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液壓及密封技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用
來源：東莞市東晟密封件科技有限公司 - 更新時(shí)間：2015-08-24
隨著石油開采企業(yè)開始進(jìn)入精細(xì)化發(fā)展軌道， 石油產(chǎn)品由產(chǎn)業(yè)密集型向技術(shù)多樣型轉(zhuǎn)變，石油機(jī)械的集成化、自動(dòng)化、智能化程度越來越高，經(jīng)過嚴(yán)格測試，設(shè)備整體搭配基本趨于合理，但因其具有高壓、高溫、高速等特點(diǎn)，對傳統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中的環(huán)形橡膠密封質(zhì)量要求較高。傳統(tǒng)的徑向密封圈如果長時(shí)間處于高速摩擦狀態(tài)，會(huì)引發(fā)高熱磨損，產(chǎn)生物理化學(xué)吸附膜，導(dǎo)致失去應(yīng)有效果。因此，急需對徑向液壓密封、密封圈進(jìn)行改進(jìn)產(chǎn)生流體動(dòng)壓密封技術(shù)。
一、流體動(dòng)壓徑向密封技術(shù)及其作用
流體動(dòng)壓徑向密封技術(shù)最早發(fā)現(xiàn)于1965年，德國學(xué)者A﹒Layer于1966年開始研究，將這種技術(shù)與普通的環(huán)形密封圈結(jié)合在一起，經(jīng)過多年的發(fā)展，美國M.S.在1986年申請了專利Us4610369，標(biāo)志著流體動(dòng)壓徑向技術(shù)正式商業(yè)化。這種密封技術(shù)主要就是利用流體動(dòng)壓原理，在動(dòng)密封面間制造一種動(dòng)壓油膜， 用以避免機(jī)械運(yùn)動(dòng)表面直接接觸而產(chǎn)生過速摩擦的問題，能夠有效降低機(jī)件損耗和運(yùn)行過熱。通過實(shí)踐來看，能夠?qū)崿F(xiàn)80%的理論效果，基于當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，可以合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成精密的機(jī)件，使用性能和性價(jià)比較高。它指出密封間的運(yùn)動(dòng)速度越快形成了油膜就越厚，體動(dòng)壓徑向密封技術(shù)具有極強(qiáng)適應(yīng)性。Kalsi提出的新型流體動(dòng)壓密封技術(shù)，通過實(shí)物來看，密封圈接近于矩形，固控系統(tǒng)，用以安裝在密封溝槽內(nèi)，在靜止時(shí)，與傳統(tǒng)密封圈性能相同，運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出不同的特性：一是潤滑作用。通過在密封潤滑脂與波紋接觸面上產(chǎn)生一定的速度，確保在動(dòng)液壓密封密封面之間形成動(dòng)壓潤滑膜，轉(zhuǎn)速越快，流體動(dòng)壓潤滑膜就越厚，既有效的降低溫度，又可以起到潤滑作用；二是阻塵作用。密封圈靠近外部環(huán)境邊緣部分設(shè)計(jì)成銳利直角，防止外界顆粒較大的磨料進(jìn)入到密封圈內(nèi)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)當(dāng)中，有控制的讓部分潤滑脂從外側(cè)邊緣漏出，可以有效的將磨料粘住和擠出密封面間。如密封面間進(jìn)入到軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)直角還可以起到刮塵的作用，也可以防止微粒進(jìn)入。
二、徑向密封技術(shù)在石油機(jī)械中應(yīng)用
根據(jù)流體動(dòng)壓徑向密封機(jī)理，結(jié)合石油礦場機(jī)械應(yīng)用實(shí)際，重點(diǎn)從以下五個(gè)方面探討。
1、在牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)中的應(yīng)用
在20世紀(jì)80年代，M.S.Kalsi與DBS公司進(jìn)行技術(shù)合作，給過反復(fù)研發(fā)，于80年代末期推出了由流體動(dòng)壓密封組件為核心的牙輪鉆頭。通過實(shí)驗(yàn)來看， 流體動(dòng)壓徑向密封圈具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和耐磨性，可以有效的提高滑動(dòng)軸承密封鉆頭的壽命，石油機(jī)械設(shè)備，也可提高密封圈的性能，延長其應(yīng)用時(shí)間。事實(shí)證明，流體動(dòng)壓徑向密封原理是可行的，可以長期滿足井下機(jī)械的使用。此后，又開發(fā)出外部為碟形端面的密封，內(nèi)部為環(huán)形的徑向密封以及雙密封的牙輪鉆頭。
