“半浮動”取心保壓球閥的設計研究

劉合 ，溫鵬云 ，宋微 ，董康興 ，王素玲 ?

（1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318）

保壓取心技術作為目前最前沿的鉆井取心技術，可以將巖心保持在原始地應力狀態下取出，獲得儲層信息的第一手資料［1-3］，是實現老油田剩余油精細挖潛、非常規油氣儲藏地質描述及向深層探索的關鍵［4-5］.我國自20 世紀70 年代起，涌現出了大慶油田、浙江大學、中石化勝利石油工程研究院等一批致力于保壓取心技術研究的機構［6-9］.現有工具可以獲取直徑80 mm巖心，額定保壓能力達到60 MPa，相較于國外，在保壓能力及巖心直徑等關鍵技術指標方面尚存在明顯差距，這成為我國油氣行業發展的嚴重掣肘［10-12］.同時《中國“十四五”規劃》中指出要加快深海、深層和非常規油氣資源利用，推動油氣增儲上產，在此背景下，大力發展保壓取心技術已經成為我國油氣勘探開發的重中之重［13-14］.

球閥，配合儲心筒實現巖心原位壓力保持，其保壓能力是保壓取心技術發展的短板.球閥承壓能力、密封性能及控制方式是影響保壓能力的關鍵因素［15-18］.現行保壓球閥普遍為機械式固定球閥［19-21］，受限于井下空間狹小，轉軸承壓能力成為制約保壓能力提升的關鍵；機械控制方式難以避免巖屑、泥、沙石等雜物進入儲心筒，阻礙巖心進入［22］.基于以上問題，提出了一種“半浮動”取心保壓球閥設計方案.“半浮動”承壓結構改變了球閥承壓位置，通過閥座承載高壓，顯著提高了球閥保壓能力，配合主被動密封結構，提升了球閥的保壓成功率；氣動控制方式保證球閥啟閉可控，提升了巖心質量及取心收獲率.

1 “半浮動”球閥結構及工作原理

1.1 “半浮動”球閥結構

“半浮動”取心保壓球閥由預緊彈簧、軟密封座、閥座、閥體、氣輪軸、氣輪蓋螺釘、自鎖結構及氣輪蓋組成，其結構如圖1 所示.閥座是球閥的主要承壓部件，其上部螺紋連接保真內筒；預緊彈簧及軟密封座安裝在閥座內形成閥體前密封端，其與保壓內筒配合保證球閥在低壓狀態下仍具有良好的密封性；氣輪軸安裝在閥座氣輪槽內，在氣體作用下控制球閥啟閉；氣輪蓋螺釘用于緊固氣輪蓋；自鎖結構可以在氣輪軸到位后自鎖，保證球閥啟閉到位；氣輪蓋上具有注氣孔、自鎖結構孔及螺釘孔，注氣孔用于氣體注入，推動氣輪軸旋轉，自鎖結構孔用于自鎖裝置的安裝，螺釘孔與氣輪蓋螺釘配合保證氣輪軸位置.

圖1 “半浮動”取心保壓球閥結構圖Fig.1 Structure diagram of "semi-floating" coring and pressuremaintaining ball valve

1.2 工作原理

關閉球閥，將保壓取心工具下入到井底進行取心作業；球閥工作原理如圖2 所示，巖心逐漸進入取心工具底孔到傳感器監測到巖心位置時，控制系統控制電磁閥1 開啟，氣體通過氣輪蓋上的注氣孔進入，推動氣輪軸旋轉，實現球閥開啟，一定時間后電磁閥1 關閉；隨著工具下行，巖心逐漸進入儲心筒，取得所需長度巖心后，差動裝置動作實現內外筒差動，帶動割心裝置上行割斷巖心；當傳感器監測到井底巖柱脫離球閥中孔時，控制系統控制電磁閥2 開啟，氣體推動氣輪軸反轉，實現球閥關閉密封，一定時間后電磁閥2關閉.

