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阀门技术

保温保压取心工具球阀工作力学的有限元分析

    0 引言

    保温保压取心工具是一种能获取基本保持或接近地层原始温度和压力状态信息岩心的取心工具,它具有保护井下岩心不受钻井液污染、物性资料真实等优点。当岩心筒从井底提升到地面时,岩心内储存的流体、气体和轻质组分等物质不会因筒外压力和温度的降低而发生剧烈膨胀和散逸现象,对储层流体饱和度、储层压力、油层相对湿度及油气水分布规律等资料保持完整,能真实地反映井底条件下原始地层的物性状态。因此,保温保压取心技术获取的井下地质数据准确可靠,对常规油气田开发方案的合理制定以及对可燃冰、页岩气和致密气等新能源的开发具有广泛的应用前景。

    保温保压取心工具的技术关键是在完成钻井取心和割心作业后,如何高效地密闭所获取的岩心,保持井下原地的压力和温度等地质信息参数。通常采用井下球阀机构密封取心内筒的方式来实现,对于井下地层压力大和温度高的取心井,现场工程实践中出现球阀关闭装置的半滑环轴销剪断及球仓破坏等现象,导致球在井下工作时关闭不严或者无法关闭,从而严重影响井下保温保压取心工艺的可靠性,降低了保压率、密闭率和取心收获率等技术指标。

    笔者在此提出一种井下可转动的球阀机构,该机构具有动作灵活可靠,取心成功率高的优点。保温保压取心工具承受的轴向载荷大,井下环境恶劣,特别是其径向尺寸受到空间狭窄的限制,部分零件的机械强度安全系数储备小,局部工作表面出现了严重压溃或过度变形情况。拟以某GW194-70BYM型保温保压取心工具为对象,采用有限元数值分析方法,对现行球阀机构在典型工作状态下的力学行为进行分析计算,找出其应力集中部位和强度薄弱环节。该项研究结果对于指导球阀机构的优化设计及提高其工作安全性具有重要意义。

    1 球阀的工作特点

    1.1 取心工具的结构

    保温保压取心工具由取心钻头、内外岩心筒总成、球阀总成、气阀调节机构、气室联通总成、悬挂总成、滑动机构和地面配套处理设备8大工作单元组成。其中的气阀调节机构由高压气室、调节阀总成和单流阀等组成。高压气室用于储存高压氮气,调节阀总成是一种用于保持内筒压力恒定的压力自动补偿机构。图1是GW194-70BYM型保温保压取心工具球阀总成结构的三维立体模型。

图1 球阀总成结构的三维立体模型

    1.2 球阀的工作特点

    保温保压取心工具通常采用双筒单动式取心筒结构,卡箍式岩心爪;其中内筒是非旋转的薄壁管,悬挂在开式钻井液润滑的轴承座上。该内岩心筒既是容纳和存贮岩心的容器,也是在割心后需要密闭的腔体。

    取心工具下井前,内岩心筒充满密闭液,下端由密闭头密封。在取心钻进过程中密闭头上移,将密闭液从内岩心筒中挤出来向下流动,把岩心包封起来,保护入筒岩心免遭钻井液污染。当取心钻进完成后,上提钻具,岩心爪卡断岩心,并把岩心扶正到球阀内。在井口投入钢球使之坐在滑套座上,待钻井液返出且泵压正常后,滑套移到预定位置。此时,外筒在重力作用下,内外六方脱开,外筒下移,重力作用在球阀的半滑环上,半滑环使球体产生一个转动扭矩。该扭矩推动球体旋转,转到90°后,球阀关闭,岩心被密闭在内岩心筒中。压力补偿系统中的高压气室预先储存着高压氮气,阀门组机构预先调到规定的压力范围,在起钻和随后的作业过程中,通过压力调节器恒定地向内筒补充压力,从而维持内岩心筒的压力不变。

