[鉆井技術:409]氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)旁通閥的設計與分析

2016-11-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

[來源:石 油 鉆 采 工 藝]作者: 夏成宇1、孫巧雷 1、于章麗 1 、馮 定 1、涂憶柳 1、王旭東 2(1. 長江大學機械工程學院, 湖北荊州 434023;2. 中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院, 四川德陽 618000)

摘要:

氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)能有效解決井底壓力不易控制、 地層孔隙壓力與破裂壓力之間的操作壓力窗口窄小、 井眼鼓脹效應嚴重以及油氣意外入侵等難題。設計了一種氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié), 對其核心組件旁通閥在兩種工況下受力狀態(tài)進行

了分析:關閉和打開兩種工況下循環(huán)介質(zhì)均會對閥體局部產(chǎn)生沖擊力, 易造成閥體局部強度破壞, 且旁通閥關閉時, 容易出現(xiàn)循環(huán)介質(zhì)泄漏的情況。利用 ANSYS 有限元分析軟件模擬了旁通閥處于關閉和打開兩種工況下閥體的力學行為, 對閥體危險截面進行分析。結果表明, 該閥體結構滿足各種工況下的強度條件, 且旁通閥處于關閉狀態(tài)時對密封性能有嚴格要求。研究同時完成了旁通閥密封副的密封設計分析。

正文:

與常規(guī)鉆井液鉆井相比, 氣體鉆井技術具有機械鉆速快、 利于井斜控制、 防止循環(huán)漏失、 不傷害地層等優(yōu)點 [1] 。但是在常規(guī)氣體鉆井過程中, 鉆桿上扣和卸扣時氣體介質(zhì)的循環(huán)通道中斷, 造成鉆屑沉降減小有效井徑, 鉆柱所受扭矩和阻力增加造成卡鉆;欠平衡鉆井時, 鉆井介質(zhì)循環(huán)的中斷會破壞環(huán)空及井底壓力的平衡, 引起井壁失穩(wěn)、 坍塌及井涌 [2] 。

目前國內(nèi)外連續(xù)循環(huán)鉆井技術的實現(xiàn)方式主要有兩種:一種采用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(CCS) , 在三聯(lián)閘板防噴器組成的腔體內(nèi)完成鉆桿上扣、 卸扣和鉆井液循環(huán)流道的切換, 使用時僅需配備頂驅(qū), 缺點是結構復雜, 控制難度大;另一種采用不間斷循環(huán)閥(CCV) , 無需配備頂驅(qū), 采用常規(guī)方法進行上卸扣操作, 缺點是必須在每個單根或立根上安裝此閥, 帶壓上卸扣作業(yè)容易造成安全事故 [3-5] 。中國石油川慶鉆探工程公司集中技術力量, 聯(lián)合國內(nèi)科研院研究了一種基于連續(xù)循環(huán)閥的連續(xù)循環(huán)氣體鉆井系統(tǒng)并進行了現(xiàn)場試驗。連續(xù)循環(huán)氣體鉆井系統(tǒng)可推廣應用于液相條件下的控壓鉆井, 用于大位移井、 長段水平井、 欠平衡井、 窄密度窗口井, 可避免井底壓力波動, 改善井眼清潔效果, 減少循環(huán)漏失、 井涌、 壓差卡鉆等多種井下復雜情況的發(fā)生 [6-7] 。

1 連續(xù)循環(huán)短節(jié)

設計了一種氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié), 結構簡單、使用方便, 可以保證整個鉆井過程中鉆井介質(zhì)的循環(huán)不發(fā)生間斷, 主要由短節(jié)本體、 主通閥和旁通閥組成, 如圖 1 所示。

連續(xù)循環(huán)短節(jié)安裝在兩根鉆桿之間, 在正常鉆井時, 鉆井液通過上部鉆桿, 流經(jīng)連續(xù)循環(huán)短節(jié)主通閥, 進入下部鉆桿形成一個內(nèi)部循環(huán)通道。在接卸單根或立柱時, 將旁通管路接頭插入連續(xù)循環(huán)短節(jié)側(cè)口內(nèi)并操作內(nèi)部機構關閉短節(jié)內(nèi)部主通道,鉆井液從旁通管路流入, 實現(xiàn)了接換鉆具過程中保持井底鉆井流體的連續(xù)循環(huán), 降低了鉆井作業(yè)成本。該旁通閥占用空間小、 密封性能可靠、 力學性能良好。

