泥浆脉冲发生器活塞压力平衡装置的研究与优化设计

林坤, 马朝选, 李军科, 郭嗣杰, 王洁冰

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所, 河北 邯郸 056027)

0 引 言

石油测井仪器在井下要承受高温高压作用,为了避免仪器因高压而损坏,保持仪器的内外压力平衡是既简单又可行的方法。

硅油具有氧化稳定性、良好的润滑性、不导电、对气泡不溶解和去气泡性能、对橡胶密封件无腐蚀和不溶解等良好的性质,而且在高温、高压作用下体积变化不大,所以选用硅油作为实现内外压力平衡的介质[1]。当硅油在高温高压作用下体积发生改变时,仪器内部的油腔空间也应随之增大或减小,从而使仪器内外压力保持平衡,达到压力补偿的作用。

泥浆脉冲发生器的活塞在井下高温高压作用下工作的力学机制非常复杂,活塞在井下既要移动灵活,又要密封可靠,是活塞压力平衡装置所遇到的新问题和挑战。本文通过分析活塞往复运动密封机理,采取措施避免活塞往复运动造成泄露;通过建立压力平衡装置的静态与动态力学模型,分析影响活塞移动灵活的因素和井下工作的运动规律,为压力平衡结构设计提供理论指导,并对该结构进行了优化设计。

1 活塞往复运动密封机理分析

用作往复运动密封时,O型密封圈的预密封效果和自密封作用与静密封一样;O型密封圈因自身的弹性,具有磨损后自动补偿的能力。当往复运动时,密封依靠密封件与运动活塞杆之间流体膜的弹性流体动压效应实现。

O型密封圈的动密封机理如图1所示。当液体在压力作用下,密封件与往复运动平面之间始终存在起一定密封作用的液体油膜,该油膜对运动密封面的润滑非常重要。但是,往复运动的活塞缸缩回时该液体薄膜便被密封元件阻留在外面,逐渐形成油滴,造成往复运动密封装置的泄漏[2-6]。

图1 O型密封圈的动密封机理

O型密封圈作为往复运动密封件,有结构紧凑、尺寸小等特点,可以降低零件价格,适用于小直径、短行程和中低压力的场合。综合考虑直径、行程和性价比,该压力平衡装置选用O型密封圈作为往复运动密封原件。

2 活塞压力平衡装置的力学模型

活塞压力平衡装置的结构力学模型[7]如图2所示。在图2中,在井下一定深度作用在泥浆脉冲发生器活塞上的外界压力为p外;系统内部油液与活塞之间形成油腔,左侧腔充满压力油硅油,对活塞施加的压力为p油,与此同时,活塞与活塞缸套之间因相互接触,产生静摩擦力Fs或动摩擦力Ff。

图2 活塞压力平衡装置的力学模型

由于油液的可压缩性,活塞与活塞缸套之间组成可变的补偿容积,随着测井深度的不断增加,在活塞上的外界压力p外升高,油液在活塞的移动下被压缩,左侧腔室硅油对活塞施加的压力p油也随着上升,最终达到压力平衡。

3 压力平衡装置静态特性建模与分析

3.1 静态力学模型的建立

压力平衡装置开始工作时,由于活塞与活塞缸套之间的静摩擦力的作用,活塞保持静止状态,在井下压力、硅油压力以及静摩擦力的作用下,其内部静态力平衡方程[8]为

p外S=p油S+Fs

(1)

(2)

式中,p油为油腔内的硅油压力;p外为仪器所在深度作用在活塞上的外界压力;Fs为活塞与活塞缸套之间的静摩擦力;S为活塞工作面的面积;D为活塞的直径。

由式(1)、式(2)可得活塞在静止状态下活塞平衡装置的内、外压差(启动压差)为

(3)

由式(3)可知,在其他参数确定的情况下,启动压差Δp与静摩擦力Fs成正比。静摩擦力越大,启动压差越大,对压力平衡装置的影响越严重。

3.2 运动摩擦力分析

密封运动摩擦力Ff由2部分组成[9-10]。

O型密封圈预压缩产生的初始摩擦阻力Fe

(4)

O型圈在活塞内外压差为Δp的液压油作用下产生的摩擦力增量Fp

(5)

则活塞的动密封运动摩擦力Ff

(6)

式中,f为活塞与活塞缸套之间的摩擦系数;D为O型密封圈的外径;d为O型密封圈的截面直径;e为O型密封圈的预压缩率;E为O型密封圈材料的弹性模量;μ为O型密封圈材料的泊松系数。

静止时,O型密封圈的静摩擦力与动摩擦力之间的关系为

Fs=α×Ff

(7)

式中,α为O型密封圈的启动摩擦系数,取值范围为3～4。活塞、密封圈以及活塞缸套之间形成的是过盈配合,使接触界面间无润滑剂,形成干摩擦,起到摩擦系数变大,启动摩擦力变大;启动时的摩擦系数最大;活塞的运动带动油液的滚动,活塞缸套内壁油膜对活塞起到润滑作用,启动后的摩擦系数减小。

将式(6)、式(7)代入式(3)得出压力平衡装置的内外压差与启动摩擦系数的关系

(8)

由式(8)可知,当摩擦系数f为常数时,启动摩擦系数α增大,活塞压力平衡装置的启动压差Δp增大;当启动摩擦系数α为常数时,摩擦系数f增大,活塞压力平衡装置的启动压差Δp增大。