圖2 球閥工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of ball valve

2 關鍵結構設計

2.1 氣動結構

氣動結構主要由注氣孔、葉輪、氣動軌道以及氣輪蓋組成，如圖3 所示.氣輪蓋與閥座扣合形成一個密閉空腔，即氣動軌道，葉輪葉片在氣動軌道內運動，帶動閥體動作；該結構中氣動軌道及葉輪葉片皆為定角度扇形件，保證轉軸及球閥最大旋轉角度為90°，確保球閥啟閉到位；注氣孔依次連接高壓管道、電磁閥、高壓氣罐，電磁閥與控制系統連接；當傳感器接收到信號時，控制系統控制電磁閥開啟，氣體通過注氣孔注入預加載槽中，推動葉輪葉片旋轉，實現閥體的啟閉控制；閥體開啟與關閉狀態如圖4所示.

圖3 氣動結構圖Fig.3 Pneumatic structure diagram

圖4 球閥啟閉圖Fig.4 Ball valve opening and closing diagram

2.2 “半浮動”承壓結構

現有球閥分為固定球閥及浮動球閥兩種.固定球閥有上下兩根閥桿固定閥體，閥體相對于閥座不發生位移；浮動球閥只有上閥桿，球體可以發生輕微的位移［23-24］.本球閥中設計了一種“半浮動”結構，如圖5 所示，其主要由氣動葉片的矩形軸端及閥體的矩形槽組成；在球閥開啟時，不發生位移，當球閥關閉后，在預緊力作用下球閥可以相對閥座下行，發生微量位移，保證閥體可以緊密貼合在閥座承壓面上，通過閥座來承受儲心筒內的高壓，顯著增強了球閥的保壓能力，其工作過程如圖6所示.

圖5 “半浮動”承壓結構Fig.5 "Semi-floating" pressure-bearing structure

圖6 “半浮動”承壓結構工作示意圖Fig.6 Working diagram of "semi-floating" pressure-bearing structure

2.3 密封結構

“半浮動”球閥采用主被動密封結構對球閥進行密封保壓［25-26］，主要由預緊彈簧、閥座、密封圈、密封座及閥體組成，如圖7 所示.閥座上部螺紋連接儲心筒壓緊預緊彈簧實現球閥的主動預緊密封，保證球閥在低壓狀態下仍具有良好的密封性；當密封腔室內處于高壓狀態時，密封座在流體高壓下壓緊閥體，實現球閥的被動密封.密封座外表面加裝3 道密封圈，保證氣體不會從密封座與閥座配合表面泄露；密封座下端為圓弧面，圓弧面上安裝密封圈，其在預緊彈簧及工作壓力作用下緊壓在閥體表面，保證了球閥的密封性能.

圖7 球閥密封結構Fig.7 Ball valve sealing structure

3 球閥扭矩計算

3.1 “半浮動”球閥扭矩計算

球閥承壓能力是決定保壓裝置額定工作壓力的主要因素之一，同時實現球閥的順利啟閉是保壓裝置成功保壓的關鍵.因此，需要計算球閥在其額定工作壓力下的旋轉扭矩，確保球閥可以啟閉到位，在額定工作壓力下球閥的啟閉總扭矩M為：

式中：Mm為球體與閥座密封圈間的摩擦扭矩；Mt為閥桿與密封圈間的摩擦扭矩；P為保壓筒內流體壓力，本設計中取70 MPa；S1、S2分別為浮動支座及密封圈的橫截面積；P0為余隙平均壓力；qmin為預緊所必需的最小比壓；d1為浮動支座外徑；u0為橡膠對金屬的摩擦系數；d0為閥座O 型圈的橫截面直徑；R為球體半徑；φ為密封面最中心斜角；ut為球體與密封面之間的摩擦系數；dT為閥桿直徑；d01為閥桿O型圈橫截面直徑.

根據計算得出球閥啟閉總扭矩M為53.3N?m，當氣體傳遞給轉軸的扭矩大于53.3N?m 時，可以滿足球閥的啟閉控制要求.

