鉆井用內防噴壓差自密封式旋塞閥結構改進

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(重慶科技學院 機械與動力工程學院，重慶 401331)

在石油工程鉆井過程中，當地層壓力大于井筒內液柱壓力時，地層流體有可能進入井筒鉆井液中，導致井口出現溢流甚至發生井噴。目前的井控工藝分為環空防噴和鉆桿內防噴，井口環空通過閘板式防噴器等防止井噴，鉆桿內防噴是通過旋塞閥防止井噴。隨著頂驅的發展，內防噴旋塞閥也逐漸應用于頂驅內防噴器中，通過液壓執行機構進行驅動，由司鉆通過頂驅控制箱操作啟閉[1]。

旋塞閥在使用中，主要通過金屬與金屬的直接接觸并擠壓產生微變形實現主密封，現役的旋塞閥接連出現球閥與閥座之間密封失效、閥座刺壞、球閥與本體間被泥漿充填、閥座密封面銹蝕等問題[2]；球形閥芯的上下閥腔之間形成很大壓差,使閥芯與閥座之間、旋鈕與閥體之間產生很大壓力,增大了摩擦力矩。當轉動旋鈕時,巨大的壓力使閥芯轉動時產生巨大的摩擦力,導致旋塞閥關閉和開啟困難，極大地影響了旋塞閥的使用壽命，嚴重時甚至無法及時控制住井噴事故的發生[3]。因此，非常有必要對旋塞閥的工作原理進行研究，優化現有旋塞閥的結構，使其更好地服務于鉆井現場，同時為頂驅內防噴裝置的設計和改進提供參考依據。

1 旋塞閥的研究現狀

內防噴旋塞閥在使用過程中，密封失效是其最主要的失效形式。針對此問題，陳浩等[2]進行了失效分析，提出了3種主要失效形式：強度失效、閥的球體轉動失效、密封失效，并分析了失效的機理；肖曉華等[4]結合旋塞閥的典型失效案例，建立了失效故障樹，分析并求出了故障樹結構重要度，確定了主要失效因素；謝娟等[5]進行了失效和受力分析，提出了減小閥體溝槽和增大圓角半徑、采用小通道結構降低壓差等改進措施；何玉發等[6]利用應力接觸仿真以及閥體內的流場仿真進行了失效機理分析。

為了改進密封性能，聶海濱等[7]提出了增加潤滑脂的改進方法；張繼升等[8]列舉了旋塞閥主密封的主要結構以及使用的主要材料，提出了浮動球雙通道的結構；陳浩等[9]提出了一種金屬對金屬接觸和金屬對聚四氟乙烯(PTFE)接觸的組合密封結構。這幾種結構的優點是改善了密封效果，缺點是沒有改變摩擦力矩大、旋塞閥啟閉困難的問題。

針對旋轉閥芯時摩擦力矩大的問題，劉紅莉等[10]針對密封接觸造成的摩擦阻力過大而使旋塞閥球轉不動的現象，提出了在旋塞閥上增加操作鍵墊和潤滑裝置，如圖1所示；朱衛新等[11]提出了2種旋塞閥的工藝改進方法：閥體設置壓力平衡通道、閥體設置測壓接頭。這2種改進的優點是結構簡單、利于裝配，缺點是不能很好地保證閥芯對中，仍然是滑動摩擦，力矩較大。

針對旋塞閥在高壓時旋鈕轉矩大的問題，李新利等[12]還提出了一種短軸上增加保持架的形式，如圖2所示，這種結構的優點是：能保證閥芯的對中性，減小旋鈕的轉矩以及摩擦力矩，結構簡單易懂。缺點是：短軸與保持架之間是滑動摩擦，在高壓狀況下，短軸與保持架之間的摩擦力矩增大，同時，也沒有進行具體的設計，沒有完整的裝配圖。

