气体钻井连续循环短节主通阀的设计与分析.pdf

一 28 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年 第 4 2卷第 8期 ●钻井技术与装备 气体钻 井连续循 环短节主通 阀的设计与分析 冯 定 于章丽 夏成宇 钱利勤 晏 健 魏世忠 涂忆柳 长江大学机械 工程学院 摘要 气体钻井连续循环短节主通 阀可能会遇到阀本体强度失效、阀球转动失效和 密封失效 等 问题。对气体连续循环短节主通 阀阀球进行 了力学分析，计算 出靠人工转动阀球打开主通阀时 阀体上、下所需的压力差。对主通阀阀体进行 了局部 三维分析 ，分析结果表 明，最大应力出现在 4个上开 口挡圈与阀体 的作用面上靠近 凹槽根部 ，最大应力达 1 9 2 ． 8 M P a ，满足强度条件。对主通 阀密封进行 了设计和计算，主通阀在内、外压差从 5 MP a到3 5 MP a的变化过程 中，主通阀的密封 副所受作用力都大于密封面必须作用力 ，保证 了所设计的主通 阀满足密封性能要求。 关键词 气体钻井 ；连续循环短节 ；主通 阀；密封；力学分析 ；有 限元分析 中图分类号T E 9 2 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 0 7 De s i g n a n d Ana l y s i s o f M a i n Va l v e o f Co nt i nu o u s Ci r c u l a t i o n J o i n t f o r Ga s Dr i l l i n g F e n g D i n g Y u Z h a n g l i X i a C h e n g y u Q i a n L i q i n Y a n J i a n We i S h i z h o n g T u Y i l i u S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n g t z e U n i v e r s i t y A b s t r a c t T h e m a i n v a l v e o f c o n t i n u o u s c i r c u l a t i o n j o i n t f o r g a s d r i l l i n g m a y e n c o u n t e r i s s u e s l i k e v a l v e b o d y f a i l u r e b y l o s e s t r e n g t h， f a i l u r e i n b a l l v a l v e t u r n i n g a nd s e a l f a i l u r e ．Me c h a n i c a l a n a l y s i s i s c o n d u c t e d for t he ma i n v a l v e ． T he p r e s s u r e d i f f e r e nc e b e t we e n t o p a n d bo t t o m o f t h e ma i n v a l v e n e c e s s a r y for ma n ua l l y o p e n i n g t h e v a l v e i s c a l c u l a t e d．Th e t h r e e d i me n s i o na l a na l y s i s o f t h e ma i n v a l v e b o d y s h o ws t h a t t h e ma x i mu m s t r e s s O c c u r s o n t h e p a r t o f a c t i n g s u rfa c e o f t h e up f o ur s p l i t wa s h e r a n d t h e v a l v e b o d y wh i c h c l o s e t o t h e g r o o v e r o o t ．Th e ma x i mu m s t r e s s me e t s t h e s t r e n g t h r e q u i r e me n t wi t h t h e v a l u e o f 1 9 2 ． 8 MP a ．T h e ma i n v a l v e s e a l i S d e s i g n e d a n d c a l c u l a t e d ．