泥漿脈沖發(fā)生器活塞壓力平衡裝置的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

林坤, 馬朝選, 李軍科, 郭嗣杰, 王潔冰

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所, 河北 邯鄲 056027)

0 引 言

石油測井儀器在井下要承受高溫高壓作用,為了避免儀器因高壓而損壞,保持儀器的內(nèi)外壓力平衡是既簡單又可行的方法。

硅油具有氧化穩(wěn)定性、良好的潤滑性、不導(dǎo)電、對氣泡不溶解和去氣泡性能、對橡膠密封件無腐蝕和不溶解等良好的性質(zhì),而且在高溫、高壓作用下體積變化不大,所以選用硅油作為實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓力平衡的介質(zhì)[1]。當(dāng)硅油在高溫高壓作用下體積發(fā)生改變時(shí),儀器內(nèi)部的油腔空間也應(yīng)隨之增大或減小,從而使儀器內(nèi)外壓力保持平衡,達(dá)到壓力補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

泥漿脈沖發(fā)生器的活塞在井下高溫高壓作用下工作的力學(xué)機(jī)制非常復(fù)雜,活塞在井下既要移動(dòng)靈活,又要密封可靠,是活塞壓力平衡裝置所遇到的新問題和挑戰(zhàn)。本文通過分析活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封機(jī)理,采取措施避免活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成泄露;通過建立壓力平衡裝置的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力學(xué)模型,分析影響活塞移動(dòng)靈活的因素和井下工作的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為壓力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封機(jī)理分析

用作往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封時(shí),O型密封圈的預(yù)密封效果和自密封作用與靜密封一樣;O型密封圈因自身的彈性,具有磨損后自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰?。?dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),密封依靠密封件與運(yùn)動(dòng)活塞桿之間流體膜的彈性流體動(dòng)壓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

O型密封圈的動(dòng)密封機(jī)理如圖1所示。當(dāng)液體在壓力作用下,密封件與往復(fù)運(yùn)動(dòng)平面之間始終存在起一定密封作用的液體油膜,該油膜對運(yùn)動(dòng)密封面的潤滑非常重要。但是,往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞缸縮回時(shí)該液體薄膜便被密封元件阻留在外面,逐漸形成油滴,造成往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封裝置的泄漏[2-6]。

圖1 O型密封圈的動(dòng)密封機(jī)理

O型密封圈作為往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封件,有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小等特點(diǎn),可以降低零件價(jià)格,適用于小直徑、短行程和中低壓力的場合。綜合考慮直徑、行程和性價(jià)比,該壓力平衡裝置選用O型密封圈作為往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封原件。

2 活塞壓力平衡裝置的力學(xué)模型

活塞壓力平衡裝置的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[7]如圖2所示。在圖2中,在井下一定深度作用在泥漿脈沖發(fā)生器活塞上的外界壓力為p外;系統(tǒng)內(nèi)部油液與活塞之間形成油腔,左側(cè)腔充滿壓力油硅油,對活塞施加的壓力為p油,與此同時(shí),活塞與活塞缸套之間因相互接觸,產(chǎn)生靜摩擦力Fs或動(dòng)摩擦力Ff。

圖2 活塞壓力平衡裝置的力學(xué)模型

由于油液的可壓縮性,活塞與活塞缸套之間組成可變的補(bǔ)償容積,隨著測井深度的不斷增加,在活塞上的外界壓力p外升高,油液在活塞的移動(dòng)下被壓縮,左側(cè)腔室硅油對活塞施加的壓力p油也隨著上升,最終達(dá)到壓力平衡。

3 壓力平衡裝置靜態(tài)特性建模與分析

3.1 靜態(tài)力學(xué)模型的建立

壓力平衡裝置開始工作時(shí),由于活塞與活塞缸套之間的靜摩擦力的作用,活塞保持靜止?fàn)顟B(tài),在井下壓力、硅油壓力以及靜摩擦力的作用下,其內(nèi)部靜態(tài)力平衡方程[8]為

p外S=p油S+Fs

(1)

(2)

式中,p油為油腔內(nèi)的硅油壓力;p外為儀器所在深度作用在活塞上的外界壓力;Fs為活塞與活塞缸套之間的靜摩擦力;S為活塞工作面的面積;D為活塞的直徑。

由式(1)、式(2)可得活塞在靜止?fàn)顟B(tài)下活塞平衡裝置的內(nèi)、外壓差(啟動(dòng)壓差)為

(3)

由式(3)可知,在其他參數(shù)確定的情況下,啟動(dòng)壓差Δp與靜摩擦力Fs成正比。靜摩擦力越大,啟動(dòng)壓差越大,對壓力平衡裝置的影響越嚴(yán)重。

