可控弯接头密封结构设计研究

展茂雷，张光伟

(西安石油大学 机械工程学院，西安 710065)*



可控弯接头密封结构设计研究

展茂雷，张光伟

(西安石油大学 机械工程学院，西安 710065)*

摘要：旋转导向钻井工具在国内已有较大的发展，现已成型的导向钻具几乎全为钻头推靠式导向方式。可控弯接头导向钻具的设计研究为国内全旋转钻头指向式导向钻具的发展奠定了理论基础，其研制尚处于起步阶段，有许多关键技术亟待解决。简要介绍了旋转导向钻井工具结构和工作原理；针对其结构特点和实际的井下工作环境，对其密封结构进行重点研究。设计一种带有压力补偿的组合密封结构，为存在动态压力突变的钻井液-润滑油这一位置的密封问题提供一种理想的解决方案，并对关键密封部件进行有限元分析，以保证密封结构具有径向补偿、耐高温、耐高压、耐腐蚀、抗冲击、长寿命等特点，为可控弯接头原理样机的试制与相关原理性试验奠定良好的理论基础。

关键词：旋转导向钻井工具；可控弯接头；压力补偿；密封设计；有限元分析

旋转导向钻井工具的设计研发近年来才在国内兴起，由于国外该技术对我国实行技术封锁，国内该技术与国外还有较大差距[1-2]。在国内现已成型的旋转导向钻井工具几乎全为钻头推靠式，这种依赖推靠井壁来提供导向侧向力的系统，容易给定向井带来井眼清洗不良和产生螺旋井眼等不利影响[3]。随着旋转导向钻井工具在陆地和海上得到越来越广泛的应用，对其性能也提出了更高的要求。

笔者所在的课题组设计研究了一种新型全旋转钻头指向式旋转导向钻井工具——可控弯接头，主要为满足复杂油气藏的开发而设计。作为一种芯轴非连续式的动态指向式旋转导向钻井工具，其研究正处于起步阶段，有许多关键技术亟待解决。可控弯接头的密封正是研究难点之一，密封结构设计的优劣直接决定其密封性能，进而影响到可控弯接头能否在井下正常工作，能否保证设计要求的井下工作时间与效率。可控弯接头密封部位结构空间有限，井下工作条件复杂、工作环境恶劣。因此，可控弯接头对密封有较高的要求，密封结构一旦失效，则会导致可控弯接头失去正常工作能力。笔者主要对可控弯接头导向机构中的密封结构进行设计和分析，以争取其样机早日试制成功。

1可控弯接头密封设计要求

1.1结构原理

可控弯接头导向工具的结构如图1所示。

1—伺服电机Ⅰ；2—轴承；3—旋转外套；4—伺服电机Ⅱ；

图1中上部控制部分已略去，只显示可控弯接头的导向工具的执行机构。该机构是全旋转导向钻具，由井下动力钻具带动旋转外套旋转，使其相对于井壁一直保持转动。钻具主要由旋转外套、偏心环组、万向轴、推力轴承、导向节等几部分组成，偏置方式类似Geo-Pilot的偏心环结构。旋转外套将钻压和转矩通过导向节传递给钻头，球形导向节可以允许万向轴在设计的角度内自由摆动。钻井液经万向轴流到钻头，在垂直钻进或造斜过程中可控弯接头执行控制单元发出的指令，控制与球面偏心环组连接的伺服电机的速度与转向，偏心环组形成不同的配合模式，使万向轴以导向节为支点与井眼轴线形成一定夹角，从而对井斜和方位进行导向控制[4]。

1.2设计要求

可控弯接头为“全旋转”导向机构，旋转外套通过导向节带动万向轴同时转动，所以旋转外套与万向轴之间是相对静止的，因此它们之间的密封属于高压静密封。但由于旋转外套与导向节的配合有一定的间隙，因此在钻具启动和停止时，密封结构会有微小的错动。高压密封结构的设计与密封元件的选用应遵循以下基本原则：

1)高压密封首先必须耐高压，可控弯接头可应用于深井和超深井，因此密封结构要能承受30 MPa以上的高压。

2)高压静密封应有自动补偿的能力，密封结构对微小的间隙可以自动补偿。由于万向轴在导向钻进时会在设计范围内频繁地调整其摆角大小，就会引起密封界面产生波动，因此万向轴在调整摆角大小时密封结构需要有浮动弹性，以及时弥补间隙，避免泄漏。

3)密封件与密封套之间有充足的间隙，以保证在达到最大设计导向角时，万向轴也能自由摆动，而不受到密封套的约束。

4)高压密封结构和所选择的密封材料可较长时间在高温环境下工作。由于可控弯接头作业处温度很高，密封件要浸润在高温油浴中，应能耐受150 ℃以上的高温，并且在达到最高温度时，其密封不会马上失效，因此对密封材料有苛刻的要求。

