水下測試樹雙液動球閥機理及運動仿真分析

雷剛唐洋 王利軍 孫子剛 王星

（1.中海油能源發展工程技術公司，廣東 深圳 518000）（2.西南石油大學，機電工程學院，四川 成都 610500）

水下測試樹雙液動球閥機理及運動仿真分析

雷剛1唐洋2王利軍1孫子剛1王星1

（1.中海油能源發展工程技術公司，廣東 深圳 518000）（2.西南石油大學，機電工程學院，四川 成都 610500）

水下測試樹是深水測試作業過程中實施緊急風險控制的關鍵裝置，可保障人員和設備的安全，避免海洋環境污染。液動球閥機構是水下測試樹實現快速封堵高壓油氣的關鍵組件，因此，其工作機理及運動情況直接關系到整個水下測試樹的性能及可靠性。為了實現對水下測試樹國產化研制，通過建立液動球閥三維模型，對其結構及工作原理進行分析；通過建立液動球閥運動仿真模型，對其核心部件的運動規律進行分析。雙液動球閥的組成、機理及運動仿真分析將為水下測試樹系統產品的設計及優化提供支持。

水下測試樹；液動球閥；運行學；工作機理；仿真分析

1 雙液動球閥的結構及工作機理分析

1.1 雙液動球閥結構組成

通過分析國外EXPRO，Schlumberger，Baker Hughes，PTS和Halliburton等公司水下測試樹產品的結構組成、功能及技術參數，提出了一種新的用于水下測試樹的雙液動球閥機構的設計方案[1-2]。

該雙液動球閥具有如下功能：

（1）具有液動操作封堵井下高壓油氣功能；

（2）可快速關閉，時間小于15s；

（3）具有雙重封堵機制；

（4）具有失效安全保護機制；

（5）安全閥關閉狀態，一定正壓下可實現泵通；

（6）具有剪斷1-1/2”連續油管和電纜的能力；

（7）有化學試劑注入通道；

1.2 雙液動球閥的工作機理

1.2.1 上球閥開啟

由水下測試樹控制系統發出開啟液動球閥上球閥的信號，則儲能器中液壓油通過上球開啟管線進入殼體頂部的閥體內。腔體內的高壓液壓油將驅動上活塞向下運動，并壓縮上活塞關閉彈簧，同時活塞帶動球閥驅動軸旋轉并向下運動，在球閥驅動軸的扭矩作用力下，驅使上球閥芯繞上泵通閥座旋轉。活塞繼續向下運行直到上球閥開啟到最大位置時，位于閥體中心的活塞限位塊將阻止上活塞繼續向下端運動。

1.2.2 下球閥開啟

在液壓油的作用下，下活塞向上運動，并壓縮上活塞關閉彈簧，下活塞帶動球閥驅動軸旋轉并向上運動，則驅使上球閥芯繞下閥座旋轉。活塞繼續向下運行直到上球閥開啟到最大位置時，位于閥體中心的活塞限位塊將阻止上活塞繼續向上端運動。

1.2.3 雙球閥開啟

雙球閥的兩條開啟線是相互獨立的，因此該功能實施時，雙球閥的動作分別與單獨上球閥開啟和下球閥開啟動作相同。同時開啟上下球閥的開啟管線，作用在管線上的壓力驅使活塞相向運動，壓縮關閉彈簧，使液動雙球閥同時開啟。

1.2.4 雙球閥液壓輔助關閉

活塞的輔助關閉線很常用，通入液壓油能輔助驅動活塞，然后關閉球閥。對該線路進行增壓，可確保球閥完全關閉。同時活塞輔助關閉線在剪切作業中，可增壓推動上球閉合。

1.2.5 剪切操作

在緊急關井過程中，當水下測試樹內部有障礙物（如電纜、連續油管），可通過對上球閥的輔助關閉線加壓，來完成連續油管或電纜的剪切作業，促使上部球閥關閉。但在該過程中需同時保持下開啟線上的壓力，以保證其為開啟狀態。雙液動球閥完成剪切關閉。

1.2.6 正壓泵通

雙球閥其主要目的是為維持來自井下的高壓流體，而在一定正壓下，球閥不用施加控制管線壓力，可使處于關閉狀態的雙球閥泵通。因此當管柱內的正向壓達到雙球閥泵通壓力時，泵通閥座下的彈簧組會被壓縮，使得球閥芯與閥座間產生一定間隙，使高壓流體得以通過。

2 雙液動球閥運動仿真分析

通過分析發現，在雙液動球閥運動機構中，球閥芯、曲柄及芯軸是雙液動球閥的關鍵部件，其直接關系球閥的運動及受力等情況，也決定著整個水下測試樹的穩定性及可靠性，因此，對雙液動球閥的運動機構進行運動學仿真分析。

