連續(xù)油管用閘板防噴器矩形膠芯的特性研究

, , , , 莊會(huì), ，

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.蘇州道森鉆采設(shè)備股份有限公司，江蘇 蘇州 215100)

連續(xù)油管技術(shù)以其在降低作業(yè)成本、特殊作業(yè)增產(chǎn)等方面的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)石油工業(yè)中。但作為井控作業(yè)中必不可少的井口防噴裝置的閘板防噴器存在著如膠芯易磨損、使用周期短、密封效果不太理想等問(wèn)題[1-3]。為使密封膠芯實(shí)現(xiàn)可靠的封井作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膠芯的密封機(jī)理及其特性(包括材料、物理性能、力學(xué)性能等)進(jìn)行了大量研究。崔嵐等[4-5]研究了閘板防噴器膠芯的疲勞損傷失效行為，應(yīng)用橡膠非線性大變形理論，推導(dǎo)出閘板膠芯抱緊力計(jì)算式；張寶生等[6]利用有限元方法得出膠芯的應(yīng)力應(yīng)變分布形態(tài)及接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，提出液體動(dòng)壓柔性徑向密封的方法增大密封壓力。Luo等[7-9]研究了膠芯壽命的預(yù)測(cè)方法，提出防止膠芯密封失效的措施來(lái)提高密封膠芯的性能和壽命。

而目前的研究集中于對(duì)常規(guī)鉆桿密封膠芯的結(jié)構(gòu)、密封機(jī)理及其特性進(jìn)行研究，未能提出從根本上改變閘板防噴器膠芯在關(guān)鍵密封部位經(jīng)常出現(xiàn)磨損破壞的有效措施。針對(duì)這種問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有膠芯的研究理論及其承壓分布規(guī)律，考慮到可通過(guò)合理增加其有效承壓面積，減輕膠芯關(guān)鍵密封弧面部位的壓力，使得其壓力分布更多偏離這一關(guān)鍵密封弧面，在此次連續(xù)油管用閘板防噴器的密封膠芯上，設(shè)計(jì)了一種新型矩形膠芯，并對(duì)其封井能力、彈塑性能及疲勞壽命特性進(jìn)行分析，研究表明該矩形膠芯最易磨損破壞的部分出現(xiàn)在膠芯前部的左右兩側(cè)上下兩端與墊鐵棱邊接觸部位以及背部?jī)蓚?cè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開了與連續(xù)油管的密封接觸弧面部位，使得連續(xù)油管閘板防噴器具有更加可靠的封井效果，且對(duì)于常規(guī)鉆桿密封膠芯的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

圖1 矩形膠芯的三維模型Fig.1 Three-dimensional model of rectangular rubber core

圖2 矩形膠芯的力學(xué)模型

1 矩形膠芯的三維模型及其力學(xué)模型的建立

矩形膠芯主要作用是密封井口套管和連續(xù)油管之間的空隙，防止發(fā)生井噴、井涌等重大安全事故[10]。矩形膠芯由液壓驅(qū)動(dòng)活塞推動(dòng)閘板帶動(dòng)膠芯，靠近并接觸抱緊連續(xù)油管時(shí)，主要靠液壓系統(tǒng)的推動(dòng)力和井內(nèi)介質(zhì)壓力(井噴壓力)相互累加作用，使矩形膠芯唇部密封弧面壓緊連續(xù)油管，實(shí)現(xiàn)可靠封井[11]。根據(jù)連續(xù)油管的特點(diǎn)和傳統(tǒng)常見的膠芯結(jié)構(gòu)特征存在的不足，改進(jìn)設(shè)計(jì)的矩形膠芯模型如圖1所示。

組成連續(xù)油管用閘板防噴器的柔性密封組件包括矩形膠芯、殼體夾持器及膠芯中部凹陷區(qū)墊鐵等[12]，因而當(dāng)閘板防噴器正常工作時(shí)，矩形膠芯封井力的計(jì)算要考慮相關(guān)柔性密封組件對(duì)矩形膠芯產(chǎn)生的影響。矩形膠芯的簡(jiǎn)化靜力學(xué)模型如圖2所示。圖中各參數(shù)所代表的物理學(xué)含義：F1—作用在矩形膠芯背部的液壓推動(dòng)力；F2—井內(nèi)介質(zhì)助封力；F3—墊鐵對(duì)矩形膠芯的作用力；F4—?dú)んw夾持器與矩形膠芯側(cè)導(dǎo)向接觸面間的摩擦力；F5—?dú)んw夾持器對(duì)矩形膠芯的作用力；F6—矩形膠芯圓弧密封面與連續(xù)油管外表面間的摩擦力；q1—連續(xù)油管對(duì)膠芯圓弧密封面的徑向作用力;q2—矩形膠芯前部弧面部分相互間的法向作用力。