5)密封结构抗冲击振动，密封材料耐腐蚀。钻头在破岩时会产生冲击振动，密封结构要有一定的减震缓冲设计，钻井液的成分复杂，对密封结构中的橡胶材料会有腐蚀作用。

6)密封结构有较高的可靠性和寿命，提高钻井作业效率，降低维护成本。

7)密封结构还应满足结构简单，安装、拆卸、检修方便快捷，加工制造简单，密封紧凑，所用元件少，质量轻，占用空间少等特点[5]。

2可控弯接头密封结构设计

2.1密封结构设计

可控弯接头密封结构一侧是压力钻井液，另一侧是润滑油，而密封结构两侧的压力差和密封副之间的间隙是引起泄露的主要原因。综合考虑可控弯接头实际的井下工作环境，密封结构既要经受井下钻井液压力的各种变化，又能给万向轴留有足够的摆动空间。基于以上考虑，笔者设计了一种带有压力补偿的柔性密封结构，如图2所示。

1—连接环；2—金属密封波纹管；3—密封套；

可控弯接头的密封结构设计难点主要有3处：

1)高压密封结构设计。这不只是简单的高压密封，在密封界面位置还伴有高温、振动、冲击、偏摆角度等许多不利因素的限制。解决泄漏的关键之处在于密封结构和密封材料的选择，通过降低密封界面两侧的压力差，阻塞泄漏通道，达到零泄漏或低泄漏的目标。因此，在结构方面设计了一种楔形密封槽式的组合密封圈耐高压密封结构，如图3所示。

1—楔形金属密封圈；2—备用密封圈；3—O形圈。

连接环密封面是整个密封结构主要的泄漏点之一，其上设有3个高压密封槽，通过O形圈、备用密封圈、楔形金属密封圈来增加界面的耐高压能力。但是，单方面增强密封结构的承压能力并不能有效地提高密封结构的可靠性和寿命。因此，设计了压力平衡机构以增强密封结构对井下压力的动态调节能力，大幅降低了连接环密封面处的压力差，增强了整个密封结构的耐高压能力。压力平衡机构主要由压力缸套、活塞、弹簧、安全阀、单向阀组成。可控弯接头导向机构的设计内压高于井下钻井液的压力，这有利于防止钻井液刺穿密封面进入工具内部，造成可控弯接头失效。当井下钻井液压力突然升高时，压力平衡机构中的活塞就会在钻井液压力作用下压缩润滑油，使可控弯接头内压升高，达到降低密封面两侧压力差的目的。为了使活塞能感受到钻井液压力的变化而又避免其与钻井液直接接触，在弹簧的一端设计有螺旋密封结构，其还可以阻止钻井液中的固体颗粒进入活塞位置处，造成活塞处密封圈的加速磨损，阻塞活塞的活动空间。当润滑油升温，使内部压力达到极限时，润滑油就会通过安全阀溢流并推动活塞压缩弹簧来降低内压。

2)在万向轴频繁调整摆角大小时，需要连接环等承压处的密封面不会随万向轴摆动，以免产生间隙而造成泄漏。为此，设计了金属密封波纹管，使其焊接在连接环和压力平衡机构之间。当万向轴调整摆角大小时，金属密封波纹管就可以随之摆动，利用其柔性变形连接环承压密封面就可保持稳定静止，而其后端压力平衡机构则可以随万向轴一起摆动，不会产生轴线偏移，从而有效地防止泄漏。同时，金属密封波纹管还可以吸收钻头破岩时的冲击与振动，降低泄漏的发生率。

3)密封结构在实现高效密封的同时，在有限的空间内给万向轴留有足够的摆动范围。为此，在密封套上开有敞口台阶，防止在万向轴偏摆时钻井液中的固体颗粒进入偏摆空间，在其中装有弹性纱网，但须具有良好的弹性、耐高温、耐磨、耐腐蚀的能力。

2.2压力平衡密封结构工作原理

可控弯接头在垂直钻进时，万向轴与旋转外套处于同一轴线，连接环耐高压密封结构与活塞和螺旋密封起主要密封作用。连接环密封由万向轴活动空间处进入钻井液和内部润滑油，螺旋密封和活塞共同密封由螺旋密封结构处的间隙进入钻井液和内部润滑油，并由螺旋密封虑掉钻井液中的固体颗粒。

可控弯接头在导向钻进时，通过金属密封波纹管的柔性变形，使密封结构随万向轴产生摆动角度，而保证连接环和压力平衡机构的稳定性，降低了对密封圈的浮动弹性要求，减少了摩擦磨损破坏，提高了整体性能。另外，弹簧和金属密封波纹管的轴向变形也起到一定的减震缓冲作用，对保持高压密封面的相对稳定也是非常有利的。