3.2 最小氣體壓力

本球閥利用氣體推動葉輪旋轉實現球閥啟閉控制，因此用取心工具進行取心作業時需要攜帶高壓氣源入井；計算出推動球閥旋轉所需的最小氣體壓力，保證攜帶充足壓力的氣源入井是實現球閥成功啟閉的關鍵.葉輪上葉片的面積是影響氣體壓力的關鍵因素，對葉輪受力面積分析如圖8 所示，圖8（a）為葉輪的結構圖，葉輪共有兩個葉片；圖8（b）為葉輪的最大受力面積示意圖，圖中剖面線部分為氣體作用在葉輪葉片上的最大受力截面.根據上文所計算出的球閥啟閉總扭矩M，對葉輪進行受力分析：

圖8 葉輪受力分析圖Fig.8 Force analysis diagram of impeller

式中：Pmin為推動球閥旋轉所需的最小氣體壓力；S為單個葉片的面積；h為葉片的重心高度.

計算得出Pmin≥5.75 MPa，即推動球閥旋轉所需的最小氣體壓力為5.75 MPa，同時考慮氣體用量及氣體壓力隨儲量減少逐漸降低的情況，因此在取心工具進行取心作業時，需攜帶氣體壓力為2～3 倍Pmin的氣源入井，保證球閥的成功啟閉控制.

4 保壓能力分析

現行保壓取心球閥普遍為固定球閥，其通過轉軸來承載工作介質高壓.“半浮動”球閥提供了一種新的思路，對承壓位置及控制方式進行改進，通過閥球與閥座的弧形接觸面來承載保壓筒內的工作壓力.對比分析兩種球閥承壓能力，對處于關閉狀態的兩種球閥進行仿真分析，分別施加10 MPa、30 MPa、50 MPa、70 MPa的介質壓力，分析兩種球閥在不同介質壓力下的最大應力.

將兩種球閥受力模型簡化，球閥材料都選用42GrMo，其抗拉強度極限Rm=1 080MPa，屈服強度極限Re=930MPa，取安全系數n=1.1，則許用應力[σ]=845.5 MPa［27］.固定球閥閥體、閥座接觸面及“半浮動”球閥閥體、閥座接觸面均設置為摩擦接觸，摩擦系數取0.2，主體網格劃分尺寸皆為5 mm，對接觸面、轉軸軸孔等處進行網格加密，劃分尺寸為0.5 mm.分析得到兩種球閥在不同介質壓力下的閥體、閥座的應力分布圖如圖9和圖10所示.由圖可知，固定球閥閥體在50 MPa 的工作壓力時，其最大應力已經遠遠超過了材料許用應力；閥座在30 MPa 工作壓力下最大應力已經超過了材料許用應力.而“半浮動”球閥閥體及閥座在70 MPa 壓力下，最大應力值皆小于材料許用應力，承壓能力優良.

圖9 不同壓力下閥體應力分布圖Fig.9 Stress distribution diagram of valve body under different pressures

圖10 不同壓力下閥座應力分布圖Fig.10 Stress distribution diagram of valve seat under different pressures

圖11 和圖12 分別為兩種球閥閥體及閥座的最大應力對比圖.由圖可知，在介質壓力為70 MPa 時，固定球閥閥體及閥座最大應力已經達到近2 000 MPa，遠超材料許用應力；而“半浮動”球閥閥體及閥座在70 MPa 時最大應力小于800 MPa，承壓性能明顯優于固定球閥，承壓能力顯著提升.

圖11 閥體最大應力對比圖Fig.11 Valve body maximum stress comparison chart

圖12 閥座最大應力對比圖Fig.12 Valve seat maximum stress comparison chart

5 結論

1）研究設計了一種新型取心保壓球閥，提出了氣動啟閉的新型井下球閥控制方式，增強了球閥的靈活性；創新性地設計了“半浮動”承壓結構，打破了現有球閥利用轉軸承壓的常態，通過閥座來承載高壓，與密封結構配合，顯著增強了球閥的保壓能力，為現有球閥保壓能力難以提升難題提供了一種新的解決思路.

2）對“半浮動”球閥扭矩及推動閥體轉動所需的最小氣體壓力進行了計算，保證了球閥啟閉可行性，為“半浮動”球閥的實際工程應用奠定了基礎.

3）對固定球閥及“半浮動”球閥閥體、閥座兩個主要承壓部件進行了有限元對比分析.研究表明在70 MPa介質壓力下，“半浮動”球閥閥體、閥座最大應力小于800 MPa，小于材料許用應力，強度滿足設計要求.