隨鉆測量自保護(hù)密封原理及影響因素分析

王耀民，葉根飛，趙永哲，高 科，劉衛(wèi)衛(wèi)，段會軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013；4.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130015)

定向鉆進(jìn)技術(shù)因軌跡可控、目標(biāo)層位鉆遇率高等優(yōu)點(diǎn)，在煤田地質(zhì)勘探中得到大規(guī)模應(yīng)用，定向鉆進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備隨鉆測量儀器也得到長足發(fā)展[1-2]。但隨鉆測量儀器為電子設(shè)備，在應(yīng)用過程中受到鉆井液、鉆孔水腐蝕和巖粉磨損等威脅，隨著鉆孔深度增加，隨鉆測量儀器密封問題更加突出[3]。

目前，煤礦井下隨鉆測量儀器密封通常采用多級O 型密封圈組合靜密封結(jié)構(gòu)，通過多級密封延緩密封裝置失效時間，以滿足長鉆孔隨鉆測量要求。O 型密封圈具有結(jié)構(gòu)簡單、便于更換等優(yōu)點(diǎn)，在鉆孔深度較小時，能夠滿足正常工作需要[4-6]。但隨著鉆孔深度增加，鉆機(jī)等設(shè)備功率增大，配套隨鉆測量儀器精密元件日益增多，對密封性能要求越來越高，O 型密封圈組合密封結(jié)構(gòu)因自身缺陷不能滿足更高密封要求[7-8]。組合靜密封結(jié)構(gòu)中各級密封圈不是逐級保護(hù)，而是并列保護(hù)，不能保證一級密封失效時，其他各級密封都能夠正常工作[9-11]。在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程中，因密封圈損壞造成隨鉆測量儀器無法正常工作的現(xiàn)象時有發(fā)生，如無信號、信號不穩(wěn)定等，造成設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)損失。

針對組合靜密封結(jié)構(gòu)缺陷，依據(jù)空氣彈簧原理，設(shè)計一種自保護(hù)密封裝置[12-13]。利用空氣彈簧特性，使自保護(hù)密封裝置在其他密封件失效時，氣囊膨脹與儀器殼體形成擠壓接觸，隔絕外部液體侵入儀器內(nèi)部通道，從而達(dá)到將組合靜密封結(jié)構(gòu)的并列保護(hù)改為逐級保護(hù)目的。通過逐級保護(hù)密封結(jié)構(gòu)，延長隨鉆測量儀器工作壽命，保護(hù)儀器在孔內(nèi)不受傷害，從而適應(yīng)定向深孔的要求。

1 自保護(hù)密封裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1 所示，自保護(hù)密封裝置作為密封結(jié)構(gòu)最后一級，與隨鉆測量儀器殼體2、中心軸3、O 型密封圈4 和儀器內(nèi)部保護(hù)液組成一套逐級保護(hù)多級密封結(jié)構(gòu)[14-15]。在O 型密封圈密封失效時，通過橡膠氣囊膨脹與隨鉆測量儀器擠壓接觸實(shí)現(xiàn)密封，可與隨鉆測量儀器整合，向操作人員發(fā)出報警，提示需及時更換。

圖1 自保護(hù)密封裝置剖面Fig.1 Section of the self-protective sealing device

自保護(hù)密封裝置由固定支撐5、橡膠氣囊6 和自保護(hù)氣體發(fā)生殼體8 組成，自保護(hù)氣體殼體與固定支撐和橡膠氣囊通過氣體通道連接。固定支撐用于限制橡膠氣囊位移和承受膨脹氣壓、水壓等壓力，保護(hù)橡膠氣囊。橡膠氣囊由內(nèi)外兩個氣囊組成，內(nèi)部有氣體通道進(jìn)行連接。自保護(hù)氣體殼體內(nèi)設(shè)置有自保護(hù)氣體藥品9 和自保護(hù)發(fā)熱電阻絲10，電阻絲與內(nèi)腔壓力傳感器11 連接。自保護(hù)密封裝置通過固定螺栓7 固定在儀器殼體表面。

當(dāng)O 型密封圈正常工作時，橡膠氣囊6 不膨脹，與儀器殼體2 不接觸，只通過固定螺栓固定在儀器殼體表面；當(dāng)O 型密封圈損壞，儀器密封腔內(nèi)部保護(hù)液泄漏時，橡膠氣囊迅速膨脹與儀器殼體擠壓接觸，隔絕外部液體侵入儀器內(nèi)部通道，保護(hù)儀器內(nèi)部元件。

