水下井口組合環(huán)空密封件的設(shè)計(jì)

朱麟杰(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

浮式鉆井系統(tǒng)水下井口安裝時(shí)，隨著不同尺寸套管懸掛器逐層進(jìn)行安裝，各層套管懸掛器與井口本體之間形成環(huán)空間隙，為了防止環(huán)空間隙出現(xiàn)流體泄漏，須設(shè)計(jì)相應(yīng)的耐高壓密封件對(duì)水下井口和套管懸掛器之間的環(huán)空間隙進(jìn)行密封，該類(lèi)環(huán)空密封件對(duì)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用。侯超等[1]對(duì)水下井口系統(tǒng)用主要密封裝置進(jìn)行研究，總結(jié)出密封材料選取、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封裝置加工及密封裝置下方技術(shù)等水下井口系統(tǒng)密封技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。李振濤[2]對(duì)油管懸掛器MEC密封結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)及性能進(jìn)行研究，通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)34.5 MPa，20～120 ℃的工況條件下不同壓縮量、不同油壓等參數(shù)條件密封件的密封性能進(jìn)行有限元分析，得到了此型密封件較為合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。張凱等[3]對(duì)水下采油樹(shù)油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)作介紹，并結(jié)合國(guó)外著名制造公司的產(chǎn)品對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行詳盡分析，對(duì)比了不同類(lèi)型密封件的性能，總結(jié)出水下生產(chǎn)系統(tǒng)密封的關(guān)鍵技術(shù)及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)際上水下生產(chǎn)系統(tǒng)使用的密封件主要有金屬密封件和非金屬密封件兩種形式。本文設(shè)計(jì)一種金屬與非金屬組合密封件，對(duì)水下井口組合密封件的密封結(jié)構(gòu)和力學(xué)分析作了深入研究，并結(jié)合壓力/溫度循環(huán)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，輔以有限元分析進(jìn)行驗(yàn)證，得到較為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，以期推動(dòng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)空密封件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

1 水下井口金屬與非金屬組合環(huán)空密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的深海油氣開(kāi)采過(guò)程中，水下井口安裝到位后，應(yīng)安裝相配的承載環(huán)，隨后按照尺寸由大到小的順序?qū)⑾鄳?yīng)尺寸的套管掛依次下入至水下井口中。此時(shí)在水下井口和每一層套管掛之間均形成環(huán)空間隙。鉆井過(guò)程中遇到的高壓油氣會(huì)通過(guò)這些環(huán)空間隙沖擊環(huán)空密封，如若環(huán)空密封失效，輕則造成油氣泄漏，產(chǎn)生污染，重則發(fā)生爆炸，造成人員傷亡。

為了防止此類(lèi)情況發(fā)生，在每一層套管掛和水下井口之間形成的環(huán)空間隙均應(yīng)安裝環(huán)空密封件，在每一層套管掛安裝完成后，下入一個(gè)井口環(huán)空密封包。密封包安裝到位后，金屬與非金屬組合密封件被激發(fā)，密封件與接觸面發(fā)生擠壓(產(chǎn)生彈性形變)形成預(yù)密封，同時(shí)兩道鎖緊環(huán)被撐開(kāi)，分別進(jìn)入水下井口和套管掛上設(shè)置的限位槽，起到對(duì)井口密封包限位的作用。水下井口環(huán)空密封具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下井口環(huán)空密封結(jié)構(gòu)示意(激發(fā)狀態(tài))

井口環(huán)空密封包的核心部件是金屬與非金屬組合密封件，其主要結(jié)構(gòu)由彈性橡膠體和包裹在橡膠外的金屬外殼組成。本設(shè)計(jì)中金屬外殼的材料選用316 L，橡膠體材料選用改性HNBR(碳納米管作為增強(qiáng)基)。橡膠通過(guò)硫化的方式與金屬外殼相粘合，具體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 水下井口組合環(huán)空密封件結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)水下井口與套管懸掛器之間的環(huán)空間隙出現(xiàn)高壓油氣泄漏時(shí)，由于此時(shí)密封件依靠初始安裝時(shí)外界提供的徑向預(yù)緊力，已被激發(fā)，形成預(yù)密封，密封保持完整。當(dāng)高壓油氣泄漏積累到一定程度時(shí)，介質(zhì)壓力會(huì)周向施加在金屬外殼上，此時(shí)，壓力會(huì)傳導(dǎo)至金屬外殼包裹的橡膠體部分，使該部分形變加劇，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，保持密封。

