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1、第22卷第2期 201 2年6月 江 汉 石 油 科 技 JIANGHAN PETR0LEUM SCIENCE AND TECHN0LOGY V0122 No2 Jun2012 高压大通径旋转防喷器胶芯有限元仿真研究 余长柏 ，费根生 王海峡 章 靖 (1中石化石油机械装备重点实验室，江汉石油机械研究院，湖北武汉430223； 2江汉石油钻头股份有限公司，湖北武汉430223) 摘 要：胶芯是旋转防喷器的核心部件。针对其常见失效形式，通过大型有限元软件ABAQUS对高 压大通径旋转防喷器的胶芯进行了接触动力学分析，分析结果表明：胶芯最大接触压力发生在胶芯变形前 内锥面与主密封面交界处；胶芯与钻
2、杆接触面积随着外锥面角度的增大而增大，随着内锥面角度的增大而 减小等。从而为国产高压大通径旋转防喷器的研发提供了理论依据，同时也对工程应用具有较高的指导价 值。 关键词：胶芯；旋转防喷器；有限元仿真；接触压力；ABAQUS 旋转防喷器是井口安全控制系统的重要设备， 也是欠平衡钻井、地热钻井、煤层气钻井的必要设 备之一ll1。目前，随着罔内各油田欠平衡钻井技术 的研究和发展，高压大通径旋转防喷器的国产化研 究已成为当务之急。胶芯作为旋转防喷器的心脏， 是其正常工作的保证，在研制开发过程中就显得尤 为重要。由于工作条件的原因，胶芯很容易发生诸 如根部损坏、与钻具接触区磨损、滑伤、变形过 度、热烧伤
3、等形式的失效【2，成为影响旋转防喷器 作性能的主要因素。故设计出既有良好密封效果 又有很好使用寿命的胶芯是旋转防喷器研制开发的 关键。以某种型号的高压大通径旋转防喷器胶芯为 研究对象，利用大型有限元分析软件ABAQUS模拟 钻柱穿过胶芯内孑L，并且分析胶芯在此过程中的力 学特性变化，从而为研制开发国产优质胶芯提供理 论依据，也为 程应用提供重要的参考价值。 1 旋转防喷器胶芯工作原理 旋转防喷器胶芯最常用的材料是丁腈橡胶和氯 丁橡胶，它们都是一种超弹性材料，具有一定的流 动性，受力后变形大，能填充并阻塞介质泄漏的通 道，并与密封面形成接触压力，实现密封。旋转防 喷器胶芯依靠橡胶的这种显著特性，
4、通过胶芯橡胶 的变形使通孔直径变化来密封不同的钻杆。 2旋转防喷器胶芯接触有限元分析 21胶芯结构及有限元模型 以密封512钻杆的胶芯为研究对象。胶芯结构 如图l所示，由铁芯和胶芯本体组成，铁芯与胶芯 本体硫化到一起。胶芯内表面由主密封面和内锥面 组成，与钻柱接触并起密封作用的主要是主密封 面，它是一个直径为112ram的圆柱面。分析过程中 忽略钻井液和井底温度的影响，其网格划分如图 2所示；钻柱与胶芯接触几何模型及边界条件如图 3所示 内壤喇 图1 胶芯结构图 第一作者简介：余长柏，男，工学硕士，2009年毕 业于西南石油大学，现主要从事石油钻采机械、井下动 力工具设计及仿真方面的研究。 5
5、6 江 汉 石 油 科 技 第22卷 柱，其主密封面长度的确定十分困难。改变胶芯主 密封面长度，必然要改变胶芯其它结构尺寸，然而 胶芯的大部分结构尺寸都对胶芯的密封效果有很大 的影响，因此很难单一的研究胶芯主密封面长度对 密封效果的影响。 分析在三种主密封面长度的情况下(分别取 O06m，0085m，01m)胶芯的接触压力变化。取 井口压力P=7MPa，从接触面自上而下取一条路径 R，分别改变胶芯内、外锥面角度d、B时接触压 力曲线如图6、图7所示。 图6 改变内锥面角度a接触压力曲线 ；BYj辔j铺(m) 圈7 改变外锥面角度13接触压力曲线 一甩 Il 趱螭 一 一 簧 第2期 余长柏等：
