牙轮钻头单金属浮动密封结构的密封机理

在牙轮钻头中成功应用单金属浮动金属密封结构的关键在于控制密封端面之间的接触压力。应用当今最先进的非线性有限元分析软件Msc.Marc，结合单金属浮动金属密封结构的装配过程对其密封机理进行了有限元分析。通过对装配和工作过程中密封面的接触应力分布以及关键部位的应力变化的分析，提出实际应用中应注意的问题，并探讨了结构形式、设计参数、材料、润滑脂对密封能力的影响，为国内钻头厂家掌握单金属浮动密封结构的设计开发技术提供一定的借鉴和帮助。     

浮动端面密封结构的性能分析

运用有限元法对高速牙轮钻头浮动端面密封的性能进行分析,计算模拟了浮动端面密封在装配过程和不同工作条件下结构的变形和接触表面应力变化。对照计算结果对实际使用中的问题进行了分析。对同类浮动端面密封结构的设计有指导意义,并使进一步研究浮动端面密封的机理成为可能。     

牙轮钻头SEMS2单金属浮动密封结构的改进

为了解决单金属浮动密封结构复杂和研制困难的问题,提出了一种改进型单金属浮动密封结构(GSEMS),它采用1个异形橡胶密封环代替O形橡胶圈和支持橡胶环,简化了密封结构,也减轻了它与轴颈之间的磨损。采用有限元软件对第2代单金属浮动密封(SEMS2)和GSEMS进行装配过程模拟,结果表明,两者在密封面上具有相近的受力分布和密封能力,能使用较软的橡胶材料得到较大的密封力,减小了静环内锥面和橡胶之间的缝隙,具有良好的密封性能。     

高速牙轮钻头金属浮动密封的实验研究

介绍了金属浮动密封机理及特点,用实验方法给出了设计牙轮钻头金属浮动密封的轴向压缩量δ,模拟牙轮钻头工况对金属浮动密封的密封性能进行了实验研究。实验结果表明,金属浮动密封能够有效地适应牙轮钻头振动工况,并在高速条件下具有漏失量小、摩擦热少、磨损轻微、寿命长等优点,为研制高速牙轮钻头提供了有效的密封设计参数。     

单金属浮动密封有限元模型研究

针对现阶段橡胶参数理论分析中常用数据与实际橡胶参数值有一定差距,使得研究和分析处于定性阶段的现状,采用理论计算和试验对比的方法确定了单金属浮动密封中橡胶零件参数的准确数值。结果表明,支撑环橡胶材料参数最优值为C10=0.246,C01=0.142,O形密封圈橡胶材料参数最优值C10=0.667,C01=0.318。说明所建立的计算模型能够比较准确地反映实际装配过程中的受力状态,该结论对定量分析单金属浮动密封力学特性具有重要意义。     

钻头厂研制成功高技术金属浮动密封钻头

7月28日，从中原油田32174钻井队传出喜讯，钻头厂技术开发研究所设计研制的一只8％H447A高技术金属浮动密封钻头，在中原油田濮3—389井的2197m-2674m的沙1～沙2深井段灰质泥岩沙岩地层中钻进，钻头纯钻时间为118．5h；进尺479m，平均机械钻速为4m／h。打出了高指标，现场试验获得成功。浮动密封新技术在牙轮钻头上的成功应用，这在国内外尚属首创。     

高速牙轮钻头螺旋组合密封流固耦合仿真及试验

密封是决定牙轮钻头寿命的关键,由于被动密封磨损严重,限制了牙轮钻头转速及寿命的提高。通过分析具有主动排砂功能的螺旋组合密封结构的基本原理,并结合流固耦合基础理论,建立了相应的控制方程。通过有限元仿真和试验相结合的方法研究了螺旋组合密封的性能。在有限元仿真部分,建立了仿真模型,利用ANSYS仿真软件对螺旋组合密封进行了流固耦合仿真研究,通过螺旋密封的流场压力分析单螺旋密封的排砂作用,通过螺旋组合密封中O型圈的接触压力分析螺旋组合密封的密封能力。设计了未加压单螺旋密封圈排砂性能验证试验来验证单螺旋密封的排砂能力,设计了加压螺旋组合密封性能验证试验来研究螺旋组合密封性能,通过室内台架模拟真实钻井工况研究螺旋组合密封的实际应用情况。仿真结果与试验结果均表明,单螺旋密封圈的排砂作用可行,螺旋组合密封具有良好的密封能力。     

