林坤, 馬朝選, 李軍科, 郭嗣杰, 王潔冰

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所, 河北 邯鄲 056027)

0 引 言

石油測井儀器在井下要承受高溫高壓作用,為了避免儀器因高壓而損壞,保持儀器的內外壓力平衡是既簡單又可行的方法。

硅油具有氧化穩(wěn)定性、良好的潤滑性、不導電、對氣泡不溶解和去氣泡性能、對橡膠密封件無腐蝕和不溶解等良好的性質,而且在高溫、高壓作用下體積變化不大,所以選用硅油作為實現(xiàn)內外壓力平衡的介質[1]。當硅油在高溫高壓作用下體積發(fā)生改變時,儀器內部的油腔空間也應隨之增大或減小,從而使儀器內外壓力保持平衡,達到壓力補償?shù)淖饔谩?/p>

泥漿脈沖發(fā)生器的活塞在井下高溫高壓作用下工作的力學機制非常復雜,活塞在井下既要移動靈活,又要密封可靠,是活塞壓力平衡裝置所遇到的新問題和挑戰(zhàn)。本文通過分析活塞往復運動密封機理,采取措施避免活塞往復運動造成泄露;通過建立壓力平衡裝置的靜態(tài)與動態(tài)力學模型,分析影響活塞移動靈活的因素和井下工作的運動規(guī)律,為壓力平衡結構設計提供理論指導,并對該結構進行了優(yōu)化設計。

1 活塞往復運動密封機理分析

用作往復運動密封時,O型密封圈的預密封效果和自密封作用與靜密封一樣;O型密封圈因自身的彈性,具有磨損后自動補償?shù)哪芰Α．斖鶑瓦\動時,密封依靠密封件與運動活塞桿之間流體膜的彈性流體動壓效應實現(xiàn)。

O型密封圈的動密封機理如圖1所示。當液體在壓力作用下,密封件與往復運動平面之間始終存在起一定密封作用的液體油膜,該油膜對運動密封面的潤滑非常重要。但是,往復運動的活塞缸縮回時該液體薄膜便被密封元件阻留在外面,逐漸形成油滴,造成往復運動密封裝置的泄漏[2-6]。

圖1 O型密封圈的動密封機理

O型密封圈作為往復運動密封件,有結構緊湊、尺寸小等特點,可以降低零件價格,適用于小直徑、短行程和中低壓力的場合。綜合考慮直徑、行程和性價比,該壓力平衡裝置選用O型密封圈作為往復運動密封原件。

2 活塞壓力平衡裝置的力學模型

活塞壓力平衡裝置的結構力學模型[7]如圖2所示。在圖2中,在井下一定深度作用在泥漿脈沖發(fā)生器活塞上的外界壓力為p外;系統(tǒng)內部油液與活塞之間形成油腔,左側腔充滿壓力油硅油,對活塞施加的壓力為p油,與此同時,活塞與活塞缸套之間因相互接觸,產(chǎn)生靜摩擦力Fs或動摩擦力Ff。

圖2 活塞壓力平衡裝置的力學模型

由于油液的可壓縮性,活塞與活塞缸套之間組成可變的補償容積,隨著測井深度的不斷增加,在活塞上的外界壓力p外升高,油液在活塞的移動下被壓縮,左側腔室硅油對活塞施加的壓力p油也隨著上升,最終達到壓力平衡。

3 壓力平衡裝置靜態(tài)特性建模與分析

3.1 靜態(tài)力學模型的建立

壓力平衡裝置開始工作時,由于活塞與活塞缸套之間的靜摩擦力的作用,活塞保持靜止狀態(tài),在井下壓力、硅油壓力以及靜摩擦力的作用下,其內部靜態(tài)力平衡方程[8]為

p外S=p油S+Fs

(1)

(2)

式中,p油為油腔內的硅油壓力;p外為儀器所在深度作用在活塞上的外界壓力;Fs為活塞與活塞缸套之間的靜摩擦力;S為活塞工作面的面積;D為活塞的直徑。

由式(1)、式(2)可得活塞在靜止狀態(tài)下活塞平衡裝置的內、外壓差(啟動壓差)為

(3)

