帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯密封性能分析

馬衛(wèi)國，陳 婷，徐杏娟，吳霽薇，張海峰，曾 琦(.長江大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 荊州 43403；.渤海鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，天津 300457)

帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯密封性能分析

馬衛(wèi)國1，陳 婷1，徐杏娟2，吳霽薇1，張海峰1，曾 琦1
(1.長江大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.渤海鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，天津 300457)

利用三維建模SolidWords軟件及有限元分析軟件ABAQUS，建立了帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯與管柱密封結(jié)構(gòu)的三維簡化模型。該密封結(jié)構(gòu)屬于組合式密封結(jié)構(gòu)，由丁腈類橡膠 (NBR) 組成的橡膠基體和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)組成的耐磨塊構(gòu)成。研究了3種不同封井壓力作用下膠芯與管柱之間的應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明：在液壓封井力為20 MPa時，該閘板防噴器膠芯可用于密封井底壓力不超過35 MPa的帶壓作業(yè)環(huán)空；膠芯失效位置主要集中在橡膠基體與上下墊板接觸區(qū)域及耐磨塊圓弧面上靠近中線位置區(qū)域，與現(xiàn)場實際應(yīng)用中膠芯的失效位置基本相符，驗證了分析的正確性。

閘板防噴器；膠芯；密封；分析

在油氣井的勘探、開發(fā)到后期的維護過程中，產(chǎn)層都會受到不同程度的傷害。帶壓作業(yè)可減輕對產(chǎn)層的污染，最大限度地保護原始地層，改善作業(yè)環(huán)境，同時給油田中后期的穩(wěn)產(chǎn)帶來較大的保障[1-2]。閘板防噴器是帶壓作業(yè)設(shè)備的核心裝置，其膠芯的密封能力、壽命是影響帶壓作業(yè)設(shè)備的關(guān)鍵因素。本文通過對帶壓作業(yè)閘板防噴器的工作特性、密封原理進行分析，運用SolidWorks軟件建立帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯與管柱的三維模型，并利用ABAQUS進行非線性接觸分析，得到閘板防噴器膠芯與管柱之間接觸應(yīng)力和Mises應(yīng)力分布規(guī)律，為帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯工作原理

閘板防噴器的密封結(jié)構(gòu)由2個密封副組成，分別是前部膠芯和管柱外徑組成圓周面接觸密封副，頂部膠芯與殼體內(nèi)頂面組成平面接觸密封副。其中，前部膠芯與管柱組成的圓周面密封副由平面和圓弧面組成，膠芯弧面密封管柱，膠芯平面用來密封2個半環(huán)密封的分界平面。在帶壓作業(yè)裝置工作過程中，接箍探測器檢測到接箍或井下工具要通過閘板防噴器時發(fā)送信號，液壓系統(tǒng)控制活塞驅(qū)動閘板體徑向移動，使閘板膠芯解封；當(dāng)接箍探測器檢測到接箍或井下工具已通過閘板防噴器時發(fā)送信號，液壓系統(tǒng)控制活塞驅(qū)動閘板體徑向移動，使閘板膠芯的圓弧面與管柱接觸，頂部膠芯與殼體內(nèi)頂面接觸。在前部橡膠平面部分與圓弧面部分同時被壓縮，直至閘板在各外力作用下平衡時，前部橡膠和頂部橡膠受壓產(chǎn)生變形形成密封比壓來封住井中帶壓流體。上下2個閘板防噴器交替開啟和關(guān)閉，使帶壓作業(yè)裝置間歇密封，從而保證管柱在密封狀態(tài)下安全起出、下放，帶壓作業(yè)主要設(shè)備組成如圖1所示。其中前部膠芯屬于易損件，本文主要分析前部膠芯，以下統(tǒng)稱為膠芯。

1—下接箍探測器；2—下閘板防噴器；3—壓力平衡短節(jié)；4—上接箍探測器；5—上閘板防噴器；6—鎖緊手柄；7—半閘板；8—密封膠芯；9—管柱。圖1 帶壓作業(yè)主要設(shè)備組成

2 帶壓作業(yè)閘板防噴器工況特點

在帶壓作業(yè)過程中，閘板防噴器膠芯所密封管柱處于軸向直線運動狀態(tài)，密封類型屬于往復(fù)式動密封。該工況條件下，管柱與閘板防噴器膠芯圓弧面接觸部分會產(chǎn)生較大動摩擦力，磨損比較嚴(yán)重。因此，需要選擇與管柱之間摩擦因數(shù)較小且耐磨性好的閘板防噴器膠芯材料。其次，在帶壓作業(yè)過程中，閘板防噴器膠芯要高頻率的開啟和關(guān)閉，對閘板防噴器密封件的可靠性比一般閘板防噴器相對較高。

