作用下其唇部始终压紧冲管外壁，用以隔绝泥浆，见图1。盘根密封结构见图2，密封盘根与下密封盒一起随中心管旋转，冲管工作时不旋转，但允许略有轴向窜动，冲管磨损均匀。与泥浆接触的下部第1级密封圈一侧承受全部泥浆压力，而背部则为大气压力，其他密封圈处于闲置状态，直到上一级密封圈失效，下一级密封圈就如同第1级密封圈一样作用。

　　2　密封失效原因分析

　　造成泥浆盘根密封失效主要有以下几方面因素：密封圈主体材料、密封圈结构、泥浆压力、泥浆成分、冲管表面光洁度、偏心及跳动量。

　　2.1　密封圈主体材料

　　目前国内提升设备用泥浆盘根主要有高硬度纯橡胶件、聚氨酯纯胶件和橡胶织物复合件3大类。

　　纯橡胶类盘根弹性好，在低压、低转速工况下，运转情况良好，但应用于高压情况时，由于材料模量低，耐压不足，加上唇口密封部位磨损严重，同时受高温及油气等腐蚀性介质的作用，橡胶材料发生溶胀和软化等变化，使产品的使用寿命缩短。

　　纯聚氨酯类盘根弹性优异，耐磨性优良，用于中高压情况时密封性能优良，但由于聚氨酯材料耐高温耐水性较差，受力破坏时易掉块，因此其使用寿命也不是很理想。

　　橡胶织物复合类盘根与前两种纯胶件相比，优点在于其耐磨性和耐高压性良好，因此该类盘根更适用于高压工况下使用。但织物类盘根缺点是其工作一段时间后，密封部位产生应力松弛，密封面磨损后接触面不光滑，导致密封唇口的接触应力下降，发生密封泄漏。

　　2.2　盘根结构

　　结构设计时，盘根密封唇口与冲管留有一定的过盈量，产品安装预紧后，唇口部位与冲管内壁属于过盈配合，因此，产品唇口与冲管之间的过盈量是关键的一个参数。过盈量越大，产品安装时越困难，设备运转时，摩擦力越大，产品较容易磨损，使用寿命会降低;过盈量小，产品安装容易，但两者界面之间的接触应力会减小，导致密封应力不够，同样也会影响产品的密封。

　　唇口部位的厚度也是结构方面影响盘根使用寿命的一项关键因素。唇口部位越厚，张开需要更大的应力，对高压密封越有利。

　　2.3　泥浆压力、泥浆成分的影响

　　随着钻井深度的增加，井下的泥浆压力和温度也随之增大，盘根与冲管间的摩擦力也相应的增大，密封部位磨损加剧，导致产品使用寿命缩短。

　　由于产品密封的介质为硫化氢、二氧化碳、烃烷、柴油、胺缓蚀剂、蒸气以及酸类复合、腐蚀性介质，对材料会造成溶胀、微观破坏等影响，势必会对产品的寿命造成非常重要的影响。

　　2.4　轴的偏心和跳动量、冲管光洁度

　　盘根工作时，下盘根盒与盘根一起旋转，冲管保持静止，由于转动时产生的偏心和轴的跳动量，盘根会产生较大的附加振动，这样的振动也会造成密封失效。

　　表面光洁度较差的冲管会加剧密封面的磨损，会增大其与密封面的摩擦力，不利于产品实现密封。

　　3　盘根结构优化设计

　　考虑到以上诸多因素的影响，本工作从以下几方面着手，对盘根的结构进行改进。

　　3.1　盘根结构优化

　　泥浆盘根工作时，唇口部位与旋转轴接触(某规格产品装配图见图3～4)，属于旋转动密封，其密封介质为高压、摩损性强的钻井液、泥沙、原油等，所以该产品对耐磨、承压性要求非常高。结合橡胶和织物两类产品的结构特点，泥浆盘根主体采用织物结构，以满足其耐高压和耐磨等严格要求，同时，为杜绝外部泥沙等介质渗入设备内部，产品外侧采用橡胶层对泥沙等进行隔离。设计的泥浆盘根结构见图5。

