电动取心仪旋转动密封及其应用_刘铁民.pdf

2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 83 电动取心仪旋转动密封及其应用 电动取心仪旋转动密封及其应用 刘铁民1，田志宾1，盛 达2，李先达1，彭 硕1，向 平1（1 中海油田服务股份有限公司，河北 燕郊 065201；2中国海洋石油集团有限公司，北京 100000）摘 要：摘 要：该文介绍了一种用于旋转井壁取心测井仪的动密封结构,详细阐述了该密封结构的特点，密封原理及测试效果。通过大量的试验数据总结，并与相同类的密封圈的密封性能进行了比较，能有效解决目前测井仪器面临的“灌肠”泄露的问题，通过测试，所定制的此种高速旋转动密封圈可以在现场井下测井仪器上面推广应用，最后对该种旋转动密封的结构特点进行了简单总结。关键词：关键词：定制动密封；动密封圈；泄露 1 技术背景 1 技术背景 近年来，随着人类对石油天然气资源需求量的增加，油气资源的勘探开发变得越来越重要，在石油勘探行业中，井下岩石样品，可分析出地层的渗透率、孔隙度、饱和度等地层参数。岩心体积越大，所分析的地层信息越真实，但取心难度越大。利用岩心分析确定储层的岩性、物理参数是一项重要工作。对地层岩石样品（俗称岩心）进行化验室了解地层真实构造的重要手段。2 井壁取心测井仪工作原理 2 井壁取心测井仪工作原理 井壁 取心旋转测井仪是采用机械、液压、电控技术获取井下井壁岩心样品的一种测井仪，所获取的岩心样品可以有助于地质分析、地层储量评估。井壁取心测井仪为石油测井仪器，该套设备在工作时，需要地面拖撬、地面系统、七芯电缆等，工作状态连接如下图所示：图 1 取心仪工作示意图 图 1 取心仪工作示意图 通过地面系统对井壁取心测井仪下发指令，完成取心的一系列动作。井壁取心测井仪在井下的动作包括，坐封井壁、钻进取心、折心、推心等。测井仪设计有液压电机，主要功能是提供高压液压油，启动开腿指令，控制阀打开，支撑腿活塞缸推动支撑腿打开，坐封井壁，保证仪器牢固，启动钻进命令，进行取心，然后折断，最后把所获取的岩心推岩心筒，完成一次取心动作。该取心仪器可以一趟下井收获 30颗岩心。旋转井壁取心仪是获取岩心的重要技术，使金刚石钻头垂直钻进井壁获取岩心，适用于对全井段的各种地层取心，该设备利用金刚石空心钻头钻取岩心，随着大功率直流电机以及机械技术的发展，逐渐发展起来的大直径井壁取心仪器是取心仪器的发展趋势，随着取心仪器的成熟适用，传统的采用液压马达进行取心的取心仪其弊端突显得越发明显，采用电机直接驱动的取心仪器已经成为一种趋势，如果采用电机直接驱动钻头，具有效率高，功率大，单颗取心时间短，可以使仪器在井壁停留时间短防止仪器卡等特点。但是作为转速更高的电机直接驱动钻头来说，旋转动密封技术是比较关键的技术，由于井下高温高压的恶劣环境，对旋转动密封的结构和材料有较高的要求。目前井下仪器动密封技术国内研究和应用还不深入，技术不成熟。3 动密封工作环境及性能要求分析 3 动密封工作环境及性能要求分析 3.1 动密封工作环境 由于测井仪器特殊的工作环境的限制，测井仪器外壳一般为圆筒状，为了近可能减少仪器的外圆直径，仪器设计时候所有配合部件体积均要很紧凑。旋转井壁取心仪器属于裸眼测井工具，工作环境比较恶劣，一般工作在温度 150以上，压力 140Mpa 高温高压环境下，在钻头钻进取心过程中，取心钻头还要承受轴向和径向不同方向的负载，因此对动密封要求的条件更高。大颗粒旋转电动井壁取心仪器所取岩心更大，直径 1.5in，仪器外径 158mm,在井眼尺寸不变的情况下，动密封圈的设计尺寸相当紧凑。电动井壁取心仪器在工作过程中取心大电机需要在井下进行水平和垂直翻转，钻头一面并贴紧井壁，钻头钻进地层，获取岩心，因此要求取心大电机组件的结构占体积比较小，这同时也增加了动密封设计的难度。综上所述，电动井壁取心仪器的动密封工作环境比较复杂，因此设计高效的动密封是取心成功作业与否的关键之一。3.2 动密封结构设计 电动旋转井壁取心仪器所使用的大电机为三相直流无刷大电机，该电机输出轴位置设计有减速机，以达到取心作业时所需要的扭矩，减速机输出轴直接与取心钻头采用螺纹相连接，直接钻取岩心。该取心电机内部与液压系统相通，DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.10684 刘铁民：电动取心仪旋转动密封及其应用 电机和齿轮箱内部充满液压油，保证和齿轮的润滑及冷却，同时整支仪器带有与外界泥浆平衡的活塞，保证了动密封圈内外压力平衡。在正常工作情况下，旋转动密封两边压力平衡，密封圈两面只受微小的压差，但是取心转速比较高，需要扭矩比较大，通过大量的试验验证，目前能用的密封圈均不能满足要求，为此专门定制了一种特殊的动密封圈，所定制的动密封圈安装在取心电动机的两端，保证取心电动机在高速旋转时内外密封，避免井筒的泥浆进入仪器内部，也同时防止仪器内部的液压油流出，取心电机安装旋转动密封如下图 2 所示：图 2 取心大电机模块 图 2 取心大电机模块 如上图所示，取心大电机共使用动密封圈两个，分别分布在减速机的两端，两道密封一旦泄露，井下流体将直接进入仪器内部，熟称“灌肠”，灌肠后将对上百万的仪器造成严重损害，所有机械阀将被损坏或者污染，电子线路直接被损害，严重影响作业时效，大大增大平台作业成本。