由式(3)可知,在其他參數(shù)確定的情況下,啟動壓差Δp與靜摩擦力Fs成正比。靜摩擦力越大,啟動壓差越大,對壓力平衡裝置的影響越嚴重。

3.2 運動摩擦力分析

密封運動摩擦力Ff由2部分組成[9-10]。

O型密封圈預壓縮產(chǎn)生的初始摩擦阻力Fe

(4)

O型圈在活塞內外壓差為Δp的液壓油作用下產(chǎn)生的摩擦力增量Fp

(5)

則活塞的動密封運動摩擦力Ff

(6)

式中,f為活塞與活塞缸套之間的摩擦系數(shù);D為O型密封圈的外徑;d為O型密封圈的截面直徑;e為O型密封圈的預壓縮率;E為O型密封圈材料的彈性模量;μ為O型密封圈材料的泊松系數(shù)。

靜止時,O型密封圈的靜摩擦力與動摩擦力之間的關系為

Fs=α×Ff

(7)

式中,α為O型密封圈的啟動摩擦系數(shù),取值范圍為3～4?；钊?、密封圈以及活塞缸套之間形成的是過盈配合,使接觸界面間無潤滑劑,形成干摩擦,起到摩擦系數(shù)變大,啟動摩擦力變大;啟動時的摩擦系數(shù)最大;活塞的運動帶動油液的滾動,活塞缸套內壁油膜對活塞起到潤滑作用,啟動后的摩擦系數(shù)減小。

將式(6)、式(7)代入式(3)得出壓力平衡裝置的內外壓差與啟動摩擦系數(shù)的關系

(8)

由式(8)可知,當摩擦系數(shù)f為常數(shù)時,啟動摩擦系數(shù)α增大,活塞壓力平衡裝置的啟動壓差Δp增大;當啟動摩擦系數(shù)α為常數(shù)時,摩擦系數(shù)f增大,活塞壓力平衡裝置的啟動壓差Δp增大。

在活塞壓力平衡裝置設計時,應減小活塞與活塞缸套之間的摩擦系數(shù)和啟動摩擦系數(shù),減小啟動壓差,使活塞與活塞缸套之間的運動更加靈活,提高泥漿脈沖發(fā)生器調節(jié)壓力平衡的靈敏度。

4 壓力平衡裝置動態(tài)特性建模與分析

隨著測井深度不斷增加,活塞在壓力差和動摩擦力的作用下會向左移動(見圖2)。假設系統(tǒng)無阻尼作用,壓力平衡裝置工作時的動平衡方程[12-14]為

(9)

式中,x為活塞的運動位移;m為活塞的質量;Ff為活塞與活塞缸套的動摩擦力。

活塞在活塞缸套內運動,由一種動平衡到另外一種動平衡的過程中,油腔內油液體積壓縮量與活塞行程的關系為

dV=Sdx

(10)

油液體積壓縮而引起的壓力變化為

(11)

兩邊積分得

(12)

當儀器在地面上時,活塞位移為0,油腔內的壓力與外界大氣壓強p0相等,即1個標準大氣壓C=p0=1×105Pa,代入式(12)可得活塞油腔內的壓力與活塞行程之間的關系為

(13)

式中,E為油液的體積彈性模量;V油為活塞油腔內油液的體積;C為待定常數(shù);p0為大氣壓強,p0=1×105Pa。

把式(13)代入式(9),得

(14)

整理,得

(15)

(16)

由式(16)可知,活塞在外界壓力和液壓油的作用下,運動位移曲線是正弦曲線。隨著外界壓力和液壓油壓力的不斷變化,活塞不斷的運動達到新的平衡位置。

圖3 現(xiàn)有的壓力平衡裝置結構

5 活塞壓力平衡裝置的設計

5.1 現(xiàn)有壓力平衡裝置的缺點

現(xiàn)有泥漿脈沖發(fā)生器壓力平衡裝置結構見圖3。波紋管套在波紋管軸和固定軸上,用細鋼絲扎緊;補償膜套在補償膜支架上,用細鋼絲扎緊,然后進行裝配,在脈沖發(fā)生器中波紋管和補償膜里面充滿油。

