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

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

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(yīng)嚴(yán)重以及油氣意外入侵等難題。設(shè)計(jì)了一種氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié), 對(duì)其核心組件旁通閥在兩種工況下受力狀態(tài)進(jìn)行

了分析:關(guān)閉和打開(kāi)兩種工況下循環(huán)介質(zhì)均會(huì)對(duì)閥體局部產(chǎn)生沖擊力, 易造成閥體局部強(qiáng)度破壞, 且旁通閥關(guān)閉時(shí), 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(guān)閉和打開(kāi)兩種工況下閥體的力學(xué)行為, 對(duì)閥體危險(xiǎn)截面進(jìn)行分析。結(jié)果表明, 該閥體結(jié)構(gòu)滿足各種工況下的強(qiáng)度條件, 且旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)對(duì)密封性能有嚴(yán)格要求。研究同時(shí)完成了旁通閥密封副的密封設(shè)計(jì)分析。

正文:

與常規(guī)鉆井液鉆井相比, 氣體鉆井技術(shù)具有機(jī)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(diǎn) [1] 。但是在常規(guī)氣體鉆井過(guò)程中, 鉆桿上扣和卸扣時(shí)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(shí), 鉆井介質(zhì)循環(huán)的中斷會(huì)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(guó)內(nèi)外連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的實(shí)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(shí)僅需配備頂驅(qū), 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 控制難度大;另一種采用不間斷循環(huán)閥(CCV) , 無(wú)需配備頂驅(qū), 采用常規(guī)方法進(jìn)行上卸扣操作, 缺點(diǎn)是必須在每個(gè)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(guó)石油川慶鉆探工程公司集中技術(shù)力量, 聯(lián)合國(guó)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。連續(xù)循環(huán)氣體鉆井系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于液相條件下的控壓鉆井, 用于大位移井、 長(zhǎng)段水平井、 欠平衡井、 窄密度窗口井, 可避免井底壓力波動(dòng), 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(fù)雜情況的發(fā)生 [6-7] 。

1 連續(xù)循環(huán)短節(jié)

設(shè)計(jì)了一種氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié), 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便, 可以保證整個(gè)鉆井過(guò)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(shí), 鉆井液通過(guò)上部鉆桿, 流經(jīng)連續(xù)循環(huán)短節(jié)主通閥, 進(jìn)入下部鉆桿形成一個(gè)內(nèi)部循環(huán)通道。在接卸單根或立柱時(shí), 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(jī)構(gòu)關(guān)閉短節(jié)內(nèi)部主通道,鉆井液從旁通管路流入, 實(shí)現(xiàn)了接換鉆具過(guò)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(xué)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(shí), 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(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

正常鉆井時(shí), 主通閥打開(kāi), 旁通閥彈簧處于壓縮狀態(tài)。 在彈簧預(yù)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(tái)肩面緊密貼合形成金屬密封面。旁通閥的保護(hù)堵頭下端面與短節(jié)本體上臺(tái)肩面設(shè)計(jì)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(guò)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(guān)閉, 使閥的安全性能得到提升。切換流道時(shí), 主通閥關(guān)閉, 旋出旁通閥的保護(hù)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(jìn)一步壓縮彈簧,在內(nèi)外壓差作用下, 旁通閥開(kāi)啟。分析認(rèn)為, 主通閥打開(kāi)旁通閥關(guān)閉時(shí), 主通道中的循環(huán)介質(zhì)沖擊閥板,易造成短節(jié)本體臺(tái)肩的局部強(qiáng)度破壞;主通閥關(guān)閉旁通閥打開(kāi)時(shí), 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(tái)肩的局部強(qiáng)度破壞。

3 旁通閥閥體的力學(xué)性能分析

旁通閥處于關(guān)閉和打開(kāi)兩種工況時(shí), 均有可能發(fā)生閥體的局部強(qiáng)度破壞, 需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析, 判斷安全性能。用 ANSYS workbench 軟件對(duì)閥體進(jìn)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(jìn)行兩種工況下的受力行為模擬, 并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

旁通閥采用 40 CrMo, 強(qiáng)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(kāi)旁通閥關(guān)閉時(shí)閥體力學(xué)性能分析

當(dāng)主通閥打開(kāi)旁通閥關(guān)閉時(shí)(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(tái)肩面承受彈簧預(yù)緊力和閥板傳遞的氣體壓強(qiáng)的雙重作用, 成為此工況下旁通閥閥體最危險(xiǎn)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(yīng)力、 應(yīng)變?cè)茍D如圖 4 和圖 5 所示。

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

3.2 旁通閥打開(kāi)主通閥關(guān)閉時(shí)閥體力學(xué)性能分析當(dāng)旁通閥打開(kāi)主通閥關(guān)閉時(shí)(工況二) , 由旁通管路進(jìn)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(tái)肩面, 該位置成為此工況下的最危險(xiǎn)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(tái)肩面受 198 MPa 的氣壓和 550 N 的彈簧預(yù)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(yīng)力、 應(yīng)變?cè)茍D如圖 7 和圖 8 所示。

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

4 旁通閥的密封設(shè)計(jì)

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(tái)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(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)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(jié)構(gòu)等因素的影響。

要達(dá)到良好的密封效果, 密封面的設(shè)計(jì)比壓 q必須要大于密封面的必須比壓 q n ;考慮到材料強(qiáng)度要求, 密封面的設(shè)計(jì)比壓 q 必須要小于密封面材料的許用比壓[q] , 則有條件關(guān)系式為

式中, [q] 為密封面材料許用比壓, MPa;q 為密封面設(shè)計(jì)比壓, MPa;q n 為密封面必須比壓, MPa。

根據(jù)旁通閥的具體結(jié)構(gòu)尺寸和使用工況, 則密封面的設(shè)計(jì)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]

式中, m 為循環(huán)介質(zhì)系數(shù);a 為密封材質(zhì)系數(shù)Ⅰ;c

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

(1)密封面必須作用力。綜合考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)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(guò)計(jì)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(qiáng) p 取最大值 31 MPa,閥板面積 S 為 0.002 12 m 2 , 通過(guò)計(jì)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(yù)緊力。由上文計(jì)算結(jié)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(yù)緊力以保證其工作的可靠性, 該預(yù)緊力由彈簧預(yù)緊力來(lái)提供

一般選用的彈簧預(yù)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(jié)論

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

(2) 旁通閥密封面必須密封力需要由兩部分來(lái)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(yù)緊力來(lái)進(jìn)一步提供, 作為密封面的原始預(yù)緊力。只有當(dāng)彈簧預(yù)緊力大于 549.7 N 時(shí), 才能實(shí)現(xiàn)旁通閥密封端面的良好密封。

〔編輯 李春燕〕

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