2 旁通閥工作原理

旁通閥是氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)旁通通道的核心組件, 安裝在短節(jié)本體的側(cè)部圓孔處, 其主要功能是在接卸單根或者立柱時, 將從鉆柱頂部流入的鉆井循環(huán)介質(zhì)改為由循環(huán)短節(jié)側(cè)面流入, 起到切換流體通道的作用。旁通閥結構如圖 2 所示。

正常鉆井時, 主通閥打開, 旁通閥彈簧處于壓縮狀態(tài)。 在彈簧預壓力以及主通道氣壓的雙重作用下,旁通閥閥板與短節(jié)本體下臺肩面緊密貼合形成金屬密封面。旁通閥的保護堵頭下端面與短節(jié)本體上臺肩面設計成金屬與密封圈雙重密封, 若主通道有少量氣體由閥板密封面泄漏, 可通過泄壓閥泄壓;若有大量氣體由密封面泄漏, 泄壓閥在大的氣體壓力

作用下直接關閉, 使閥的安全性能得到提升。切換流道時, 主通閥關閉, 旋出旁通閥的保護堵頭與泄壓閥, 將旁通管路旋入旁通閥閥座內(nèi), 旁通管路控制系統(tǒng)輸入的高壓循環(huán)氣體進一步壓縮彈簧,在內(nèi)外壓差作用下, 旁通閥開啟。分析認為, 主通閥打開旁通閥關閉時, 主通道中的循環(huán)介質(zhì)沖擊閥板,易造成短節(jié)本體臺肩的局部強度破壞;主通閥關閉旁通閥打開時, 旁通管路中的循環(huán)介質(zhì)沖擊閥板壓縮彈簧, 也易造成短節(jié)本體臺肩的局部強度破壞。

3 旁通閥閥體的力學性能分析

旁通閥處于關閉和打開兩種工況時, 均有可能發(fā)生閥體的局部強度破壞, 需要對其結構進行強度分析, 判斷安全性能。用 ANSYS workbench 軟件對閥體進行局部建模, 由于閥體即為短節(jié)本體的一部分, 因此將其假定為圓柱體進行兩種工況下的受力行為模擬, 并進行強度校核。

旁通閥采用 40 CrMo, 強度極限為 1 080 MPa, 屈服極限為 930 MPa, 彈性模量為 2.06×10 5 MPa, 泊松比為 0.3。在 ANSYS workbench 中建模并劃分網(wǎng)格,生成有限元模型, 如圖 3 所示。

3.1 主通閥打開旁通閥關閉時閥體力學性能分析

當主通閥打開旁通閥關閉時(工況一) , 主通道內(nèi)的氣體循環(huán)介質(zhì)撞擊閥板, 與閥板接觸的旁通閥閥體臺肩面承受彈簧預緊力和閥板傳遞的氣體壓強的雙重作用, 成為此工況下旁通閥閥體最危險位置。

該工況下旁通閥局部閥體的邊界條件和載荷:局部模型的外圓柱面采用固定約束, 密封面(即閥板與閥體的接觸面) 所受的密封比壓為 67 MPa。有限元分析后的應力、 應變云圖如圖 4 和圖 5 所示。

由模擬結果可知, 閥體的最大應力為 222.5 MPa、最大應變?yōu)?0.001 09, 均出現(xiàn)在閥板與閥體接觸的臺肩根部, 與彈塑性力學分析結果相符。最大應力小于 40 CrMo 的屈服極限, 滿足強度條件。

3.2 旁通閥打開主通閥關閉時閥體力學性能分析當旁通閥打開主通閥關閉時(工況二) , 由旁通管路進入主通道的氣體鉆井介質(zhì)沖擊閥板, 閥板將沖擊力傳遞給彈簧與閥體接觸的臺肩面, 該位置成為此工況下的最危險部位。

該工況下旁通閥局部閥體的邊界條件和載荷:局部模型的外圓柱面采用固定約束, 與彈簧接觸的閥體臺肩面受 198 MPa 的氣壓和 550 N 的彈簧預緊力的雙重作用, 模型受力示意圖如圖 6 所示。有限元分析后的應力、 應變云圖如圖 7 和圖 8 所示。

由模擬結果可知, 此工況下最大應力和最大應變均出現(xiàn)在閥板與閥體接觸的臺肩根部, 最大應力為 616.5 MPa, 最大應變?yōu)?0.003 03, 最大應力小于閥體材料 40 CrMo 的屈服極限, 滿足強度條件。

