全过程欠平衡钻井井下套管阀结构改进及优化.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 9期第 3 3页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 82 2 01 0 09 0 03 3 05 全过程欠平衡钻井井 下套 管阀结构 改进及优化 李斌 ， 沈雪峰 西南石油大学 机 电工程学 院， 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 针对套管阀的开关动作可靠性和密封 性存在 的问题 ， 对套管 阀结构进行 了部分 改进 ， 运用 ANS Y S Wo r k b e n c h软件 对 密封结 构进行 优 化 ， 对提 高套 管 阀的整体 性 能具有 重要 意 义。 关键词 井下套管阀； 结构改进； 优化设计； wo r k b e n c h 中图分类 号 TE 9 2 7 ． 7 文献 标识码 A S t r u c t u r e I mpr o v e me n t a n d Opt i mi z a t i o n o f Do wn ho l e De p l o y me n t Va l v e d u r i ng Un d e r - b a l a nc e d Dr i l l i n g LI Bi n， SH EN Xu e f e n g Co l l e ge o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En gi n e e r i n g， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Do wnh ol e de pl o y m e nt va l v e DDV ha s b e e n us e d on t he c o ur s e u nd e r ba l a n c e d d r i l l i ng t e c hn o l o gy t o s a ve t h e c o s t a n d e nh a nc e t he pr od uc t i v i t y o f o i l ． Bu t a c c or d i ng t o t he f i e l d t e s t s， t h e r e a r e s o m e pr o bl e ms of t he r e l i a bi l i t y o f s wi t c h a c t i o n a n d t h e s e a l i ng pr o pe r t y o f DDV ， whi c h r e ma i n e d t o i m p r ov e ．Ai mi n g a t t he s e pr ob l e ms a bo v e， ANSYS W o r kbe nc h s o f t wa r e wa s us e d t o i m p r ov e p a r t i a l s t r uc t u r e o f DDV a n d op t i mi z e s e a l s t r uc t ur e ． Ke y wo r d s DDV ； s t r uc t u r e i m p r ov e me n t ； op t i mi z a t i on d e s i gn； wor kb e nc h 随着欠 平衡 钻 井 技 术 的 深入 研 究 和 推 广应 用 ， 各石 油公 司对欠 平 衡 技术 的要 求 越 来 越 高 ， 要求 从 气钻 井 的需 要 。 参考文献 [ 1 ] 张卫东 ， 魏 韦． 煤层 气水平井开发技术现状及发展趋 势[ J ] ． 中国煤层气 ， 2 0 0 8 ， 5 4 1 9 2 2 ． E 2 3王军 ， 解 庆 ， 刘金 荣． 煤层气勘 探开发 设备 配套方 案 建 议 E J ] ． 石 油矿 场 机 械 ， 2 0 1 0， 3 9 3 7 9 8 2 ． [ 3 ] 陈雅溪． 国外边 喷边 钻技术 发展 [ J ] ． 钻采 工艺 ， 2 0 0 0 ， 23 5 8 1 4 ． E 4 ] Ha n n e g a n D ． Ap p l i c a t i o n s Wi d e n i n g F o r R o t a t i n g C o n t r o l He a d s [ J ． DR I I L I N G C 0N TR AC T， 1 9 9 6 ， 5 2 4 1 7 19 ． [ 5 ]T a n g e d a h l M J ． R B O P Ro t a t i n g B l o wo u t P r e v e n t e r P r o v i d e s E x t r a S a f e t y Me a s u r e [ J ] ．O I L G AS RE 打开油层开始至完井结束整个过程 ， 井下都要保持 欠 平衡状 态 ， 这就 是所 说 的 全 过 程 欠 平 衡 技 术 。 