常規(guī)閘板防噴器一般用于封井或在發(fā)生緊急情況時使用。通過關(guān)閉閘板防噴器，可使管柱與套管之間的環(huán)形空間密封，防止泥漿液或高壓油氣溢出。因此，常規(guī)閘板防噴器膠芯的工作狀態(tài)主要是靜密封。常規(guī)閘板防噴器膠芯主要采用丁腈類橡膠(NBR)，這類材料的自潤滑性、耐磨性較差。由于閘板防噴器自身結(jié)構(gòu)特點，膠芯磨損后無法實現(xiàn)自補償，不能滿足后續(xù)工作要求。相比之下，帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯的性能要求更高，常規(guī)的閘板防噴器膠芯不能直接用于帶壓作業(yè)，需要針對帶壓作業(yè)制造配套的閘板防噴器膠芯。

3 帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯性能分析

3.1 膠芯的物理模型

帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯由丁腈類橡膠(NBR)和插入前部的耐磨塊組成，屬于組合式密封結(jié)構(gòu)。橡膠基體實現(xiàn)高彈性，屬于靜密封形式；耐磨塊實現(xiàn)耐磨功能，耐磨塊的圓弧面與管柱接觸面間密封形式屬于動密封。該結(jié)構(gòu)中耐磨塊采用自潤滑性、耐磨性較好的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)。此結(jié)構(gòu)在耐磨塊失效時，只需更換耐磨塊，橡膠基體無需更換。根據(jù)其工作特點和設(shè)計原理，利用三維軟件建立其幾何模型，如圖2 所示。

1—丁腈類橡膠(NBR)；2—耐磨塊。圖2 帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯模型

3.2 有限元計算

3.2.1 材料性能參數(shù)

ABAQUS材料庫中的超彈性材料模型有很多種類型，用戶可以根據(jù)實際材料的試驗特性來選擇合適的模型。工程上常采用Yeoh模型來模擬橡膠材料，其本構(gòu)模型系數(shù)選取以下材料常數(shù)：C10=2.539 8 MPa，C20=-1.816 1 MPa，C30=1.246 0 MPa[3-8]。耐磨塊材料基本常數(shù)如下：E=600 MPa，μ=0.3，拉伸屈服強度δs=50 MPa。橡膠基體之間的摩擦因數(shù)為0.5，橡膠與閘板之間的摩擦因數(shù)為0.5，耐磨塊與管柱之間的摩擦因數(shù)為0.05[8-10]。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

對橡膠基體采用四面體線性C3D4H 單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分73 620個單元；耐磨塊采用六面體減縮單元C3D8R，同時對耐磨塊圓弧面進行網(wǎng)格細分，共劃分13 530個單元；閘板設(shè)為離散剛體，采用R3D3單元劃分，總共劃分5 824個單元；管柱設(shè)為解析剛體，不需要對其進行網(wǎng)格劃分。膠芯劃分后的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 膠芯網(wǎng)格模型

3.2.3 邊界條件

根據(jù)閘板防噴器的實際工況(不考慮管柱偏心)，管柱設(shè)置全約束，管柱軸線與y軸重合，約束閘板體其他方向的自由度，使它只能沿z軸運動，約束膠芯兩端x方向。沿z軸在閘板體的兩后平面分別施加10、15、20 MPa液壓載荷。

4 計算結(jié)果分析

膠芯在20 MPa液壓載荷下的有限元仿真分析結(jié)果如圖4。由圖4可知，耐磨塊與橡膠基體相比，耐磨塊所受的Mises相對較大，Mises應(yīng)力較大的位置在耐磨塊與橡膠基體接觸部位的上下棱角處。橡膠基體中Mises應(yīng)力分布相對較小，其中應(yīng)力集中較明顯的區(qū)域位于橡膠基體與上下墊板接觸區(qū)域。因此，隨著關(guān)井次數(shù)增加，橡膠基體與上下墊板接觸區(qū)域會發(fā)生疲勞性損壞，出現(xiàn)橡膠撕裂、掉膠等現(xiàn)象[11]。

圖4 20 MPa下膠芯Mise應(yīng)力云圖

膠芯密封面接觸應(yīng)力云圖如圖5，橡膠基體平面密封面接觸應(yīng)力分布均勻；耐磨塊密封面上接觸應(yīng)力分布相對不均，耐磨塊與橡膠基體接觸處接觸應(yīng)力較大，耐磨塊平面與圓弧面交匯處接觸應(yīng)力較小。

