井下套管阀阀芯设计与室内试验.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 3期 第 6 2页 石 油 矿 0I L FI ELD 场 机 械 E QUI PMENT 2 0 1 0， 3 9 3 6 2 ～ 6 5 文 章 编 号 1 O 0 1 3 4 8 2 2 0 1 0 0 3 0 0 6 2 - 0 4 井下套管阀阀芯设计与室 内试验 胡东锋 ， 刘贵喜 ， 杨延增 ， 李前春 川庆钻探工程有 限公 司 工程技术研究院 ， 西安 7 1 0 0 1 8 摘要 井下套 管 阀是 全过程 欠 平衡钻 井 的核 心 工具 之一 ， 国 内尚 处 于研 究和 试验 阶段 ， 尤其 是 对套 管 阀 阀芯的研 究 尚未 完全成 熟 。研 制 了一种 井下 套 管 阀的 阀芯 ， 取得 了一 定 的技 术 突破 。采 用金 属 密封和 弹性元 件 密封 的复合 密封 结构 ， 确保 密封 更为 可 靠 ； 设 置 了双 弹簧 的复 位 机构 ， 确 保 阀板 复位成功 ； 采用有限元方法对阀板的受力特征进行 了分析 ， 根据分析结果对 阀芯样机进行 了室内承 压试验 。试 验 结果表 明 阀芯在低 压 高压条 件 下密封 可靠 ， 2 5 MP a时阀板 强度 满足 要 求。 关键 词 套 管阀 ； 阀芯 ； 设 计 ； 有 限元 ； 试验 中 图分 类号 T E 9 3 1 ． 2 文献 标识码 A De s i g n a n d La b o r a t o r y Te s t o f Do wnh o l e Ca s i n g S hu t - o f f Va l v e Co r e HU Do n g f e n g， LI U Gu i x i ， YANG Ya n z e n g ， LI Qi a n c h u n E n g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e， S i c h u a r c c h a n g q i n g Dr i Ri n g E n g i n e e r i ng Co mp a n y Li mi t e d， X ’ a n 71 O O1 8． Chi na Ab s t r a c t Th e d own ho l e c a s i n g s hut o f f v a l v e DCSV i s on e of t he ke y i m p l e me nt s f o r t he f u l l pr o c e s s u nde r ba l a nc e d d r i l l i ng．At p r e s e n t，DCSV i s s t i l l i n s t u dy i ng a nd t e s t i n g s t a g e i n Chi na， a nd e s pe c i a l l y t h e r e s e a r c h o f DCSV c or e t e c hno l o g y i s n ot ye t ma t u r e ，t hus ，a k i nd o f DCSV c o r e wa s de v e l o pe d a nd a c e r t a i n t e c hno l o g y a c hi e v e me n t s wa s o bt a i n e d． I t s s t r uc t ur e c h a r a c t e r i s t i c s a r et h e r e i s a c o ns t a n t s e a l i n g a n gl e o n t h e s e a l i n g s ur f a c e ，whi c h c a n ma k e t he c o r e h a v e f i ne e x t e r n a l pr e s s u r e a s s i s t i n g s e a l i n g pr o pe r t y；us i ng t he c omp ou nd s e a l i ng s t r u c t ur e c on s i s t e d o f m e t a l s e a l i ng a n d t h e e l a s t i c i t y c o m p o ne n t s s e a l i n g，whi c h c a n e ns u r e t h e s e a l i n g m o r e r e l i a bl e； s e t t i ng u p t he r e s e t me c ha n i s m of p a i r of s p r i ngs ，wh i c h c a n