煤层气欠平衡钻井旋转控制头胶芯密封特性分析

旋转控制头胶芯的密封性能是影响煤层气欠平衡钻井施工效果的重要因素。根据煤层气钻井工况,对井口偏心工况、起钻和钻进工况下,旋转控制头胶芯和钻具间的接触压力进行了有限元模拟研究,并分析了胶芯不同结构参数对胶芯密封性能的影响,为煤层气钻井低压密封胶芯的优化设计和研制提供了依据。结果表明:胶芯与钻具间的接触压力随偏心距的增大而增大,且靠近偏心侧的接触压力较大;钻进工况下,钻具本体和接头部分的接触压力都明显小于起钻工况;接触压力随外锥角的减小而增大,随内锥角的减小而减小,但变化量较小;摩擦力随主密封段长度的增加呈线性增加,钻杆接头部分明显大于本体。现场应用实践验证了分析结果的正确性。     

一种新型主动密封式旋转防喷器的研制

为了实现胶心开关和密封压力灵活可控,延长胶心的使用寿命,增强旋转防喷器的旋转密封性能,研制了一种新型主动密封式旋转防喷器。该防喷器核心密封部件设计为一种参数指标更优、尺寸更小、受压载荷更小的油压收缩主动补偿式组合胶心。通过室内模拟试验,胶心密封性能得到彻底完善,达到驱动液压油无压降,无可见渗漏的效果。现场应用结果表明,该防喷器性能可靠,装卸快速,降低了现场操作人员的劳动强度,使用寿命大大延长,满足欠平衡钻井现场作业要求。     

组合式闸板胶芯性能的正交试验和回归分析

带压作业的闸板防喷器胶芯密封结构多采用组合密封,橡胶基体和耐磨块的材料特性同时影响胶芯的密封性能。为了分析闸板胶芯的材料参数对其密封性能的影响,选择胶芯密封面上的有效接触应力和橡胶基体上最大应变能密度作为密封性能的评估指标,基于正交试验法分析影响闸板防喷器胶芯密封性能的主次因素及规律,建立了材料参数与有效应力之间的多元完全二次非线性回归模型,并分析了各参数的交互作用。分析结果表明:各因素对密封面上有效接触应力和橡胶基体上最大应变能密度的敏感性大小顺序为操作压力>耐磨块弹性模量>橡胶基体硬度>耐磨块泊松比;建立的多元回归模型的拟合剩余标准差分别为0. 513 0和0. 314 1,可以用该模型精确地分析材料参数与胶芯密封性能的关系;组合式闸板防喷器胶芯耐磨块最佳弹性模量为700～800 MPa,泊松比为0. 40～0. 47。所得结果可为组合式闸板防喷器胶芯的材料参数设计提供依据。     

防喷器承压起下钻模拟试验装置研制

为了研究防喷器在井筒带压起下钻作业工况下的密封性能,研制了防喷器承压起下钻模拟试验装置。包括能够模拟35 MPa带压环境的井口系统和起下钻速度达到600 mm/s的起升装置。此试验装置可用于防喷器的性能试验和密封胶芯的可靠性研究。介绍了该试验装置的井口系统、液控系统、电控系统的设计原理。试验结果表明:该装置能够满足防喷器的承压起下钻试验要求。     

液封气减压装置的研制

为了提高气井带压作业过程中气体的有效密封,创新性地研发了液封气减压装置。该装置位于气井带压作业装置上部,主要由上下环形防喷器、液封气短节、蓄能器、传动缸、控制阀、水泵等组成。利用蓄能器原理,采用两个环形防喷器形成高压密闭腔体,采用液体辅助密封气体,并润滑防喷胶芯,提高胶芯使用寿命。经接箍通过环形防喷器时胶芯的形变与应力分析,表明胶芯橡胶的接触应力值变化比较稳定,可以实现对井下气体的可靠密封,提高气井带压作业的安全性能。     

骨架对旋转自封胶芯密封应力的影响

对钻具外圆柱面与胶芯接触面的密封,早已是成熟技术被广泛应用。但钻杆在其旋转和起下过程中实现对方表面与胶芯接触面的密封是近几年研究解决的技术难题。旋转自封胶芯对钻具与胶芯接触面的密封是由井内液体压力对胶芯橡胶材料的挤压和胶芯内钢质骨架弹性变形产生的回弹力来实现的。现文就是利用带骨架的胶芯在带压井液的驱动下胶芯密封应力的有限元计算结果,来阐明钢质骨架对胶芯密封应力的影响。     

