旋转防喷器高压旋转动密封技术的探讨

2002年第31卷　　　　　　　　　　　　　　　石油矿场机械　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第1期第19页　　　　　　　　　　　　　O I L 　F IELD 　EQU IP M ENT 　　　　　　　　　　2001, 31(1) :19～21　

文章编号:100123482(2002) 0120019203α

旋转防喷器高压旋转动密封技术的探讨

王复东

(胜利石油管理局钻井工艺研究院, 山东东营257017)

摘要:旋转动密封是欠平衡钻井旋转防喷器中的主要部件, 从可靠性和经济性来讲, 它一般为限制性部件, 其影响

设备的整体性能。现文通过对高压旋转动密封技术发展的回顾及应用现状分析, 提出了在欠平衡钻井旋转防喷器中应用Kalsi 高压旋转动密封技术的可行性, 为欠平衡压力钻井配套技术研究课题中旋转防喷器的国产化提供了技术支持。

关键词:旋转防喷器; 密封件; 技术; 分析中图分类号:T E 921. 501　　　文献标识码:A

D iscuss on the techn ique of h igh pressure rotary ic

sea l i n the rotary blowout W AN G Fu 2(D rilling T echnology Institu te , S heng li P , D ongy ing 257000, Ch ina )

Abstract :A s the key elem en ts in p equ i t ro tary dynam ic seal restricts equ i pm en t ’s over 2all featu re w h ile con econom y . A cco rding to the review of the developm en t of h igh p ressu re ro tary ic statu s analysis , th is p ap er p resen ts the feasib ility of u sing Kalsi h igh p ressu re ro tary dynam techn ique in the ro tary b low ou t p reven ter , and supp lies techn ical suppo rt to the sub ject of ro tary b low ou t p reven ter in m atch ing techno logy of underbalanced drilling . Key words :ro tary b low ou t p reven ter ; seal elem en t ; techn ique ; analysis

　　欠平衡压力钻井技术是20世纪80年代发展起来的一项钻井工艺技术, 由于其在减轻地层伤害、解放油气层、正确评价储层、明确提高产能等方面所具有的先进性, 在油田开发中越来越受到人们的重视。近几年, 国内也非常重视该技术的开发应用, 经过2a 的试验研究, “欠平衡压力钻井配套技术研究”被列为中石化集团公司“十条龙”攻关项目。旋转防喷器是实施欠平衡压力钻井的关键设备, 对其进行国产化设计具有重要意义。高压旋转动密封作为旋转防喷器轴承总成的关键部件, 其性能好坏直接影响到旋转防喷器的使用。旋转防喷器工作时, 作用在其上的动压为20M Pa , 静压为35M Pa , 转轴轴径大于200mm , 转速150r m in , 密封介质为含有磨砺性细小颗粒的高温泥浆, 工作条件十分恶劣。工作时一旦发生泄漏, 泥浆进入轴承总成, 将会对轴承总成造成致命伤害, 甚至影响整个钻井进程。

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本文通过对高压旋转动密封技术发展的回顾及应用现状分析, 提出了在欠平衡钻井旋转防喷器中应用Kalsi 高压旋转动密封技术的可行性, 为欠平衡压力钻井配套技术研究课题中旋转防喷器的国产化提供了技术支持。

1　几种常见的旋转动密封结构形式

对高压旋转动密封, 采用填料密封是常用的解决方法。通过压紧填料使之与旋转轴贴紧, 形成密封。因填料与旋转轴表面同一部分连续接触, 会产生相当大的摩擦和磨损, 且散热较困难。此外, 旋转轴的偏斜、偏心等因素对密封效果影响较明显。因此, 在高压密封中必须采取部分特殊的结构, 如外部冷却、使用灯笼环、自紧弹簧等。

机械端面密封属于轴向密封, 其中平衡型密封的端面比压完全不受密封介质压力升高的影响, 因

收稿日期:2001208215

作者简介:王复东(19722) , 男, 山东临朐人, 工程师, 上海交通大学在读硕士, 主要从事石油矿场机械设计和研究工作

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而使用于高压密封, 密封效果较好。但机械密封结构复杂, 占用空间大, 价格昂贵, 且对密封副要求高, 尤其是在密封含有磨砺性固体颗粒的介质(如钻井泥浆) 时, 如果无冲洗液或防护密封以防止固体物质进入其密封面, 将会产生严重磨损。另外, 对振动较敏感, 由冲击引起的强烈振动可以使密封摩擦面很快磨损[1]。

此外, 还有非接触密封, 如间隙密封、迷宫密封、粘液密封和磁流体密封等, 通过在被密封的流体产生压力降来形成密封, 允许产生一定的泄漏, 不存在密封件与运动件之间的摩擦, 无磨损, 密封效果好, 但密封的形成条件相对严格。

Y 型、V 型密封圈也可用于旋转轴密封。国内旋转防喷器采用了一组V 型密封圈[2]。一种采用Y 型密封圈的钻井水龙头旋转密封装置用于密封25M Pa 甚至更高压力的钻井泥浆。Y 型密封圈与

和运行不稳定的环境, 如井底动力马达、牙轮钻头、钻井水龙头、钻井泵、高压旋转防喷器等。

2　Ka lsi 密封的几何形状及密封

[7]

Kalsi 密封的几何结构如图3, 其密封面由一

条由多个波形组成的流体动力润滑边(波形边) 和一条尖的、直的隔离边(直边) 组成。密封圈安装到密封槽内, 波形边与直边同时与轴表面接触, 形成一波形接触区, 如图4。