牙轮钻头单金属密封数值模拟与优化

针对钻井过程中牙轮钻头金属密封磨损严重、对井底振动比较敏感的问题,利用有限元软件对高压工况下的单金属动密封进行数值模拟,在此基础上利用逆解法对动密封面的泄漏率进行求解。结合正交实验设计确定出优化变量,采用Box-Behnken实验方法建立了单金属密封优化响应面模型,最后采用罚函数寻优法建立基于泄漏率最小的优化模型,并优化了密封的结构参数。结果表明,优化后单金属密封的性能得到了有效的改善,密封泄漏量得到降低,端面接触压力分布更加均匀,同时,验证了响应面优化法在单金属密封接触压力及泄漏量优化中具有可行性。     

牙轮钻头用新型单金属浮动密封研究

通过建立新型单金属浮动密封有限元模型,对比分析了不同结构的支撑橡胶环和容槽对密封面接触压力大小和分布的影响,分析结果说明改进支撑橡胶环和容槽结构参数对提高密封性能作用显著;采用宽端外径大于窄端外径的静环,对增加动密封接触面积、降低接触压力、改善动密封面接触力分布作用明显。最后指出在静环密封面上开出参数适合的斜面能有效改善动密封面接触压力的分布状态,不但使接触压力分布更为均匀,而且能使最大接触压力出现在润滑脂一侧,有效地降低动密封面的磨损。     

金属对金属密封组件的有限元分析与试验研究

为了扩展现有井下工具的适用性与可靠性,为高温、高压、强腐蚀环境下油气资源的开发提供技术储备,针对用于井下工具密封的金属对金属密封技术展开了研究。设计了金属对金属密封组件的结构,并对密封组件的密封原理进行分析。通过有限元方法计算了密封组件在有外层套管约束下的变形和受力情况,确定了密封套筒的变形形状、所需要的下压载荷和下压行程之间的关系。进行了金属对金属密封组件在套管内坐封和试压试验。试验结果表明,下压载荷与下压行程的关系与仿真结果非常接近,坐封后的金属对金属密封组件的环空密封能力达到60 MPa,证明了金属对金属密封技术在大环空间隙密封应用中的可行性。     

断层对接型和断层岩型侧向封闭的差异性

在碎屑岩地层中,断裂侧向封闭分为断层岩型侧向封闭和对接型侧向封闭2种类型,过去对这2种类型封闭油气的机理、封闭能力强弱等未进行过对比研究。为正确认识断裂在油气成藏与分布中的作用,分析了断层岩型侧向封闭和对接型侧向封闭的封闭机理和封闭条件;在此基础上,对比研究了这2种断裂侧向封闭的差异性。结果发现,由于起封闭作用的遮挡物和封闭条件不同,造成了对接型与断层岩型侧向封闭的差异性主要表现在以下2个方面：①受其影响形成的圈闭,其油（气）—水界面分布的控制因素不同,受对接型侧向封闭影响形成的圈闭,油（气）—水界面分布受对接岩性控制,而受断层岩型侧向封闭影响形成的圈闭,油（气）—水界面分布受断层岩排替压力大小控制;②侧向封闭能力明显不同,断层对接型的侧向封闭能力明显强于断层岩型的侧向封闭能力。以歧口凹陷板桥断裂为例,相同条件下,板桥断裂对接型侧向封闭油气的能力为断层岩型侧向封闭油气能力的25~43倍。这一显著的差异,造成板桥断裂古近系沙河街组一段,其上部对接型侧向封闭段富集的是天然气,而在其之下的断层岩型封闭段却聚集的是原油。     