圖5 20 MPa下膠芯密封面接觸應(yīng)力云圖

取3條不同的路徑S1、S2、S3，如圖2，對10、15、20 MPa 3種封井壓力下，前部膠芯密封面上不同位置的接觸應(yīng)力分布規(guī)律進行分析。S1取沿閘板防噴器長度方向并處在前部膠芯密封面的中線上，S2取沿閘板防噴器厚度方向并處在前部膠芯耐磨塊平面與圓弧面交匯處尖角，S3取沿閘板厚度方向并處在前部膠芯耐磨塊圓弧面接觸區(qū)域的中線上。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，提取S1、S2和S33條路徑上不同接觸應(yīng)力值，分別繪制3條路徑在不同載荷作用下的曲線，如圖6。

由圖6可知，膠芯密封面上的接觸應(yīng)力隨著液壓封井壓力的增大而增大；液壓載荷為15 MPa時，膠芯密封面上接觸應(yīng)力大于35 MPa，可用于密封井底壓力不超過35 MPa的帶壓作業(yè)環(huán)境。由圖6a、6b可知，路徑S1和S2隨著液壓載荷的增加，沿閘板厚度方向的變形量增大，符合閘板防噴器膠芯密封的實際情況。由圖6a、6c可知，耐磨塊圓弧面接觸區(qū)域接觸應(yīng)力隨著封井壓力的增大而增大、總體接觸應(yīng)力比其他部分大，越靠近圓弧面中線位置接觸應(yīng)力越大。面接觸且接觸面之間有相對滑動時，接觸應(yīng)力越大的區(qū)域磨損會越嚴(yán)重，所以耐磨塊圓弧面上靠近中線位置區(qū)域磨損較嚴(yán)重。由于閘板防噴器自身結(jié)構(gòu)特點，膠芯磨損量達到極值時，耐磨塊失效。

a S1路徑的接觸應(yīng)力曲線

b S2路徑的接觸應(yīng)力曲線

c S3路徑的接觸應(yīng)力曲線

5 結(jié)論

1) 在帶壓作業(yè)工況下，閘板防噴器膠芯的耐磨性能至關(guān)重要。故帶壓作業(yè)閘板防噴器膠芯要采用耐磨性能優(yōu)異的材料。

2) 閘板防噴器膠芯選用丁腈類橡膠(NBR)和自潤滑性能優(yōu)異的超高分子量聚乙烯組成的密封結(jié)構(gòu)，在力學(xué)及密封性能上能夠滿足帶壓作業(yè)需求。通過分析結(jié)果可知，這種形式的閘板防噴器可以用于密封井底壓力不超過35 MPa的帶壓作業(yè)環(huán)空。

3) 有限元分析結(jié)果可知，膠芯失效位置主要集中在橡膠基體與上下墊板接觸區(qū)域和耐磨塊接觸應(yīng)力較大區(qū)域。這與現(xiàn)場實際應(yīng)用中膠芯的失效位置基本相符，說明分析方法的正確性。有限元數(shù)值模擬可為帶壓作業(yè)閘板防噴器的設(shè)計及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

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Sealing Performance Analysis of Ram Blowout Preventer Rubber Core in Snubbing Service

MA Weiguo1，CHEN Ting1，XU Xingjuan2，WU Jiwei1，ZHANG Haifeng1，ZENG Qi1
(1.SchoolofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China；2.CNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLiited，Tianjing300457，China)

The three-dimensional simplified model between rubber core and pipe of the Rom BOP used in snubbing service were established by utilizing software Solidworks，which is composed of the rubber substrate (NBR) and wear insert (UHMW-PE).Meanwhile，the model was analyzed by using the finite element analysis soft Abaqus，which is the nonlinear finite element contact analysis.The distribution of contact stress between the rubber core and the drilling pipe in three different loading were studied.The results show that the rubber core can be used for sealing no more than 35 MPa in snubbing at the hydraulic stripper force of 20 MPa.The main failure location of rubber core focus on the contact area between the rubber matrix and top and bottom plate and near the central position on the circular surface of wear insert，which is consistent with the actual conditions of the oilfield and which explained the reliable of finite element analysis results，otherwise，which provides a theoretical reference for rubber core.

ram blowout preventer；rubber core；sealing；analysis

2016-12-08

長江青年人才基金(201526862)資助

馬衛(wèi)國(1961-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為石油機械，E-mail：mwg-jh@ vip.sina.com。

1001-3482(2017)03-0029-04

TE921.50

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.006