基于直通式迷宮密封的海上平臺井口裝置研究

余焱群，張懿萱2，康玉晶

(1.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.北京交通大學(xué) 威海分校通信工程系，山東 威海 264401)

引言

國內(nèi)海上油田的主產(chǎn)區(qū)從上世紀(jì)的南海北部油田逐漸過渡為以渤海油田為主[1-3]，而渤海油區(qū)的大型油田(地質(zhì)儲量大于1億噸)以稠油為主，儲量占到已發(fā)現(xiàn)石油總儲量的85%。因此，研究稠油的開發(fā)方式，在渤海海域的油田開發(fā)中占有舉足輕重的地位。項目組在海上稠油油田試推有桿泵人工舉升工藝，井口安全是新工藝實施的前提。

在海上平臺生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生火警、管線破裂及發(fā)生不可抗拒的自然災(zāi)害等非正常情況時，需要緊急關(guān)閉井口，防止井噴，保證油氣井安全，因此海上油井的安全系統(tǒng)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地油井[4-6]，目前國內(nèi)外還沒有適用于平臺的開放式井口設(shè)備。

1 海上平臺復(fù)合井口裝置

復(fù)合井口裝置主要包括兩大機(jī)構(gòu)，上部為盤根式可調(diào)心井口結(jié)構(gòu)，下部為斷桿自動關(guān)井、手動封井井口結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)主要完成正常作業(yè)時光桿動態(tài)密封和自動調(diào)偏功能[7]。下部結(jié)構(gòu)分成上下兩層，下層主要由壓縮彈簧和閘板組成，光桿脫斷后壓縮彈簧推動左右閘板，左右閘板配合封堵井口，實現(xiàn)快速、自動關(guān)井功能；上層主要由絲桿和密封本體組成，停泵封井時，旋轉(zhuǎn)螺桿推動密封本體抱緊光桿、密封井口，此時上部盤根井口機(jī)構(gòu)處于靜態(tài)密封狀態(tài)；其中手動關(guān)井機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和可靠性是實現(xiàn)關(guān)井的前提，內(nèi)部液體密封結(jié)構(gòu)及漏失理論研究是基礎(chǔ)。

1.盤根壓帽 2.壓套 3.盤根盒 4.盤根 5.球頭 6.球頭壓蓋 7.球頭座 8.密封本體 9.螺桿 10.關(guān)井閘板 11.壓縮彈簧圖1 海上平臺復(fù)合井口裝置

2 井口密封泄漏模型

油井停井后，關(guān)井機(jī)構(gòu)才會動作，密封本體與光桿之間相對靜止，極端工況下會出現(xiàn)相對滑動，但是滑移量和速度較小?；谏鲜龉ぷ鳡顩r，海上平臺井口密封裝置采用直通式迷宮密封模式，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 井口迷宮密封物理模型圖

圖2中，pi，po分別為進(jìn)口油壓、出口油壓，MPa；Hc，Lc分別為密封齒槽深度、齒槽寬度，mm；H，L分別為間隙高度、密封齒寬度，mm。

泄漏液流在迷宮中流動時，因液體黏性而產(chǎn)生的摩擦，使流速減慢、流量(泄漏量)減少。流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構(gòu)成了磨阻效應(yīng)，前者與通道的長度和截面形狀有關(guān)，后者與迷宮的彎曲數(shù)和幾何形狀有關(guān)[8-9]。

2.1 間隙、密封齒槽中損失

設(shè)迷宮泄漏量為Q(m3/s)，根據(jù)流體動力學(xué)理論[10-11]，則間隙中的流速為：

(1)

式中，A1—— 間隙環(huán)空的截面積，mm2

d—— 光桿直徑，mm

密封齒槽中的流速為：

(2)

式中，A2為齒槽環(huán)空的截面積，mm2。

間隙及密封槽中的總沿程損失為：

(3)

式中，n—— 密封級數(shù)

λ1—— 間隙中的沿程阻力系數(shù)

λ2—— 密封槽中的沿程阻力系數(shù)

de1—— 間隙處的當(dāng)量直徑，mm

de2—— 密封齒槽處的當(dāng)量直徑，mm

2.2 局部損失

流體通過迷宮縫口，流束的截面減小，會因慣性的影響而產(chǎn)生收縮，出現(xiàn)流束收縮效應(yīng)；而進(jìn)入密封槽時，流速的截面膨脹，產(chǎn)生動能耗散作用[12]。每級密封，流體均經(jīng)歷從小截面管道流向大截面管道，然后再進(jìn)入小截面管道，局部損失為：

(4)

2.3 迷宮泄漏模型

綜合式(3)、式(4)，直通式迷宮井口結(jié)構(gòu)，泄漏流體總的水頭損失ha為：

ha=hf+hj

(5)

泄漏流體總的壓強(qiáng)損失為：Δp=ρgha

(6)

