井下套管阀阀芯设计与室内试验

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2第0130期年第3692卷页石油矿场机械0ILFIELDEQUIPMENT2010，39(3)：62～65文章编号：1O01—3482(2010)030062-04井下套管阀阀芯设计与室内试验胡东锋，刘贵喜，杨延增，李前春(川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，西安710018)摘要：井下套管阀是全过程欠平衡钻井的核心工具之一，国内尚处于研究和试验阶段，尤其是对套管阀阀芯的研究尚未完全成熟。研制了一种井下套管阀的阀芯，取得了一定的技术突破。采用金属密封和弹性元件密封的复合密封结构，确保密封更为可靠；设置了双弹簧的复位机构，确保阀板复位成功；采用有限元方法对阀板的受力特征进行了分析，根据分析结果对阀芯样机进行了室内承压试验。试验结果表明：阀芯在低压高压条件下密封可靠，25MPa时阀板强度满足要求。关键词：套管阀；阀芯；设计；有限元；试验中图分类号：TE931．2文献标识码：ADesignandLaboratoryTestofDownholeCasingShut-offValveCoreHUDong—feng，LIUGui—xi，YANGYan—zeng，LIQian—chun(EngineeringTechnologyResearchInstitute，SichuarcchangqingDriRingEngineeringCompanyLimited，X’an71OO18．China)Abstract：Thedownholecasingshut—offvalve(DCSV)isoneofthekeyimplementsforthefullprocessunderbalanceddrilling．Atpresent，DCSVisstillinstudyingandtestingstageinChina，andespeciallytheresearchofDCSVcoretechnologyisnotyetmature，thus，akindofDCSVcorewasdevelopedandacertaintechnologyachievementswasobtained．Itsstructurecharacteristicsare：thereisaconstantsealingangleonthesealingsurface，whichcanmakethecorehavefineexternalpressureassistingsealingproperty；usingthecompoundsealingstructureconsistedofmetalsealingandtheelasticitycomponentssealing，whichcanensurethesealingmorereliable；settinguptheresetmechanismofpairofsprings，whichcanensurethevalveflapperresetsSUC—cessfully．Analyzingthebearingcharacteristicsofthevalveflapperbyusingthefiniteelementmethod，andaccordingtotheanalyzedresult，makinglaboratorybearingtestfortheprototypeofthecore，theresultshowedthatthesealingofthecorewasreliableundertheconditionoflOWandhighpressure，andthevalveflapperintensitymettherequirementsat25MPa．Keywords：casingshut—offvalve；core；design；thefiniteelementmethod；test欠平衡钻井作为一种新型钻井技术，可降低井现全过程欠平衡钻井成为该_T艺在国内发展的新要底压持效应，大幅提高机械钻速。。，所以，它一诞生求，而要实现全过程欠平衡钻井，即实现真正的欠平就受到钻井工程界的广泛关注和青睐。该技术在国衡钻井，井下套管阀就是一种不可或缺的工具。外已经作为一项成熟技术广泛应用于油田的开发，该阀安装于技术套管上，在起下钻过程中可封堵地在国内也进入了一个快速发展的阶段。目前，实层压力，在该阀以上井段起下钻可按常规方法进行。收稿日期：2009—09—03作者简介：胡东锋(1977一)，男，陕西西安人，工程师，硕士研究生，2001年毕业于西安石油大学机械设计及制造专业，主要从事石油机械的研制开发工作，E—mail：cqgcjsyjl@sohu．corn。 第39卷第3期胡东锋，等：井下套管阀阀芯设计与室内试验与强行起下钻装置相比，井下套管阀安装简单，操作关闭状态，阀板被扭簧托起坐于阀座上，阀板体上的方便，能快速、安全地进行起下钻作业_4]，大大节约密封曲面与阀座上的密封曲面完全切合，金属密封了成本，提高了效率。井下套管阀技术最成熟的以曲面和橡胶密封件共同起密封作用。国外的Weatherford和Halliburton公司为代表，国内已有新疆石油管理局钻井工艺研究院和中国石油勘探开发研究院展开了对此技术的研究，并生产了样机，取得了初步成功_5]。本文结合笔者的研究，对套管阀的最核心部件之一——阀芯的设计和试验情况进行了详细介绍，对同类研究具有一定的借鉴意义。1阀芯结构及密封原理1．1阀芯结构设计的阀芯主要由阀座、阀板、密封件和扭簧等组成，如图1。阀板通过铰链和阀座连接，铰链上装1一铰链座；2一橡胶密封件；3-阀板体有扭簧，扭簧可以将阀板托起坐于阀座上。图2阀板结构2结构特点2．1密封面带有密封角如图3，阀板密封面为空间曲面，密封面带有密封角0。所谓密封角是指以过阀板基准轴1的任意基准面(无论基准面3、4、5或更多)为剖面剖切阀板，轮廓线PF(或MN)与基准轴1的夹角。