4 旁通閥的密封設計

影響旁通閥密封副密封效果的主要因素是循環(huán)介質(zhì)、 旁通閥閥體臺肩密封面的加工方法、 密封面的寬度 b 和密封力 F [8] 。受旁通閥工作環(huán)境和工作要求的限制, 循環(huán)介質(zhì)因素一般不能改變;密封面加工需要綜合考慮實用性和經(jīng)濟性來選擇最合理的方法;密封面寬度 b 以及密封力 F 的選擇, 則受到具體工況、 密封要求和密封結構等因素的影響。

要達到良好的密封效果, 密封面的設計比壓 q必須要大于密封面的必須比壓 q n ;考慮到材料強度要求, 密封面的設計比壓 q 必須要小于密封面材料的許用比壓[q] , 則有條件關系式為

式中, [q] 為密封面材料許用比壓, MPa;q 為密封面設計比壓, MPa;q n 為密封面必須比壓, MPa。

根據(jù)旁通閥的具體結構尺寸和使用工況, 則密封面的設計壓比為

式中, F 為作用在閥體密封面上的作用力, N;D 為密封副內(nèi)徑, m;b 為密封面寬度, m。

旁通閥密封面上的必須比壓為 [9]

為密封材質(zhì)系數(shù)Ⅱ;p 為密封面壓強, MPa。

當密封面表面粗糙度為 0.1~0.2 μm 時, 常溫流體的 m 為 1, 常溫氣體的 m 為 1.4;高溫流體的 m為 1.4, 高溫氣體的 m 為 1.8。當密封面表面粗糙度小于 0.1 μm 時, 常溫流體的 m 為 0.75, 常溫氣體的m 為 1;高溫流體的 m 為 1, 高溫氣體的 m 為 1.4。當密封面材料為鋼、 硬質(zhì)合金時, a 為 3.5, c 為 1;當密封面材料為銅、 鑄鐵時, a 為 3, c 為 1;當密封面材料為鋁、 塑料時, a 為 1.8, c 為 0.9;當密封面材料為中硬度橡膠時, a 為 0.4, c 為 0.6;當密封面材料為軟橡膠時, a 為 0.3, c 為 0.4[10]。

(1)密封面必須作用力。綜合考慮實用性和經(jīng)濟性, 密封面表面粗糙度取 0.1~0.2 μm;井底為高溫氣體, m 取值 1.8;采用雙重密封形式, 第一道密封為中硬度橡膠, 第二道密封為金屬密封(硬質(zhì)合金密封) , 因此 a 取值 3.5, c 取值 1;p 取最大值 31MPa;密封面寬度 b 取值 7 mm。通過計算得到密封面必須壓比 q n 為 67 MPa。密封面呈環(huán)形, 已知圓環(huán)內(nèi)外徑, 得到密封面必須作用力為

2)氣體鉆井介質(zhì)作用于密封面上的力。氣體鉆井介質(zhì)作用于閥板上的壓強 p 取最大值 31 MPa,閥板面積 S 為 0.002 12 m 2 , 通過計算得到氣體鉆井介質(zhì)作用于閥板上的力 F 1 為 65 720 N, 閥板將力傳遞到密封面上。

(3) 密封面預緊力。由上文計算結果可知, 氣體鉆井介質(zhì)作用于密封面上的力小于密封面的必須作用力, 需要繼續(xù)在密封面上施加預緊力以保證其工作的可靠性, 該預緊力由彈簧預緊力來提供

一般選用的彈簧預緊力要大于 549.7 N, 以保證旁通閥密封端面的良好密封性能。

5 結論

(1) 通過 ANSYS 有限元分析, 兩種工況下旁通閥閥體均存在應力集中現(xiàn)象, 且應力集中位置均位于閥板與閥體接觸的閥體臺肩根部, 兩種工況下的最大應力均小于材料 40CrMo 的屈服極限, 閥體滿足強度條件。若要減小應力集中趨勢, 需要進一步采取措施, 如調(diào)整閥體結構、 增大臺肩根部的圓。

(2) 旁通閥密封面必須密封力需要由兩部分來提供, 氣體鉆井介質(zhì)作用于密封面的力不足以提供密封面所需密封力, 可以由彈簧預緊力來進一步提供, 作為密封面的原始預緊力。只有當彈簧預緊力大于 549.7 N 時, 才能實現(xiàn)旁通閥密封端面的良好密封。

〔編輯 李春燕〕

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