整理后得井口密封結(jié)構(gòu)總的泄漏模型為：

(7)

3 迷宮結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

研究各參數(shù)與Q，Δp關(guān)系時，可設(shè)n=1考慮。

3.1 間隙長度

數(shù)學(xué)模型式(7)中的第一項是液體過間隙的壓降，后兩項是有密封槽后的壓降，分析數(shù)學(xué)模型的第一項可以分析間隙對泄漏量的影響。

間隙泄漏流體的壓強(qiáng)損失：

(8)

對于d=28 mm，Δp=5 MPa，不同間隙H下，泄漏量Q與間隙長度L的關(guān)系如圖3所示。

圖3 泄漏量Q與間隙長度L的關(guān)系

由圖3可知，隨著間隙H的增大泄漏量Q隨之增大，同一間隙量H下Q值隨間隙長度L的增大急劇減小，各曲線變化趨勢相同。L=4 mm時泄漏量Q下降了97.5%，間隙長度超過4 mm后基于增加間隙長度的方式減小間隙泄漏量Q意義不大。

3.2 密封槽參數(shù)

基于數(shù)學(xué)模型式(7)，設(shè)d=28 mm，Δp=5 MPa，H=0.1 mm，L=4 mm，一級密封總體長度相同的情況下，泄漏量Q與密封槽深寬比k(k=Hc/Lc)關(guān)系如圖4所示。

圖4 泄漏量Q與槽深寬比k的關(guān)系

據(jù)圖4，整體上槽寬Lc增加泄漏量Q增加；同一Lc值下，泄漏量Q先急劇增加，到極值后回落，最后趨于平穩(wěn)。這是由于在泄漏壓力及間隙較小的情況下，流體在間隙內(nèi)流動以層流為主，由湍流部分消耗的能量極少，流動主要能量消耗是由間隙邊界表面與流體摩擦力引起，當(dāng)凹槽寬度增大會使間隙的有效長度減小，流體摩擦損失的能量減少而致使泄漏量增大。深寬比k>0.3后，k值對泄漏量Q的影響不大，據(jù)此可取k=1/3。

數(shù)學(xué)模型式(7)中的第2，3項表達(dá)密封槽對泄漏量的影響，整理得：

(9)

基于數(shù)學(xué)模型式(7)，設(shè)d=28 mm，Δp=5 MPa，L=4 mm，k=1/3，泄漏量Q與密封槽深Hc之間的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，隨Hc增大泄漏量Q值會出現(xiàn)一個峰值，且隨著H值增大峰值右移。對于磨損量1 mm曲線，槽深Hc=2 mm時泄漏量Q相對峰值下降90%，Hc從2 mm增加到3 mm，泄漏量Q僅下降1.5%，而槽寬Lc將增加50%，故確定密封槽參數(shù)：Hc=2 mm，Lc=6 mm。

圖5 泄漏量Q與密封槽深Hc的關(guān)系

3.3 密封級數(shù)

基于參數(shù)H=0.1 mm，d=28 mm，L=4 mm，Hc=2 mm，Lc=6 mm，Δp=5 MPa，得到泄漏量Q與密封槽深n的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 泄漏量Q與密封級數(shù)n的關(guān)系

隨著密封級數(shù)n增加，泄漏量Q快速減少，最后趨于平緩。由圖6可知，迷宮級數(shù)從4級提高到5級，泄漏量下降不到2%，由此可見迷宮級數(shù)超過4級后，繼續(xù)提高迷宮級數(shù)來減小泄漏量效果有限。

4 迷宮密封關(guān)井整體結(jié)構(gòu)

對于光桿直徑d=28 mm的配套井口，基于數(shù)學(xué)模型確定直通式迷宮密封結(jié)構(gòu)：L=4 mm，Hc=2 mm，Lc=6 mm，n=4，密封本體構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

若光桿磨損0.1 mm，井口出現(xiàn)10 MPa的高壓時，流體通過圖7本體結(jié)構(gòu)組成的如圖1所示井口直通式迷宮機(jī)構(gòu)時，基于泄漏模型可得泄漏量為2.728×10-5m3/s，可見泄漏量較小，結(jié)合井口盤根密封可以很好的實現(xiàn)海洋平臺封井撤離海洋平臺的目的。

圖7 迷宮密封本體結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

井口安全是封井撤離海洋平臺的前提，設(shè)計了直通式迷宮密封井口機(jī)構(gòu)，基于流體動力學(xué)理論建立了流體泄漏模型，詳細(xì)研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體泄漏量的影響，確定了密封本體結(jié)構(gòu)，在0.1 mm間隙，10 MPa 井口高壓下，泄漏量為2.728×10-5m3/s。形成了海上平臺復(fù)合井口裝置，可實現(xiàn)正常作業(yè)動態(tài)密封、斷桿自動關(guān)井、手動封井等功能。