在整个导向钻进过程中，压力补偿机构实时根据井下钻井液压力做出相应调整，通过活塞的移动调节使密封结构两侧压力差保持在设计要求之内，提高了密封件寿命和性能。

3密封结构有限元分析

金属密封波纹管在该密封结构中要随万向轴频繁地调整摆角大小，在频繁的弯曲变形过程中，金属密封波纹管很容易发生疲劳破坏，造成泄漏，从而影响可控弯接头的正常使用。因此，有必要计算工作状态下的金属密封波纹管的疲劳寿命。笔者通过SolidWorks软件建立了金属密封波纹管的三维结构模型，利用ANSYS软件模拟了它在承受内外压力和弯曲载荷条件下的疲劳寿命。

3.1有限元模型

建立金属密封波纹管三维立体模型，金属密封波纹管结构参数如表1，导入ANSYS中选择壳体单元shell 63，进行有限元分析。金属密封波纹管材料为1Cr18Ni9Ti，材料的各项属性如表2所示。金属密封波纹管左端为全约束，金属密封波纹管右端施加径向压力载荷。

表1　波纹管几何参数

表2　波纹管材料属性

在ANSYS中对金属密封波纹管进行疲劳寿命分析时，可以忽略其特性的非线性部分，其应力云图如图4所示[6]，节点编号为40059处的应力值最大，此处会首先出现疲劳破坏。

图4　波纹管径向应力分布

3.2疲劳寿命分析

定义金属密封波纹管材料的疲劳属性，在ANSYS中载荷与疲劳失效的关系采用的是应力-寿命曲线[7]，即S-N曲线来表示，如图5所示。

图5　材料的疲劳循环次数与应力强度曲线

由图5可知：该节点处所受的最大应力值为365 MPa，通过材料的S-N曲线找到对应的循环次数约为28 000次。定义好了应力、位置、事件以及所有涉及的材料参数，对指定的位置进行疲劳计算，最后求得波纹管在径向压力载荷作用下的疲劳寿命为50 000次。可见金属密封波纹管满足设计需要，具有较高的使用寿命。

4结语

压力补偿组合密封结构的设计研究是可控弯接头理论研究的一个重要组成部分。将压力补偿单元应用于可控弯接头的高压密封结构设计之中，在可控弯接头有限的结构空间内，实现了在垂直钻进和导向钻进2种工作状态下的密封要求，提高了可控弯接头旋转导向钻井机构在高温、高压、高固相含量等恶劣工况条件下的可靠性和使用寿命。

参考文献：

[1]熊继有，温杰文，荣继光，等．旋转导向钻井技术研究新进展[J]．天然气工业，2010，30(4)：87-90．

[2]李俊，倪学莉.动态指向式旋转导向钻井工具设计探讨[J].石油矿场机械，2009，38(2)：63-66.

[3]牛海峰，蒋世全.旋转导向工具驱动总成控制器设计[J].中国石油和化工标准与质量，2013(7)：99-100.

[4]张光伟.基于旋转导向钻进方式的可控弯接头发展现状[J].钻采工艺，2009，32(2)：23-25.

[5]冯定，檀便友，袁咏心，等.恶劣环境下的动密封结构设计[J].润滑与密封，2011，36(4)：87-89.

[6]周琴，刘宝林，杨甘生，等.旋转导向工具的径向补偿组合动密封设计[J].润滑与密封，2010，35(4)：97-99.

[7]张朝晖.ANSYS.12.0.结构分析工程应用实例解析[M].3版.北京：机械工业出版社，2010：450-468.

Design and Research of Controllable Bent Sub Seal Structure

ZHAN Maolei，ZHANG Guangwei

(SchoolofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China)

Abstract：Rotary steerable drilling tool has initial development in our country，but the prototypes almost are the push-the-bit system.The design and research of controllable bent sub for all domestic rotating and point-the-bit type steering downhole development laid a solid theoretical foundation，its development is in its infancy，and there are a number of key technical problems to be solved.An overview of the structure and working principle are given，which focus on the seal for its structural characteristics and actual underground work environment.A combination seal with pressure balance components are designed according to its structure characteristic and practical working condition which solved the seal problem between the dynamic pressure drilling fluid and lubricant.It also does the finite element analysis to the critical sealing components in order to meet the design performance requirements radial compensation high temperature high pressure corrosion resistance impact resistant and long life.A good theoretical basis is laid for its prototype making and the relevant principles test.

Keywords：rotary steering drilling tool；controllable bent sub；pressure balance；seal design；finite element analysis

中图分类号：TE921.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.008

作者简介：展茂雷(1987-)，男，山东济南人，硕士研究生，主要从事旋转导向钻井系统研究，E-mail：zhanmaolei@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目“井下闭环可控弯接头导向机构基础理论研究”( 51174164)

收稿日期：2015-09-14

文章编号：1001-3482(2016)04-0028-04