2、在井下鉆具支承節(jié)中的應(yīng)用
在1976年—1982年，美國能源部門資助Sandia國家實(shí)驗(yàn)室，重點(diǎn)研究分析潤滑脂、封閉螺桿及支承節(jié)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)采取了組合、對比和綜合歸納的方式進(jìn)行梳理，對當(dāng)時(shí)主流的高壓液壓密封都進(jìn)行了一一對比，但局限當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件和思維模式，在最理想的電壓和磨損情況下，密封的最高壽命也僅有48小時(shí)。在1984年，Kalsi在國家實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，嘗試將O型圈流體密封傾斜安裝，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，1986年，才在牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)中得以試驗(yàn)成功，以此為基礎(chǔ)，完善技術(shù)和開發(fā)產(chǎn)品，通過井下應(yīng)用來看，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠程度高，密封壽命可達(dá)250～450 h。
3、在螺桿泵采油系統(tǒng)中的應(yīng)用
目前，國內(nèi)外在油田開采中，采用最多的是地面機(jī)械驅(qū)動(dòng)的螺桿泵采油系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理是依靠光桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)抽油桿，通過抽油桿聯(lián)動(dòng)進(jìn)井下螺桿泵進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)前，光桿的動(dòng)密封采用的密封方式，存在著不便于維修和環(huán)境污染問題。為了解決此類問題，Kalsi的研究人員開發(fā)研究了光桿密封組合套裝，在光桿密封部位加裝襯套，利用兩個(gè)動(dòng)壓密封圈保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的潤滑，通過實(shí)驗(yàn)來看，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性，可以與當(dāng)前的井口驅(qū)動(dòng)裝置全部配套。同時(shí)，此系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于開采大油氣比油、高粘度油和含砂油的開采中。
4、在旋轉(zhuǎn)防噴器中的應(yīng)用
20世紀(jì)90年代，國外興起了欠平衡鉆井技術(shù)，這種技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備就是旋轉(zhuǎn)防噴器，比較有代表性就是環(huán)形膠芯自封式和膨脹膠囊可編程控制式，我們國家部分油田已經(jīng)開始引進(jìn)和使用這種技術(shù)。事實(shí)上，此類技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)是轉(zhuǎn)承包和鉆桿密封結(jié)構(gòu)的使用壽命上，研究人員常常把關(guān)注點(diǎn)放在鉆桿密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上，而忽略前者。而美國Tool公司很早就已經(jīng)開始應(yīng)用流體動(dòng)壓密封圈，改善和解決這個(gè)問題。
5、在沖管總成中的應(yīng)用
沖管下部與中心管用動(dòng)密封進(jìn)行聯(lián)接，鉆井液做為密封介質(zhì)，主要是在轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)之間體現(xiàn)出更耐高壓、耐磨損的特點(diǎn)。沖管總成是水龍頭的重要組成部分，而鉆井液密封系統(tǒng)是其中的最薄弱環(huán)節(jié)，在21 MPa下可以持續(xù)運(yùn)行800 h，但隨著壓力上升，35 MPa時(shí)其工作壽命就會(huì)在50 h左右。Kalsi經(jīng)過多年研究，對水龍頭鉆井密封系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采用液體密封取代傳統(tǒng)密封，并采取與之匹配的潤滑劑，以提高其使用壽命。在模擬現(xiàn)場條件下，持續(xù)運(yùn)行1450小時(shí)才因油脂原因而失敗，基于此技術(shù)條件，該公司生產(chǎn)的密封沖管，工作壽命大約為常規(guī)的5倍之多。
