极地钻探装备动密封失效分析及改进措施研究综述.pdf
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1、第 50卷增刊2023年 9月Vol.50 Sup.Sep.2023:77-81钻探工程Drilling Engineering极地钻探装备动密封失效分析及改进措施研究综述王宇轩1,2,张凯*1,2,杨甘生1,2,李亚洲1,2,周子毅1,2(1.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京 100083;2.自然资源部深部地质钻探技术重点实验室,北京 10083)摘要:南极地区资源的开发和利用是世界能源可持续发展中的重大课题之一。在极地钻探装备研究中,密封技术是决定钻探装备能否安全、高效、经济运行的关键性技术。在此背景下,本文分析了极地钻探装备密封现存的问题,根据密封材料和密封技术的新发展,综合考虑
2、到密封结构、材料的力学性能和极地低温钻井工况,指出了极地钻探装备密封目前常见的失效形式,并综述了已有改进方案,系统归纳了国内外现有极地装备类型及其技术特点,剖析了国内外之间存在的技术差距。关键词:极地钻探;钻探装备;低温密封;密封结构;密封材料中图分类号:P634.3 文献标识码:A 文章编号:2096-9686(2023)S1-0077-05Research status of failure analysis and improvement measures of dynamic seal for key equipment in polar drillingWANG Yuxuan1,2,
3、ZHANG Kai*1,2,YANG Gansheng1,2,LI Yazhou1,2,ZHOU Ziyi(1.School of Engineering and Technology,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,Beijing;2.Key laboratory on Deep GeoDrilling Technology,MNR,Beijing 100083,China)Abstract:The exploitation and utilization of Antarctic resources is on
4、e of the important issues in the sustainable development of energy in the world.In polar drilling equipment research,sealing technology is the key technology to determine whether drilling equipment can operate safely,efficiently and economically.In this context,this paper systematically analysis the
5、 existing seal problems of polar drilling equipment.According to the new development of sealing materials and sealing technology,taking into account the seal structure,mechanical properties of materials and polar lowtemperature drilling conditions,it points out the common failure forms of polar dril
6、ling equipment seal and summarizes the existing improvement schemes.The types and technical characteristics of existing polar equipment at home and abroad are systematically summarized,and the existing technical gap between home and abroad is analyzed.Key words:polar drilling;drilling equipment;lowt
7、emperature seal;seal structure;seal material0引言研发极地冰下基岩钻探装备对获取冰下基岩样品、探究冰下地质构造重要信息有着十分重要的科学意义。但由于极地恶劣的环境条件和复杂的冰下环境(基底冰、基底融水和冰碛物等),对极地冰下基岩钻探装备的性能要求也相对较高。在极地钻探装备研发过程中,密封技术是决定钻探装备是否安全、高效、经济运行的关键性技术。极地低收稿日期:2023-05-31;修回日期:2023-08-14 DOI:10.12143/j.ztgc.2023.S1.012基金项目:国 家 重 点 研 发 计 划“变 革 性 技 术 关 键 科 学 问