3.2 運(yùn)動(dòng)摩擦力分析

密封運(yùn)動(dòng)摩擦力Ff由2部分組成[9-10]。

O型密封圈預(yù)壓縮產(chǎn)生的初始摩擦阻力Fe

(4)

O型圈在活塞內(nèi)外壓差為Δp的液壓油作用下產(chǎn)生的摩擦力增量Fp

(5)

則活塞的動(dòng)密封運(yùn)動(dòng)摩擦力Ff

(6)

式中,f為活塞與活塞缸套之間的摩擦系數(shù);D為O型密封圈的外徑;d為O型密封圈的截面直徑;e為O型密封圈的預(yù)壓縮率;E為O型密封圈材料的彈性模量;μ為O型密封圈材料的泊松系數(shù)。

靜止時(shí),O型密封圈的靜摩擦力與動(dòng)摩擦力之間的關(guān)系為

Fs=α×Ff

(7)

式中,α為O型密封圈的啟動(dòng)摩擦系數(shù),取值范圍為3～4。活塞、密封圈以及活塞缸套之間形成的是過盈配合,使接觸界面間無潤滑劑,形成干摩擦,起到摩擦系數(shù)變大,啟動(dòng)摩擦力變大;啟動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)最大;活塞的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)油液的滾動(dòng),活塞缸套內(nèi)壁油膜對活塞起到潤滑作用,啟動(dòng)后的摩擦系數(shù)減小。

將式(6)、式(7)代入式(3)得出壓力平衡裝置的內(nèi)外壓差與啟動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系

(8)

由式(8)可知,當(dāng)摩擦系數(shù)f為常數(shù)時(shí),啟動(dòng)摩擦系數(shù)α增大,活塞壓力平衡裝置的啟動(dòng)壓差Δp增大;當(dāng)啟動(dòng)摩擦系數(shù)α為常數(shù)時(shí),摩擦系數(shù)f增大,活塞壓力平衡裝置的啟動(dòng)壓差Δp增大。

在活塞壓力平衡裝置設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)減小活塞與活塞缸套之間的摩擦系數(shù)和啟動(dòng)摩擦系數(shù),減小啟動(dòng)壓差,使活塞與活塞缸套之間的運(yùn)動(dòng)更加靈活,提高泥漿脈沖發(fā)生器調(diào)節(jié)壓力平衡的靈敏度。

4 壓力平衡裝置動(dòng)態(tài)特性建模與分析

隨著測井深度不斷增加,活塞在壓力差和動(dòng)摩擦力的作用下會(huì)向左移動(dòng)(見圖2)。假設(shè)系統(tǒng)無阻尼作用,壓力平衡裝置工作時(shí)的動(dòng)平衡方程[12-14]為

(9)

式中,x為活塞的運(yùn)動(dòng)位移;m為活塞的質(zhì)量;Ff為活塞與活塞缸套的動(dòng)摩擦力。

活塞在活塞缸套內(nèi)運(yùn)動(dòng),由一種動(dòng)平衡到另外一種動(dòng)平衡的過程中,油腔內(nèi)油液體積壓縮量與活塞行程的關(guān)系為

dV=Sdx

(10)

油液體積壓縮而引起的壓力變化為

(11)

兩邊積分得

(12)

當(dāng)儀器在地面上時(shí),活塞位移為0,油腔內(nèi)的壓力與外界大氣壓強(qiáng)p0相等,即1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓C=p0=1×105Pa,代入式(12)可得活塞油腔內(nèi)的壓力與活塞行程之間的關(guān)系為

(13)

式中,E為油液的體積彈性模量;V油為活塞油腔內(nèi)油液的體積;C為待定常數(shù);p0為大氣壓強(qiáng),p0=1×105Pa。

把式(13)代入式(9),得

(14)

整理,得

(15)

(16)

由式(16)可知,活塞在外界壓力和液壓油的作用下,運(yùn)動(dòng)位移曲線是正弦曲線。隨著外界壓力和液壓油壓力的不斷變化,活塞不斷的運(yùn)動(dòng)達(dá)到新的平衡位置。

圖3 現(xiàn)有的壓力平衡裝置結(jié)構(gòu)

5 活塞壓力平衡裝置的設(shè)計(jì)

5.1 現(xiàn)有壓力平衡裝置的缺點(diǎn)

現(xiàn)有泥漿脈沖發(fā)生器壓力平衡裝置結(jié)構(gòu)見圖3。波紋管套在波紋管軸和固定軸上,用細(xì)鋼絲扎緊;補(bǔ)償膜套在補(bǔ)償膜支架上,用細(xì)鋼絲扎緊,然后進(jìn)行裝配,在脈沖發(fā)生器中波紋管和補(bǔ)償膜里面充滿油。

