采用雙弧面金屬密封結(jié)構(gòu)的新型環(huán)空排氣閥性能研究*

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300456)

隨著海上油田各區(qū)塊的不斷開發(fā)，越來(lái)越多的油井采用了電潛泵采油技術(shù)，該技術(shù)以過電纜封隔器封堵環(huán)空、懸掛電潛泵以實(shí)現(xiàn)原油的舉升[1]。開采過程中，當(dāng)原油壓力小于氣體飽和壓力時(shí)，導(dǎo)致原油伴隨氣持續(xù)析出到環(huán)空，氣體壓力逐漸增大，環(huán)空封隔器遭受氣頂、氣蝕而造成過早損壞[2]。該問題的解決方法是在封隔器上安裝由地面液壓控制開啟和關(guān)閉的環(huán)空排氣閥，及時(shí)排除有害氣體，達(dá)到保護(hù)封隔器的作用。隨著開采深度的增加，南海油田井底溫度高達(dá)249 ℃，壓力梯度達(dá)到2.4 MPa/100 m，并且有腐蝕性的氣體析出[3]。常規(guī)環(huán)空排氣閥采用橡膠密封，此類密封易受高溫、高壓強(qiáng)腐蝕氣體的侵蝕，難以保證海上高溫、高壓強(qiáng)腐蝕油田開采過程中，環(huán)空排氣閥的正常使用。

為了解決高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下井下工具密封可靠性問題，Baker Hughes、Owen及Caledyne等國(guó)外公司相繼開展了將金屬密封用于石油鉆采工具中的研究，并且介紹了一部分關(guān)鍵技術(shù)與密封原理[4-8]。但由于技術(shù)壁壘，文獻(xiàn)中對(duì)金屬密封的結(jié)構(gòu)類型介紹較少。此外，針對(duì)金屬密封技術(shù)國(guó)內(nèi)外還沒有提出統(tǒng)一的判據(jù)[9-13]。本文作者設(shè)計(jì)了一種采用雙弧面金屬密封結(jié)構(gòu)的新型環(huán)空排氣閥，采用文獻(xiàn)[14]提出的判定依據(jù)，即接觸壓力為材料屈服強(qiáng)度的1～3倍時(shí)可實(shí)現(xiàn)金屬密封，通過有限元軟件分析了新型環(huán)空排氣閥在不同下入深度下的金屬密封性能和密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 新型環(huán)空排氣閥結(jié)構(gòu)及密封原理

1.1 新型環(huán)空排氣閥結(jié)構(gòu)功能

海上常用過電纜封隔器連同“Y”接頭攜帶電潛泵的完井技術(shù)，該技術(shù)通過地面供電，啟動(dòng)井下電潛泵實(shí)現(xiàn)采油，電潛泵采油管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。環(huán)空排氣閥安裝在過電纜封隔器上部偏心孔處，其結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖2所示。啟泵開采過程中，井口打壓至初開壓力，壓力通過液控管線作用在活塞環(huán)形截面差上，推動(dòng)球體上移，微壓彈簧，使球體與殼體之間的作用力減小，排氣閥喪失密封性能，繼續(xù)打壓至全開壓力，使球體完全脫離殼體，露出過流孔，連通上下環(huán)空，排出下部氣體，減少上浮氣體對(duì)封隔器的損壞。由于上下環(huán)空由排氣閥溝通，停泵時(shí)，可進(jìn)行正、反循環(huán)洗井。當(dāng)遭遇惡劣環(huán)境或井底高壓時(shí)，井口放壓或直接剪斷液控管線，在彈簧壓緊力的作用下，達(dá)到球體與殼體弧面相切處相互擠壓并貼緊的要求。由于排氣閥設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，井底高壓作用在內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，接觸面壓緊力變大，更易實(shí)現(xiàn)密封，以保證平臺(tái)人員的安全撤離。

圖1 電潛泵采油管柱圖

圖2 新型環(huán)空排氣閥結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

1.2 雙弧面金屬密封原理

井口壓力或下入深度逐漸減小時(shí)，作用在球體上的彈簧壓緊力隨之增大，球體與殼體之間的作用力逐漸增大，發(fā)生變形的殼體材料開始填滿球體和殼體之間微小間隙，初步阻斷兩者之間的壓力傳遞通道。由于接觸表面粗糙度的存在，峰谷之間的間隙依然為流體提供了通道。當(dāng)接觸面之間的壓緊力足夠大時(shí)，對(duì)應(yīng)波峰處的接觸數(shù)量和變形程度都在加大，開始在接觸面上產(chǎn)生塑性流動(dòng)，甚至嵌入彼此表面，將凸凹不平的微小泄漏通道堵死，形成更加緊實(shí)的密封。

