氣液通用的連續(xù)循環(huán)閥的有限元分析與測(cè)試

魏臣興

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300457)

齊金濤，馬金山

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280)

魏群濤，郭衍茹

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300457)

林鐵軍

氣液通用的連續(xù)循環(huán)閥的有限元分析與測(cè)試

魏臣興

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300457)

齊金濤，馬金山

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280)

魏群濤，郭衍茹

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300457)

林鐵軍

(油氣藏地質(zhì)與開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

[摘要]連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)是能在接單根或立柱以及起下鉆過程中保證鉆井循環(huán)介質(zhì)的連續(xù)不斷的注入、維持恒定的鉆井循環(huán)排量和當(dāng)量循環(huán)密度、避免井下壓力波動(dòng)引起復(fù)雜事故發(fā)生的一項(xiàng)新技術(shù)，其中連續(xù)循環(huán)閥鉆井系統(tǒng)是最為容易實(shí)現(xiàn)的方式，該系統(tǒng)的核心是連續(xù)循環(huán)閥。介紹了一種氣液通用的連續(xù)循環(huán)閥，并采用ABAQUS有限元軟件對(duì)連續(xù)循環(huán)閥本體和旁通閥進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保工具的安全性，最后通過室內(nèi)氣液密封測(cè)試證實(shí)其密封可靠性。該連續(xù)循環(huán)閥在蘇76-43-35井上成功進(jìn)行連續(xù)循環(huán)鉆井測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了接立柱過程中鉆井液連續(xù)循環(huán)的目的，為降低壓力敏感井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的施工難度提供有力技術(shù)支撐。

[關(guān)鍵詞]連續(xù)循環(huán)鉆井；連續(xù)循環(huán)閥；旁通閥；充氣鉆井；仿真分析

連續(xù)循環(huán)鉆井(Continuous Circulation Drilling，CCD)是在接單根或立柱以及起下鉆過程中保證鉆井循環(huán)介質(zhì)的連續(xù)不斷的注入、維持恒定的鉆井循環(huán)排量和當(dāng)量循環(huán)密度、避免井下壓力波動(dòng)引起復(fù)雜事故發(fā)生的一種鉆井新技術(shù)，其可以有效防止接卸單根或立柱時(shí)停止循環(huán)引起的井壁坍塌、溢流、沉砂卡鉆等復(fù)雜事故的發(fā)生，提高鉆井的安全性。特別是在氣體鉆井中，可以及時(shí)攜帶進(jìn)入井底的地層水，避免浸泡井壁和鉆頭泥包，拓寬了氣體鉆井的適用范圍，并且在接單根或立柱時(shí)避免了泄/充氣過程以及沉砂卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)鉆井所用設(shè)備的不同，連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)分為連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)(Continuous Circulation System，CCS)和連續(xù)循環(huán)閥鉆井系統(tǒng)(Continuous Circulation Valve，CCV)[1]。就目前而言，連續(xù)循環(huán)閥鉆井系統(tǒng)是最為容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)鉆井的方式，如ENI公司的E-CD系統(tǒng)、Managed Pressure Operations 公司的Non Stop Driller System(NSD)和威德福的Continuous Flow System(CFS)[2~4]。國(guó)內(nèi)中海油和中石油的相關(guān)單位也研發(fā)了各自的連續(xù)循環(huán)閥鉆井系統(tǒng)，并已成功完成多口井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[5~7]，該系統(tǒng)中最為核心的工具為連續(xù)循環(huán)閥。下面，筆者介紹一種氣液通用的連續(xù)循環(huán)閥，以有效解決鉆井方式轉(zhuǎn)換時(shí)連續(xù)循環(huán)閥的不通用性。

1基本結(jié)構(gòu)

圖1　連續(xù)循環(huán)閥

現(xiàn)有連續(xù)循環(huán)閥的中心閥和旁通閥一般為板閥結(jié)構(gòu)，為了提高密封性能以及鉆井過程中不影響隨鉆單點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)斜儀器的使用，筆者研發(fā)的氣液通用連續(xù)循環(huán)閥，其中心閥采用密封技術(shù)成熟的球閥，旁通閥采用板閥結(jié)構(gòu)，主要由閥座、閥板、銷軸、扭簧和閥堵組成(見圖1)，閥板通過銷軸與閥座相連，扭簧套在銷軸上，扭簧一端支撐在閥座上，另一端壓在閥板上，使閥板緊緊的壓在閥座上；閥板和閥座之間采用錐面密封和密封件密封的雙密封結(jié)構(gòu)，提高了密封性能，且密封件設(shè)置在閥座的背面，避免來自旁通路鉆井液的沖刷，同時(shí)將扭簧藏在連續(xù)循環(huán)閥所開的旁通孔內(nèi)，有效的保護(hù)了旁通閥的扭簧，提高了連續(xù)循環(huán)閥的可靠性和耐久性。該連續(xù)循環(huán)閥中心通道與常規(guī)鉆桿水眼尺寸相當(dāng)，既實(shí)現(xiàn)了連續(xù)循環(huán)鉆井的目的，又不影響隨鉆過程中的其他作業(yè)。

