煤层气欠平衡钻井旋转控制头壳体密封环应力分析*

煤层气高效、低成本开采主要依靠欠平衡钻井技术，而旋转控制头则是煤层气欠平衡钻井作业的关键设备［1－4］。旋转控制头的作用是将井筒高压钻井液(气)与外界隔离，因此各个位置的密封则成为旋转控制头的关键技术之一，其中壳体密封不仅要求耐腐蚀，而且还要求密封装配简单容易操作，方便更换胶芯。因此旋转控制头壳体密封环采用具有自居中定位的锥面聚四氟乙烯密封环。锥面密封环锥角α设计为60°，同时密封面宽度远远超过相关设计规范的要求，密封环应具有良好的密封性能与使用寿命［5－7］，但在使用过程中却发现聚四氟乙烯密封环常发生失效。为分析聚四氟乙烯密封环的工作状态，需要对相对完整的结构整体模型进行分析，若采用解析法进行求解困难太大，为此本文作者使用有限元软件ABAQUS对旋转控制头壳体密封环进行仿真分析，研究了密封环的应力分布情况。

1 旋转控制头壳体密封结构及密封原理

旋转控制头壳体密封原理为:利用卡箍的预紧使旋转壳体产生轴向位移，压缩聚四氟乙烯密封环发生弹性变形实现密封。密封结构如图1所示，密封环截面如图2所示。

2 有限元分析

2.1 模型的建立

由于整个壳体密封结构是轴对称结构，可以将其作为二维轴对称模型进行仿真计算［8］。设密封环材料各向同性，定义材料属性［9］如表1所示。旋转控制头壳体密封结构的二维轴对称网格模型如图3(a)所示。

表1 材料及其力学性能
Table 1 Materials and their mechanical properties

2.2 模型求解

聚四氟乙烯弹性压缩比一般不超过5%，密封环密封面1等效厚度为10 mm，因此最大压缩量为0.5 mm。结合图1壳体密封结构及密封原理，将密封环密封面1与旋转壳体锥面建立接触对;另外将密封环除密封面1以外的其他表面与壳体本体密封凹槽建立接触对;壳体本体约束所有自由度，旋转壳体采用分步加载方式，分别加载轴向位移0.4，0.6，0.8，1.0 mm进行模拟计算，密封面1压缩量对应为0.2，0.3，0.4，0.5 mm，如图3(b)所示。

图3 密封结构有限元模型
Fig 3 Finite element model of seals

2.3 计算结果分析

各分析步计算结果表明，在不同压缩量下体应力分布规律大致相同，因此下面仅对最大压缩量 (密封面1压缩量为0.5 mm)的应力分布情况进行分析。

图4为密封面1压缩量为0.5 mm时的整体应力云图，可以看出，高应力区主要集中在聚四氟乙烯密封环上，因此密封环是旋转控制头壳体密封的关键部件，其性能直接影响旋转控制头壳体密封的寿命。

图4 密封面1压缩量为0.5 mm时整体应力分布图
Fig 4 Overall stress distribution in seal face 1 under the condition of compression of 0.5 mm

图5为密封面1压缩量为0.5 mm时密封环应力云图，可以看出，锥形密封环应力分布不均，密封环的密封面1的2个拐角位置 (密封环两侧)出现应力集中，其中与密封面2相连的拐角位置应力集中最为严重。

图5 密封面1压缩量为0.5 mm时密封环应力云图
Fig 5 Sealing ring stress distribution in seal face 1 under the condition of compression of 0.5 mm

图6示出了密封环密封面1压缩量与最大应力的关系曲线。可以看出:密封环最大应力随压缩量的增加而增大;压应力为主要应力，其中Y向 (轴向)压应力最大，拉应力最小。

图6 密封环密封面1压缩量与最大应力的关系
Fig 6 The relationship between sealing ring maximum stress and seal face 1 compression

图7示出了密封环密封面1压缩量与密封面1、密封面2接触应力的关系曲线。可以看出:(1)各种压缩量下，密封面上接触应力分布规律基本相同，大部分接触区域分布比较均匀;(2)密封面1两个拐角附近 (密封环两侧)接触应力最大，且变化最快;(3)密封面1与密封面2大部分接触区域接触应力基本相等。

图7 密封面1压缩量与接触应力的关系
Fig 7 The relationship between contact stress and seal face 1 compression

3 实际使用验证

根据上述接触应力计算结果可以发现:密封面1与密封面2大部分接触区域接触应力分布均匀且大小基本相等，所以具有良好的双面的密封效果，结合锥面结构很适合旋转控制头壳体密封;但密封环体应力分布不均匀，密封面1拐角处 (密封环两侧)出现严重压应力集中现象，在密封环使用过程中如果操作不当或者压缩余量过大都可能造成密封环拐角 (两侧)发生压塑性变形。

聚四氟乙烯密封环现场使用情况表明，在欠平衡钻井作业中旋转控制头壳体密封效果良好，但在密封环两侧常发生压塑性变形破坏，在采用手动卡箍锁紧时因锁紧力不易准确控制则问题更为突出，破坏形式与分析结果相吻合，失效密封环照片如图8所示。

图8 失效密封环照片
Fig 8 Photos of the damage sealing ring

4 结论

(1)锥角聚四氟乙烯密封环2个密封面主要接触区域接触应力分布均匀且大小基本相等，能很好地实现双面密封，适宜用作旋转控制头壳体密封。

(2)密封环体应力分布不均，在拐角处 (密封环两侧)出现严重的压应力集中，使用过程中可能导致密封环拐角 (两侧)发生压塑性变形;建议在使用时严格控制压缩量，同时修改聚四氟乙烯材料配方提高抗压强度。

(3)分析结果与工程实际情况相吻合，证明了分析方法的正确性。该分析方法对于聚四氟乙烯密封环的开发设计有一定的参考作用。