2 組合環(huán)空密封件受壓過(guò)程有限元模擬分析

根據(jù)應(yīng)用情況，用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)組合環(huán)空密封件安裝到位時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行模擬分析，并對(duì)其軸向及徑向位移進(jìn)行計(jì)算以確定密封性能和強(qiáng)度。

2.1 有限元模型設(shè)定

給定密封件橫截面內(nèi)外徑與密封溝槽尺寸相匹配，密封件安裝時(shí)，設(shè)定一個(gè)軸向載荷作用于組合密封件上部金屬外殼端面，將環(huán)空擠壓受到的徑向載荷設(shè)定為靜載荷，并將其施加在同軸心的模型上(該模型尺寸與實(shí)際密封件尺寸一致)，從而最大限度的模擬實(shí)際受壓過(guò)程，充分表現(xiàn)物理密封特性，得到較為合理的結(jié)果[4]，圖3為所設(shè)置計(jì)算模型。

圖3 有限元分析計(jì)算模型

2.2 分析驗(yàn)證

2.2.1 密封件密封性能分析

組合密封件安裝到位后，無(wú)流體壓力，僅受到環(huán)空擠壓，發(fā)生形變并產(chǎn)生應(yīng)變，形成預(yù)緊力，產(chǎn)生預(yù)密封，此時(shí)應(yīng)通過(guò)密封位置密封件的過(guò)盈量來(lái)判斷密封件的密封是否起效。圖4是組合密封件安裝到位時(shí)，徑向位移云圖。

圖4 安裝到位時(shí)組合密封件徑向位移

由圖4可知，密封件安裝到位時(shí)，受環(huán)空擠壓，整體均出現(xiàn)徑向位移，其中最大徑向位移出現(xiàn)在組合密封件橡膠體中段凸起部分，且外側(cè)徑向位移大于內(nèi)測(cè)徑向位移。具體數(shù)值為外側(cè)最大位移1.092 2 mm，內(nèi)測(cè)最大位移0.657 2 mm，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，給予環(huán)空密封的過(guò)盈量一般為單側(cè)0.5 mm，由此可知，組合密封件安裝到位后即形成密封，且密封性能優(yōu)良。

圖5是組合密封件安裝到位時(shí)，軸向位移云圖。

圖5 安裝到位時(shí)組合密封件軸向位移

由圖5可知，當(dāng)設(shè)定載荷開(kāi)始作用于組合密封件上部金屬外殼端面至密封件安裝到位，整體軸向位移為6.392 6 mm。由于組合密封件為中心對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，所以密封件整體軸向位移呈對(duì)稱(chēng)分布，形態(tài)較為穩(wěn)定，但越靠近軸向載荷作用面，則位移相對(duì)較大。

圖6是組合密封件安裝到位時(shí)，整體形變?cè)茍D。

由圖6可知，密封件安裝到位時(shí)，整體形態(tài)較為穩(wěn)定，各對(duì)稱(chēng)位置形變較為均勻，兩端金屬骨架起到了支撐的作用，金屬骨架與橡膠之間未撕裂，橡膠部分也未被擠出，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

2.2.2 對(duì)模擬計(jì)算的分析

下面通過(guò)對(duì)密封件激發(fā)狀態(tài)時(shí)應(yīng)力及應(yīng)變分析驗(yàn)證其密封性能及強(qiáng)度。圖7是組合密封件激發(fā)狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布云圖。

圖6 安裝到位時(shí)組合密封件整體形變

圖7 組合密封件激發(fā)狀態(tài)應(yīng)力分布

觀察圖7可知，組合密封件正確激發(fā)時(shí)，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在兩端金屬外殼腔體外沿處[5]，最大值為120.79 MPa，小于金屬外殼選用材料316L的許用強(qiáng)度，表明密封件激發(fā)狀態(tài)時(shí)，金屬外殼能夠保持形態(tài)完整和功能穩(wěn)定。彈性橡膠體所受應(yīng)力最大為13.448 MPa，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在金屬外殼與橡膠硫化粘合的位置，小于碳納米管改性氫化丁晴橡膠的拉伸強(qiáng)度[6]，表明此時(shí)橡膠形態(tài)穩(wěn)定，與金屬殼體的粘合保持緊密，密封性能良好。

