极地钻井关键设备橡胶密封材料的优选

陈远鹏 王志远 孙宝江 陈野 郑凯波

陈远鹏, 王志远, 孙宝江, 陈野, 郑凯波. 极地钻井关键设备橡胶密封材料的优选[J]. 石油钻探技术, 2020, 48(1): 54-60. doi: 10.11911/syztjs.2019111
引用本文: 陈远鹏, 王志远, 孙宝江, 陈野, 郑凯波. 极地钻井关键设备橡胶密封材料的优选[J]. 石油钻探技术, 2020, 48(1): 54-60. doi: 10.11911/syztjs.2019111
CHEN Yuanpeng, WANG Zhiyuan, SUN Baojiang, CHEN Ye, ZHENG Kaibo. The Optimization of Rubber Sealing Materials for Key Equipment in Polar Drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2020, 48(1): 54-60. doi: 10.11911/syztjs.2019111
Citation: CHEN Yuanpeng, WANG Zhiyuan, SUN Baojiang, CHEN Ye, ZHENG Kaibo. The Optimization of Rubber Sealing Materials for Key Equipment in Polar Drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2020, 48(1): 54-60. doi: 10.11911/syztjs.2019111

极地钻井关键设备橡胶密封材料的优选

doi: 10.11911/syztjs.2019111
基金项目: 

国家重点研发计划项目“极地冰区钻井防寒工艺技术研究”(编号:2016YFC0303408)资助

详细信息
    作者简介:

    陈远鹏(1993—),男,江西赣州人,2016年毕业于中国石油大学(华东)船舶与海洋工程专业,2019年获中国石油大学(华东)石油与天然气工程专业硕士学位,主要从事极地低温钻井密封材料的优选工作。E-mail:18954238961@163.com

  • 中图分类号: TE28+1

The Optimization of Rubber Sealing Materials for Key Equipment in Polar Drilling

  • 摘要: 极地的低温环境会使橡胶逐渐变硬甚至玻璃化从而丧失原有的弹性,易导致钻井泵、防喷器等关键钻井设备出现密封失效问题,影响正常生产并带来安全隐患。因此,需要对极地钻井关键设备所用橡胶密封材料进行优选。按照国家标准GB/T 528—2009和GB/T 7759.2—2014,在20~–50 ℃温度环境下对橡胶材料进行了单轴拉伸和压缩永久变形试验,将试验数据与多种常见超弹性本构模型进行拟合得到了模型参数,分析了这些本构模型在低温条件下的适用性;利用有限元分析软件ABAQUS,模拟分析了–45 ℃温度下处于工作状态的O形橡胶密封圈的密封性能,找出了设备在低温条件下容易发生密封失效的位置。分析认为,在低温、小变形条件下,Polynomial(N=2)模型和Ogden(N=3)模型能更准确地描述橡胶的力学性能;硅橡胶、气相胶、丁腈橡胶在极地环境(–45 ℃)下依然保持优越的密封性能,可以作为极地钻井关键设备用橡胶密封材料。低温下超弹性本构模型的分析和橡胶密封材料的优选,可为我国后续极地钻井提供理论指导与支持。
  • 图  1  橡胶材料拉伸和压缩试验标准试样

    Figure  1.  Standard sample for tensile and compression test of rubber material

    图  2  不同温度下各橡胶材料的拉伸强度

    Figure  2.  Tensile strengths of each rubber material at different temperatures

    图  3  不同温度下各橡胶材料的拉断伸长率

    Figure  3.  Elongation at break of each rubber material at different temperatures

    图  4  不同温度下各橡胶材料压力释放15 min后的压缩永久变形率

    Figure  4.  Compression permanent deformation rate of each rubber material after 15 min of pressure releasing at different temperatures

    图  5  低温下各橡胶材料由不同本构模型得到的名义应力–名义应变关系曲线

    Figure  5.  Nominal stress and strain curve obtained by different constitutive models for each rubber material at low temperature

    图  6  –45 °C温度下硅橡胶O形密封圈的应力分布云图

    Figure  6.  Stress distribution cloud map of a silicone rubber O-ring at –45 °C

    表  1  不同温度下Polynomial(N=2)模型和Ogden(N=3)模型的模型参数

    Table  1.   Model parameters of Polynomial (N=2) model and Ogden (N=3) model at different temperatures

    温度/℃橡胶类型Polynomial(N=2)模型Ogden(N=3)模型
    模型参数误差,%模型参数误差,%
    C10C01C20C11C02α1α2α3μ1μ2μ3
    –30硅橡胶 –9.86712.2320.78 –3.626 7.535<71.309 –7.8515.7081.78212.500–25.000<5
    气相胶–23.92029.0621.45 –7.08216.190<82.082–17.4034.9940.42712.500–25.000<7
    丁腈橡胶–32.82039.3652.52–11.78025.040<63.763–17.1034.234–6.964 12.500–25.000<5
    –35硅橡胶–18.03021.6351.67 –7.76714.980<81.532–10.6021.2501.68212.500–24.999<6
    气相胶–26.58031.9102.23–10.62021.160<92.182–16.9033.9691.12212.500–25.000<7
    丁腈橡胶–40.45049.2914.37–20.02036.850<75.375–21.7043.4981.88812.500–25.000<6
    –40硅橡胶–10.39012.7620.73 –3.538 7.770<91.772 –4.61 9.218–6.140 11.041–22.082<7
    气相胶–32.86039.8512.34–11.13023.760<92.670–21.3042.7731.12311.351–22.702<8
    丁腈橡胶–60.65074.3015.17–24.91050.070<87.804–36.8073.7951.84512.500–24.999<7
    –45硅橡胶–27.55032.5312.10–10.060 1.123<101.123–17.0034.1402.55612.500–25.000<9
    气相胶–28.63034.6671.91 –9.48520.820<92.383–20.6041.3721.50212.461–24.923<8
    丁腈橡胶–93.300112.320 7.38–35.79073.730<97.952–57.30114.680 2.02312.500–25.000<9
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-22
  • 修回日期:  2019-10-09
  • 网络出版日期:  2019-11-18
  • 刊出日期:  2020-01-01

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