一种高温高压旋转连接器的实现方案及仿真分析

蒋磊 杜建东 沙奔

摘 要：提出了一种方案，为在井下狭小空间安装使用的随钻测井仪器旋转连接器的实现提供了一种解决思路，并通过有限元分析模拟实际井下高温高压环境，对结构及选材进行了验证。

关键词：旋转连接器;狭小空间安装;有限元分析;高温高压

0    引言

随钻测井仪器通常具有以下特点：多数情况下是在油水井正常生产时测量，井口具有一定的压力且安装有防喷管，仪器下入和起出麻烦;仪器是在油管内或油套环形空间内下入，仪器直径较小。随钻测井仪器由若干个短节组成，两短节之间的电力或信号传输由内部的旋转连接器完成。

随钻测井仪器在井下工作过程中要承受高温高压，旋转连接器是随钻测井仪器最重要的通用部件，其可靠性直接关系到仪器的使用性能，对整个仪器的可靠性与稳定性都至关重要。

本文中介绍的旋转连接器由相对转动的部分（转子）和相对静止的部分（定子）组成，结构独立，安装、维保方便。在钻铤出现故障时，旋转连接器独立于其他部分，对钻铤其他部件不会产生影响。当仪器不使用时，将旋转连接器直接卸下，可以更好地对其进行单独保养。

1    旋转连接器——转子

如图1所示，导线10和接线环6组成了转子的电信号传输部件。电信号传输部件通过外部绝缘衬套3实现与其他金属结构件的电气隔离;通过键5实现与其他部件之间的相对静止运作。导线10可通过端部连接器或者直接与其他随钻仪器相连，实现通路。

转子内部走线通过接线环6、挡环4、外部绝缘衬套3、转子主体1上的布线槽（窗口）完成。

2    旋转连接器——定子

定子由整环组件和半环组件两大部分组成。整环组件又包括内部环路和凸轮部件。内部环路如图2所示，由弹片1、弹片2、弹片3组成。同一环路上，三款弹片互相接触形成通路。

凸轮部件由凸轮轴和轴套组成，如图3所示。

凸轮部件与弹片1接触。弹片1随着凸轮部件的转动而向外凸起，当旋转角度大于110°时，固定在凸轮轴上的销钉与整环外壳接触，凸轮部件的旋转被止住，且不会回转。弹片1与半环组件上的弹片4相接触，实现整环组件与半环组件的稳定通路。

由于井下的使用环境通常伴有高温高压，所以在设计时必须要避免空腔的形成，防止被压溃，同时需要注重对薄弱点的保护。采用真空灌封可以填补空腔、保护薄弱点，从而有效地解决以上两个问题。下面通过静力学仿真分析加以验证。

3    仿真分析

根据设计条件，仿真分析所使用的主要材料及特性如表1所示。

仿真模拟常见的井下环境：140 MPa/200 ℃。首先建立0.01 mm网格划分，节点数1 160 141，单元数627 733。

计算结果如图4、图5所示。

最大弹性应变点出现在半环外壳上的弹片4安装槽内，值为0.016 478 mm;最大径向形变点出现在定子外壳上的弹片3安装槽开孔之间，值为0.127 96 mm;最大轴向形变点出现在半环外壳上接线端面，值为0.197 06 mm。

最大等效应力点出现在法兰盘上，为326.44 MPa，且116.58 MPa以上应变点均出现在法兰盘上。

根据仿真计算结果可知，在140 MPa/200 ℃的井下环境中，所有接觸环路附近的等效弹性形变不超过0.070 mm，等效应力不超过69.951 MPa，均符合设计要求。

4    结语

本文通过先安装后锁止接触的结构设计，解决了狭小空间内旋转连接器的安装问题，并经由有限元分析软件进一步验证了选材及结构在井下高温高压环境中的可靠性，证明本方案行之有效。

[参考文献]

[1] 王红亮，菅志军，王智明.随钻测井仪器两种滑环的设计与应用[J].中国化工贸易，20l3（4）：71-72.

[2] 张辛耘，王敬农，郭彦军.随钻测井技术进展和发展趋势[J].测井技术，2006，30（1）：10-15.

收稿日期：2020-03-24

作者简介：蒋磊（1989—），男，江苏泰州人，助理工程师，主要从事电连接器的设计及仿真、玻璃真空烧结连接器的工艺研究工作。