e ns u r e t he v a l ve f l a p pe r r e s e t s S U C c e s s f ul l y ． Ana l y z i n g t h e be a r i ng c ha r a c t e r i s t i c s of t he v a l v e f l a p pe r b y us i n g t he f i ni t e e l e m e nt m e t ho d，a n d a c c o r d i ng t o t he a na l y z e d r e s u l t ，ma ki n g l a bo r a t o r y b e a r i n g t e s t f or t h e pr o t ot y p e o f t he c o r e ，t he r e s u l t s h o we d t ha t t he s e a l i n g o f t he c o r e wa s r e l i a bl e u n de r t h e c o nd i t i on o f l O W a n d hi gh p r e s s ur e，a n d t he v a l v e f l a p pe r i n t e ns i t y m e t t he r e q ui r e m e nt s a t 25 M Pa ． Ke y wo r dsc a s i ng s hut o f f v a l v e； c o r e； de s i g n； t h e f i ni t e e l e m e n t m e t ho d； t e s t 欠平衡钻井作为一种新 型钻井技术， 可降低井 底压持效应 ， 大幅提高机械钻速 。 。 ， 所 以， 它一诞生 就受 到钻 井工程 界 的广泛 关注 和青 睐 。该 技术 在 国 外 已经作 为一项 成 熟 技 术广 泛应 用 于 油 田的开 发 ， 在 国 内也 进入 了一 个 快 速 发展 的 阶段 。 目前 ， 实 现全 过程欠平 衡 钻井成 为该 _T艺 在 国内发展 的新要 求 ， 而要实现全过程欠平衡钻井 ， 即实现真正的欠平 衡 钻 井 ， 井 下 套 管 阀就 是 一 种 不 可 或 缺 的 工 具 。 该 阀安装 于技术 套 管上 ， 在起 下 钻 过 程 中可 封堵 地 层压 力 ， 在 该 阀以上井 段起下 钻 可按 常规方 法进行 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 0 3 作者简介 胡东锋 1 9 7 7 一 ， 男 ， 陕西西安人 ， 工程师 ， 硕士研究 生 ， 2 0 0 1 年毕业 于西安石油大 学机械设计及 制造专业 ， 主要 从事石 油机械 的研制 开发工作 ， E ma i l c q g c j s y jl s o h u ． c o rn。 第 3 9卷第 3期 胡东锋 ， 等 井下套管 阀阀芯设计 与室内试 验 与 强行起 下 钻装置 相 比 ， 井 下套 管 阀安装 简单 ， 操作 方 便 ， 能快速 、 安 全 地 进 行起 下 钻 作 业 _ 4 ] ， 大 大 节 约 了成本 ， 提高了效率 。井下套管 阀技术最成熟 的以 国外 的 We a t h e r f o r d和 Ha l l i b u r t o n公 司为代表 ， 国 内已有新 疆石 油管 理局 钻井 工艺研 究 院和 中 国石油 勘探 开发 研究 院展 开 了对 此技 术 的研 究 ， 并 生 产 了 样机 ， 取得 了初步成功_ 5 ] 。本 文结合笔者 的研究 ， 对 套管 阀的 最 核 心部 件 之 一 阀芯 的设 计 和 试 验情 况进行 了详 细 介 绍 ， 对 同类 研 究 具 有 一 定 的借 鉴意 义。 1 阀芯结构及 密封原 理 1 ． 1 阀芯 结构 设计 的阀芯主 要 由阀座 、 阀板 、 密 封件 和扭 簧等 组 成 ， 如 图 1 。阀板通 过 铰链 和 阀座 连 接 ， 铰链 上 装 有扭 簧 ， 扭簧 可 以将 阀板 托起 坐 于阀座 上 。 a阀芯结构 b闵芯 样 机 1 阀座 ； 2 阀板 ； 3 密封件 ； 4 ～ 扭簧 图 1 阀芯结构及样机 1 ． 2 密 封原 理 阀板结构如图 2 ， 主要 由阀板体 、 密封件和铰链 座组成， 阀板体 的密封 曲面上 固化有橡胶密封 件。 关 闭状态 ， 阀板 被扭 簧 托起 坐 于阀座上 ， 阀板体 上 的 密封 曲面 与 阀座上 的密 封 曲面完 全 切合 ， 金属 密封 曲面 和橡 胶密 封件 共 同起密 封作 用 。 1 一铰链座 ； 2 一橡胶密封件 ； 3 - 阀板体 图 2阀板结构 2 结构 特点 2 ． 1 密 封面 带有 密封 角 如 图 3 ， 阀板 密封 面为空 间 曲 面 ， 密 封 面 带 有密 封角 0 。