圖1 帶操作鍵墊和潤滑裝置的旋塞閥結構

圖2 帶保持架的旋塞閥結構

目前，很多人對旋塞閥做了分析，提出了不同的改進方案，但在使用現場，仍然存在摩擦力矩大、閥芯旋轉困難以及密封不嚴等問題。

2 壓差自密封式旋塞閥的改進

筆者認為旋塞閥失效的根本原因是：當旋塞閥關閉時，井筒內的高壓液體使閥芯和閥座之間憋死，又有刺漏問題的存在，導致旋塞閥旋轉轉矩大；加上工作人員的強力操作，使旋塞閥的密封問題更加嚴重。針對此問題，在現役旋塞閥結構的基礎上，本文采用對稱的支撐軸將閥芯支撐起來，將巨大的壓力轉移到支撐軸上，同時利用滾針軸承將滑動摩擦變為滾動摩擦，大幅降低旋塞閥的開關轉矩，延長使用壽命。

2.1 結構改進的基本原理

在改進旋塞閥結構的基礎上，利用壓力自平衡和壓差自密封原理再對旋塞閥進行優化，旋塞閥上腔體和下腔體中分別設置上密封結構和下密封結構，在開啟和關閉旋塞閥時通過介質流體對閥芯產生推力，實現自密封，較好地保證閥芯的對中性，具有結構簡單，摩擦力矩小，密封效果好，安全性高等優點，有效提高了旋塞閥的密封性。

2.2 壓差自密封式旋塞閥方案

本文設計了一種新型的壓差自密封式旋塞閥，其結構方案如圖3所示，主要由閥芯、閥座、閥體、支撐軸、旋塞閥上下腔體、上下彈簧、對頂螺母、密封件和密封填料等組成。

a 總體結構

b 支撐軸處結構(局部放大)

2.3 新型壓差自密封式旋塞閥工作原理

當旋塞閥開啟，即處于常開狀態時，通過擰緊旋轉外螺母，對閥芯施加一定的預緊力，保證在沒有鉆井液進入閥體時，支撐軸不受閥芯的作用力。當鉆井液從旋塞閥上腔體進入井內時，此時高壓力的鉆井液一方面對旋轉外螺母施加一定的作用力，更好地防止該螺母松動；另一方面，鉆井液由帶槽口的環形支撐座進入下閥座與閥體之間，利用液壓自密封原理，保證閥芯與上閥座和下閥座之間的密封性能，此時閥芯在流道方向上可以有一定的偏移，隨著鉆井液壓力的增加，密封壓力越高，密封性能越好。

當旋塞閥需要關閉時，通過扳手旋轉支撐軸至不能旋轉時即可。此時，旋塞閥關閉，井內巨大的壓力致使閥芯向上游端偏移，同時由于支撐軸與閥芯之間的誤差，致使支撐軸亦有微量的偏移，使閥芯擠壓上閥座，上閥座壓縮上彈簧，到一定程度時，閥芯將其與上閥座之間的絕大部分作用力轉移到支撐軸上，避免閥芯與上閥座之間過渡擠壓導致閥芯損壞。同時，上閥座與閥芯之間的接觸作用力增大，有力地保證上閥座與閥芯之間的密封性能。對于下閥座，在井內的高壓力作用下，鉆井液將壓力傳至帶槽口的環形支撐座上，通過其將力傳遞到下閥座上，在下彈簧的作用下，下閥座與閥芯之間緊密接觸，通過鉆井液的壓力，使帶槽口的環形支撐座、下彈簧和剛性墊圈向上游端移動，增加下閥座與閥芯之間的接觸作用力，亦能保證下閥座與閥芯之間的密封性能。當井內壓力增高時，下閥座與閥芯之間的作用力增大，密封性能提高，實現了液壓自密封，進而提高旋塞閥的密封性和可靠性。由于閥芯將作用力轉移到支撐軸上，因此能減小開啟時的轉矩，實現小轉矩的旋轉。

3 旋塞閥主密封結構處有限元分析

在油田使用中，由于井眼和鉆桿的尺寸限制，旋塞閥一般選擇可浮動式的結構。所謂可浮動式的旋塞閥是指在關閉的情況下，由于井筒內流體的壓力作用，使得閥芯會沿軸向產生一定的偏移，使流體在上閥座的密封面受到截堵。因此，閥芯與閥座之間的壓力必須達到要求的密封比壓，否則就不能保證旋塞閥的密封可靠性。但是，當閥芯與閥座之間的比壓太高時，又會引起旋塞閥旋轉操作轉矩增大，甚至使密封材料超過許用的壓力而損壞。因此，密封比壓必須滿足式(1)條件：

qb

(1)