DQX-Ⅱ型低压旋转防喷器的研制与应用

为了进一步促进欠平衡钻井技术的发展,推进旋转防喷器产品系列化,开展了DQX-Ⅱ型低压旋转防喷器的研制。该防喷器采用双胶心结构,上胶心起扶正、减震作用,下胶心起密封作用,弥补了目前欠平衡钻井导流头使用单胶心的不足;此外,上、下胶心全体安装在壳体内部,进一步增强了扶正效果。还采用了滴油润滑设计,能够有效提高胶心的密封效果,延长胶心的使用寿命。室内模拟试验与现场试验表明,该防喷器在使用过程中运转正常,性能可靠,可操作性强,效果良好,达到了设计要求,能满足低压欠平衡钻井的需要。     

井下防喷器坐封过程及密封性能分析

井下防喷器可直接从溢流源头坐封,可有效防止井喷的发生.为了研究井下防喷器的坐封过程及密封性能,利用ABAQUS软件建立了井下防喷器有限元模型,首先对实际工况下防喷器的坐封过程进行分析,然后在防喷器坐封过程模拟结果上开展密封性能分析.分析结果表明:胶筒在内外压差作用下与套管发生挤压作用,使得井下防喷器在坐封后最大Mise...     

球形防喷器胶芯密封钻具效果评价

国产球形胶芯的密封性能差、使用寿命低,不能满足钻井作业需求.以FH35-35型球形防喷器胶芯为研究对象,建立胶芯密封钻杆的三维有限元模型.分析结果表明:胶芯上部及底部出现应力集中,是导致胶芯发生破坏的主要原因；密封长度随活塞位移增加而逐步增长,但密封压力的增长却有一段停滞期,指出活塞最小行程不宜低于166 mm;胶芯内圆柱高度在210～220 mm时,密封压力、密封长度最佳,且密封区域的应力低,有助于提高胶芯的使用寿命.     

旋转控制头胶芯性能的影响因素分析

为了研究旋转控制头胶芯配方及胶芯的使用和储存温度对其密封性能的影响,基于虚功原理应用橡胶单轴压缩试验确立了胶芯变形过程中Yeoh本构模型,利用ABAQUS软件建立了旋转控制头胶芯动态密封仿真模型,讨论了摩擦因数、材料配方及温度对旋转控制头胶芯密封性能的影响。分析结果表明:采用Yeoh本构模型能够较好地拟合胶芯材料的大变形现象;胶芯的密封性能随着摩擦因数的增大而增强,但摩擦因数过大会加速胶芯失效,推荐胶芯材料摩擦因数为0.40;低温储存和运输过程对旋转控制头胶芯的力学性能影响不大,但在使用前需做充分预热处理;高温环境下,胶芯材料的拉伸强度随温度的升高先降低后增加,在65℃左右降到最低。所得结果可为提高国产旋转控制头胶芯的性能提供参考。     

一种新型井口密封装置优化设计及应用

通常,水平井洗井冲砂采用反循环作业工艺,使用井口密封装置封闭钻具与井壁的环空。胶芯作为井口密封装置的核心部件,一旦密封失效,将导致整体作业失败。研制一种新型井口密封装置,分析胶芯在几种典型工作状态下的受力与变形规律,开展胶芯密封机理研究。利用有限元法对胶芯关键尺寸进行优化设计,并进行测试研究,对于提高密封装置的使用性能及寿命具有重要指导意义。     

带压作业闸板防喷器胶芯密封性能分析

利用三维建模SolidWords软件及有限元分析软件ABAQUS,建立了带压作业闸板防喷器胶芯与管柱密封结构的三维简化模型。该密封结构属于组合式密封结构,由丁腈类橡胶(NBR)组成的橡胶基体和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)组成的耐磨块构成。研究了3种不同封井压力作用下胶芯与管柱之间的应力分布规律。结果表明:在液压封井力为20 MPa时,该闸板防喷器胶芯可用于密封井底压力不超过35 MPa的带压作业环空; 胶芯失效位置主要集中在橡胶基体与上下垫板接触区域及耐磨块圆弧面上靠近中线位置区域,与现场实际应用中胶芯的失效位置基本相符,验证了分析的正确性。     

过油管防喷器密封胶心结构分析与优化

过油管防喷器依靠环形密封胶心实现油田带压起下管柱时的井口防喷控制。利用Solid-works软件建立模型,对其在不同控制压力下的接触压力进行计算,说明胶心对常规油管进行动密封时,圆柱面中间区域是主要密封"工作面",上端面边棱位置应力严重集中且易破坏。以此为基本事件,借助有限元软件优化模块,建立优化目标,完成了胶心尺寸优化,获得最佳长径比为1.7。改型胶心密封性能得到加强,寿命得以延长,对提高油田防喷控制效率有重要意义。     