P R l ER．1 9 92， 3 5 6 3 8 4 0． [ 6 ] H a n n e g a n D M． R C Hs l o w e r c o s t ， b o o s t p r o d u c t i v i t y [ J ] ． 0I I GAS REPORTER．1 99 6， 39 4 11 3 - 11 4． [ 7 ] C r e s s I A ． Hi s t o r y a n d d e v e l o p me n t o f a r o t a t i n g b l o w o u t p r e v e n t e r [ G ] ． I A DC ／ S P E 2 3 9 3 1 ． [ 8 ] 李宗清 ， 宋林 松 ， 王 岩鹏 ， 等． 高压旋转 防喷导流系统 的 试验研究[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 4 ， 3 3 4 3 2 3 4 ． [ 9 ] J o h n T Mo r r o w， S p r i n g T e x ． R o t a t i n g B l o w o u t P r e v e n t e r U S ， 4 3 1 2 4 0 4 [ P ] ． 1 9 8 2 一 O 1 2 6 ． [ 1 o ] 金迅． 旋 转控 制头 工作机 理研 究及 结构 设／ i 厂 D ] ． 成都 西南石油大学 ， 2 0 0 4 ． [ 1 1 ] 张慧 ， 刘 春全 ， 艾志久． 浅谈我 国旋转防喷器技术 的 现状与发展[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 2 8 3 2 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 2 作者 简介 李斌 1 9 6 3 一 ， 男 ， 四川 I 南充人 ， 副教授 ， 博士研究生 ， 主要从事 机电一体 化技术 、 机械动力学及仿真 的研究 。 3 4 石油 矿 场机 械 目前 ， 国内外 能实 现欠 平 衡技 术 的工 具 主要 是 强 行 起 下钻装 置 和套管 阀 D D V ， 强 行 起 下钻 装置 存 在 4个缺 点 ① 体 积 大 ， 不便 于 现 场 安装 和拆 卸 ， 增 加钻 机操作 时 间和 费用 ； ② 起 下 钻 时旋 转 防 喷 器始 终封 住钻具 ， 对胶 芯磨 损严 重 ； ③ 由于 液缸伸缩 距离 有 限 ， 增加 起下管 柱 的时 间 ； ④不 能进行 下人割 缝尾 管 、 膨 胀式 防砂筛 管等 特殊完 井作业 施工 。 套管 阀的优点 墨 ①不 需要 压井 ， 对地层 没 有损 害 ； ② 不需 要强行 起 下 钻装 置 ， 安 全 性 增 强 ； ③ 在井 眼 中没有钻 柱时不 会 发 生 溢 流 ； ④缩 短 起 下 钻作 业 时 间 ； ⑤允许 下入 长而 复杂 的井下钻 具组 合 ； ⑥ 完井 作业 中允许 下割缝 衬管 和膨 胀式 防砂筛管 。虽 然井 下套 管 阀已在 国内外 一 些 井 获得 r成 功应 用 ， 但 是 套管 阀的丌 关动作 可靠性 和 密封性 还存在 问题 [ j 。 l 套 管阀的组成 井 下 套 管 阀 包 括 控 制 部 分 和 阀 体 部 分 如 图 1 ， 其 中控 制部分包 括外 筒 、 滑动芯 轴等 。滑动 芯轴 是 中空结 构 ， 钻 柱 可从 中间通过 ； 外筒 轴上 加工 1个 进 油孑 L ， 1个 出油 孔 。 由地 面控 制 系统 向油 孔 内注 入 液压 油 ， 从 而驱 动 滑 动 芯轴 上 下 移 动 。当 滑动 芯 轴 向下 移动 一定 的距离 时就会 顶开处 于关 闭状 态 的 阀板 ， 当控 制系统 控制滑 动芯 轴 向上移 动时 ， 阀板在 复位扭 簧 的作用下 关 闭 ， 起到 密封 的作用 。 l。 l ／l i i 1 弹簧； 2 一铰链 ； 3 阀芯 ； 4 阀板 ； 5 _ F 油 口 6 、 7 密 封 圈 ； 8 一 f 油 口 ； 9滑 动 芯 轴 ； l 套筒 ； 1 1中心轴线 图 1 套 管 结 构 阀体部 分 主要 由 阀板 、 阀 座 、 铰链 、 复位 扭 簧等 组成 ， 是 实现 密封 的关 键 部件 。 由于 阀板 在关 闭 状态 下实 现密封 ， 又要 在开 启状 态下 能使钻 柱通过 ， 所 以其 结构 比较 复杂 。 2套管阀的结构 改进 开 关动作 可靠 性 和密封性 是套 管 阀设 计 的关 键 技 术 。当滑 动芯轴 由地 面控制 系统 控制 向下移 动至 滑动芯轴与阀板接触时 ， 滑动芯轴最下端的远离铰 链 端和 靠近 铰链 端 同时 与 阀板 接 触 ， 对 阀 板 的 冲击 比较大 ， 会缩 短套 管 阀的使用 寿命 。 为了提高套管的开关动作可靠性 ， 可将滑动芯 轴 与 阀板接触 端 改成如 图 2 所 示结 构 。