分析認(rèn)為，模擬計(jì)算設(shè)置的條件是單個(gè)密封件以初始狀態(tài)在設(shè)置好的溫度條件及工作狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力分析，在該條件下，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，但并不能體現(xiàn)循環(huán)試驗(yàn)對(duì)密封件性能的測(cè)試。即單個(gè)密封件在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷多個(gè)不同溫度下的保壓過(guò)程后，其密封性能的表現(xiàn)。并且對(duì)于組合密封件中起主要密封作用的橡膠部分，密封件的應(yīng)力分布并不能作為判斷密封性能是否達(dá)標(biāo)的主要因素，其主要是能夠體現(xiàn)密封件受到流體壓力時(shí)，自身發(fā)生形變以實(shí)現(xiàn)密封時(shí)所受到的干擾。

圖8 組合密封件激發(fā)狀態(tài)應(yīng)變分布

圖9 組合密封件激發(fā)狀態(tài)應(yīng)變峰值點(diǎn)

此時(shí)，用應(yīng)變作為主要參考因素通常比應(yīng)力更能體現(xiàn)整體密封性能。密封件激發(fā)狀態(tài)的應(yīng)變?cè)茍D峰值點(diǎn)如圖8所示，該狀態(tài)下的應(yīng)變峰值點(diǎn)如圖9所示。

由圖8及圖9可知，組合密封件的密封性能主要通過(guò)橡膠體的大幅形變與密封面過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)變的峰值出現(xiàn)在金屬殼與橡膠硫化粘合的位置。

可以推斷在實(shí)際工況條件下，密封件激發(fā)時(shí)，由于彈性模量相差較大，應(yīng)變峰值處的金屬與橡膠形變量相差較大，此處可能出現(xiàn)橡膠被撕裂，甚至發(fā)生橡膠與金屬外殼脫落的情況，從而對(duì)密封效果產(chǎn)生不良影響，進(jìn)一步地分析還需要通過(guò)仿真試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 井口環(huán)空密封件壓力/溫度循環(huán)仿真試驗(yàn)

根據(jù)章節(jié)2分析結(jié)果，按照API-SPEC 17D標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)金屬與非金屬組合環(huán)空密封件進(jìn)行壓力/溫度循環(huán)試驗(yàn)以驗(yàn)證其在仿真試驗(yàn)中的密封效果[7]。

3.1 工裝壓力容器設(shè)計(jì)

為了模擬實(shí)際工況，即測(cè)試組合密封件對(duì)水下井口和套管懸掛器環(huán)空間隙發(fā)生泄漏時(shí)的密封效果，設(shè)計(jì)如圖10所示的壓力容器作為試驗(yàn)工裝。實(shí)際生產(chǎn)中，介質(zhì)壓力來(lái)自于井下，所以設(shè)置#1、#2端口為打壓孔，#3端口為觀察孔。

由章節(jié)2.2.1及密封安裝細(xì)節(jié)可知，當(dāng)環(huán)空密封安裝到位時(shí)，密封件已激發(fā)，形成預(yù)密封。

3.2 壓力/溫度循環(huán)仿真試驗(yàn)過(guò)程

3.2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

選取氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)介質(zhì)，以更好地觀察試驗(yàn)全過(guò)程是否出現(xiàn)泄漏；試驗(yàn)溫度為V級(jí)(2～121 ℃)；在測(cè)試前應(yīng)確保“壓力/溫度測(cè)試設(shè)備”的系統(tǒng)承壓完整性，以更好模擬實(shí)際工況[8]。工裝內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，確保試驗(yàn)過(guò)程中正確監(jiān)視對(duì)象內(nèi)部溫度，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖10 井口環(huán)空密封試壓工裝及密封件安裝細(xì)節(jié)