泥漿脈沖發(fā)生器工作在高速流動、高腐蝕性、高溫高壓的泥漿環(huán)境中,波紋管和補償膜調整儀器內外壓力差,波紋管將泥漿脈沖發(fā)生器內的油與泥漿隔離,使儀器內外壓力平衡。

波紋管和補償膜材料為氟橡膠的橡膠件。細鋼絲和波紋管、補償膜橡膠件工作在高溫、高腐蝕性的

泥漿中一段時間后,細鋼絲常被腐蝕斷,甚至有時波紋管和補償膜會破裂,泥漿脈沖發(fā)生器因泥漿進入而無法正常工作,嚴重時還有可能因泥漿進入使電路短路而引起電池爆炸。

5.2 活塞壓力平衡裝置的結構

充分考慮活塞壓力平衡裝置的靜動態(tài)力學性能和現(xiàn)有壓力平衡裝置的缺點,設計的壓力平衡裝置結構見圖4。

圖4 壓力平衡裝置結構

采用活塞與活塞缸的動密封在泥漿脈沖發(fā)生器的平衡外筒內部形成一個密封環(huán)境,同時在其內部充滿高溫硅油,通過井底的鉆井液壓力與脈沖發(fā)生器內部液壓油的壓力差推動活塞在活塞缸內運動,以增大或減小脈沖發(fā)生器的內部油壓最終平衡鉆井液與脈沖發(fā)生器之間的壓力;在脈沖發(fā)生器工作時,活塞桿穿過活塞中心處,與閥套控制泥漿的通斷,平衡活塞內外之間的壓差,從而就使得脈沖發(fā)生器能夠適應高溫、高壓等復雜工況的施工,既可以減少橡膠部件所引起的脈沖器故障,又能提高脈沖發(fā)生器抗高溫、抗高壓的能力,提高了脈沖發(fā)生器的性能和質量。

5.3 活塞往復運動密封結構

活塞往復運動密封結構[15-16]見圖5?；钊惭b在活塞缸內且與活塞缸的內壁通過O型密封圈密封;活塞帽安裝在活塞缸的右側;活塞桿與活塞之間通過密封圈密封,壓板固定安裝在活塞的左端,用于壓緊密封圈,能夠更好地保證活塞與活塞桿之間的密封性,彈性擋圈用于固定壓板。

為了避免活塞移動過程因靜摩擦力產(chǎn)生爬行現(xiàn)象[17]對活塞缸造成損壞,把活塞設計成U型結構形式(見圖5),兩長邊起到導向的作用,避免了活塞結構在運動時由于截面受力不均而產(chǎn)生的傾斜導致活塞缸套的損壞。同時,在活塞的外表面設計一個凹槽,減小了活塞與活塞缸套之間的摩擦接觸面,相比傳統(tǒng)的柱塞式的活塞結構大大減輕了質量,減小壓力平衡裝置的啟動壓差,使活塞與活塞缸之間的運動的靈活性提高了36%。

圖5 活塞往復運動密封結構

6 結 論

(1) 通過對泥漿脈沖發(fā)生器活塞壓力平衡裝置的靜動態(tài)特性建模與分析,在設計時,應減小活塞與活塞缸套之間的摩擦系數(shù)和啟動摩擦系數(shù),減小啟動壓差,使活塞與活塞缸套之間的運動更加靈活,提高泥漿脈沖發(fā)生器調節(jié)壓力平衡的靈敏度。

(2) 泥漿脈沖發(fā)生器采用活塞、活塞缸與O型密封圈組成的壓力平衡裝置,能夠適應高溫、高壓等復雜工況的施工,既可以減少現(xiàn)有儀器橡膠部件所引起的脈沖發(fā)生器故障,又能提高脈沖發(fā)生器抗高溫、抗高壓的能力,提高了脈沖發(fā)生器的性能和質量。

(3) 活塞往復運動密封結構中把活塞設計成U型結構形式,在活塞的外表面設計一個凹槽,減小了活塞與活塞缸套之間的摩擦接觸面,相比傳統(tǒng)的柱塞式的活塞結構大大減輕了質量,減小壓力平衡裝置的啟動壓差,使活塞與活塞缸之間的運動的靈活性大大提高。

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