6、高压大通径旋转防喷器胶芯有限元仿真研究 57。 从图6和图7可以看出，最大接触压力还是发生 在胶芯变形前内锥面与主密封面交界处。在同样的 井口压力7MPa下，随着内锥面角度的增加，其接 触压力峰值逐渐增大，主密封段的接触压力值有所 减小，内锥面的密封压力有所增大。胶芯与钻杆的 接触面积随着内锥面角度的增加有所减小，这样会 缩短胶芯的使用寿命，因此不要通过增加内锥面的 角度来调整主密封段长度；另外，随着外锥角的增 大，胶芯接触压力峰值逐渐减小，而内锥面和主密 封面的接触压力值几乎没有变化。胶芯与钻杆接触 面积随着外锥角的增大而增大，这样能够增加胶芯 的耐磨性，增加胶芯的使用寿命。但是胶芯的主密
7、封面长度不能无限的增加，因为在一定的井压情况 下，主密封面长度越长，胶芯对钻杆的接触压力越 小，因此合理确定胶芯主密封面长度对于提高胶芯 的寿命具有十分重要的意义。 3结论 本文根据对高压大通径旋转防喷器胶芯进行有 限元分析，得出结果如下： (1)随井口压力的增加，胶芯变形加大，胶 芯内锥面与钻杆的接触长度不断增加，最大接触压力 发生在胶芯变形前内锥面与主密封面交界处； (2)锥形胶芯具有自封性能，同时内锥面喇 叭口部分亦起到一定辅助密封作用，依靠钻井液的 压力能够满足对钻柱密封的要求； (3)胶芯与钻杆接触面积随着外锥面角度的 增大而增大，随着内锥面角度的增大而减小，故不 要通过增加内锥面的
8、角度来调整主密封段长度；另 外胶芯主密封面长度不能无限的增加，合理确定胶 芯主密封面长度对于提高胶芯的寿命具有十分重要 的意义。 参考文献 1】 康晓雷浅谈旋转控制头的发展趋势及应用J钻采 工艺，2000，23(4) 【2 张卫萍，李宗清，杨德京旋转控制头胶芯失效形式 分析J】石油矿场机械，2(103，32(3)：3839 3】 张宝生，陈家庆对Willimns高压旋转防喷器用胶芯的 分析研究J1石油矿产机械，2004，23 4 羡维伟，任翔欠平衡钻井用高压旋转控制头的研制 和应用J钻采工艺，2002，25(3)：5559 (编辑胡素梅) 井Tjn,l试公司泵送复合材料桥塞分段压裂技术进入现场
9、应用阶段 日前，井下测试公司在八面河油田面416斜 35井施工现场，采用泵送复合材料桥塞分段压裂技 术，成功完成三层压裂施工，这标志着该公司自主 研制的泵送复合材料桥塞分段压裂技术已进入到现 场应用阶段。 泵送复合材料桥塞分段压裂技术是实现页岩气 水平井大规模分段压裂改造的一项主流技术，是页 岩油气有效开发的关键，此前国内的相关施工都是 由国外公司提供该项技术服务。井下测试公司在集 团公司和油田的支持下，投入大量人力物力展开技 术攻关，先后完成了复合材料桥塞研制、水平井水 力泵送技术研究，配套了相应的井口装置和地面辅 助设施，完成了配套射孔联作技术的研究，并组织 了多次地面试验和现场模拟试验。
10、 面416斜35井完钻于2012年2月，井深 1606m，最大井斜8384。，属于大斜度井，施工目 的在于提高单井产能，收集水平井分段压裂施工参 数。施工中，该公司利用全套自主研发技术对该井 的三个施工井段进行了泵送桥塞封隔、射孔和压裂 施工。桥塞坐封成功，密封良好。每一段分簇射孔 正常，发射率100。现场施工准备充分、组织严 密，各施工环节衔接流畅，三层压裂施工在一天内 顺利完成，钻塞施工后，该井投产获日产油75t。 此前，井下测试公司运用泵送复合材料桥塞分 段压裂技术，已经在不同地区、不同地层的三口井 上进行工业试验均取得成功。面416斜35井是国内 采用自主研发技术成功完成的第一口，标志着泵送 复合材料桥塞分段压裂技术进入了现场应用阶段， 为该技术的大规模推广应用铺平了道路，将有力地 推动集团公司页岩油气的开发进程。 (摘自江汉油田网)