圖11 壓力/溫度循環(huán)測(cè)試試驗(yàn)裝置

3.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

用接口#1進(jìn)行升降壓，此時(shí)應(yīng)將接口#2封死，將接口#3留作觀察口。確保圖表記錄器可以持續(xù)記錄腔體內(nèi)壓力及溫度數(shù)據(jù)。

(1)高溫保壓階段：從室溫和大氣壓力下開(kāi)始加熱整個(gè)裝置，升溫至121 ℃(核實(shí)溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即每分鐘溫度變化小于0.5 ℃，并且持續(xù)保持30 min)。從接口#1處通過(guò)氣泵加壓達(dá)到試驗(yàn)壓強(qiáng)68.9 MPa，保壓至少1 h(當(dāng)每小時(shí)試驗(yàn)壓強(qiáng)變化不大于2.1 MPa，應(yīng)認(rèn)為壓力穩(wěn)定。在整個(gè)保壓期間，每小時(shí)壓強(qiáng)變化應(yīng)保持在2.1 MPa以?xún)?nèi))。之后釋放壓力。注意整個(gè)試驗(yàn)階段需要保持溫度在121～132 ℃之間。

(2)低溫保壓階段：冷卻整個(gè)裝置，降溫至2 ℃(核實(shí)溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)每分鐘溫度變化小于0.5 ℃，并且持續(xù)保持30 min)。從接口#1處通過(guò)氣泵加壓到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h(當(dāng)每小時(shí)試驗(yàn)壓力變化不大于2.1 MPa，應(yīng)認(rèn)為壓力穩(wěn)定。在整個(gè)保壓期間，每小時(shí)壓力變化應(yīng)保持在2.1 MPa以?xún)?nèi))。之后釋放壓力。注意整個(gè)試驗(yàn)階段需要保持溫度在2～-1 ℃之間。

(3)帶壓升溫至高溫保壓階段：升溫至室溫。從接口#1處通過(guò)氣泵注入氮?dú)?，加壓到試?yàn)壓力68.9 MPa。加熱裝置，升溫至121 ℃，升溫過(guò)程中，要保持50%～100%的試驗(yàn)壓力(34.5～68.9 MPa)。在接口#1處通過(guò)氣泵加壓達(dá)到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h。

(4)帶壓降溫至低溫保壓階段：降溫至-18 ℃。降溫過(guò)程中，要保持50%～100%的試驗(yàn)壓力(34.5～68.9 MPa)。在接口#1處通過(guò)氣泵加壓到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h。

(5)帶壓升溫階段：加熱整個(gè)裝置，升溫至室溫，升溫過(guò)程中，要保持50%～100%的試驗(yàn)壓力(34.5～68.9 MPa)。然后釋放壓力。

(6)重復(fù)(1)，即由常溫升溫至121 ℃，溫度穩(wěn)定后打壓至68.9 MPa，進(jìn)行保壓。保壓完成后釋放壓力。

(7)重復(fù)(2)，即降溫至2 ℃，溫度穩(wěn)定后打壓至68.9 MPa，進(jìn)行保壓，保壓完成后釋放壓力。

(8)常溫保壓階段：升溫至室溫，溫度穩(wěn)定后，在接口#1處通過(guò)氣泵加壓到試驗(yàn)壓力68.9 MPa，保壓至少1 h，確保壓力穩(wěn)定，壓力穩(wěn)定周期至少1 h。保壓完成后泄壓至零。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足API-SPEC 17D水下井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備的規(guī)范中所規(guī)定的要求，如保壓期間發(fā)生可見(jiàn)泄漏，或保壓期間初始試驗(yàn)壓力及壓力監(jiān)控儀表顯示的壓降速率超出規(guī)范要求，則該次試驗(yàn)失敗，測(cè)試需重新進(jìn)行。

圖12是第一次高溫保壓階段及第一次低溫保壓階段(3.2.2章節(jié)中(1)、(2))試驗(yàn)曲線，觀察曲線圖可知，整個(gè)階段保壓過(guò)程穩(wěn)定，表明該過(guò)程中密封穩(wěn)定可靠。

