基于AMESim的帶壓作業防噴器關閉性能仿真*

馬衛國，梅雪松，王 煒，陳 婷，盧 雷

(1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.中石化石油工程機械有限公司 第四機械廠，湖北 荊州 434024)

0 引言

帶壓作業是能夠在井筒帶壓條件下進行起下管柱等作業的一項新技術[1]，這項技術能夠減輕對產層的污染，最大限度地保護地層[1-2]，同時帶壓作業能夠簡化作業工序，提高生產效率和儲層采收率，降低生產成本等，其獨特的優勢已經得到業界的普遍認可[3-4]。帶壓作業裝置控制元器件多、作業工序復雜。將PLC引入帶壓作業裝置的控制系統，即以PLC做控制系統下位機，由PLC發出指令信號給電磁閥，從而控制卡瓦、防噴器及起升系統，實現起下管柱作業，可以大幅度提升帶壓作業裝置的自動化水平，提高設備運行的可靠性和工作效率，降低工人勞動強度，增強現場操作的安全性[5-6]。因此，對帶壓作業裝置舉升液缸、卡瓦和防噴器的運行特性進行研究十分必要。

閘板防噴器是帶壓作業中井口壓力控制裝置，控制防噴器閘板的打開和關閉實現作業時井筒環空壓力控制。其開關性能和操作壓力控制直接關系到帶壓作業裝置的作業能力和作業安全性，也是工程人員和學者關注的焦點之一。賈光政等應用雙向大變形理論計算了閘板膠芯對油管的密封比壓，基于Matlab建立系統控制仿真模型研究了閘板開關的動態特性[7]；劉清友等針對工程實際中采用“軟關井”、或“半軟關井”2種關井方式存在的問題，探討了“硬關井”方式存在水擊作用影響井口裝備的安全性問題[8]；賈甲等研究了防噴器關閉過程中井筒瞬態壓力，得到了瞬態壓力對井筒的影響作用有限，因此在井筒發生溢流時，可以采取快速關井方式抑制井涌的進一步發展的結論[9]。這些研究表明了鉆井過程中防噴器關閉性能對井筒和地層等產生的工程影響。在帶壓作業工程實踐中，決定防噴器關閉性能的操作壓力控制主要是依據實踐和經驗建立的操作壓力與井筒壓力之間的關系。關閉閘板時，操作壓力過小，將不能迅速有效密封井筒壓力，操作壓力過大，使得閘板膠芯與管柱的摩阻增大，嚴重時管柱不能下入井中，或者發生油管屈曲現象。迄今為止，研究涉及防噴器閘板關閉性能對井筒密封可靠性問題，并綜合管柱阻力、閘板膠芯失效與壽命問題的研究未見報道。

閘板防噴器閘板關閉(包括與管柱接觸)的全過程是一個運動學和動力學問題，需要研究其動態特性。然而，實驗測試和理論建模求解其動態特性是個復雜的過程。AMESim軟件是個多學科領域復雜系統的建模與仿真平臺，在該平臺上能夠自主建立起跨機械、液壓、電力、熱磁等多個學科領域的一體化模型。該軟件最大的優勢是基于鍵合圖的建模方式，研究系統的數學建模，只需要知道系統的物理結構組成及其參數便能夠搭建模型并進行仿真分析。 AMESim軟件給機電液一體化系統的設計創造了可能，在工程研究中應用非常廣泛[10-11]。

本文基于AMESim軟件建立帶壓作業配套防噴器的液壓控制系統模型，得到閘板的位移、速度特性、膠芯與管柱的接觸行為等關閉性能；利用ABAQUS軟件進行帶壓作業防噴器閘板膠芯密封狀態下的接觸應力分析，得到不同操作壓力下閘板膠芯的可密封井筒壓力；結合兩者，建立不同井筒壓力時閘板關閉的操作壓力，可為工程作業提供參考。

1 防噴器液壓控制系統

1.1 防噴器結構

帶壓作業配套的閘板防噴器主要由殼體、側門、油缸、鎖緊軸、端蓋、閘板及膠芯等部件組成，其結構原理如圖1所示。圖1中PO為操作壓力,Pw為井筒壓力。井筒壓力Pw會作用于閘板后部，對閘板產生助封力。閘板關閉時，操作壓力PO需要克服閘板前部與后部面積差造成的關閉阻力。井筒壓力越大 ，閘板關閉需要的操作壓力越大。