所 谓密封 角是 指 以过 阀板 基 准 轴 1的 任意 基准面 无论基 准面 3 、 4 、 5或更 多 为剖面剖切 阀 板 ， 轮 廓线 P F 或 MN 与 基准 轴 1的夹角 。无论 在 哪一个剖切面上， 这个夹角均 为定值 。恒定 的密封 角可以保证阀板和阀座切合 时能 自动对中 ， 且可使 阀板具有良好 的外压助封性， 保证阀芯密封可靠。 2 ． 2复合密 封方 式 采 用 金 属 密 封 和 弹 性元 件 密 封 的 复 合 密 封 结 构 ， 阀板密封面和阀座密封面经过精密研磨 ， 在 阀板 密封面上开有密封槽 ， 槽里固化有橡胶密封件。复 合密封结构可保证阀芯具有 良好的低压和高压密封 性 能 。 a 过基 准轴的基准面 密封面 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 3月 PI N／，厂鬻 嚣 鬻 b闽板 剖 切 图 图 3阀板密封角示意 2 ． 3铰链 及复位 弹 簧特点 受 尺寸 的 限制 ， 铰链 必须 设计 得非 常紧凑 ， 同时 要 具有 足够 的强度 ， 还要 为 扭 簧 留 下足 够 的安装 空 间 。本设 计采 用 的结 构 如 图 4所 示 ， 特 点 是 采用 双 扭 簧复位 ， 将扭 簧设 置 于铰链 两侧 ， 为 阀板 和 阀座铰 链节 省 了空 间 ， 可 以加 大 阀板 和 阀座 铰 链 的结 构 尺 寸 ， 增 加强 度 。双 弹簧可 以使 阀板复 位力加 倍 ， 提高 关 闭可靠 性 。 图 4铰 链 结 构 3阀板 受力模拟分析 阀板 形状 特殊 ， 应力 分布 较为复 杂 ， 很 难采 用解 析法 进行 受力 分析 。本文 以 S o l i d Wo r k s 及 C o s mo s 有限元软件为平 台建立阀板数值模型， 对阀板 的受 力及 应变 进 行 有 限元 分 析 ，共 划 分 8 2 9 5 5 个 节 点 、 5 4 0 9 0 个 单元 。阀板 内径 为 D 1 7 0 mm， 厚 度 1 2 ． 5 mm， 材料 为合 金 钢 ，弹 性模 量 为 2 1 0 GP a ， 泊 松 比 为 0 ． 2 8 ， 屈 服 强 度 为 6 2 0 MP a ， 抗 拉 强 度 为 7 2 3 MP a ， 阀板下 端承 压 2 5 MP a ， 约束 条 件 为 阀板 密 封 面 。 阀板 的应 力 、 应 变分 布 如 图 5 ～ 6 所 示 ， 结 果 表 明 阀板 上最 大应 力 为 5 4 0 ． 2 MP a ， 最低 安全 系数 为 1 ． 1 5 ， 最 大位 移为 0 ． 1 3 1 1 mm； 阀板密 封 面 内棱边 周 围为 局部应 力较 大 的 区域 ， 是 阀板 最 先 发 生破 坏 的部 位 ； 应变 在 阀板 中心部 最 大 ， 向外 逐 渐减 小 ， 应 变分布总体上呈近似的同心圆形态 。 有限元分析表明 在 2 5 MP a压力下 ， 阀板可安 全工作， 若压力进一步升高 ， 安全系数就会下降 ， 阀 板将处于一种过负荷的状态 ， 甚至会在局部发生破 坏。若要进一步提高阀板的耐压等级 ， 因尺寸限制 ， 不可 能再加 大 阀板 结 构 尺寸 ， 所 以只 能选 取 力 学性 能更优 的材料 。 5 ． 4 2 0 e 0 一 屈服力 图 5 阀板 的应 力 分 布 图 6阀板的应变分布 0 5 6 e 0 0 8 6 0 7 e 0 0 8 1 5 9 e 0 0 8 71 0 e 0 O 8 5 6 l e 0 0 8 8 1 2 e 0 0 8 3 6 3 e 0 0 8 1 47 e 0 0 7 7 1 5 e 0 0 6 6 ． 2 0 4 e 0 0 8 1 ． 31 1 e - O 0 4 室内试验 为 了对 设计 和有 限元 分 析 的结 果进 行 验证 ， 需 进行 室 内试验 ，阀芯 室 内试 验 台如 图 7所示 。试验 A 1 堵头 ； 2 外 壳； 3阀座 ； 4 一阀板 图 7室内试验 台 蠹 ■■ 2 O 1 0年 第 3 9卷 第 3期第 6 5页 石 油 矿 场 机 械 OI L FI E LD E QUI PMENT o o 文 章 编 号 1 0 01 - 3 48 2 2 01 0 03 00 6 5 - 0 3 HJ C 1 6型批量混浆车 的研制 伍培红 ， 秦建忠 ， 李哲 ， 石宪锋。 ， 陈德 勇 1 ． 江汉石油管理局 第 四石油机械厂 ， 湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 ； 2 ．川庆 钻探 工程有限公司 ， 西安 7 1 0 0 2 1 摘 要 随着 固井 工艺 的不 断创 新 和发 明 ， 油田对 固井设 备 的要 求越 来越 高 ， 连 续地 、 大批 量地 混 配 出 高质 量的水 泥浆 是 当今 世 界 固井技 术 的发 展 方 向。