圖13是第二次高溫保壓，第二次低溫保壓階段(3.2.2章節(jié)中(3)、(4))試驗(yàn)曲線，與第一階段有所區(qū)別的是，該階段升、降溫過(guò)程均為帶壓，更接近實(shí)際工況。觀察曲線圖可知，整個(gè)階段保壓過(guò)程穩(wěn)定，表明該過(guò)程中密封穩(wěn)定可靠。

圖14是第三次高溫保壓，第三次低溫保壓以及最后常溫保壓階段試驗(yàn)曲線，該階段模擬井口環(huán)空組合密封在經(jīng)歷多次溫度/壓力循環(huán)后，自身密封性能是否保持，對(duì)密封件整體的綜合力學(xué)性能及高低溫拉伸性能要求極高。觀察曲線圖可知，整個(gè)階段保壓過(guò)程穩(wěn)定，表明該金屬與非金屬組合密封件設(shè)計(jì)能夠滿足水下井口與套管掛之間的環(huán)空間隙密封要求。

圖12 第一次壓力/溫度循環(huán)測(cè)試試驗(yàn)曲線

圖13 第二次壓力/溫度循環(huán)測(cè)試試驗(yàn)曲線

圖14 第三次壓力/溫度循環(huán)測(cè)試及常溫測(cè)試試驗(yàn)曲線

由壓力/溫度循環(huán)測(cè)試的結(jié)果可知，該組合密封件能夠在實(shí)際工況下有效密封水下井口與套管掛之間形成的環(huán)空間隙。

試驗(yàn)完成后，拆除試驗(yàn)工裝并對(duì)密封總成進(jìn)行拆分，將組合密封件單獨(dú)拆解并進(jìn)行測(cè)量和觀察，發(fā)現(xiàn)組合密封件被環(huán)空擠壓變形后的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相符合，但其內(nèi)、外側(cè)金屬外殼與橡膠體粘合的部位，一些位置出現(xiàn)撕裂，具體情況如圖15所示。但從試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)組合密封件整體密封效果沒(méi)有影響，這與有限元分析的分析結(jié)果相吻合，也為該型密封件后續(xù)改進(jìn)提供了方向。

圖15 壓力/溫度循環(huán)測(cè)試完成后組合密封件狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

水下井口與多層套管懸掛器之間的環(huán)空密封是否能夠有效實(shí)現(xiàn)直接關(guān)系到水下生產(chǎn)系統(tǒng)能否安全生產(chǎn)。本文所述有限元分析及仿真壓力/溫度循環(huán)測(cè)試過(guò)程和結(jié)果為該類(lèi)水下井口組合環(huán)空密封件的實(shí)際應(yīng)用和國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(1)組合密封件相比單一的金屬密封件或非金屬密封件，更能適應(yīng)從低壓到高壓的全過(guò)程密封需求。安裝到位，即受環(huán)空擠壓產(chǎn)生初始密封力，形成預(yù)密封，并且隨著流體壓力上升，其密封功能被完全激發(fā)。

(2)金屬骨架的設(shè)計(jì)使用是合理且必要的，可以有效支撐、包裹橡膠部分，以免受到高壓時(shí)，密封件被擠出導(dǎo)致密封失效。

(3)HNBR材料在高溫121 ℃時(shí)，發(fā)生熱膨脹，膨脹量比較大，密封效果好，低溫2 ℃時(shí)，橡膠體發(fā)生收縮，膨脹量小或者幾乎不膨脹，橡膠變形量小，且短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷高低溫循環(huán)，橡膠的性能回復(fù)較慢。所以壓力/循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照API 17D相關(guān)規(guī)定，其升降溫過(guò)程應(yīng)盡可能的模擬實(shí)際工況，避免出現(xiàn)急劇的升溫和降溫過(guò)程，使橡膠部分發(fā)生撕裂，從而影響密封。

(4)密封件在實(shí)際工況中，受壓力而產(chǎn)生應(yīng)變的峰值出現(xiàn)在金屬外殼與橡膠硫化粘合的位置，該位置為密封失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。金屬外殼與橡膠相粘合的部位結(jié)構(gòu)應(yīng)加以改進(jìn)，使其結(jié)合更緊密，同時(shí)橡膠的改性增強(qiáng)及硫化工藝也有待改善。