2有限元分析

2.1本體強(qiáng)度校核

在連續(xù)循環(huán)鉆井中，連續(xù)循環(huán)閥本體上要有足夠開口尺寸的旁通孔才能確保旁通路中鉆井循環(huán)介質(zhì)的順利通過。為了平衡旁通孔開口尺寸和連續(xù)循環(huán)閥本體強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)?178mm規(guī)格的連續(xù)循環(huán)閥，旁通孔開口尺寸取?90mm，并采用《SY/T 6427-1999鉆柱設(shè)計(jì)和操作限度的推薦作法》中規(guī)定的5in G105鉆桿極限操作參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核，經(jīng)查表可知對(duì)本體進(jìn)行分析時(shí)采用的最大拉伸力為2722147N、最大極限扭矩為96255N·m。

考慮到連續(xù)循環(huán)閥多處于鉆柱串的上部，上提或下放時(shí)承受較大的軸向拉力。通過有限元軟件ABAQUS建立連續(xù)循環(huán)閥本體的有限元模型，并在其母扣端面上施加固定約束、公扣螺紋處施加最大拉伸力進(jìn)行計(jì)算分析。圖2為連續(xù)循環(huán)閥本體僅承受軸向拉力2722147N時(shí)的Von Mises應(yīng)力云圖，由圖2可以看出，在旁通孔和旋塞孔兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大Von Mises應(yīng)力達(dá)734.3MPa。

當(dāng)連續(xù)循環(huán)閥處于正常鉆進(jìn)工況時(shí)，其主要承受拉力、扭矩和鉆柱內(nèi)流體壓力作用，在連續(xù)循環(huán)閥本體上施加最大拉伸力2722147N、最大極限扭矩96255N·m和內(nèi)部壓力35MPa的外載進(jìn)行計(jì)算分析。圖3為連續(xù)循環(huán)閥本體承受拉力、扭矩和內(nèi)壓力情況下旁通孔處的Von Mises應(yīng)力云圖，其最大值為545MPa，略小于本體單獨(dú)受拉時(shí)的應(yīng)力值，并且位置與單獨(dú)受拉時(shí)也稍微不同。

圖2　連續(xù)循環(huán)短節(jié)本體應(yīng)力云圖(單獨(dú)受拉)　　　　　圖3　連續(xù)循環(huán)短節(jié)本體旁通孔處應(yīng)力云圖(受拉扭、內(nèi)壓)

通過有限元分析，確立了旁通孔開口尺寸為?90mm時(shí)，連續(xù)循環(huán)閥本體仍可采用屈服強(qiáng)度為930MPa的40CrMo材料。

2.2旁通閥強(qiáng)度校核

旁通閥一般處于常閉狀態(tài)，只有連接旁通管路時(shí)才會(huì)在流體壓力作用下向本體內(nèi)打開。閥板和閥座依靠?jī)烧唛g的錐面金屬密封和密封件密封組成的雙道密封來確保密封可靠性，其中密封件硫化固定在閥座的密封槽內(nèi)，密封槽設(shè)置在閥座的背面，有效避免旁通管線內(nèi)流體對(duì)密封件的沖刷剝離，提高了旁通閥的可靠性和使用壽命。當(dāng)連續(xù)循環(huán)閥在低壓環(huán)境下，閥板繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮密封件，并與閥座錐面接觸，此時(shí)密封件密封起主要作用；當(dāng)連續(xù)循環(huán)閥在高壓環(huán)境下，閥板與閥座錐面金屬密封將起主要作用，密封件密封將起輔助作用。

圖4　旁通閥應(yīng)力分布云圖

為了驗(yàn)證旁通閥的安全可靠性，對(duì)暴露在高壓鉆井循環(huán)介質(zhì)內(nèi)的旁通閥進(jìn)行有限元分析，為了便于計(jì)算，忽略密封件對(duì)閥板的支撐力，這種簡(jiǎn)化進(jìn)一步提高了旁通閥的安全系數(shù)。對(duì)旁通閥外側(cè)螺紋處采用固定約束，暴露在本體內(nèi)腔內(nèi)的閥座和閥板表面施加35MPa均布?jí)毫Γ⒃O(shè)置閥座和閥板的接觸約束進(jìn)行有限元計(jì)算。圖4為旁通閥半剖面的Von Mises應(yīng)力云圖，最大Von Mises應(yīng)力為606.3MPa，出現(xiàn)在閥板的環(huán)狀區(qū)域3處，該處出現(xiàn)應(yīng)力集中主要是因?yàn)榭拷y座錐面的邊緣的緣故；閥座上有環(huán)狀1、2、3處危險(xiǎn)區(qū)域，最大Von Mises應(yīng)力為501.7MPa，出現(xiàn)在閥座的環(huán)狀區(qū)域2處。總之，旁通閥整體依然可以采用40CrMo材料進(jìn)行加工。