当滑动 芯轴 下 行时 ， 滑动 轴 远离铰 链下 端处 先与 阀板 接触 ， 靠 近 铰链 下端处 后 与 阀板 接触 ， 保证 滑 动 芯 轴 与 阀板 接 触 比较缓慢 ， 这 样 滑 动芯 轴 对 铰链 作 用 力力 臂 从 最 大缓 慢减小 到最 小 ， 对 阀板 的 冲击 比较 小 ， 提 高 了 套管阀的使用寿命 。 a改进 前 b改 进后 网 2滑动芯 轴结 构 3密封结构优化 密封结 构 的合理性 和性 能取 决 于以下 因素 a 在保 证 阀板 强度 的前 提 下 ， 府尽 可能 减小 阀板 的质量 。阀板 质 量越 轻 ， 复位 扭 簧需 克 服 的扭 矩就 越小 ， 有利 于提 高密封 性 和扭 簧 的可靠 性 。 b 对于一 个 密 封结 构 ， 密封 接 触 面之 间 的接 触压 力是保 证 密封 的关 键 【 大 1 素 。接触 压 力 太小 ， 容 易产生泄漏； 接触压力 太大， 又会造成 密封 面的损 坏 。因此 ， 有必 要对 阀板 的质量 、 最 大等效应 力 和密 封 接触 面上接 触压 力建立 优化 日标 函数进行 优化 。 由于 阀板 和 阀座 的 问结 构 比较 复 杂 ， 很 难 在 经 舆 A NS YS里面 建 立 模 型 ， 所 以只 能在 三维 设计 C AD软件 里建 模 ， 然 后再 导人有 限 元分 析软 件进 行 优 化 。但 是 这样无 法 实 现 对模 型 的参 数化 建 模 ， 只 能建立多个不 同参数大小的模型导入 A NS YS中分 O 9 8 7 6 5 4 3 2 第 3 9卷第 9期 李斌 ， 等 全过程欠平衡钻井井 下套 管阀结构 改进 及优化 析 ， 然 后 再 对 各 个 计 算 结 果 进 行 优 化 筛 选 ， 比 较 繁琐 。 ANS Y S W o r k b e n c h能实 现与 三维 设计 软 件 如 P r o ／ E的无缝连接 ， 且可 以分析优化实现参数 双向 传 递 ， 可 以 自动 实 现根 据 参 数 值 改 变模 型 。它还 具 有 功能 强大 的优 化模 块 ， 该模 块 集 成 了常 用 的优 化 计 算程 序 ， 并 且 可 以实 现 多 目标 优化 。 3 ． 1 阀板和 阀座 三维 模型 及设 计变 量定 义 阀板和阀座材料均取 4 5 c r Ni Mo VA， 其弹性模 量 为 2 0 6 GP a ， 泊 松 比为 0 ． 3 。 首先在 P r o ／ E 中建 立 D 1 7 7 ． 8 mm 7 英 寸 套 管 阀 中阀板和 阀座 的简 化参 数化 模 型 如 图 3 ～4 ， 优 化 设计 变量定 义 如下 定 义加 工 成 阀 板 的母 体 圆筒 外 径参数 为 1 9 2 ≤ d s b a n d 3 ≤ 1 9 5 ， 初 始 值 为 1 9 5 mm； 阀座外 径 参 数 1 7 0 ≤ d s b a n d 2 ≤ 1 9 2 ， 初 始 值 为 1 8 0 mm； 阀 座 内径 参 数 1 6 4 ≤ d s ～ b a n d l ≤ 1 6 9 ， 初始 值为 1 6 5 mm。 图 3阀 板 三 维 模 图 4阀座一维模 3 ． 2 阀板与 阀座 接触 对 的定义 和 网格划 分 在 阀 板 与 阀座 接 触面 上 定 义接 触 对 ， 设 置 如 图 5所示 ， 接 触类 型设 置为 B o n d e d 绑定约束 ， 单元 类 型为六 面体 占主 要 ， 在 接 触 面 上 定 义 为 Ma p p e d 映 射 网格 并 网格 细 化 如 图 6 。 图 5 阀座与阀板接触对定义 图 6 阀板 与阀座 网格 划分 石油 矿 场机 械 2 0 1 O年 9月 3 ． 3 阀板和 阀座载 荷 边界条件 的施 加 根 据实 际 工 况 ， 在 阀板 下端 面施 加 最 大 密封 压 力为3 5 MP a 面载荷 ， 在阀座上端面施加固定 约束，0 ． 2 0 如 图 7所 示 。 ■ 固 定 支撑 I压 力 3 5 M P a 图 7 载荷 与边界条件 3 ． 4设计 变量 灵敏 度分析 从设 计 变 量 与 阀板 等效 应 力 、 质 量 和 接触 压 力 的响应柱 状 图 如 图 8 --1 0 可 以看 出 ， 阀座外 径 d s ba nd 2 对上 述 3个方 面 的影 响最 大 。 O 0 1 ．6 2 5 3 一1 ．O 9 O 1 0．5 5 5 0 0 ． 0 1 9 9 0．5l 5 3 冀 垂 萋 嚣驻 驻雕 黼 鬻 攀 蠢囊 嚣麓 霪篓碧鼗爨 黼 图 8设计变量与等效应力响应 Equ i v a l e nt s t r e s s M a xi mu m Name u i v a l e n t S t r e s s Ma x i mu m Pr e s s u r e Ma x i mu m 7 IN ． B A N - 2 P【3 9 】 Ma s s 。 Nam e S BAN i D DS BAN D2 D S B AN D3一 Va l u e 6 4 4 7 1 8 2． 4 9 1 9 2， 1 3j 一0 ． 1 1 0 6 0 ．03 2 4 0 ．0 4 5 9 0 ． 1 2 4l 0 ． 