自保護(hù)密封裝置的功能通過電路實(shí)現(xiàn)。如圖2 所示，外部電源傳遞電能，內(nèi)腔壓力傳感器作為電路開關(guān)，平時處于斷開狀態(tài)，當(dāng)O 型密封圈損壞，儀器密封腔內(nèi)部保護(hù)液泄漏、壓力減小時迅速閉合，電阻絲發(fā)熱，自保護(hù)氣體藥品受熱膨脹或化學(xué)分解產(chǎn)生氣體，并經(jīng)氣體通道注入橡膠氣囊，使橡膠氣囊迅速膨脹，實(shí)現(xiàn)密封。儀器內(nèi)部保護(hù)液壓力大于外部液體壓力，在內(nèi)部壓力開始減少時電阻絲發(fā)熱，在內(nèi)外部液體壓力相同之前，橡膠氣囊膨脹與儀器接觸完成密封?？赏ㄟ^預(yù)估鉆孔內(nèi)液體壓力和橡膠氣囊膨脹時間，對儀器內(nèi)部保護(hù)液壓力進(jìn)行調(diào)整，使橡膠氣囊在外部液體侵入儀器內(nèi)部之前實(shí)現(xiàn)密封。

圖2 自保護(hù)密封裝置工作原理Fig.2 Working principle of the self-protection sealing device

隨鉆測量儀器工作時，通過測量短節(jié)測出傾角、方位角等數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給驅(qū)動裝置和脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，傳遞給孔口設(shè)備，經(jīng)孔口隨鉆測量系統(tǒng)解碼后顯示鉆孔數(shù)據(jù)。電信號是隨鉆測量儀器將孔內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為脈沖信號的關(guān)鍵，自保護(hù)密封裝置工作時，會產(chǎn)生儀器內(nèi)部壓力泄漏電信號，可將內(nèi)部壓力泄漏電信號整合至測量短接電信號傳遞路徑上。在自保護(hù)密封裝置開始工作時，同時通過脈沖信號向工作人員發(fā)出報警信號。

2 自保護(hù)密封裝置膨脹數(shù)值模擬研究

自保護(hù)密封裝置主要是依靠電阻絲加熱后，自保護(hù)氣體藥品產(chǎn)生氣體，氣體受熱膨脹推動橡膠氣囊向四周膨脹與儀器內(nèi)壁擠壓接觸，從而隔絕外部液體侵入儀器內(nèi)部。橡膠氣囊膨脹位移是自保護(hù)密封裝置關(guān)鍵，采用SOLIDWORKS 軟件Simulation 模塊對橡膠氣囊進(jìn)行模擬膨脹分析。為保證數(shù)值模擬結(jié)果可靠性，建立模型1 和模型2 兩個尺寸大小不同的自保護(hù)密封裝置模型，參數(shù)見表1。

二十世紀(jì)初的中國，社會矛盾重重，東方文化與西方文化交匯，傳統(tǒng)意識與現(xiàn)代觀念發(fā)生碰撞。在這樣特殊的社會背景下，木蘭除了從父母那里接受傳統(tǒng)儒道文化的浸染，還接受了現(xiàn)代教育，她從十幾歲時就開始思考“男人與女人的分別這件事”，也經(jīng)常和父親談?wù)摗靶聲r代的女子”的話題，是一個“新式的女孩子”?！澳咎m有幾種女人所沒有的本領(lǐng)：第一，她會吹口哨兒；第二，她會唱京戲；第三，她收集古董，而且能鑒賞?！盵1]60可見，木蘭稱得上是東西方文化交融下，集傳統(tǒng)美德與現(xiàn)代性于一身的奇女子。

表1 自保護(hù)密封裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of the self-protective sealing device mm

2.1 自保護(hù)密封裝置模型及網(wǎng)格劃分

在Simulation 模塊中建立自保護(hù)密封裝置模型，由固定支撐和橡膠氣囊組成。其中，固定支撐材料為普通碳鋼，橡膠氣囊材料為丁腈橡膠。同時對自保護(hù)密封裝置按照結(jié)構(gòu)尺寸大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。圖中白色部分為固定支撐網(wǎng)格，紅色部分為橡膠氣囊網(wǎng)格。