1.液壓缸；2.活塞桿；3.殼體；4.閘板；5.膠芯；6.活塞。圖1 防噴器閘板結構示意Fig.1 Schematic diagram of the gate of ram blowout preventer

閘板防噴器的開關動作由防噴器液壓缸驅動實現。當控制元件給出關閉信號時，壓力油經液壓缸進出油口A口進入液壓缸無桿腔，推動活塞與閘板迅速向井筒中心移動，關閉井筒環空。此時，液壓缸有桿腔內的液壓油在活塞推動下，經過液壓缸進出油口B口回油箱。閘板打開時，壓力油經液壓缸B口進入液壓缸的有桿腔，推動活塞與閘板迅速離開井眼中心，閘板則快速返回閘板室內。此時，液壓缸無桿腔內的液壓油經過液壓缸A口回控制裝置油箱。閘板防噴器基本參數如表1所示[12-13]。

表1 閘板防噴器結構、性能參數Table 1 Structure and performance parameters of ram blowout preventer

1.2 液壓系統建模

利用AMESim軟件建立防噴器液壓系統動力模型，如圖2所示。液壓系統主要由泵、溢流閥、換向閥、液壓缸、質量塊等構成。泵與溢流閥構成恒壓源，可獲得穩定的系統壓力，提高液壓系統的節能效果。常數信號源模擬PLC發出的控制電磁溢流閥開啟壓力(防噴器操作壓力)的指令信號；分段信號源模擬PLC發出的換向閥換向的指令信號，三位四通電磁換向閥接受信號后作出相應的動作；質量塊模擬防噴器閘板和液壓缸的總質量；線性碰撞模塊模擬防噴器膠芯與管柱間的碰撞。

1.油箱；2.電機；3.泵；4.常數信號源；5.電磁溢流閥；6.單向液壓閥；7.過濾器；8.階躍信號發生器；9.三位四通電磁閥；10.液壓缸；11.質量塊；12.線性碰撞模塊；13.零位移源。圖2 防噴器液壓系統模型Fig.2 The model diagram of the hydraulic system of the ram blowout preventer

2 防噴器閘板運動仿真

2.1 參數設置

參數設置是AMESim 軟件建模仿真的重要環節。三位四通電磁換向閥的額定電流為40 mA，假設防噴器閘板從1 s時刻開始動作，分段信號源模擬的電流信號輸入曲線如圖3(a)所示。

圖3 控制電流輸入信號Fig.3 Input signal of control current

2.1.1 常數信號源

常數信號源是井筒壓力作用閘板的力Fw，其計算公式如式(1)：

Fw=k·PwA3

(1)

式中：Fw為井筒壓力作用閘板的力，N；A3為液壓缸的活塞桿面積,mm2；k為換算系數。考慮在閘板關閉過程中，因井筒壓力Pw作用于閘板下部，導致閘板上部密封環橡膠與防噴器殼體接觸，產生摩擦阻力Ff，Ff=PwA4·μ，其中，μ為殼體與密封環橡膠間的摩擦系數，取0.25；A4為密封環橡膠與殼體的接觸面積。參考某廠家閘板膠芯尺寸，經估算k=1.2。

結合表1中參數可得到液壓缸幾何尺寸滿足以下關系：

(2)

式中：d1為活塞桿直徑,mm。可得液壓缸的活塞桿面積A3的計算公式：

(3)

當井筒壓力Pw=35 MPa時，聯立式(1)、式(2)和式(3)，解得d1=83 mm，Fw=227 130 N。

2.1.2 電磁溢流閥

電磁溢流閥的最大開啟壓力與對應的電流信號分別為20 MPa，200 mA，推薦的防噴器開關閘板的液控壓力一般為8.4～10.5 MPa，取10 MPa，則常數信號源模擬的電磁溢流閥的電流為100 mA，輸入信號曲線如圖3(b)所示。

2.1.3 液壓缸

2.1.4 質量塊

質量塊由閘板和液壓缸活塞組成，其中閘板質量，m1=26 kg。通過活塞直徑和厚度，估算液壓缸活塞質量m2=18 kg。質量塊的總質量m=m1+m2。質量塊位移s即閘板行程,102 mm。