潜孔钻头端面切削齿载荷仿真研究

为使潜孔钻头布齿更加合理及为钻头结构改进提供理论依据,达到提高潜孔钻头破岩效率、延长其使用寿命的目的,需要了解潜孔钻头端面切削齿的载荷分布。为此,建立了平面、凸面和凹面3种端面形式的潜孔钻头三维模型,以显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA中常用的H-J-C模型为材料模型,并利用H-J-C模型中的等效屈服强度、压力、积累损伤等函数对潜孔钻头的破岩过程进行仿真,分析不同齿圈上切削齿的载荷状态,并将切削齿载荷分解到轴向、径向及切向3个方向,运用控制变量的方法对3种不同端面形式潜孔钻头的切削齿进行力学分析。研究结果表明:凹面潜孔钻头的轴向载荷峰值最大且径向载荷峰值最小;潜孔钻头切削齿载荷的主要差别在边齿及其相邻齿圈的切削齿上,与其余齿圈上的切削齿关系不大;潜孔钻头边齿的载荷最大,易损坏。模拟结果可为切削齿的选择、切削齿的分布及潜孔钻头的结构设计提供依据。      

油气盖层研究现状与认识进展

综述了油气盖层研究历史和国内外研究现状,分别总结了泥岩盖层及蒸发岩类盖层认识进展,分析了封盖机理研究现状。提出油气盖层研究经历了5个阶段,逐渐由早期侧重于盖层物性研究发展到变形过程及成藏过程中的盖层有效性研究,包括优质盖层研究、盖层力学性质研究以及盖层封盖性与成藏条件匹配关系研究等。蒸发岩类是世界各地重要的油气盖层,后期岩溶改造会对其封盖性能产生一定的影响;泥岩的沉积结构、构造、成分组成,特别是粘土含量对泥岩盖层封闭性能影响较大;深埋地下的高演化泥岩仍具有优质的封盖性能。尽管发现毛管物理封闭、超压封闭和毛管多相封闭等多种封闭类型,但是,毛管物理封闭作用是最基本的封闭机制。总体上,国际上目前研究盖层较多的国家主要有美国、挪威、澳大利亚、英国、意大利、德国等,研究单位包括高校、政府机构和油气公司等。      

Y形密封件平面模型应力场位移场的试验

本文从研究Y形橡胶密封件在载荷作用下的应力场和位移场入手,为Y形密封件国标制定工作提供必要的依据。试件采用浇注型聚氨酯橡胶。分别用平面光弹性法测应力,用云纹法测位移,运用云纹——网格组合法(即应用具有拖带座标系的云纹栅)来测量有限变形时试件的位移场,能够集中云纹和网格二种方法的优点,值得进一步探索。试验结果表明,Y型密封件唇口结构是决定密封性能的主要因素,唇部是易损部位。     

泵抽空时密封面开启失效过程中的动压效应实验分析

通过在抽空状态下机械密封端面间运动状况实验，测量了端面间压力和位移的变化；讨论了汽液两相密封和全液相密封端面开启过程的动压效应的影响；提出动压作用下密封端面开启失效机理；分析了动环密封圈轴向摩擦力与密封开启失效的必然联系。     

Double and tandem end seals

Forms of double and tandem end seals are considered. Double end seals are classified. The main distinguishing features for their classification are given, and schemes are presented for using them in numerous double and tandem end seals produced by well known Russian and overseas firms. On the basis of classifying forms of end seals terms are provided for determining the forms and layouts of double end seals. Classification of the forms of double end seals proposed makes it possible for operators to approach knowledgably the selection of assembly layouts for prescribed operating parameters of a sealing units.     

Working Model of a Typical Face Seal

Processes occurring in the sealing slit of a typical unloaded internal face seal of pump shaft are examined. Data required for designing face seals are recommended.     

谈注水离心泵密封的改造与节能

油田用注水离心泵填料密封使用寿命短的主要原因是填料对轴的压紧力分布不合理,填料质量不好。笔者提出了改进意见:1.采用反压式填料密封结构,使填料对轴的压紧力分布趋于合理,以减轻两者间的磨粒磨损,2.改用柔性石墨作密封材料。实践证明,改进后的密封结构密封良好,使用寿命长,而且有利于节能。     

牙轮钻头金属浮动密封研究及设计

介绍了牙轮钻头金属浮动密封设计的主要参数牙爪轴锥长ｈ、半推角β、浮动环半锥角α等及其设计方法。给出了由实验确定的这些参数的选择范围。指出：密封设计时，须选定浮动环宽度ｂ，然后由密封比压ｐ和密封力Ｐ计算出浮动环的直径尺寸。文中给出了设计实例。为了保证密封零件及密封的质量，还介绍了质量检测设备和检测方法。