As t h e e x t e r na l p r e s s u r e i n c r e a s e s f r o m 5 t o 3 5 MP a，t he a p p l i e d f o r c e s o f s e a l i ng pa i r o f t h e ma i n v a l v e i s g r e a t e r t ha n t h e n e c e s s a ry f o r c e o n t h e s e a l i n g s u rfa c e， whi c h e n s u r e s t h e s e a l i n g p e rfo r ma n c e o f t he d e s i g n e d ma i n v a l v e ． Ke y wo r d s g a s d r i l l i n g ；c o n t i n u o u s c i r c u l a t i o n j o i n t ；m a i n v a l v e ；s e a l ；me c h a n i c a l a n a l y s i s ；F E A 0 引 言 在常规气体钻井过程中，钻杆上 、卸扣时由于 气体介质循环通道 中断，而被迫停止气体介质的循 环 ，由此产生了许多不利影响 ①钻屑的沉降会减 小有效井径 ，增加钻柱的扭矩 和阻力 ，造成卡钻 ； ②欠平衡钻井时，循环中断会破坏环空内及井底压 力的平衡 ，引起 井壁失稳 、坍塌 及井涌 J 。气体 钻井连续循环短节可以保证整个钻井过程 中钻井介 质的不问断循环 ，进而降低钻井成本和钻井作业的 安全隐患 ，提高钻井效率 。 国外 连续循环钻井技术 的研究始于 1 9 9 8年 ， 目前实现方式主要有 2种。一种是采用连续循环系 统 C C S 。其优势是 ①在密封 良好的三联闸板 防喷器组成的腔体 内完成钻杆上卸扣操作和钻井液 循环流道 的切换 ，确保现场操作的安全性 ；②使用 时仅需配备顶驱 ，对现有常规钻机具有较好的适应 基金项 目国家 自然科学基金项 目 “ 高造斜率井眼轨迹控制工具主轴井下力学行 为研究 ” 5 1 2 7 5 0 5 7 ；湖北省 自然科学 基金创新群 体项 目 2 0 1 2 F F A 0 3 3 。 2 0 1 4年 第4 2卷 第 8期 冯 定等 气体钻 井连 续循 环短节主通 阀的设计与分析 一 2 9一 性 ，有利 于推广使用 。其缺点是 结构复杂 ，体积 大 ，控制难度大 ，对操作人员要求较高 。另一种是 采用不间断循环阀 C C V 。该阀结构简单 ，操作 方便 ，无需配备顶驱也可以使用 ，有较好 的可操作 性 ，可以采用常规方法进行上 、卸扣操作 。其缺点 是必须在每个单根或立根上安装此阀，其可靠性要 求很高 ，在无密封腔体保护条件下带压进行上 、卸 扣作业 ，容易造成安全事故 _ 3 - 6 1 。目前 国内许多单 位已经开始了钻井液钻井的连续循环系统和连续循 环阀 的研 究。中 国石 油 钻井 工 程 技术 研 究 院 在 “ 十一五”立项对此进行 了技术攻关 ，设计 了连续 循环钻井装置 ，其 主要用于钻井液窄密度窗 口井 。 中国石油长城钻探工程公司和西南石油大学等单位 对钻井液钻井连续循环 阀正在开展研究。中国石油 川庆钻探工程公司集中技术力量 ，联合国内科研院 所研究了一种基于连续循环 阀的连续循环气体钻井 系统 。2 0 1 2年 1 2月 1 3日，川庆钻探工 程有 限公 司钻采工程技术研究院连续循环气体钻井系统现场 试验在宁 2 1 1 井获得成功 。 我国对连续循环 钻井技术 的研究 比较 少 ，为 此 ，笔者开展 了气体钻井循环短节的研究工作 。 1 气体钻 井循环短 节 1 ． 1 结构 气体钻井循环短节 的主要结构包括短节本体 、 主通阀和旁通阀 ，其结构见 图 1 。 1 一 短节本体 ；2 m主通 阀；3 --堵头 ；4 一 旁通阀。 图 1 气体钻 井连 续循环短 节结构图 Fi g ．1 S t r u c t ur a l di a g r a m o f c o nt i n u o us c i r c u l a t i o n j o i n t f o r g a s d r i l l i n g 1 ． 2工作 原理 气体钻井连续循环短节安装在 2根钻杆之 间， 在正常钻进时，钻井流体通过上部钻杆 ，流经连续 循环短节主通阀 ，进入下部钻杆形成一个 内部循环 通道。在接 、卸单根或立柱时 ，将旁通管路接头插 入连续循环短节侧 口内并操作内部机构关闭短节内 主通道，钻井流体从旁通管路流入，实现了在接换 钻具过程中保持井底钻井流体的连续循环 ，其结构 简单紧凑 ，使用安全方便 。主通阀是连续循环短节 直流通道的核心组件 ，安装在短节本体的上部圆柱 孔处。它的关 闭件是个球体 ，球体开有一通孔 ，通 过旋钮转动球体 9 0 。 来达到主通阀开启和关 闭的 目 的。主通 阀与钻柱 中的其他元件一样 ，在气体钻井 作业随钻柱一起下人井下。主通阀不仅承受钻柱所 有的动 、静载荷 ，而且还要受到循环气体的冲蚀磨 损。主通 阀可能的失效形式有 3种 ，分别是阀本体 失效 、阀球转动失效和密封失效 J 。 2 阀球的力学分析 连续循环主通道旋塞阀转动失效的根本原因是 阀球和上 阀座之间的摩擦力过大 ，这是 自身结构造 成的。在各个工况下对阀球进行受力分析可知 ，主 通阀关闭时阀球上下压差最大 ，即为阀球下部气体 介质 的压力。气体钻井介质压力直接作用于阀球下 表面，上 阀座与阀球上表面问的正压力达到最大 。 此时，若要人工转动手柄 ，则需要在打开主通道前 在阀球上部加 压 J 。由于工况不 同，笔者做 了部 分改进 ，并推导出气体钻井连续循环短节主通阀开 启时压力差的计算公式。 