為了產(chǎn)生塑性流動(dòng)形成緊貼效果，得到更好的密封系統(tǒng)，雙弧面上的接觸壓力應(yīng)大于殼體材料的彈性極限。因此，兩接觸體應(yīng)由強(qiáng)度不同的2種材料組成，密封面之間的接觸壓力應(yīng)為較軟材料屈服強(qiáng)度的1～3倍[14]。

2 有限元分析

2.1 邊界條件的確定

為了描述新型環(huán)空排氣閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力情況，將其簡(jiǎn)化為圖3所示力學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖3 力學(xué)結(jié)構(gòu)

接觸面閉合，需滿足如下關(guān)系：

F1≥N1-f-p1ΔS

(1)

接觸面分離，需滿足如下關(guān)系：

N1+f

(2)

p1=p+ρgh

(3)

式中:N1為彈簧壓緊力；p1為液控管線中靜液柱壓力與井口初開壓力之和;ΔS為活塞環(huán)形截面差；f為封圈產(chǎn)生的摩擦力；h為臨界下入深度；ρ為壓油密度；g為重力加速度；p為初開壓力；F1為球體對(duì)殼體的作用力。

通過結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析可知，對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的排氣閥，井口壓力、下入深度及彈簧壓緊力三者決定了球體和殼體之間的接觸行為。井口壓力、彈簧剛度一定時(shí)，使密封無(wú)法形成的深度為該閥的臨界下入深度即最大工作深度。

為了研究不同下入深度，密封面之間的作用力對(duì)密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能的影響，首先計(jì)算不同下入深度和初開壓力時(shí)，球體對(duì)殼體的作用力。計(jì)算時(shí)，彈簧采用耐蝕合金材料Inconel-X750，外徑為28.5 mm，鋼絲直徑為6 mm，總長(zhǎng)為270 mm，剛度為30 mm/N，總?cè)?shù)為25，安裝后壓緊力為3 000 N。密封圈產(chǎn)生的摩擦力為150 N[15]。根據(jù)公式(1)、(2)、(3)，計(jì)算得出不同下入深度和初開壓力時(shí)，球體對(duì)殼體的作用力如表1所示。下面將表1中的作用力作為有限元接觸分析的載荷，以研究結(jié)構(gòu)的密封及強(qiáng)度問題。

表1 不同下入深度和初開壓力時(shí)，

2.2 有限元模型的建立

如圖4所示，雙弧面密封結(jié)構(gòu)具有三維軸對(duì)稱性，所受載荷關(guān)于其軸線圓周對(duì)稱，取1/4模型，按照表2所示材質(zhì)性能參數(shù)、表3所示密封結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立結(jié)構(gòu)模型[16]。固定殼體，在對(duì)稱面上施加法向約束，球體上施加作用力F1，接觸之間的摩擦因數(shù)取0.1，進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析，得到結(jié)構(gòu)最大Von Mises應(yīng)力值相對(duì)誤差在5%以內(nèi)的有限元網(wǎng)格模型[17],如圖5所示。

圖4 雙弧面密封結(jié)構(gòu)及實(shí)物

部件材料彈性模量E/MPa泊松比屈服強(qiáng)度σ/MPa殼體S174001890.27710球體SCr132120.23862

表3 密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 有限元網(wǎng)格模型

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 不同下入深度下密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖6所示為不同下入深度時(shí)殼體Mises應(yīng)力分布云圖，圖7所示為不同下入深度時(shí)密封結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力分布。

圖6 不同下入深度時(shí)殼體Mises應(yīng)力分布云圖

圖7 不同下入深度時(shí)密封結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力分布

由圖6、7可知：下入深度逐漸增大即球體對(duì)殼體作用力逐漸變小的過程中，球體和殼體兩者的最大Mises應(yīng)力同時(shí)減小，材料和結(jié)構(gòu)的差異造成兩者應(yīng)力減小的趨勢(shì)不同。殼體在下入深度小于600 m時(shí)，隨著下入深度的減小，殼體發(fā)生屈服程度越大，在接觸面上材料發(fā)生了大的塑性流動(dòng)，兩種材料之間更易侵入形成密封；殼體在下入深度為600 m時(shí)，最大Mises應(yīng)力為722 MPa，仍大于材料的屈服強(qiáng)度710 MPa，環(huán)形接觸面上材料會(huì)發(fā)生屈服出現(xiàn)塑性變形,從而可能形成密封。當(dāng)下入深度大于600 m時(shí)，隨著下入深度的增加，殼體最大Mises由722 MPa逐漸減小到小于材料的屈服強(qiáng)度710 MPa，材料處于彈性階段，無(wú)法形成金屬密封。

