980 / 2022-07-10 09:20:37

圆孔型织构端面对高压钻井工况金属密封性能的影响研究

摘 要: 金属密封具有结构简单，耐磨损、抗高压和占用空间小等优点，被广泛应用于油气钻井牙轮钻头轴承密封系统中。钻头在作业过程中常见深、抖、窄、厚、难、高等地质难点，使得轴承密封系统面临高温高压、压差波动等工况，导致金属密封端面迅速热力变形并出现开启力不足，进而加剧端面摩擦磨损。已有研究表明表面织构技术能提高端面液膜承载能力、容纳端面磨粒储存润滑油等，可提升润滑性能和减摩抗磨性能，故开展了高压钻井工况下圆孔型织构端面对金属密封性能影响的研究，基于Matlab软件建立综合考虑空化效应和粗糙度效应的金属密封织构化端面多场耦合数学模型，研究复杂工况下金属密封关键性能参数的演化规律，揭示圆孔型 织构端面对金属密封液膜分布特性和密封性能的影响机制。结果表明：在高压钻井工况下，金属密封织构化端面开启力相较于平端面显著提升34%，受织构空化效应影响密封端面被完全打开；织构化端面最大温升相较于平端面金属密封降低80.7%，端面摩擦力也减小约80%左右；织构化密封端面膜厚收敛角度大于平端面，外径侧泥浆更不易于冲入端面间隙。综上可知，圆孔型织构端面设计可有效提高金属密封性能，大大提升减摩耐磨特性，为高效长寿命钻头密封设计提供理论支撑。

关键词: 金属密封；表面织构；多场耦合；密封性能