    综上可知,井下球阀是一种受控转动的机械式旋转球阀,有2种工作状态,即开启状态和关闭状态。开启状态为常态,此时,岩心可自动地进入内岩心筒。当球阀从常态旋转90°后变成关闭状态,该状态时球阀的受力最大,此时,岩心被密封和存贮在内岩心筒中。球阀的井下工作内压力一般为30~40MPa,由压力容器的设计压力等级分类可知,该球阀属于高压状态下工作的产品。

    2 球阀的建模

    在取心工具井下球阀结构的有限元力学分析过程中,采用Pro/E软件制作三维实体模型。把AN-SYS软件集成在Pro/E软件中,可从实体模型直接进入有限元力学分析状态,实现实体设计软件与分析计算软件之间的无缝连接。在ANSYS数值分析中,几何模型的精度和完整性十分重要。由于ANSYS直接集成于Pro/E之中,由几何模型向分析模型的转换过程可以在不脱离Pro/E和ANSYS这2款软件的环境下交互对话式进行,是一种真正意义上的CAD/CAE一体化分析技术。

    按照球阀结构的设计图纸,用Pro/E实现各零件的三维造型,用ANSYS9.0软件进行分析。根据球阀的结构特点、载荷类型以及分析的需要,选择Solid95单元。Solid95单元有20个节点定义,每个节点有3个自由度(X、Y、Z方向),在空间的方位任意。它具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力,并且提供不同的输出项;且能够容不规则形状,不会降低精确性,特别适合边界为曲线的实体几何模型,划分不规则物体的网格,计算结果精度高。

    3 球阀零件有限元力学分析

    井下球阀机构总成主要由球阀仓、转轴、旋转球和球端活塞等元件组成。GW194-70BYM型保温保压密闭取心工具设计的井下原地压力为p0=35~40MPa,适用于井深4000m以内的钻井取心。以海水深度3200m,泥线以下500~850m可燃冰钻井取心工况为例进行分析,取原地压力p=40MPa。

    工具材料为42CrMo,抗拉强度极限Rm=1080MPa,屈服强度极限Re=930MPa。断后伸长率A=12%,断面收缩率Z=45%,冲击吸收功Akv=63J。材料弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3。取安全系数n=1.5,则许用应力[σ]=620MPa。

    3.1 球阀仓的位移变形和应力分布

    球阀仓的应力分布特性如图2所示。

图2 球阀仓的应力分布特性

    球阀仓的数值分析计算与实物破坏的比较如图3所示。

图3 球阀仓的数值分析计算与实物破坏的比较

    3.2 转轴的位移变形和应力分布

    转轴的应力分布与变形情况如图4所示。

图4 转轴的应力分布与变形

    3.3 旋转球体的位移变形和应力分布

    旋转球体的应力分布与变形情况如图5所示。

图5 旋转球体的应力分布与变形

    3.4 球阀零件的局部最大应力值与变形值

    在井下原地压力p=40MPa时,球阀零件在井下工作的最大局部应力与变形情况如表1所示。

表1 球阀零件的最大局部应力与变形

    从表中可以得出,球阀仓、转轴、旋转球体的刚度均高于需求;球阀仓部分材料已进入屈服状态,应对转轴的支撑部分增强;转轴存在局部应力集中,应改进几何形状变化时的过渡连接方式。

    4 结论

    以现行GW194-70BYM型保温保压密闭取心工具为例,介绍了保温保压密闭取心工具球阀总成的工作原理及力学性能的有限元分析方法,得到以下结论:

    (1)转轴在轴径变化的地方存在着较严重的局部应力集中现象,应对几何形状进行改进或调整,宜通过采用过渡连接方式或适当增粗直径的方法进行解决;

    (2)球阀仓在转轴的支撑处因结构不对称,在左上耳和右上耳部位的局部应力远大于材料抗拉强度极限,出现局部屈服的现象,降低了总体强度,需要增大左上耳和右上耳部位的几何尺寸;

    (3)球阀仓的应力和变形数值计算结果与实物在40MPa工作内压下室内实测数据非常接近;

    (4)对球阀各零件的力学分析计算结论,与现行球阀机构经井下实际使用后的数据资料符合良好,这为球阀机构的结构优化设计和改进提供了重要的参考数据。


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