改进后的阀球受力如图 2所示。当阀球上 、下 方循环气体介质压力差 I P 一 P I 很大时 ，上阀座 与阀球接触密封带处的平均应力 就很大 ，阀球 转动时的摩擦力也很大 ，无法用手动方式打开阀。 上阀座与阀球接触 面为球 台面 B ，设阀球 的 半径为 R，接触面中心轴为 轴 ， ， 、O L 分别为球 台面 B 上极 限位置点 曰、4与 轴 负向所夹 锐角 ，且有 B B C C 。 p 图 2 阀球 受力示意 图 Fi g ．2 Sc h e ma t i c d i a g r a m o f f o r c e s o n v a l v e b a l l 设加压后在转动球阀一瞬间，阀球上、下表面 压力差为 A pl P 一 P I，在水平 方 向应用微元 法 ，受力平衡方程为 。2 1 v R t r c o s a s i n a R d △ p 竹 R s i n t x 1 1 故有 石油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 _ si n ot 2 si n 2 3 主通阀阀体局部力学性能分析 一 1 j 王 迥 侔／ 可 刀 厂子 岜 图 3为球台微元面的受力示意图。设上阀座与 阀球摩擦因数为 ，在球台接触面上任取一点 D和 该点处微元面积 ，设 D点到转轴 Y的距离为 f 。 ， ， 则有 01 D Rs i n a d sR s i n a d } R d a l D F ／ c o s R s i n a s i n f1 3 4 5 图 3 球 台微元 面受力示意图 F i g ． 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f f o r c e s o n i n fi n i t e s i ma l s u r f a e e o f v a l v e b a l l 因为球台面受力关于 轴对称 ，所以可取 受 力面进行分析 ，最终可以得到转动阀球所需的扭矩 为 4 si。 n‘ 2 一 si 。 n 。O L 1 r f i d 6 0 al 因为对不同尺寸的阀，其阀球与上 阀座的接触 面上 O L O L ／ 2值基本相 同，其大小约为 4 1 。 。 为 了使计算简化和使用方便 ，取 t a n , ． I一 一 -4 1 。 0 ． 8 6 9t a n a t a n t a n 4 一／ ≈ ≈ ． 1 J 于是可 得 ／ 2 M2 g p R 。 s i n 2 f V 1 0 ． 7 5 5 s i n 卢 8 在 [ 0 ，w ／ 2 ]上取间隔为 1 0 。 ，即 △ 0 ． 1 7 4 5 。 则有 w／ 2 I V 1 0 ． 7 5 5 s i n 卢 1 ． 8 6 3 9 a O 于是有 M 3 ． 7 2 △ p R s i n 2 1 0 该气体钻井连续循环短节主通阀中， 4 0 。 ， R 5 5 ． 1 m m，P 3 5 MP a ，取 0 ． 1 5 。根据成人 体力标准以及该短节的具体结构 ，可 以取 M 1 0 0 N m，代人式 1 0 ，可知 主通 阀由关 闭到打开 前必 须 施 压 ，并 且 上 、下 压 差 要 满 足 △ p≤2 ． 5 MPa 由分析可知，当主通道旋塞阀关闭，旁通阀打 开时 ，由旁通 阀进入主通道的气体介质冲击阀球下 表面 ，阀球将冲击力传递给主通阀阀体的台肩 面， 该 台肩面是上开 口挡圈与主通阀的作用面。由于装 配限制 ，上开口挡圈有 4小块 ，每一块的中心角为 6 0 。 ，均布于该台肩面上 ，每个接触面上的受力 F F F F 4 F ／ 4 。该 台肩面上力 的分布如图 4所示 图 4 阀体 台眉 面 上 的 受 力 分 布 图 F i g ． 4 S c h e ma t i c d i a g r a m o f f o r c e d i s t r i b u t i o n o f v a l v e s ho ul de r s u r f a e e 一 2 F 冲 P 气Sp 气 1 4 0 0 6 4 N 1 1 式中，P 与为 内部气体介质压力 ，P a ；S为循环短 节内部气体通道的面积 ，m 。 3 ． 1 主通阀阀体局部有限元模型 由于连续循环短节只取主通阀阀体局部结构进 行分析 ，可 以直接在 A N S Y S Wo r k b e n c h中建模并 划分网格 ，建模时将 4个作用面生成标记面，生成 的有限元模型如图 5所示。 图 5主 通 阀处 本 体 危 险 截 面局 部 模 型 F i g ． 5 L o c a l mo d e l o f t h e d a n g e r o u s s e c t i o n o f t h e ma i n v a l v e bo dy 3 ． 2 主通 阀阀体 的材料属性和载荷 对该局部模型采用有限元分析时首先要定义材 料属性 ，循 环 短 节 材料 为 4 0 C r Mo ，强 度 极 限 为 1 0 8 0 MP a ，屈服极限为 9 3 0 M P a ，弹性模 量 E为 2 0 6 G P a ，泊松 比为 0 ． 3 。