2 矩形膠芯的密封力計(jì)算

1) 矩形膠芯的密封力F1：矩形膠芯在液壓系統(tǒng)提供的關(guān)井力F0推動(dòng)下靠近連續(xù)油管運(yùn)動(dòng),需要克服膠芯側(cè)導(dǎo)向面與殼體夾持器的摩擦阻力F4，膠芯上(下)部墊鐵與閘板腔頂(底)部密封面的摩擦阻力fd及液壓系統(tǒng)活塞桿的密封阻力fs，故矩形膠芯的關(guān)井密封力F1為

F1=F0-F4-fd-fs。

(1)

2) 助封力F2：助封力與井內(nèi)介質(zhì)壓力、矩形膠芯的結(jié)構(gòu)承壓面積成正比[13],即

F2=[bl-2γ(a+n)]p。

(2)

式中:b—矩形膠芯中部凹陷區(qū)厚度(矩形膠芯前部密封面的厚度)；l—矩形膠芯中部凹陷區(qū)承壓寬度；r1—矩形膠芯墊鐵的內(nèi)弧半徑，約等于膠芯弧面半徑r(圖3)；a、n—閘板結(jié)構(gòu)尺寸(圖4)；p—井內(nèi)介質(zhì)壓力。

圖3 矩形膠芯結(jié)構(gòu)Fig.3 Rectangular rubber core structure

圖4 半封閘板結(jié)構(gòu)組件Fig.4 Semi-closure rams structure components

3) 關(guān)井時(shí)矩形膠芯的總密封力F：考慮到在實(shí)際關(guān)井情況下，井內(nèi)介質(zhì)總是存在著一定壓力的,故矩形膠芯前部密封的總密封力為:

F=BLp0+[bl-2r1(a+n)]p-F4-fd-fs。

(3)

式中：B—矩形膠芯背部厚度；L—矩形膠芯背部長(zhǎng)度(忽略弧度后)；p0—作用于矩形膠芯背部的壓力。

3 矩形膠芯的有限元分析

結(jié)合連續(xù)油管用閘板防噴器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作環(huán)境，針對(duì)研究?jī)?nèi)容，在不影響分析結(jié)果的情況下，為了便于求解，不考慮溫度等環(huán)境因素對(duì)模擬結(jié)果的影響；矩形膠芯與連續(xù)油管、半封閘板殼體、墊鐵等處的摩擦忽略不計(jì)；忽略矩形膠芯的圓角等形狀特征，對(duì)矩形膠芯的三維模型作出適當(dāng)簡(jiǎn)化。

根據(jù)連續(xù)油管用閘板密封膠芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用八節(jié)點(diǎn)、六面體單元Solid185, 使用ANSYS 對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析計(jì)算時(shí)，矩形膠芯材料采用丁腈橡膠，彈性模量E=6.1 MPa,泊松比0.49，采用Mooney-Rivlin兩參數(shù)模型，確定的模型材料參數(shù)為C10=4.622，C01=-1.548，D1=0.006 54。在建立算例時(shí)應(yīng)使用非線性、大變形選項(xiàng)，采用自由網(wǎng)格、局部加密的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14-15]，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后生成的矩形膠芯的有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 713個(gè),生成單元數(shù)為16 045個(gè)。有限元模型如圖5所示。

在ANSYS的Define Load模塊中，對(duì)矩形膠芯有限元模型施加邊界條件和工況載荷。根據(jù)實(shí)際工況在矩形膠芯的背部施加的壓力載荷應(yīng)是線性均勻的[16-17]，矩形膠芯的上下兩個(gè)平面受到墊鐵的固定，左右兩側(cè)面受到夾持器的約束，因此在矩形膠芯的上下墊鐵所在平面以及左右側(cè)面位置施加約束，限制其移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，墊鐵周邊膠芯平面受到墊鐵的約束，施加的約束類型為固定；膠芯周邊的上下六個(gè)平面受到閘板殼體的約束，也應(yīng)施加固定位移約束。本研究為描述矩形膠芯在受到不同載荷時(shí)膠芯的應(yīng)力應(yīng)變情況，特選擇8、10、19和20 MPa四種不同載荷均勻施加在矩形膠芯背部。結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 8 MPa時(shí) 膠芯的von mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von mises stress distribution of rubber core at 8 MPa

由圖6可知，當(dāng)矩形膠芯受到8 MPa的液壓推動(dòng)力時(shí)，膠芯的整體應(yīng)力范圍在0.048 034～8.556 73 MPa，且靠近膠芯前部的上下兩端左右兩側(cè)的von mises應(yīng)力值最大(8.556 73 MPa)，小于材料的屈服極限 9.2 MPa，只發(fā)生了彈性變形，但接近材料的屈服極限，即將發(fā)生塑性變形。