2.3.2 不同下入深度下密封結(jié)構(gòu)的接觸壓力分析

圖8所示為不同下入深度下密封結(jié)構(gòu)的接觸壓力分布云圖，圖9所示為不同下入深度下密封結(jié)構(gòu)的接觸壓力分布。

圖8 不同下入深度下密封結(jié)構(gòu)的接觸壓力分布云圖

圖9 不同下入深度下密封結(jié)構(gòu)的最大接觸壓力分布

如圖9所示，隨著下入深度的增大，最大接觸壓力呈現(xiàn)開始時(shí)平穩(wěn)減小，隨后線性減小的趨勢(shì)。在下入深度為0～200 m時(shí)，最大接觸壓力較為平穩(wěn)，最大接觸壓力為材料屈服強(qiáng)度的1.37倍；在下入深度由200 m增大到900 m時(shí)，接觸壓力與殼體材料屈服強(qiáng)度的比值由原來(lái)的1.37倍減小到0.92倍。當(dāng)下入深度為600 m時(shí)，接觸壓力殼體與材料屈服強(qiáng)度的比值為1，根據(jù)文獻(xiàn)[14]的判據(jù)，可認(rèn)為600 m為新型環(huán)空排氣閥的最大工作深度。

如圖8所示，在小于600 m的下入深度范圍內(nèi)，接觸寬度變化趨勢(shì)平穩(wěn)，維持在0.048～0.05 mm的范圍內(nèi)，有效的接觸寬度保證金屬在下入深度600 m以內(nèi)的密封可靠性。在大于600 m的下入深度時(shí)，接觸寬度由0.05 mm急劇減小為0.004 mm，過程中殼體始終處于彈性變形狀態(tài)，在接觸面上沒有發(fā)生塑性變形。

圖10 下入深度與接觸寬度之間的關(guān)系

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證新型環(huán)空排氣閥開啟壓力及密封性能，設(shè)計(jì)了如圖11所示的新型環(huán)空排氣閥測(cè)試裝置，將新型環(huán)空排氣閥與量程70 MPa的數(shù)顯液壓系統(tǒng)連接，分別實(shí)施開啟壓力及密封壓差實(shí)驗(yàn)。

圖11 新型環(huán)空排氣閥測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

按照?qǐng)D11所示實(shí)驗(yàn)裝置，拆除驗(yàn)壓路管線，進(jìn)行開啟壓力實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表4所示。比較表4中理論開啟壓力和實(shí)驗(yàn)平均開啟壓力可知，計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本相符，兩者誤差在4%～8.1%之間。

表4 不同下入深度下開啟壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

針對(duì)同一個(gè)排氣閥，按照?qǐng)D11所示連接實(shí)驗(yàn)裝置，采用補(bǔ)壓路管線補(bǔ)壓模擬下入深度的方法，進(jìn)行驗(yàn)壓路密封實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示?？芍氯肷疃刃∮?00 m時(shí)，密封結(jié)果較好；下入深度為600 m時(shí)，低壓3 MPa時(shí)發(fā)生泄漏，隨著壓力的逐漸升高，密封面上的作用力隨之增大，仍可實(shí)現(xiàn)金屬密封；在下入深度為700 m和800 m時(shí)，排氣閥在逐漸增壓的過程中，低壓及高壓均無(wú)法形成密封?？烧J(rèn)為600 m為新型環(huán)空排氣閥的最大工作深度，與仿真分析的下入深度為600 m時(shí)，接觸壓力和材料屈服強(qiáng)度大致相等仍可滿足密封的結(jié)論一致。

表5 不同下入深度下密封壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)根據(jù)排氣閥所服役的環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種具有雙弧面金屬密封結(jié)構(gòu)的新型環(huán)空排氣閥，仿真分析表明，該新型環(huán)空排氣閥在下入深度小于等于600 m時(shí)，接觸壓力為殼體材料屈服強(qiáng)度的1～1.37倍，接觸寬度基本保持穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬密封。下入深度大于600 m時(shí)，接觸壓力小于殼體屈服強(qiáng)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封。

(2)對(duì)新型環(huán)空排氣閥進(jìn)行開啟壓力和密封實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，開啟壓力與計(jì)算結(jié)果基本一致，密封效果與有限元模擬結(jié)果大致吻合。新型環(huán)空排氣閥能夠滿足下入深度小于600 m，密封壓力不大于45 MPa的技術(shù)要求。