极地钻井关键设备橡胶密封材料的优选

极地的低温环境会使橡胶逐渐变硬甚至玻璃化从而丧失原有的弹性,易导致钻井泵、防喷器等关键钻井设备出现密封失效问题,影响正常生产并带来安全隐患。因此,需要对极地钻井关键设备所用橡胶密封材料进行优选。按照国家标准GB/T 528—2009和GB/T 7759.2—2014,在20～–50 ℃温度环境下对橡胶材料进行了单轴拉伸和压缩永久变形试验,将试验数据与多种常见超弹性本构模型进行拟合得到了模型参数,分析了这些本构模型在低温条件下的适用性;利用有限元分析软件ABAQUS,模拟分析了–45 ℃温度下处于工作状态的O形橡胶密封圈的密封性能,找出了设备在低温条件下容易发生密封失效的位置。分析认为,在低温、小变形条件下,Polynomial（N=2）模型和Ogden（N=3）模型能更准确地描述橡胶的力学性能;硅橡胶、气相胶、丁腈橡胶在极地环境（–45 ℃）下依然保持优越的密封性能,可以作为极地钻井关键设备用橡胶密封材料。低温下超弹性本构模型的分析和橡胶密封材料的优选,可为我国后续极地钻井提供理论指导与支持。      

连续管旋转接头密封性能及其影响因素分析

连续管旋转接头可实现高压动密封功能,该结构的密封元件由多个V型橡胶圈构成。连续管旋转接头密封性能不稳定、V型圈寿命低等问题制约了连续管正常作业,易出现重大安全隐患。采用有限元法,研究了V型橡胶圈材料性能、摩擦因数、工作介质压力等参数对密封性能的影响。研究结果表明:V型圈在介质压力作用下能够形成稳定可靠的密封; V型圈密封副的摩擦因数以及材料硬度对密封性能和摩擦磨损性能有显著影响,聚氨酯和丁腈橡胶材料硬度相同,均为85 HA或90 HA。适当降低密封副的摩擦因数,可提高V型橡胶圈的密封性能和摩擦磨损性能; V型橡胶圈在10 MPa以上介质压力作用下变形达到稳定,轴向压缩量在0.9～1.0 mm。研究成果可为连续管旋转接头方案设计提供一定的指导意义。     

球形防喷器胶心失效的形式及原因

液压球形防喷器胶心失效的形式有球形胶心难以回弹复位、橡胶撕裂与脱落和骨架疲劳砍断等三种，失效原因主要是球形胶心在工作过程中橡胶老化、橡胶承受压缩与剪切作用产生裂纹和骨架上板块在封井状态下发生弯曲变形等。提高球形胶心使用寿命的措施一是改进橡胶配方和提高橡胶硬度，二是优化骨架结构。实践表明，采用上述改进措施后，国产球形胶心已达到或超过ＡＰＩ规定的性能指标。     

带压作业闸板防喷器关键部件的有限元分析

带压作业闸板防喷器的关键部件是密封胶心和壳体,分别采用尼龙与帘线-丁氰橡胶复合材料和合金钢锻件制造。以SolidWorks及Cosmos有限元软件为平台建立了数值模型,对胶心和壳体进行了受力数值模拟计算。计算结果表明,在20MPa的压力作用下,胶心接触压力最大值位于尼龙下端棱角位置,达9.7MPa,橡胶翼板无明显应力集中现象,胶心结构强度满足要求;壳体在系统压力为35MPa时,其内壁最大应力为222MPa,安全系数为2.8,满足设计要求。有限元数值模拟为带压作业闸板防喷器的设计提供了参考依据。     

基于ABAQUS的管内密封胶筒性能参数优化

管内智能封堵技术已成为管道事故应急维抢修的重要技术手段之一,而封堵胶筒的密封性能是评价管内智能封堵能力的决定性因素.应用ABAQUS有限元分析软件,结合单因素与多因素耦合分析方法,分析各参数对胶筒密封性能的影响特性,进而实现密封胶筒的参数优化,使得胶筒在相同的驱动力作用下,达到最优的密封效果,即封堵压力最大.首先,通过...     

闸板防喷器胶芯密封参数算法及结构优化

根据闸板防喷器工作性能要求,通过建立闸板总成力学模型,应用橡胶非线性大变形理论,研究了胶芯密封比压与偏心距等密封参数的确定方法。并依据胶芯可靠、合理封井的条件,确定了保证防喷器正常工作时偏心距的取值范围。最终在此基础上对胶芯结构进行了优化。