圖3 自保護(hù)密封裝置網(wǎng)格Fig.3 Grid diagram of the self-protection sealing device

2.2 定義邊界條件和載荷

結(jié)合自保護(hù)密封裝置實(shí)際工作狀態(tài)，對固定支撐進(jìn)行固定約束，并使其成剛性，限制其位移和形變。對橡膠氣囊做膨脹處理，分別對橡膠氣囊內(nèi)部施加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0、1.5 和2 MPa 8 個不同氣壓做實(shí)驗(yàn)，得出橡膠氣囊膨脹位移，具體位移見表2。

表2 不同氣壓下自保護(hù)密封裝置膨脹位移Table 2 Expansion displacement of the self-protective sealing device under different air pressures

2.3 膨脹過程數(shù)值模擬分析

在建立橡膠氣囊模型和網(wǎng)格劃分、定義邊界條件和載荷后，進(jìn)行數(shù)值模擬得到橡膠氣囊在不同氣壓條件下的膨脹位移，變化結(jié)果如圖4 所示。

圖4 橡膠氣囊膨脹位移隨氣壓變化Fig.4 Variation diagram of the expansion displacement of the rubber airbag with air pressure

如圖4 所示，橡膠氣囊膨脹位移隨著氣壓增大而增大，呈線性關(guān)系，將線性比例系數(shù)命名為膨脹位移比k，可得到所需氣體壓力p的計算公式：

式中：p為氣體壓力，MPa；l為橡膠氣囊膨脹位移，由自保護(hù)密封裝置和儀器尺寸所決定，mm；k為橡膠氣囊膨脹位移比，mm/MPa。

通過式(1)求得密封時所需氣體壓力p，進(jìn)而求得所需氣體物質(zhì)的量n。氣體物質(zhì)的量n可通過氣體壓力計算公式得出：

式中：V為橡膠氣囊膨脹時內(nèi)部空腔體積，mm3；n為氣體物質(zhì)的量，mol；R為常數(shù)，為8.314；T為熱力學(xué)溫度，K。

若自保護(hù)氣體所需物質(zhì)的量n已知，可通過化學(xué)方程式等公式求出所需自保護(hù)氣體藥品質(zhì)量。為滿足橡膠氣囊持續(xù)膨脹要求，自保護(hù)氣體藥品填裝質(zhì)量要大于所需質(zhì)量。

為滿足密封要求，需根據(jù)環(huán)境溫度和橡膠氣囊材料，選擇不同自保護(hù)氣體藥品。以丁腈橡膠為材料的橡膠氣囊承受溫度范圍為-50～150℃，NaHCO3受熱分解溫度為130℃，在橡膠氣囊承受溫度內(nèi)。以NaHCO3生成C O2為例，化學(xué)方程式：

由化學(xué)方程式(3)可得，假設(shè)生成1 mol CO2氣體，需要2 mol NaHCO3。 NaHCO3相 對摩爾質(zhì)量 為84 g/mol，所需 NaHCO3質(zhì)量為168 g。

3 自保護(hù)密封裝置流體數(shù)值模擬及隨鉆實(shí)驗(yàn)

自保護(hù)密封裝置作為密封結(jié)構(gòu)最后一環(huán)，可防止外部鉆井液等液體進(jìn)入儀器內(nèi)部破壞儀器，保護(hù)隨鉆測量儀器直至離開鉆孔，但自保護(hù)密封裝置屬于氣壓膨脹性密封，密封效果未知。因此，需對自保護(hù)密封裝置進(jìn)行橡膠氣囊膨脹情況下流體數(shù)值模擬分析研究。

3.1 自保護(hù)密封裝置模型及網(wǎng)格劃分

在SOLIDWORKS 軟件Flow Simulation 模塊中建立簡易自保護(hù)密封裝置密封系統(tǒng)模型(以下簡稱簡易模型)，同時對簡易模型按照結(jié)構(gòu)尺寸大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分。簡易模型由儀器殼體、自保護(hù)密封裝置(固定支撐和橡膠氣囊)和中間軸組成。其中，殼體、軸和固定支撐材料為普通碳鋼，橡膠氣囊材料為丁腈橡膠。