，3.3 动密封圈结构特点 1、金属挡圈 2、斜圈弹簧 3、PTFE 挡圈 4、PEEK 挡圈 图 3 定制动密封结构特点 图 3 定制动密封结构特点 由于取心仪器空间比较比较有限，传统的动、静环密封体积比较大，不能应用于电动井壁取心仪，只能采用密封圈形式的动密封圈，由于取心转速比较高，线速度比较大，因此对动密封的结构和材料有很高的要求，为了保证动密封的可靠性，专门设计了一款动密封圈。其特点是内部为斜圈弹簧骨架，斜圈弹簧有金属锁环固定，密封圈整个密封骨架采用耐高温的 PTFE 材料加工而成，其专用的斜圈弹簧既满足了取心过程中对密封骨架产生的变形进行补偿，又增加了整个密封圈的寿命，密封圈与旋转轴之间采用常规的 V 型密封唇结构，摩擦阻力小，在长时间和高速旋转过程中，结构中所设计的斜圈弹簧可以有效调整旋转间隙，提高密封性能。动密封设计是否可行，除了结构要求比较严格以外，轴的线速度至关重要，需要进行线速度计算。电动井壁取心仪在取心过程中转速一般为 n=1000rpm，设计减速机轴直径D=25mm,故 V：线速度 单位：m/s ：圆周率 n：转速 单位：rpm V=*D*n/1000=(3.14x25x1000)/(60*1000)=1.3m/s 图 4 定制动密封速度与压力曲线图 图 4 定制动密封速度与压力曲线图 综上所述根据上图曲线取可以看出，所需要温度，速度，压力等参数均完全满足要求。4 动密封测试 4 动密封测试 4.1 动密封高压室内测试 为了充分验证定制动密封在高压环境下的工作性能，专门设计验证取心大电机动密封可靠性的测试装置。其内部包含取心大电机的电连接器以及液压油平衡油路，通过长时间的打压测试，充分验证定制密封圈的密封性能。（1）试验目的：主要为验证所定制设计的动密封圈是否在高压环境下工作正常，不泄露。（2）试验条件及过程:使用专门设计的测试装置，该测试装置带有液压平衡机能，能保证电机在旋转过程中时刻保持一个正压力，真实模拟井下仪器工作状态。所测试的动密封圈装配在测试电机的密封环内，测试电机与测试装置相连接，采用注油车注满油，使用卡尺或者钢板尺确认好平衡活塞位置，测试装置一端连接测试电机，另一端把电机的线引出了，与地面测试机箱相连接，把测试装置和整个电机一起放进高压釜中，加压，进行电机旋转测试，从 0 加压至20000PSI，然后降压，确认整个升压和降压的过程中电机工作正常，出井口确认油位是否正常，如果正常，说明密封不漏油，如果油缺失很多，说明密封失效。通过测试发现，国产工业所使用的密封圈技术不适合井下复杂环境，定制的密封圈满足设计要求。整个测试过程分三次进行，确保密封圈的性能可靠，在密封圈的实验过程中，采用了相同条件下性能比较的原则，保证实验数据的真实性。刘铁民：电动取心仪旋转动密封及其应用 85 图 5 动密封圈静压压力测试 图 5 动密封圈静压压力测试 通过对定制的动密封圈进行高压旋转测试，结果表明，带斜圈弹簧支撑的动密封圈满足使用要求，在 20000PSI 压力环境下工作 24 小时无泄漏现场。4.2 动密封性能比较 由于电动井壁取心仪独特的工作环境及复杂的仪器结构，在前期也通过大量的测试试验，与其他几类常规动密封进行了简单比较，通过测试表明，常规的动密封以及相类似密封圈很难满足取心仪器要求，在试验过程中均出现了泄漏，冒烟的情况，密封效果不好。而定制的动密封圈在相同的测试条件下，性能很好，无泄漏现场出现，而且旋转阻力很小，满足要求。种类 动、静环密封 PARKER 动密封 国产动密封圈 定制密封 材料 金属材料 PEFE 组合密封 PEFE PEFE 组合密封 所占空间 大（不选择）小 小 小 旋转阻力 小 大 小 带压旋转 24 小时 是否泄漏 泄漏 泄漏 无泄漏 密封性能 5 不足与改进方向 5 不足与改进方向 由于电动机高速旋转，而且必须工作在水环境或者高温高压的泥浆环境里，测试装置如果要满足所有的环境要求比较难，通过测试，虽然动密封圈已经满足测试要求，但其性能的稳定性还需要经过多次的测试。为了测试电动机旋转动密封，电动机在液体环境中高速旋转，一旦密封失效，对电机是个很大的伤害，因此设计一套更好的测试装置是很有必要的。6 结 论 6 结 论 本文所设计的用于电动井壁取心仪的带斜圈弹簧的旋转动密封圈所占空间小，能耐高温高压环境，密封可靠性好，经过了高压井以及现在作业实井的测试，满足设计要求，能正常并长时间工作在高温高压的复杂环境下，有望在井壁取心测井仪以及相类似的有旋转密封的井下工具推广应用。参考文献 参考文献 1 田学信.HH-1 型钻进式井壁取心器的研制与推广应用J.2000,24(4):307-308.2 王积伟,章宏甲.液压与气压传动M.机械工业出版社,2005:260-266.3 张建民.机电一体化系统设计M.高等教育出版社,2001:50-66.4 丁志华.新英汉机械工程词汇M.科学出版社,2002:478.5 陈淑梅.液压与气动传动M.北京:机械工业出版社,2007:45-51.