2.1.5 接觸剛度K′計算

假設膠芯耐磨塊與管柱的碰撞滿足Hertz接觸理論[14-15]，接觸副的材料性能參數如表2所示[13]，碰撞接觸力F與其等效接觸剛度K的計算公式分別如式(4)和式(5)。

(4)

(5)

(6)

代入數據解得K′=11 234.68 N/mm。

表2 接觸副參數Table 2 Contact pair parameters

2.2 防噴器閘板關閉動作仿真

在仿真模式下設置運行時間為10 s，采樣周期為0.01 s。設置的仿真參數見表3，對防噴器閘板的關閉動作進行仿真，得到防噴器液壓缸的壓力變化曲線和閘板的位移、速度、閘板受到的推力曲線分別如圖4(a)-(d)所示。

表3 液壓系統仿真參數Table 3 Simulation parameters of hydraulic system

圖4 閘板關閉運動仿真曲線Fig.4 Simulation curve of gate closing motion

由圖4(a)和(b)給出閘板關閉的運動過程：1 s時刻前，閘板處于靜止狀態，換向閥關閉；1 s時，換向閥接受電磁信號，左位接通，液壓缸無桿腔壓力迅速上升并推動閘板移動；3.40 s時，閘板膠芯耐磨塊與管柱接觸并發生碰撞，壓力迅速增加，并維持一個相對高的壓力(溢流閥控制的壓力)；4.25 s時閘板達到最大位移，閘板關閉所需時間為3.25 s。

由圖4(c)可以看出：換向閥換向后，閘板速度在迅速上升和波動后穩定在0.042 m/s；3.40 s時，閘板膠芯耐磨塊與管柱接觸并發生碰撞，閘板速度逐漸減小；4.25 s時閘板速度為0。由圖4(d)可以看出：閘板膠芯與管柱接觸前，井筒壓力作用在液壓缸活塞桿面積上形成運動阻力，閘板膠芯與管柱接觸后，井筒壓力形成的阻力消除，閘板受到的推力增加，經過短時間波動后與閘板受到的接觸力平衡。基于AMESim軟件仿真閘板的關閉動作過程，得到液壓缸壓力曲線、閘板位移、速度曲線、閘板推力曲線，其特征符合力學理論規律，與工程實際相近。

3 操作壓力對系統響應的影響

3.1 操作壓力為變量的批運行仿真

操作壓力即為溢流閥開啟壓力，是帶壓作業閘板防噴器工作時的重要控制變量。操作壓力的大小直接影響防噴器閘板的運動特性，研究操作壓力對系統響應的影響具有重要意義。使用仿真平臺的批運行模式，重新定義批運行變量，溢流閥的開啟壓力為5.5～10 MPa，步長0.5 MPa，井筒壓力為35 MPa，其他參數不變。運行后得到防噴器閘板在不同操作壓力下的運動仿真曲線，如圖5所示。

圖5 不同操作壓力下的閘板運動仿真曲線Fig.5 Motion simulation curve of gate under different operating pressure

由圖5可以看出：

1)當井筒壓為35 MPa時，操作壓力小于5.5 MPa時，將不能關閉防噴器閘板；操作壓力為6 MPa時，關閉防噴器的時間需要10 s以上，不能滿足系統性能要求；操作壓力達到8 MPa以上時，能在4 s內關閉防噴器閘板，且操作壓力越大，閘板的運動速度越快，關閉時間越短。

2) 因為閘板膠芯與管柱接觸后產生變形，閘板的實際位移大于閘板與管柱間的距離。操作壓力越大，防噴器關閉后閘板與管柱間的接觸力越大，膠芯的變形量越大，閘板的位移越大。