8、 题”重 点 专 项“南 极 冰 下 复 杂 地 质 环 境 多 工 艺 钻 探 理 论 与 方 法”项 目(编 号:2021YFA0719100)课题四“多工艺极地钻探装备研发与系统集成”(编号:2021YFA0719104)第一作者:王宇轩,女,汉族,1999 年生,硕士研究生,研究方向为密封设计、摩擦学与表面工程,北京市海淀区学院路 29 号,。通信作者:张凯,男,汉族,1989年生,副教授,博士,地质工程专业,从事岩石破碎学、钻探机械与工具研发、超硬材料在地质工程中应用、摩擦学与表面工程等方面的研究工作,北京市海淀区学院路 29号,。引用格式:王宇轩,张凯,杨甘生,等.极地钻探装备动密
9、封失效分析及改进措施研究综述 J.钻探工程,2023,50(S1):77-81.WANG Yuxuan,ZHANG Kai,YANG Gansheng,et al.Research status of failure analysis and improvement measures of dynamic seal for key equipment in polar drilling J.Drilling Engineering,2023,50(S1):77-81.2023年 9月钻探工程温下密封材料逐渐变硬,拉伸、压缩变形后的恢复速度越来越缓慢,恢复程度也越来越低,对大部分密封结构来说产生
10、不利的影响。对此,本文按照运动类型对密封元件做出分类,综述极地钻探装备密封常见失效形式,总结已有密封方案,对比国内外极地钻探技术现状。为提升极地钻机使用性能提供依据。1国内外低温钻机及密封技术发展现状由于传统商用钻机液压系统、钻井液处理系统等在极地低温下工作性能不佳,所以需要专门针对极地环境对钻机进行设计。冰下基岩取心关键在于快速钻穿南极冰盖,在基岩层取心。由于基岩钻进对钻探装备动力需求较高,早期应用于深冰心钻探的铠装电缆式电动机械取心装备不适用于冰下基岩钻进。2016 年 Goodge 等1设计了名为 Rapid Access Ice Dril(简称 RAID)的快速冰钻钻具,如图 1所示。
11、并于 2015 年在美国犹他州完成了该装备的野外测试。RAID 的冰层钻进情况和岩心收集情况均满足冰下基岩取心要求。并于 20192020 年应用于南极钻探。2021年 Boeckmann等2将商用钻机进行改进,在闭环系统中使用正向流体循环,套管部分加入了膨胀封隔器设计,使钻井液在极地环境中仍能保持良好的性能,且该钻机可更加方便快捷地进行组装和拆卸。Kuhl 等3于同年设计了 ASIG 钻机,该装备先导孔采用螺旋钻进行钻进,穿过粒雪层后下入套管,然后采用钻井液钻进。针对极地冰下基岩取心钻探的尝试由来已久,但成功的案例并不多。由此看来,针对极地冰下基岩取心钻探的技术与装备仍需持续改进与创新。20
12、14 年吉林大学开展了极地深冰下基岩无钻杆取心钻探装备研发工作4,针对南极甘布尔采夫山脉基岩取心钻探任务设计了极地深冰下无钻杆取心钻探装备系统,如图 2所示,正式开启了我国极地深冰下基岩钻探技术的研究。该钻探系统将所有设备集成于便于转场运输工作舱内,降低了偏远地理位置钻探运输、后勤保障的难度和成本。基于新式反扭系统、冰下基岩仿生金刚石取心钻头研制出的无钻杆式电动机械取心钻具可针对不同地层更换相应的功能模块,以达到安全高效取心的目的。综合来看,虽然我国开展极地钻探技术研究起步较晚,但随着极地战略不断推进,我国的极地冰钻关键技术与装备的研究正持续向着赶超极地钻探强国方向迈进,这必将为我国的极地科学
13、研究提供强有力的技术支撑。密封技术是决定钻探装备是否安全、高效、经济运行的关键性技术,其机械性能影响钻进工作效率。我国密封领域相关的学者在做了大量工作后对机械密封提出了通用规范,密封材料的选择、制造和安装极大程度上影响密封效果。龚洁等5、Henningson等6用软金属制成在低温下使用的垫片和 O形圈。李海嶙等7则以航空用液压制动器为研究对象,研究密封件表面不同表征参数对低温密封特性的影响规律。在低温金属密封中,法兰结构是低温密封常采用的结构,在常温下装配后在低温条件下依然能保持良好的密封性能。2017年赵玉刚等8研究了低温下法兰对真空的密封性能。陈远鹏9分析了低温钻机橡胶密封件低温性能,为极
14、地钻探密封件选型提供了依据。+hN:+hN:5#5E8J=NJ5EJ8F+58图 2极地深冰下无钻杆取心钻探装备系统4+JJJ#)35C(L1图 1美国 RAID钻机结构示意78第 50卷增刊王宇轩等:极地钻探装备动密封失效分析及改进措施研究综述2极地钻探装备密封元件分类极地作业期间,各种设备长时间在恶劣工况下运行,这就对钻探装备的密封技术提出了更高的要求。所以优选出适合于极地钻探关键设备的密封材料、改进密封结构参数既具有理论意义又有重要的工程实用价值。密封元件分类方式很多,按照结合面之间是否相对运动可分为动密封和静密封。其中较为关键的为动密封,按其运动类型又可分为往复式动密封和旋转式动密封。
15、本文主要从结构设计、材料使用入手,针对极地钻探装备机械动密封现存问题及改进措施进行综述。2.1往复式动密封密封界面磨损失效是往复动密封常见的失效形式。随着机械系统工作时间的增长,往复机构运动单元应力集中部位发生磨损或过度变形,进而容易导致密封失效。因此,常温工况下降低磨损是提高往复运动构件性能的关键。在低温工况下,介质的可压缩性发生改变,材料冷缩造成密封比压下降。低温工况下往复动密封失效分析,在原有基础上还需考虑低温下密封介质体积变化以及材料耐低温性。2.1.1往复密封界面摩擦磨损降低磨损是提高往复运动构件可靠性、延长使用寿命的关键。目前降低磨损的研究主要是从结构设 计、表 面 工 程 技 术
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