　　3.2　织物的选取

　　传统的织物类盘根多采用棉帆布作为主体材料[1]。棉帆布虽然与橡胶的粘合性能优良，但其强度、延伸率较差，高压下抗蠕变性较差，因此高压下产品会出现唇口部位侧翻甚至密封泄漏等问题。化纤布的强度、伸长率和耐磨性都很好，但其与橡胶的粘接性能较差，热收缩大，产品的尺寸稳定性差。综合棉帆布和化纤布两者的特点，选择采用棉帆布与化纤布交替叠加的结构，以保证盘根高耐磨、高承压和良好粘合性能等要求。

　　3.3　唇口过盈量

　　泥浆盘根工作时，外部与静止的缸体接触，属于静密封，而密封唇口与旋转轴接触，属于旋转动密封[2]。工作时，系统内压力及轴转速都非常高，所以，内外唇口的过盈量取值非常关键。过盈量取值小时，唇口与金属面的接触应力小，不足以密封泥沙等介质;过盈量较大时，接触面过大，会加剧唇口部位的磨损，也会影响产品的使用寿命。夹布类制品一般用于高压密封的场合，其过盈量的取值一般要略大于纯胶类制品，同时，产品与下盘根盒间的过盈量应略小于冲管间的过盈量，因此，结合以上所述，产品与下盘根盒间的过盈量一般在1.5%～2%，而与冲管的过盈量一般在2.5%～3%范围内。

　　3.4　唇口与冲管间的夹角

　　唇口与冲管间的夹角见图6。该角度较小时，高压工作时，相对接触面积增大，此种情况下，有利于产品的密封，但同时会加剧磨损，影响产品的使用寿命;该角度取值较大时，工作时，唇口与轴的接触面积减小，不利于密封。该角度取值按经验一般为5°～8°，在此范围内一般可保证产品的有效密封，也不会对产品的使用寿命有太大的影响。

　　3.5　其他因素

　　泥浆盘根的断面图见图7。包括根部高度(H)、唇部厚度(S)、内侧倒角(R)等。高压密封时，根部高度较小、唇口较薄时，受压后，产品易从根部或唇部打断，所以必须保证根部高度和唇口的厚度，以保证产品在正常使用时不至于损坏。内侧倒角若直接选择倒角时，顶点部位会存在应力集中，可能会导致从尖点部位打烂，因此此处选择圆弧过渡，使作用力平均分布在圆周上，这样更有利于延长产品的使用寿命。

　　按以上所述，并结合装配尺寸，设计的某规格产品结构见图8。

　　4　盘根用橡胶材料的研发

　　设备工作时，受到泥沙等的冲刷，因此对橡胶材料的耐磨性能要求也很高。另一方面，密封件在工作时接触大量的原油、天然气及腐蚀性气体，故胶料还要求具有防腐、耐油性能。考虑到以上诸多因素，配方设计时，主体材料选用丙烯腈含量中等的丁腈橡胶，兼顾其耐油和耐低温的要求;同时考虑到产品在长期受力情况下较低的压缩永久变形和加工安全性，胶料采用硫黄和过氧化物复合的硫化体系，并配以高防护效果的防老剂以提高材料的耐老化性能;为了满足胶料的加工工艺性能，补强体系选用喷雾炭黑和快压出炭黑。

　　按照该思路设计的胶料配方及测试数据见表1。

　　5　泥浆盘根成型工艺

　　泥浆盘根结构较为复杂，由于该产品主体材料为织物，产品的断面尺寸较厚，因此半成品的制备比较关键。确定成型工艺见图9。

　　6　装机考核验证

　　采用优化后的产品结构、橡胶材料及成型工艺生产的某规格泥浆盘根产品，已通过打压试验(试验压力78MPa)，并已通过实际装机考核试验，满足高压52MPa下的使用要求，经试用后，产品使用寿命约为30d(传统密封件使用寿命约为10～15d)，用户反映良好。

　　7　结论

　　1)油田提升设备用泥浆盘根属于液压自封式密封结构，密封圈主体材料、密封圈结构、泥浆压力、冲管表面光洁度、转动惯性和离心力等因素会造成泥浆盘根密封失效;

　　2)通过对传统盘根结构优化、橡胶新材料的研发及成型工艺的摸索，研制的泥浆盘根经实际装机考核验证，满足高承压的使用要求，有效提高了产品的使用寿命。

　　参考文献：

　　[1]　谢遂志，刘登祥，周鸣峦.橡胶工业手册(第1分册)[M].北京：化学工业出版社，1992.

　　[2]　林孔勇，金晟娟，梁星宇.橡胶工业手册(第6分册)[M].北京：化学工业出版社，1993.

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