泥漿脈沖發(fā)生器工作在高速流動(dòng)、高腐蝕性、高溫高壓的泥漿環(huán)境中,波紋管和補(bǔ)償膜調(diào)整儀器內(nèi)外壓力差,波紋管將泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)的油與泥漿隔離,使儀器內(nèi)外壓力平衡。

波紋管和補(bǔ)償膜材料為氟橡膠的橡膠件。細(xì)鋼絲和波紋管、補(bǔ)償膜橡膠件工作在高溫、高腐蝕性的

泥漿中一段時(shí)間后,細(xì)鋼絲常被腐蝕斷,甚至有時(shí)波紋管和補(bǔ)償膜會(huì)破裂,泥漿脈沖發(fā)生器因泥漿進(jìn)入而無法正常工作,嚴(yán)重時(shí)還有可能因泥漿進(jìn)入使電路短路而引起電池爆炸。

5.2 活塞壓力平衡裝置的結(jié)構(gòu)

充分考慮活塞壓力平衡裝置的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和現(xiàn)有壓力平衡裝置的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)的壓力平衡裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 壓力平衡裝置結(jié)構(gòu)

采用活塞與活塞缸的動(dòng)密封在泥漿脈沖發(fā)生器的平衡外筒內(nèi)部形成一個(gè)密封環(huán)境,同時(shí)在其內(nèi)部充滿高溫硅油,通過井底的鉆井液壓力與脈沖發(fā)生器內(nèi)部液壓油的壓力差推動(dòng)活塞在活塞缸內(nèi)運(yùn)動(dòng),以增大或減小脈沖發(fā)生器的內(nèi)部油壓最終平衡鉆井液與脈沖發(fā)生器之間的壓力;在脈沖發(fā)生器工作時(shí),活塞桿穿過活塞中心處,與閥套控制泥漿的通斷,平衡活塞內(nèi)外之間的壓差,從而就使得脈沖發(fā)生器能夠適應(yīng)高溫、高壓等復(fù)雜工況的施工,既可以減少橡膠部件所引起的脈沖器故障,又能提高脈沖發(fā)生器抗高溫、抗高壓的能力,提高了脈沖發(fā)生器的性能和質(zhì)量。

5.3 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)[15-16]見圖5?；钊惭b在活塞缸內(nèi)且與活塞缸的內(nèi)壁通過O型密封圈密封;活塞帽安裝在活塞缸的右側(cè);活塞桿與活塞之間通過密封圈密封,壓板固定安裝在活塞的左端,用于壓緊密封圈,能夠更好地保證活塞與活塞桿之間的密封性,彈性擋圈用于固定壓板。

為了避免活塞移動(dòng)過程因靜摩擦力產(chǎn)生爬行現(xiàn)象[17]對活塞缸造成損壞,把活塞設(shè)計(jì)成U型結(jié)構(gòu)形式(見圖5),兩長邊起到導(dǎo)向的作用,避免了活塞結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)由于截面受力不均而產(chǎn)生的傾斜導(dǎo)致活塞缸套的損壞。同時(shí),在活塞的外表面設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽,減小了活塞與活塞缸套之間的摩擦接觸面,相比傳統(tǒng)的柱塞式的活塞結(jié)構(gòu)大大減輕了質(zhì)量,減小壓力平衡裝置的啟動(dòng)壓差,使活塞與活塞缸之間的運(yùn)動(dòng)的靈活性提高了36%。

圖5 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

6 結(jié) 論

(1) 通過對泥漿脈沖發(fā)生器活塞壓力平衡裝置的靜動(dòng)態(tài)特性建模與分析,在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)減小活塞與活塞缸套之間的摩擦系數(shù)和啟動(dòng)摩擦系數(shù),減小啟動(dòng)壓差,使活塞與活塞缸套之間的運(yùn)動(dòng)更加靈活,提高泥漿脈沖發(fā)生器調(diào)節(jié)壓力平衡的靈敏度。

(2) 泥漿脈沖發(fā)生器采用活塞、活塞缸與O型密封圈組成的壓力平衡裝置,能夠適應(yīng)高溫、高壓等復(fù)雜工況的施工,既可以減少現(xiàn)有儀器橡膠部件所引起的脈沖發(fā)生器故障,又能提高脈沖發(fā)生器抗高溫、抗高壓的能力,提高了脈沖發(fā)生器的性能和質(zhì)量。

(3) 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)中把活塞設(shè)計(jì)成U型結(jié)構(gòu)形式,在活塞的外表面設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽,減小了活塞與活塞缸套之間的摩擦接觸面,相比傳統(tǒng)的柱塞式的活塞結(jié)構(gòu)大大減輕了質(zhì)量,減小壓力平衡裝置的啟動(dòng)壓差,使活塞與活塞缸之間的運(yùn)動(dòng)的靈活性大大提高。

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