在活塞压力平衡装置设计时,应减小活塞与活塞缸套之间的摩擦系数和启动摩擦系数,减小启动压差,使活塞与活塞缸套之间的运动更加灵活,提高泥浆脉冲发生器调节压力平衡的灵敏度。

4 压力平衡装置动态特性建模与分析

随着测井深度不断增加,活塞在压力差和动摩擦力的作用下会向左移动(见图2)。假设系统无阻尼作用,压力平衡装置工作时的动平衡方程[12-14]为

(9)

式中,x为活塞的运动位移;m为活塞的质量;Ff为活塞与活塞缸套的动摩擦力。

活塞在活塞缸套内运动,由一种动平衡到另外一种动平衡的过程中,油腔内油液体积压缩量与活塞行程的关系为

dV=Sdx

(10)

油液体积压缩而引起的压力变化为

(11)

两边积分得

(12)

当仪器在地面上时,活塞位移为0,油腔内的压力与外界大气压强p0相等,即1个标准大气压C=p0=1×105Pa,代入式(12)可得活塞油腔内的压力与活塞行程之间的关系为

(13)

式中,E为油液的体积弹性模量;V油为活塞油腔内油液的体积;C为待定常数;p0为大气压强,p0=1×105Pa。

把式(13)代入式(9),得

(14)

整理,得

(15)

(16)

由式(16)可知,活塞在外界压力和液压油的作用下,运动位移曲线是正弦曲线。随着外界压力和液压油压力的不断变化,活塞不断的运动达到新的平衡位置。

图3 现有的压力平衡装置结构

5 活塞压力平衡装置的设计

5.1 现有压力平衡装置的缺点

现有泥浆脉冲发生器压力平衡装置结构见图3。波纹管套在波纹管轴和固定轴上,用细钢丝扎紧;补偿膜套在补偿膜支架上,用细钢丝扎紧,然后进行装配,在脉冲发生器中波纹管和补偿膜里面充满油。

泥浆脉冲发生器工作在高速流动、高腐蚀性、高温高压的泥浆环境中,波纹管和补偿膜调整仪器内外压力差,波纹管将泥浆脉冲发生器内的油与泥浆隔离,使仪器内外压力平衡。

波纹管和补偿膜材料为氟橡胶的橡胶件。细钢丝和波纹管、补偿膜橡胶件工作在高温、高腐蚀性的

泥浆中一段时间后,细钢丝常被腐蚀断,甚至有时波纹管和补偿膜会破裂,泥浆脉冲发生器因泥浆进入而无法正常工作,严重时还有可能因泥浆进入使电路短路而引起电池爆炸。

5.2 活塞压力平衡装置的结构

充分考虑活塞压力平衡装置的静动态力学性能和现有压力平衡装置的缺点,设计的压力平衡装置结构见图4。

图4 压力平衡装置结构

采用活塞与活塞缸的动密封在泥浆脉冲发生器的平衡外筒内部形成一个密封环境,同时在其内部充满高温硅油,通过井底的钻井液压力与脉冲发生器内部液压油的压力差推动活塞在活塞缸内运动,以增大或减小脉冲发生器的内部油压最终平衡钻井液与脉冲发生器之间的压力;在脉冲发生器工作时,活塞杆穿过活塞中心处,与阀套控制泥浆的通断,平衡活塞内外之间的压差,从而就使得脉冲发生器能够适应高温、高压等复杂工况的施工,既可以减少橡胶部件所引起的脉冲器故障,又能提高脉冲发生器抗高温、抗高压的能力,提高了脉冲发生器的性能和质量。

5.3 活塞往复运动密封结构

活塞往复运动密封结构[15-16]见图5。活塞安装在活塞缸内且与活塞缸的内壁通过O型密封圈密封;活塞帽安装在活塞缸的右侧;活塞杆与活塞之间通过密封圈密封,压板固定安装在活塞的左端,用于压紧密封圈,能够更好地保证活塞与活塞杆之间的密封性,弹性挡圈用于固定压板。

为了避免活塞移动过程因静摩擦力产生爬行现象[17]对活塞缸造成损坏,把活塞设计成U型结构形式(见图5),两长边起到导向的作用,避免了活塞结构在运动时由于截面受力不均而产生的倾斜导致活塞缸套的损坏。同时,在活塞的外表面设计一个凹槽,减小了活塞与活塞缸套之间的摩擦接触面,相比传统的柱塞式的活塞结构大大减轻了质量,减小压力平衡装置的启动压差,使活塞与活塞缸之间的运动的灵活性提高了36%。

图5 活塞往复运动密封结构

6 结 论

(1) 通过对泥浆脉冲发生器活塞压力平衡装置的静动态特性建模与分析,在设计时,应减小活塞与活塞缸套之间的摩擦系数和启动摩擦系数,减小启动压差,使活塞与活塞缸套之间的运动更加灵活,提高泥浆脉冲发生器调节压力平衡的灵敏度。

(2) 泥浆脉冲发生器采用活塞、活塞缸与O型密封圈组成的压力平衡装置,能够适应高温、高压等复杂工况的施工,既可以减少现有仪器橡胶部件所引起的脉冲发生器故障,又能提高脉冲发生器抗高温、抗高压的能力,提高了脉冲发生器的性能和质量。

(3) 活塞往复运动密封结构中把活塞设计成U型结构形式,在活塞的外表面设计一个凹槽,减小了活塞与活塞缸套之间的摩擦接触面,相比传统的柱塞式的活塞结构大大减轻了质量,减小压力平衡装置的启动压差,使活塞与活塞缸之间的运动的灵活性大大提高。

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