象O 形圈一样, 该密封同样以一定的过盈安装在密封槽内, , , 形成一相对速度图2　用于井底马达的一v N , 使得轴与密封结合面　　种波形回旋密封之间形成了一层油膜, 避

免了轴与密封面的直接接触, 摩擦因数低(典型的液力范围内) , 热量产生达到最小值, 轴与密封接触表面的磨损实际上不存在。在环境介质一侧, 密封边缘形状经过设计可以防止磨砺性物质进入密封内表面(如图5) 。

速度分量v N 产生的流体动力润滑作用, 取决于波数和波的振幅。而油膜厚度取决于多个变量, 包括速度分量、润滑油粘度、橡胶粗糙度、初始密封压实度、密封压力和密封形状等。当v N 达到最大值

时, 在一定位置会产生最图3　Kalsi 密封的几何形状大油膜厚度。该油膜厚度的大小在轴向和周向是变化的。整个密封接触区都处于完全流体动力润滑状态。

在轴向接触压力分布上, 密封圈外边缘的几何形状引起了一个非常陡的压力梯度, 且外边缘处无垂直于隔离边的水力速度分量。这有效地阻止了磨砺性物质进入密封接触区。润滑边上的水力作用还造成了一很小但却有用的润滑油漏失, 使磨砺性物质离开密封界面, 同时在隔离边维持着一定油膜厚度。润滑油的泄漏取决于多个变量, 如速度、润滑油

隔环交替布置, 密封圈可借助泥浆压力自行封紧, 唇

部在泥浆压力的作用下始终抱紧旋转冲管外壁, 使在密封圈不断磨损的情况下, 张开唇部而形成很好的密封[3]相比较而言, 构简单、占用空间少、、摩擦损失小等优点, 在许多设备中被广泛采用。但过去一般认为, 它只适于做低压密封, 机械密封、填料密封才能用于高压密封, 其实这种看法不够全面。

研究表明, 基于多重回旋、波纹或密封表面起伏等概念而设计的旋转密封有助于提高密封效果[4～5], 如倾斜安装的O 形圈(如图1) , 可作为高压旋转密

封件。此类密封圈设计基于可预期的流体动力润滑

机理。轴旋转时, 它能产生图1　倾斜安装的O 形圈高的流体动力速度分量, 　　在轴上的运动轨迹在密封界面形成一定厚度的润滑油膜, 从而降低磨损, 提高密封元件寿命。但这种设计不适合于含有磨砺性介质的密封环境, 由于轴与密封面之间存在相对转动和波形接触, 磨砺性介质颗粒会大量进入密封界面, 造成密封失效。图2为一种用于井底马达的波形回旋密封结构[6]。

Kalsi 高压旋转动密封(以下简称Kalsi 密封) 是针对这种情况而开发的一种新型高压旋转动密封。它由单一的橡胶整体元件组成, 象O 形圈一样安装方便。特别适合于出现强烈冲击振动, 频繁启停

　王复东:旋转防喷器高压旋转动密封技术的探讨粘度、密封流体动力几何形状(波数和波幅) , 以及材料硬度等

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能够在速度为61～213m m in 的情况下承受34. 46M Pa 的高压, 然而摩擦因数仅为0. 015～0. 020。在34. 46M Pa 压力下, 达到250h 目标, 同时表现出极好的稳定性, 摩擦因数低, 密封内表面无剥蚀(老化) 。

目前, 我国已从美国引进多套欠平衡钻井设备, 胜利油田中国胜利欠平衡钻井技术公司拥有6套欠平衡钻井设备, 其中5台W illiam s 高压旋转防喷器, 1台Shaffer 高压旋转防喷器, 其高压旋转动密封采用了Kalsi 密封。完成18口欠平衡井的施工, 工作压力为1. 5～9. 0M Pa , 转速为50～80r m in , 到目前为止, 还未发现动密封损坏现象, 基本满足欠平衡钻井工艺要求。

图4　Kalsi

密封安装示意

4　结论

, 独特的(如高压、磨砺性

图5　Kalsi ) 下具有良好的密封性, 提供了可靠的解决办法。我们应加大这方面的研究, 使其在理论及实验研究上有所突破, 从而推动现代石油设备的发展。

参考文献:

[1]　刘令勋, 刘英贵. 动态密封设计技术[M ]. 北京:中国

3　Ka lsi 高压旋转防喷器是实施欠平衡压力钻井的关键

设备, 鉴于Kalsi 密封圈所具有的优异的密封性能, 目前, 美国已有3家制造商在其应用到世界各地的高压旋转防喷器中使用这种流体动力密封, 钻进时压力为3. 44～17. 23M Pa 。钻井过程中, 作用在钻柱上的横向载荷会使旋转轴与密封函之间发生金属与金属的无意接触, 这会在密封圈附近造成摩擦热的产生, 该热量会使密封圈变软甚至局部熔化。为此

, Kalsi 密封提供了一种用于高压旋转防喷器的横向浮动密封函(如图6) , 旋转轴密封内径D 1与静密封内径D 2相等, 消除了由压差引起的轴向力, 密封横向运动的摩擦阻力可以忽略。受横向力作用时, 轴与密封函一起移动。Kalsi 密封圈及其获得专利的横向浮动密封函进一步提高了旋转防喷器的性能。

标准出版社, 1993. 2012202.

[2]　魏明扬, 王福培, 秦世宽. 一种钻井旋转防喷器[P ].

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图6　用于高压旋转防喷器的横向浮动密封函

据文献[8],一种新的几何形状的Kalsi 密封圈