由圖7可知，當(dāng)矩形膠芯受到10 MPa的液壓推動(dòng)力時(shí)，膠芯的應(yīng)力范圍在0.058 79～12.659 3 MPa，且靠近膠芯前部的上下兩端左右兩側(cè)的von mises應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力值為12.659 3 MPa，大于材料的屈服極限9.2 MPa，發(fā)生了塑性變形。

由圖8可知，矩形膠芯受到19 MPa的液壓推動(dòng)力時(shí)，靠近墊鐵前部的上下兩端左右兩側(cè)的von mises應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力值高達(dá)39.780 4 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料的屈服極限9.2 MPa，發(fā)生了極大的塑性變形。

圖7 10 MPa時(shí) 膠芯的von mises應(yīng)力云圖Fig.7 Von mises stress distribution of rubber core at 10 MPa

圖8 19 MPa時(shí) 膠芯的von mises應(yīng)力云圖Fig.8 Von mises stress distribution of rubber core at 19 MPa

在進(jìn)行分析計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)對(duì)矩形膠芯的液壓推動(dòng)力加載到20 MPa時(shí)，求解已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行，可知矩形膠芯已經(jīng)失去其彈塑性能，受到破壞。

由圖9知，矩形膠芯的最大等效位移形變發(fā)生在膠芯背部?jī)蓚?cè)，等效位移形變范圍在0～10.425 mm，即該矩形膠芯能夠發(fā)生的最大等效位移形變值約為10.425 mm。

通過(guò)以上分析計(jì)算可知，該連續(xù)油管用閘板防噴器的矩形密封膠芯可承受的最大液壓推動(dòng)力是19 MPa，當(dāng)0≤F0≤8 MPa時(shí)，膠芯只發(fā)生彈性變形；當(dāng)8

圖9 膠芯的位移云圖Fig.9 Displacement contours of rubber core

此外，該矩形膠芯的最大von mises應(yīng)力出現(xiàn)在靠近膠芯前部的左右兩側(cè)上下兩端，最大位移形變發(fā)生在膠芯背部?jī)蓚?cè)，即該膠芯最容易受到磨損破壞的部分，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開了與連續(xù)油管的弧面密封接觸部位，使得該矩形密封膠芯能夠起到較好的密封作用，且更加持久耐用和安全，能夠較好的滿足現(xiàn)場(chǎng)的安全使用要求。

4 矩形膠芯的疲勞壽命計(jì)算

基于前述不同控制壓力下矩形膠芯非線性計(jì)算結(jié)果，以常規(guī)關(guān)井力的較大值10 MPa的液壓推動(dòng)力，應(yīng)力集中區(qū)的節(jié)點(diǎn)1 902為例，應(yīng)用ANSYS軟件的疲勞分析工具對(duì)該矩形膠芯進(jìn)行疲勞壽命分析[18-19]。求得該矩形膠芯的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)約為134 700，疲勞使用系數(shù)為0.074 26。

結(jié)合前文對(duì)矩形膠芯的靜力學(xué)分析和有限元分析結(jié)果可知，矩形膠芯在密封連續(xù)油管和套管間的空隙時(shí)，由于系統(tǒng)的壓力以及半封閘板殼體和墊鐵的固定約束作用使得矩形膠芯在發(fā)生擠壓變形時(shí)，前部膠芯左右兩側(cè)與矩形膠芯中部凹陷處放置的墊鐵棱邊接觸位置產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在長(zhǎng)期的應(yīng)力循環(huán)作用下，矩形膠芯在此位置磨損破壞失效。由圣維南原理知，在矩形膠芯的背部?jī)蓚?cè)是液壓推動(dòng)力的等效應(yīng)力作用區(qū)，亦是其最大等效位移形變發(fā)生的區(qū)域，故也是該矩形膠芯最易破損的部分。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)連續(xù)油管用閘板防噴器矩形膠芯并簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及封井機(jī)理，采用靜力學(xué)模型，推導(dǎo)出矩形膠芯關(guān)井密封力的近似計(jì)算式。

2) 利用ANSYS有限元軟件分析該連續(xù)油管用閘板防噴器矩形膠芯的彈塑性特性，當(dāng)0≤F0≤8 MPa時(shí)，膠芯為彈性變形階段；當(dāng)8

3) 矩形膠芯最易受到磨損破壞的部分出現(xiàn)在靠近膠芯前部的左右兩側(cè)上下兩端與墊鐵棱邊接觸部位及膠芯背部?jī)蓚?cè)，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開與連續(xù)油管的密封接觸弧面部位，說(shuō)明該矩形膠芯的設(shè)計(jì)整體上是較為合理的，能夠有效解決閘板防噴器常規(guī)膠芯在關(guān)鍵密封位置失效的問(wèn)題，較好的滿足現(xiàn)場(chǎng)的安全使用要求。但該矩形膠芯只適用于常規(guī)關(guān)井，不適合極限工況下需要大的關(guān)井力的情況。

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