2.1 雙液動球閥運動學仿真模型建立

在本研究中，選用應用范圍最廣、應用行業最多的Pro/E三維建模軟件和MSC/ADAMS機械系統動力學仿真軟件來對雙液動球閥進行三維建模及運動仿真分析[3-4]。首先，采用Pro/E建立雙液動球閥的三維實體模型；其次，采用MSC/ADAMS導入仿真模型，為了兼顧仿真分析結果的可操作性和準確性，從雙液動球閥三維實體模型中導出所有與球閥機構運動相關的組件；其次，簡化ADAMS中仿真模型，去掉幾何模型中重復及不必要的零部件，從而在ADAMS構建出雙液動球閥運動三維仿真幾何模型。

根據深水測試對水下測試樹性能要求（如關閉時間、液壓速度等），確定液動球閥機構對其性能影響較大的零部件或者運動副，同時根據零部件間的運動關系和性能要求，來設定仿真相關參數[5-6]。其約束設置包括：在活塞和閥座、助推筒和中間連接筒之間添加了2個滑移副；在球閥芯、兩端曲柄和芯軸組件和上下支撐閥座之間添加了7個旋轉副；在下支座的下端添加了1個固定副；在活塞上端添加了1個點驅動。其仿真參數設置包括：1個球閥接觸參數、1個球閥彈簧參數；設置仿真時間及仿真步長。

2.2 雙液動球閥運動學仿真結果分析

運用ADAMS/Solver模塊對上述建立的雙液動球閥仿真機構進行計算。仿真結束后，采用ADAMS/PostProcessor后處理模塊，分析液動球閥機構的零部件和運動副的運動情況（位移、速度、加速度、角度及角速度等）。根據零部件或者運動副各自的運動關系來判斷其是否違背物體運動自然規律，且是否滿足初始設計要求，從而進一步驗證液動球閥機構設計方案的可行性和可靠性。

2.2.1 球閥芯運動仿真結果

圖1 球閥芯的角加速度和角速度

圖2 曲柄的角速度和角加速度

如圖1所示，藍色曲線為球閥芯角加速度變化規律，由其可以看出球閥芯初始位置時，其具有最大角加速度，說明球閥芯在最開始受比較大的力，隨著球閥芯的運動，其角加速度逐漸減小，在0.05s后則趨于穩定，即球閥芯處于完全關閉狀態，達到受力平衡。紅色曲線為球閥芯角速度變化規律，即球閥芯在初始位置時，其角速度初始值為0，隨后快速增大，球閥芯旋轉加快；在0.03s時角速度達到最大值，之后逐漸減小，球閥芯旋轉減緩。隨著液壓油推力的減小，角加速度也慢慢變小，球閥芯的速度也慢慢的減小，球閥芯的旋轉速度慢慢減小，最后趨近于0，運動停止。

2.2.2 曲柄運動仿真結果

由圖2可知，可以看出表示曲柄角加速度的藍色曲線，在其初始位置時，曲柄的具有一定的角加速度，曲柄加速轉動，而后角加速度迅速降低，且快速增大，不斷震蕩。曲柄角加速度的整體趨勢是逐漸減小的，在0.26s后變為0，此時，曲柄受力處于平衡狀態。代表曲柄角速度的紅色曲線顯示：在初始位置時曲柄的角速度為0，但是角速度快速增大，在0.02s時達到最大值，之后逐漸降低，并在0.1s時變為0；之后反向其逐漸增加，在0.18s時達到最大值，然后隨著時間推移，曲柄轉動速度減慢，逐漸減小至0，曲柄停止轉動，運動停止。

3 結語

（1）通過對EXPRO等公司水下測試樹產品的分析，提出了一種新的雙液動球閥設計方案，并對其功能、結構組成工作原理進行分析，從而可進一步了解水下測試樹的工作機理，為其整套系統的研發提供方案。

（2）基于雙液動球閥的組成、特點及作用，采用Pro/E軟件和ADAMS軟件對雙液動球閥在其關閉球閥過程中的運動情況進行仿真分析，得到其球閥芯、曲柄和芯軸的角速度、角加速度、速度及加速度等變化曲線圖像，為雙液動球閥下一步詳細設計和計算提供了數據參考。

（3）根據其工作原理及運動學仿真分析結果可知，當前雙液動球閥的設計方案能較好滿足水下測試樹對于井下高壓油氣封堵的功能要求。同時，其運動部件的運動規律比較合理的，在規定時間內可以完成整個開閉運動，符合水下測試樹中雙液動球閥的性能要求。

[1]Harper G,Almanza E,Foss? A,et al.Implementation of ad?vanced acoustic telemetry system adds value and efficiency to well testing operations[C]//SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers,2003.

[2]Mason D L,Wilie C L,Tharp W.Surface BOP:Testing and Completing Deepwater Wells Drilled With a Surface BOP Rig[C]//IADC/SPE Drilling Conference.Society of Petroleum Engineers,2004.

[3]閆向彤.基于Pro/E的凸輪機構的三維建模和運動仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2009.

[4]李華鳳,顧臨怡,李林.應用于水下生產系統的控制閥設計與仿真[J].輕工機械,2010,28(4):51-53.

[5]高廣娣.典型機械機構ADAMS仿真應用[M].電子工業出版社,2013.

[6]張敏,石秀華,吳一紅.基于ADAMS的三自由度水下機械手運動學仿真[J].機械設計與制造,2005(7):85-86.