3室內(nèi)測(cè)試

表1　氣液密封測(cè)試結(jié)果

對(duì)加工的連續(xù)循環(huán)閥，先進(jìn)行氣密封測(cè)試再進(jìn)行液密封測(cè)試。測(cè)試時(shí)，關(guān)閉球閥，拆除旁通閥外側(cè)的閥堵，從連續(xù)循環(huán)閥公接頭端打壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)球閥和旁通閥同時(shí)進(jìn)行測(cè)試的目的，以穩(wěn)壓10min壓降不大于0.7MPa為合格。測(cè)試結(jié)果(見表1)表明，球閥和旁通閥均密封效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖5　接立柱過程中主通路和旁通路壓力變化圖

2013年8月，在蘇76-43-35井二開?215.9mm井眼中開展了連續(xù)循環(huán)充氣鉆井試驗(yàn)，順利實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)鉆井的目的。圖5為連續(xù)循環(huán)充氣鉆井接立柱時(shí)的主通路和旁通路壓力變化圖，此時(shí)立管壓力為8.31MPa、井深1902m。在接立柱過程中，雖然主通路和旁通路的壓力由于操作需要發(fā)生變化，但是兩者之中任一通路與鉆柱相通時(shí)，均為穩(wěn)定的8.31MPa壓力，見圖5中虛線所代表的鉆柱內(nèi)立壓等效值。根據(jù)井底壓力和立壓的關(guān)系：

井底壓力=立壓+液柱壓力-鉆柱內(nèi)壓耗=液柱壓力+環(huán)空壓耗

循環(huán)排量和鉆井液性能不變的情況下，壓耗損失為一定值，同時(shí)鉆臺(tái)處立壓保持不變，相應(yīng)的井下壓力在接立柱過程中也處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而有效避免了常規(guī)鉆井中停/開泵引起井下壓力波動(dòng)導(dǎo)致復(fù)雜事故的發(fā)生。

隨后，又在蘇76-43-35井上開展了多次氣體、泥漿的連續(xù)循環(huán)鉆井試驗(yàn)，該連續(xù)循環(huán)閥均順利實(shí)現(xiàn)密封，充分證實(shí)了該連續(xù)循環(huán)閥的可靠性。

5 結(jié)語

所研發(fā)的氣液通用連續(xù)循環(huán)閥，其中心閥采用密封技術(shù)成熟的球閥結(jié)構(gòu)，旁通閥采用錐面密封和密封件密封的雙重密封結(jié)構(gòu)，且密封件設(shè)置在閥座的背面，避免了來自旁通路流體的沖刷，同時(shí)將扭簧藏在連續(xù)循環(huán)閥所開的旁通孔內(nèi)，有效的保護(hù)了扭簧，提高了連續(xù)循環(huán)閥的可靠性和耐久性。通過在蘇76-43-35井上開展的氣體、泥漿和充氣連續(xù)循環(huán)鉆井測(cè)試，充分證實(shí)了該型結(jié)構(gòu)連續(xù)循環(huán)閥的實(shí)用性。

[參考文獻(xiàn)]

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[編輯]洪云飛

[引著格式]魏臣興，齊金濤，馬金山，等.氣液通用的連續(xù)循環(huán)閥的有限元分析與測(cè)試[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(13)：50~53.

45 Strength Analysis and Optimization of ERT PDM Housing Structure

Tian Hongping, Yang Chunlei(KingdreamPublicLimitedCompany,Wuhan430223)

Abstract:During the drilling of a building up section, the working condition of positive displacement motor(PDM) is relatively poor, and the force-summing condition is very complicated, thus the PDM housing is always prone to breakage.Aiming at the sliding steerable drilling, the methods for analyzing and evaluating the PDM housing structure strength are established by using finite element technology, the changes of PDM housing structure strength are compared in different borehole curvature conditions, the housing structure of ERT PDM is optimized.The research results show that with the increase of the borehole curvature, the PDM housing structure strength has been reduced gradually, and compared with the conventional PDM, the housing strength of ERT PDM is declined by 52.3%, but if stress relief groove is added on the stator housing, its structure strength can be improved by 33.2%.

Key words:high deviation well; PDM; housing strength; structure optimization

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)13-0050-04

[中圖分類號(hào)]TE927.9