3.2 定義邊界條件和載荷

結(jié)合簡易模型實(shí)際工作狀態(tài)，對殼體、軸和固定支撐進(jìn)行固定約束并使其成剛性，限制其位移；因模型1 壁厚小于模型2，密封性能較差，以模型2 為分析示例。根據(jù)簡易模型內(nèi)外徑分別為25、44 mm 和模型2 結(jié)構(gòu)尺寸，求得橡膠氣囊所需膨脹位移為4 mm。根據(jù)式(1)求得所需壓力為0.48 MPa。為滿足密封需求，實(shí)際氣壓應(yīng)大于計算所需壓力，因此對橡膠氣囊內(nèi)部施加0.6 MPa 壓力?，F(xiàn)場施工過程中隨鉆測量裝置O 型密封圈失效時，孔內(nèi)水流速為2 m/s，因自保護(hù)密封裝置在O 型密封圈失效同時開始工作，故選用流體水為流速2 m/s。

3.3 流體數(shù)值模擬分析

在建立簡易模型和網(wǎng)格劃分、定義邊界條件和載荷后，自保護(hù)密封裝置模型膨脹與儀器殼體進(jìn)行接觸，并使其正對水流方向，進(jìn)行數(shù)值模擬得到簡易模型水流動軌跡圖，如圖5 所示。

圖5 自保護(hù)密封裝置數(shù)值模擬流體軌跡Fig.5 Diagram of the fluid trajectory by numerical simulation of the self-protective sealing device

水從簡易模型殼體外壁流過，簡易模型內(nèi)部無水流動軌跡，證明了自保護(hù)密封裝置密封性能可靠。簡易模型內(nèi)部無液體流動痕跡，證明自保護(hù)密封裝置可作為多級密封結(jié)構(gòu)最后一級，與其他密封裝置共同組成逐級保護(hù)密封結(jié)構(gòu)，避免組合靜密封結(jié)構(gòu)并列保護(hù)缺陷，保護(hù)隨鉆測量儀器在孔內(nèi)不受外部液體傷害，從而延長隨鉆測量儀器工作壽命。

3.4 自保護(hù)密封裝置組合密封結(jié)構(gòu)隨鉆實(shí)驗(yàn)

自保護(hù)密封裝置組成的組合密封結(jié)構(gòu)隨雙鉆頭自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)不固定巖樣取心實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，鉆進(jìn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，組合密封結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常。鉆進(jìn)時為滿足取心要求，鉆井液采用局部反循壞方式，直接威脅組合密封結(jié)構(gòu)，但在鉆井液高速沖擊下，組合密封結(jié)構(gòu)仍保障鉆進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)行，證明了由自保護(hù)密封裝置組成的組合密封結(jié)構(gòu)能夠保護(hù)隨鉆測量儀器在孔內(nèi)鉆進(jìn)不受鉆井液等傷害。

4 橡膠氣囊膨脹因素分析

如圖4 所示，自保護(hù)密封裝置模型1 與模型2 膨脹位移比k并不相同，模型1 與模型2 唯一變量為結(jié)構(gòu)尺寸。因此，對橡膠氣囊膨脹位移比k和結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系進(jìn)行分析。橡膠氣囊結(jié)構(gòu)包括氣囊空腔和氣囊橡膠外壁，其結(jié)構(gòu)參數(shù)有內(nèi)外圈直徑、寬度和高度以及氣體通道直徑和長度，如圖6 所示。因模型1 和模型2 高度和氣體通道直徑和長度相同，且氣囊內(nèi)外圈直徑與自保護(hù)密封裝置整體尺寸有關(guān)，因此選擇氣囊空腔寬度和氣囊壁厚作為自變量。從橡膠氣囊整體進(jìn)行分析，增加氣囊直徑和氣囊寬度2 個自變量。

圖6 自保護(hù)密封裝置結(jié)構(gòu)Fig.6 Structural diagram of the self-protective sealing device