2 0 2 3 羹 蘩 瓣 蠹露蓥嚣霪涮 I 9 设计 变量 与接触压力响应 Pr e s s u ne M a xi mu l i l 图 1 0设 计 变 量 与 质 量 响应 7 1 N B AN 2 P [ 3 9 Ma s s 3 ． 5 优 化结 果 在 目标 函数 中选择 阀板等 效应力 和质 量尽 可能 小 如 图 1 1 ， 得 到最 优设 计 变 量 最 优值 如 图 1 2 ds ba ndl一 1 6 4 ． 5 mm ， d s b a nd2 1 8 2 ．5 m m ， ds b a nd 3 1 9 2 ．1 mm 。 优化 后 ， 阀板 的质 量 最 小 为 2 ． 5 k g ， 并 得 到 了 阀板等效 应 力云 图 如 图 1 3 、 变形 云 图 如 图 1 4 、 接 触压 力云 图 如 图 1 5 。 Ta r g e t De ,r e d Va l u e ． 誊 l Mi n i mU m Po s s i b I e ． N o Pr e f e r e n c e ． 。 Mi n i r u m Po s s i b l e 图 1 1 目标 函数 权 重 设 置 I mpor t a nc e Hi g h e r De f a u l t L o we r Ra t i n g Na me 譬 | Eq u i v a l e n t S t r e s s Ma 蕞 i mu m * P r e s s u r e Ma x i mu m | 毫 7 I N B A N 2 P [ 3 9 、 Ma s s 图 l 2 优 化后设计变量优化值 Va l u e _ 7 l6 2 与9 7 7 2 ． 4 9 2 i 4 8 0 9 Tr ad eOff { On J t On一 ， 一 ⋯⋯⋯{ Ra t i n g 堍 i | ％ * 一 ‰一 第 3 9 卷第 9 期 李斌 ， 等 全过程欠 平衡 钻井井下套管阀结构改进及优化 3 7 由优 化结 果看 以看 出 阀板 的等 效应 力 最 大 为 7 6 2 ． 5 9 MP a ， 低 于 材 料 屈 服 极 限 ； 阀 板 变 形 比较 均 匀 ， 近 似成 同心 圆 如 图 1 4 ， 这 对 提 高 阀板 和 阀座 密封寿命 具有 重要 意义 ； 阀板 、 阀座 的接触压 力最 大 为 7 7 2 ． 4 9 MP a ， 接触 面上 接触 压力 等值 线分 布 比较 均 匀 如 图 1 5 ～1 6 ， 且 远 大 于工 作 压力 3 5 MP a ， 能 满 足密封 要求 。 】 3 阀板等效应力云图 0． S9 64 0 5 3 01 3 0 4 6 38 6 0 3 9 T B O． 3 3I 3 3 0． 2 6 50 6 0 l 9 88 0． 1 3 25 3 O ． 0 6 62 6 B 0 Mi n 图 1 4阀板 变形 云 图 图 1 5 阀板与阀座接触压力云图 图 l 6 阀板与 阀座接触压力等值线分布 4 结 论 1 阀座 外径 对 整体 密封性 能影 响最 大 。 2 在满 足 阀板 质 量 、 等 效 应 力 等 多 目标 函数 最小 条件 下 ， 得 到 了阀板 、 阀 座 的最 优 尺 寸 ， 并 能 满 足密封 要求 ， 这 对 提 高套 管 阀整 体 性 能具 有 重 要 的 意 义。 参考文献 [ 1 ] 王 辉 ， 李俊儒 ， 李滨 ， 等． 欠平衡钻井井下套 管阀 的 研 制[ J ] ． 断块油气 田， 2 0 0 6 4 5 2 5 4 ． [ 2 ] 周英操 ， 翟洪军． 欠平衡钻井技术与应 用[ M] ． 北京 石 油 工 业 出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 童征 ， 郑立臣 ， 李 涛， 等． 全过程欠平衡作 业用井下 控制阀研制 E d ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 7 8 8 1 ． [ 4 ] G R AY S O N B R I AN． D D V u s a g e r e d u c e s t i me t o r o u n d t r i p d r i l l s t r i n g ， c u t s c o s t s [ J ] ． Wo r l d Oi l ， 2 0 0 4 5 6 O 一 6 2． [ 5 3 T i mm s A． D o wn h o l e d e p l o y me n t v a l v e ～c a s e h i s t r y E G] ． S P E ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 李建成 ， 宋林松 ， 王岩鹏 ， 等． 井 下套管阀研究及室 内试 验[ J ] ． 石油矿 场机 械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 2 5 - 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