无论在哪一个剖切面上，这个夹角均为定值。恒定的密封角可以保证阀板和阀座切合时能自动对中，且可使阀板具有良好的外压助封性，保证阀芯密封可靠。a阀芯结构2．2复合密封方式采用金属密封和弹性元件密封的复合密封结构，阀板密封面和阀座密封面经过精密研磨，在阀板密封面上开有密封槽，槽里固化有橡胶密封件。复合密封结构可保证阀芯具有良好的低压和高压密封性能。b闵芯样机1阀座；2阀板；3密封件；4～扭簧图1阀芯结构及样机1．2密封原理阀板结构如图2，主要由阀板体、密封件和铰链a过基准轴的基准面座组成，阀板体的密封曲面上固化有橡胶密封件。 石油矿场机械2010年3月坏。若要进一步提高阀板的耐压等级，因尺寸限制，不可能再加大阀板结构尺寸，所以只能选取力学性能更优的材料。—N／I，厂鬻嚣§鬻P5．420e+0056e+008607e+008159e+008b闽板剖切图710e+0O8图3阀板密封角示意56le+008812e+0082．3铰链及复位弹簧特点363e+008受尺寸的限制，铰链必须设计得非常紧凑，同时147e+007715e+006要具有足够的强度，还要为扭簧留下足够的安装空一屈服力：6．204e+008间。本设计采用的结构如图4所示，特点是采用双扭簧复位，将扭簧设置于铰链两侧，为阀板和阀座铰图5阀板的应力分布链节省了空间，可以加大阀板和阀座铰链的结构尺'1．311e-O0寸，增加强度。双弹簧可以使阀板复位力加倍，提高关闭可靠性。图4铰链结构图6阀板的应变分布3阀板受力模拟分析4室内试验阀板形状特殊，应力分布较为复杂，很难采用解蠹■■析法进行受力分析。本文以SolidWorks及Cosmos为了对设计和有限元分析的结果进行验证，需有限元软件为平台建立阀板数值模型，对阀板的受进行室内试验，阀芯室内试验台如图7所示。试验力及应变进行有限元分析，共划分82955个节点、A54090个单元。阀板内径为D170mm，厚度12．5mm，材料为合金钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0．28，屈服强度为620MPa，抗拉强度为723MPa，阀板下端承压25MPa，约束条件为阀板密封面。阀板的应力、应变分布如图5～6所示，结果表明：阀板上最大应力为540．2MPa，最低安全系数为1．15，最大位移为0．1311mm；阀板密封面内棱边周围为局部应力较大的区域，是阀板最先发生破坏的部位；应变在阀板中心部最大，向外逐渐减小，应变分布总体上呈近似的同心圆形态。有限元分析表明：在25MPa压力下，阀板可安全工作，若压力进一步升高，安全系数就会下降，阀1堵头；2外壳；3阀座；4一阀板板将处于一种过负荷的状态，甚至会在局部发生破图7室内试验台 2O10年第39卷石油矿场机械第3期第65页OILFIELDEQUIPMENToo文章编号：1001-3482(2010)03—0065-03HJC16型批量混浆车的研制伍培红，秦建忠，李哲，石宪锋。，陈德勇(1．江汉石油管理局第四石油机械厂，湖北荆州434023；2．川庆钻探工程有限公司，西安710021)摘要：随着固井工艺的不断创新和发明，油田对固井设备的要求越来越高，连续地、大批量地混配出高质量的水泥浆是当今世界固井技术的发展方向。通过市场调研，研发了一种批混罐容积为16m3(100桶)的车装式固井批量混浆车，包括2个容积为8m。(50桶)的批混罐、混浆罐、自动混浆控制系统及可以连续批量混浆的管路流程、液压系统等。对HJC16型批量混浆车整体方案及技术重点进行了详细介绍。关键词：批量混浆车；车装式；连续混浆中图分类号：TE925．2文献标识码：BDevelopmentonHJC16BatcherWUPei—hong。QINJian—zhong。，LIZhe，SHIXian一{eng，CHENDe—yong(1．No．4PetroleumMachineryPlant，JianghanPetroleumAdministrationBureauoyCNPC，时通过B口向D腔打压，压力升高到一定值后，从力，确保复位成功。A口向c腔注满清水，通过在A口监测清水是否溢3)阀板是整个套管阀最核心的部件之一，它流来判断阀芯是否密封可靠。在井下的受力状况极为复杂，设计时，首先应保证其试验分为低压和高压2部分：低压试验中，向D有足够的强度，此外还应尽量减轻质量，方便扭簧使腔加气压0．6MPa，稳压10min，无压降，A口未见其复位。溢流，表明阀板低压密封可靠；高压试验中，向D腔加静水压25MPa，稳压10min，无压降，A口未见参考文献：溢流，表明阀板高压密封可靠。高压试验完成后，拆[1]杨谋，孟英峰，李皋，等．提高深井机械钻速的有效方法[J]．石油矿场机械，2009，38(8)：68．开试验台，未发现阀板有明显变形、裂缝等机械损[2]代锋，孙凯，厉爽，等．欠平衡钻井井筒多相流技伤，这说明在25MPa压力的条件下，阀板的强度可术研究EJ]．石油矿场机械，2009，38(1)：5-8．满足要求，这与有限元分析的结果是一致的。[3]陈养厚，陈国明，殷志明．欠平衡钻井过程中的井控新5结论设备[J]．石油矿场机械，2006，35(3)：95—97．[4]李建成，宋林松，王岩鹏，等．井下套管阀研究及室内试1)使用SolidWork实体造型软件和有限元分验[J]．石油矿场机械，2006，35(2)：5-8．析软件Cosmos有助于阀板的优化设计，同时也为[53李晓军，高本文，宋朝晖，等．用于全过程欠平衡钻井施室内试验参数的确定提供了依据。工的井下封井器[J]．石油机械，2006，34(10)：34．2)阀板密封角、复合密封措施有效，可提高阀[6]童征，郑立臣，李涛，等．全过程欠平衡作业用井芯密封的可靠性；双弹簧可保证阀板有足够的复位下控制阀研制[J]．石油矿场机械，2009，38(1)：78—81．收稿日期：2009—09—14作者简介：伍培红(1975一)，女，河南信阳人，工程师，1998年毕业于武汉化工学院化工设备与机械专业，现从事固压设备设计工作，E—mail：wphl975@163．com。