從氣囊直徑、氣囊寬度、氣囊內(nèi)腔寬度和橡膠壁厚四個自變量對橡膠氣囊膨脹位移進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，建立五個橡膠氣囊模型，并根據(jù)四個自變量，共做20 次膨脹模擬，其參數(shù)見表3。并施加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0、1.5 和2.0 MPa 8 個不同氣壓做實(shí)驗(yàn)，得出橡膠氣囊膨脹位移比。在數(shù)值模擬過程中，發(fā)現(xiàn)自保護(hù)密封裝置橡膠氣囊膨脹數(shù)值模擬圖中隨著自變量變化，橡膠氣囊內(nèi)外圈膨脹位移大小不同，如圖7 所示。且最大值未出現(xiàn)在同一地方，而是內(nèi)外圈均有出現(xiàn)。

表3 橡膠氣囊膨脹自變量參數(shù)Table 3 Independent variable parameters of rubber airbag expansion mm

圖7 自保護(hù)密封裝置膨脹位移Fig.7 Expansion displacement diagram of the self-protective sealing device

針對這一情況，對橡膠氣囊內(nèi)外圈分別進(jìn)行自變量數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外圈中膨脹位移最大值與橡膠氣囊整體膨脹位移值相同。對橡膠氣囊整體和內(nèi)外圈分別進(jìn)行數(shù)值模擬后，對其膨脹位移比k進(jìn)行歸整后結(jié)果如圖8 所示。橡膠氣囊膨脹位移比k隨氣囊直徑和寬度增大先增大后減小，與氣囊直徑、寬度呈二次函數(shù)關(guān)系；隨氣囊內(nèi)腔寬度和壁厚增大而減小，與內(nèi)腔寬度、壁厚呈反比關(guān)系；但隨氣囊內(nèi)腔寬度變化幅度與其他三個自變量相比較小。

圖8 橡膠氣囊膨脹位移比變化Fig.8 Variation diagram of the expansion displacement ratio of the rubber airbag device

從圖8a、圖8d 可以看出，在直徑和壁厚較小時，外圈膨脹位移比大于內(nèi)圈，但隨著直徑和壁厚繼續(xù)增大，外圈膨脹位移比均明顯小于內(nèi)圈。從圖8a、圖8b可以看出，外圈膨脹位移比上升幅度小于內(nèi)圈而下降幅度大于內(nèi)圈，且橡膠氣囊內(nèi)圈體積小于氣囊外圈體積。因此，可以判斷橡膠氣囊結(jié)構(gòu)尺寸存在臨界值，此時，橡膠氣囊膨脹位移比k最大。為滿足自保護(hù)密封裝置正常工作，實(shí)際使用時應(yīng)選取其中小膨脹位移比作為自保護(hù)密封裝置整體膨脹位移比。

橡膠氣囊直徑和寬度受隨鉆測量儀器結(jié)構(gòu)尺寸影響，而橡膠壁厚與氣囊密封性能和工作壽命密切相關(guān)[16-20]。壁厚越大，密封效果越好，工作壽命越長。從內(nèi)腔寬度(圖8c)和壁厚(圖8d)中可以看出，氣囊膨脹位移比k隨內(nèi)腔寬度和壁厚增大而減小。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可縮減氣囊內(nèi)腔寬度增加橡膠壁厚，達(dá)到更好密封性能，從而延長隨鉆測量儀器工作壽命。

5 結(jié) 論

a.靜力學(xué)膨脹模擬表明橡膠氣囊膨脹位移與氣壓成正比，從而依據(jù)膨脹位移量確定自保護(hù)氣體藥品質(zhì)量。

b.橡膠氣囊膨脹位移與氣囊直徑、寬度呈二次函數(shù)關(guān)系，和氣囊壁厚、內(nèi)腔寬度成反比，得到橡膠氣囊膨脹位移與自身結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系，為設(shè)計滿足隨鉆測量儀器安裝空間自保護(hù)密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

c.對自保護(hù)裝置研究仍處于模擬狀態(tài)，橡膠氣囊膨脹位移最大時的結(jié)構(gòu)尺寸臨界值未求出，仍需進(jìn)行大量數(shù)值模擬。

d.由自保護(hù)裝置組成的組合靜密封結(jié)構(gòu)通過流體模擬和室內(nèi)隨鉆實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了自保護(hù)密封裝置作為密封結(jié)構(gòu)最后一步，密封可靠。為進(jìn)一步驗(yàn)證自保護(hù)裝置組成密封結(jié)構(gòu)的密封性能，現(xiàn)場試驗(yàn)和深入研究是后續(xù)要開展的工作。