式中：qb為閥門密封的必需比壓，MPa；q為旋塞閥工作時的實際比壓，MPa；[q]為閥芯、閥座材料的許用比壓，MPa。

3.1 密封比壓計算

必需比壓是為保證旋塞閥能實現有效的密封時，其密封面單位面積上需的最小壓力，以qb表示。其一般只能根據試驗來確定[1]，根據不同條件進行密封試驗，得出經驗計算公式：

(2)

式中：a,c為與密封面材料相關的系數；p為井筒內的流體的工作壓力，MPa；b為密封面在垂直于流體流動方向上的投影寬度，b=tsinγ,mm；γ為密封面法向與流道中心線的夾角，(°)；t為密封面的寬度，mm。

旋塞閥閥芯與閥座都采用40 CrMnMo材料，設計的旋塞閥流道直徑為76 mm，則可算得該旋塞閥的密封比壓為qb=95 MPa，查閱資料可知，40 CrMnMo材料的許用比壓約為300 MPa，滿足式(1)，說明該密封面能在許用比壓的條件下達到密封效果。

3.2 主密封處有限元分析

根據方案圖繪制旋塞閥的三維模型，其閥芯閥座的配合圖如圖4所示，根據工況施加邊界條件，其閥芯和閥座的受力模型如圖5所示。

圖4 旋塞閥閥芯閥座配合示意

圖5 閥芯閥座受力模型

A處設置固定約束，C處的兩上下對稱平面設置法向的位移約束，B處曲面設置井筒內流體壓力。由于其在最大工作壓力75 MPa作用下，閥芯裸露在下端的曲面都會有流體，因此B處全部加上井筒內流體的壓力。通過計算所得的應力云圖如圖6所示。

圖6 閥芯閥座等效應力云圖

如圖6所示，當井底壓力為70 MPa時，上閥座與閥芯接觸面上的應力分布不均，上閥座的最大等效應力為193.8 MPa，閥芯密封面上的最大等效應力為265.4 MPa，小于材料的屈服極限(σs≥785 MPa)，因此上閥座與閥芯的強度滿足材料強度要求。同時，通過前面的計算可知，上閥座與閥芯之間的必需比壓為95 MPa，閥座與閥芯均滿足要求，可以實現有效密封。

3.3 旋轉系統的有限元接觸分析

前面的有限元分析中，沒有考慮閥芯與支撐軸之間的摩擦因數，因此，需要對旋塞閥的旋轉系統進行有限元接觸分析，利用Inventor建立旋轉系統的三維模型，根據工況設置其約束條件和受力條件，如圖7所示。通過分析得到如圖8所示旋轉系統的等效應力云圖。

圖7 旋轉系統受力模型

圖8 旋轉系統等效應力云

由圖8可得，旋轉系統的最大等效應力出現在支撐軸與閥體的配合面上，其值為607 MPa，在材料的屈服極限(σs≥785 MPa)之內，因此旋轉部分的強度滿足強度要求。閥座與閥芯的主密封處的等效應力約為168.8 MPa，而所要求的主密封的必需比壓為95 MPa，滿足要求，可實現有效密封。

4 結論

1) 通過方案對比和有限元分析，對旋塞閥結構進行了改進，設計了新型鉆井用內防噴壓差自密封式旋塞閥。該內防噴旋塞閥利用對稱設置的耳軸及滾針軸承，將滑動摩擦轉為滾動摩擦，減小了摩擦力矩，并利用壓力自平衡和壓差自密封原理，保證了閥芯的對中性。具有結構簡單，摩擦力矩小，密封效果好，安全性高等優點。

2) 通過對旋塞閥進行密封比壓的分析計算和旋轉系統的有限元接觸分析，保證了旋塞閥的密封性能，提高了旋塞閥的可靠性。

3) 未來的研究工作主要包括對旋塞閥內部流道進行數值模擬、流場分析、結構優化和加工實物并進行現場試驗。以期能在頂驅內防噴中得到更廣泛的應用，同時為內防噴旋塞閥的研究提供參考。