通 过 市场 调 研 ， 研 发 了一种 批 混 罐 容 积 为 1 6 m3 1 0 0桶 的车装式固井批 量混浆车， 包括 2个容积为 8 m。 5 0桶 的批混罐 、 混浆罐、 自动混浆控 制 系统及 可 以连 续批 量混 浆的 管路 流程 、 液压 系统 等 。对 HJ C 1 6型批 量混 浆 车整体 方案 及技 术重 点进行 了详 细介 绍 。 关 键词 批 量 混浆 车 ； 车装 式 ； 连续 混浆 中图分 类号 T E 9 2 5 ． 2 文献 标识 码 B De v e l o p me nt o n HJ C1 6 Ba t c h e r W U Pe i h o n g 。 QI N J i a n z h o n g 。 ， LI Z h e ， S HI Xi a n 一 { e n g ， CHEN De y o n g 1 ． No ． 4 Pe t r o l e u m Ma c h i n e r y Pl a n t ，J i a n g h a n Pe t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n Bu r e a u o y CNPC， 时通 过 B 口向 D 腔 打 压 ， 压 力 升 高 到 一 定 值 后 ， 从 A 口向 c腔注满 清水 ， 通 过在 A 口监 测清 水 是否 溢 流来 判 断阀芯 是否 密封 可靠 。 试验 分为 低压 和高 压 2 部 分 低压 试验 中 ， 向 D 腔加 气压 0 ． 6 MP a ， 稳 压 1 0 mi n ， 无 压 降 ， A 口未 见 溢流 ， 表 明阀板 低压 密封 可 靠 ； 高压 试 验 中 ， 向 D 腔 加静水 压 2 5 MP a ， 稳 压 1 0 mi n ， 无 压 降 ， A 口未 见 溢流 ， 表 明阀板 高压 密封 可靠 。高 压试验 完 成后 ， 拆 开 试验 台 ， 未 发 现 阀板 有 明 显 变 形 、 裂 缝 等 机 械 损 伤 ， 这说 明在 2 5 MP a压 力 的条件 下 ， 阀板 的强 度 可 满 足要 求 ， 这 与有 限元 分 析 的结 果 是一致 的 。 5 结论 1 使用 S o l i d Wo r k实体造 型软件和有限元分 析软 件 C o s mo s 有 助 于 阀板 的 优 化 设 计 ， 同 时 也 为 室 内试验参 数 的确定 提 供 了依据 。 2 阀板 密封 角 、 复合 密封 措施 有效 ， 可 提高 阀 芯密 封 的可 靠性 ； 双 弹簧 可保 证 阀板 有足 够 的复位 力 ， 确 保复 位成 功 。 3 阀板是 整 个 套 管 阀最 核 心 的部 件 之 一 ， 它 在井下的受力状况极为复杂 ， 设计时， 首先应保证其 有 足够 的强 度 ， 此外 还应 尽量 减轻 质量 ， 方便 扭簧 使 其 复位 。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨谋 ， 孟英峰 ， 李 皋 ， 等． 提高深井机械钻 速的有效 方 法[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 8 6 8 ． [ 2 ] 代锋 ， 孙凯 ， 厉爽 ， 等． 欠平衡钻井井筒 多相流技 术研究E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 5 - 8 ． [ 3 ] 陈养厚 ， 陈国明， 殷志 明．欠平衡钻 井过程 中的井控新 设 备[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 3 9 5 9 7 ． [ 4 ] 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 - 8 ． [ 5 3 李 晓军 ， 高本文 ， 宋朝晖 ， 等． 用于全过程欠平 衡钻井施 工 的井 下封井器[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 6 ， 3 4 1 0 3 4 ． [ 6 ] 童 征 ， 郑立 臣， 李 涛 ， 等．全 过程欠 平衡作 业用井 下控制 阀研 制[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 7 8 8 1 ． 收 稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 4 作者简 介 伍培红 1 9 7 5 一 ， 女 ， 河南 信阳人 ， 工程 师 ， 1 9 9 8年毕 业于 武汉化 工学 院化工设 备与 机械专 业 ， 现从事 固压设 备 设计工作 ， E ma i l wp h l 9 7 5 1 6 3 ． c o m。