3)閘板膠芯接觸管柱時發生碰撞，此時閘板受到的推力發生波動，波動范圍約為0.4 kN，彈性回復時間約為1 s，且不同操作壓力時，波動值和彈性回復時間基本相同。

在工程實際中，閘板防噴器的關閉時間一般在3～8 s。當膠芯與管柱的接觸力越大時，膠芯變形量越大，膠芯與管柱間摩擦力越大，不利于帶壓作業操作，而且會加劇膠芯的磨損。馬衛國等[17-18]利用Abaqus進行接觸分析，得到閘板膠芯與管柱之間接觸應力和Mises應力分布規律；根據膠芯密封面上的接觸應力大于或等于井筒壓力時能實現防噴器密封的條件研究了不同液壓缸液壓力下能密封井筒壓力的最大值。參照其研究方法，針對本研究的帶壓作業防噴器閘板膠芯進行接觸應力分析，膠芯的幾何模型及提取密封面接觸應力分析結果的路徑如圖6所示[15]。

圖6 膠芯模型及仿真結果提取路徑Fig.6 Model of rubber core and extraction path of simulation results

計算得到不同操作壓力下、不同路徑的接觸應力曲線，如圖7所示。

圖7 不同操作壓力下的接觸應力曲線Fig.7 Contact stress curve under different operation pressure

路徑S1與路徑S2，S3上的接觸應力形成互補，由密封條件可以知道操作壓力為7 MPa時，膠芯密封面上的接觸應力大于35 MPa，可以密封井筒壓力不超過35 MPa；操作壓力為5 MPa時，膠芯密封面上的接觸應力大于26 MPa，可以密封井筒壓力不超過26 MPa；操作壓力為3 MPa時，膠芯密封面上的接觸應力大于16 MPa，可以密封井筒壓力不超過16 MPa。

通過上述分析，我們給一定條件約束：即閘板關閉時間小于4 s，滿足閘板關閉迅速的要求；閘板關閉后膠芯與管柱間的接觸力在滿足井筒密封的前提下盡可能小。圖5所示結果表明，井筒壓力在35 MPa時滿足關閉時間的最小操作壓力為8 MPa。圖7結果表明，滿足密封的最小操作壓力為7 MPa，所以井筒壓力為35 MPa時選擇操作壓力為8 MPa。華北榮盛、上海神開等廠家生產的閘板防噴器額定工作壓力為35 MPa時，推薦操作壓力為8.4～10.5 MPa，與分析結果相差不到5%，驗證了模型的可靠性。

3.2 選擇不同井筒壓力下的操作壓力

目前，工程實際中，帶壓作業閘板防噴器操作壓力的控制基本上都是憑操作者經驗決定，更多考慮防噴器密封的可靠性。在涪陵頁巖氣現場，某服務公司操作帶壓作業設備配套防噴器額定密封壓力為35 MPa，作業時控制操作壓力在7～10 MPa范圍內選擇。為了既安全可靠地關閉防噴器，又能改善閘板膠芯的工作環境，本文利用3.1節的分析結論，探求帶壓作業時防噴器的操作壓力，為工程作業提供參考。因此，設置不同井筒壓力取值，綜合AMESim液壓仿真與Abaqus接觸應力計算的方法進行分析，分別得到不同井筒壓力下滿足關閉時間條件和密封條件的操作壓力，結果如表4所示。

表4 不同井筒壓力下的操作壓力Table 4 Operating pressure under different wellbore pressure

擬合曲線如圖8所示。擬合曲線的表達式為PO=2.06+0.17Pw，其中，PO為操作壓力，MPa；Pw為井筒壓力，MPa；擬合優度R2為0.994 6。由擬合曲線看出，井筒壓力越大，防噴器實現快速關閉閘板并完成密封所需要的優化操作壓力越大。研究結果在工程實際推薦操作壓力范圍之內。

圖8 不同井筒壓力下的優化操作壓力擬合曲線Fig.8 Fitting curve of optimal operation pressure under different wellbore pressure

4 結論

1)基于AMESim和Abaqus軟件研究得到的防噴器閘板關閉時的運動學和動力學特性，給出了帶壓作業配套防噴器在不同井筒壓力時，迅速關閉的操作壓力推薦值。依據推薦值控制防噴器閘板操作壓力既能迅速關閉閘板，有效密封井筒，又能防止防噴器閘板關閉后膠芯與管柱間的接觸力過大，從而減小膠芯的磨損和起下管柱阻力。

2)防噴器閘板操作壓力的推薦值，可為PLC引入帶壓作業裝置控制系統，實現防噴器操作的精確控制提供依據。