滑套式井下安全閥設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析*

黎　偉，宋　偉，李乃禾,宋金麗，黎宗琪，雷鴻翔

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500；2.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 廣漢鉆采設(shè)備廠，四川 成都，610051；4.中國石油川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，四川 成都，610051)

0　引言

在石油開采過程中，若遇到因地層壓力大于井底壓力而導(dǎo)致的溢流或井噴，或者因設(shè)備故障而導(dǎo)致的烴類流體流速增大等情況，就需要井下安全閥及時(shí)關(guān)閉流體通道，避免惡性事故的發(fā)生[1]。

我國井下安全閥技術(shù)研究起步較晚，仍處于初級研究階段，現(xiàn)有的井下安全閥多以液壓單柱塞驅(qū)動(dòng)方式為主[2]。但是這種驅(qū)動(dòng)方式需將液壓管線連接至地面控制部分，且柱塞在推動(dòng)中心管打開閥板的過程中，會(huì)導(dǎo)致中心管偏心。容易出現(xiàn)安全閥失效。另外，如果液壓控制系統(tǒng)因泄漏而失效，安全閥將被強(qiáng)行關(guān)閉，此時(shí)為了保證油氣的正常生產(chǎn)，只能通過井下作業(yè)將閥板打開，使井下安全閥處于永久打開狀態(tài)，無法再次使用。

針對以上這些問題，設(shè)計(jì)了新型井下安全閥，采用壓力脈沖方式，液壓管線只需要傳遞壓力脈沖信號，不需要長期承受高壓，杜絕了因管線泄漏而造成的井下安全閥失效。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)方式改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)滑套式閥門的開合，反應(yīng)迅速，且由于采用新型滑套式閥門，其所承擔(dān)的阻力遠(yuǎn)小于折疊式板閥。該種設(shè)計(jì)提高了安全閥的安全性和可靠性。

1　研究現(xiàn)狀

井下安全閥發(fā)展到現(xiàn)在經(jīng)歷了70多年，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，可靠性越來越高，其主要完善的部分包括閥體密封方式、驅(qū)動(dòng)方式、鎖定方式等3個(gè)方面[3]。

1)密封方式

井下安全閥的密封方式經(jīng)歷了由球閥密封到滑套閥密封的變革。早期采用的主要為球閥密封方式，但是由于球閥密封在旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力較大、可靠性較差，一般更換部件時(shí)需同時(shí)更換球閥體和球座[4]，為了克服球閥密封的缺點(diǎn)，如今油氣井井下安全閥一般采用閥板密封方式。板閥密封是靠閥板上的錐面和密封座之間的配合產(chǎn)生的[5]。

2)驅(qū)動(dòng)方式

現(xiàn)有的井下安全閥一般都采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式，利用彈簧推動(dòng)中心管來打開或關(guān)閉閥板[6]。閥板打開時(shí)，為了防止閥板關(guān)閉需要液壓腔要保持壓力，這對活塞的密封性能要求很高。為了改善密封性能，貝殼石油工具公司在2000年研制了T-5型井下安全閥，將大直徑活塞變?yōu)樾≈睆交钊?，減輕了活塞質(zhì)量，提高了密封性能。

3)鎖定方式

在高壓情況下，液壓系統(tǒng)易發(fā)生刺破，導(dǎo)致系統(tǒng)泄壓，此時(shí)為了保證正常生產(chǎn)，只能強(qiáng)行打開閥板，SC35-120A型井下安全閥設(shè)計(jì)了通過使鎖套剪斷銷釘，強(qiáng)制推動(dòng)中心管下移打開閥板的永久開鎖鎖定機(jī)構(gòu)[7]。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且可靠性不高。

針對這些問題，國外的井下安全閥技術(shù)取得了較大進(jìn)展。Vick發(fā)明了包括磁耦合裝置、彈簧、閥板、柱塞的井下安全閥[8]。后來，Lauderdale設(shè)計(jì)出平衡柱塞結(jié)構(gòu)來平衡流體靜壓力，提高了閥板關(guān)閉的可靠性[9]。

國內(nèi)井下安全閥研究尚處于起步階段，理論體系尚不完善，產(chǎn)品可靠性不高，需要研發(fā)出動(dòng)作迅速、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單的新型井下安全閥。

2　結(jié)構(gòu)及其控制方式

2.1　井下安全閥結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)式井下安全閥主要由上接頭、外套筒、中心管、壓力傳感器、控制板、中間接頭、電機(jī)、滑套閥、旁通流道、可投撈堵頭、下接頭組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上下接頭分別外套于中心筒，采用螺紋連接的方式；電機(jī)為空心杯電機(jī)，外套于中心管，內(nèi)嵌于外套筒，利用鍵槽進(jìn)行周向固定，止推軸承進(jìn)行軸向定位；滑套閥與電機(jī)轉(zhuǎn)子組成絲桿螺母副，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向直線運(yùn)動(dòng)。地面液壓控制系統(tǒng)與裝于上接頭的液壓管線接頭相連，調(diào)節(jié)液壓；旁通流道作為正常生產(chǎn)時(shí)的油氣通道；可投撈堵頭長期處于堵住狀態(tài)，修井時(shí)可用專門的打撈工具撈起。

1-上接頭；2-液壓管線接頭；3-壓力傳感器；4-控制面板；5-電池；6-中間接頭；7-碟簧；8-電機(jī)；9-止推軸承；10-中心管；11-滑套閥；12-流道；13-堵頭；14-下接頭圖1　滑套式井下安全閥結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of slip-typesubsurface safety valve

2.2　控制方式

所設(shè)計(jì)的新型井下安全閥采用壓力脈沖控制方式[10]，控制流程如圖2所示。內(nèi)置控制板，通過壓力傳感器讀取壓力變化信號，然后控制板內(nèi)部的解碼器對壓力信號進(jìn)行解碼，與控制板內(nèi)部儲存的控制命令進(jìn)行匹配并控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滑套閥的打開與關(guān)閉。

圖2　控制流程Fig.2　Control flow chart

3　工作原理

正常工作狀態(tài)下，井下安全閥中心管在堵頭作用下，處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)滑套閥處于打開狀態(tài)，油氣可通過環(huán)槽流道正常生產(chǎn)；當(dāng)遇到井底高壓油氣時(shí)，需要迅速將通道切斷，地面通過液壓管線發(fā)送壓力脈沖信號，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑套閥運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉環(huán)槽通道并在密封圈的密封作用下切斷油氣通道，防止溢流井噴；待井底油氣壓力恢復(fù)正常后，電機(jī)在壓力脈沖信號的控制下反轉(zhuǎn)，重新打開環(huán)槽流道。若需修井及其他井下作業(yè)，則可用專門的投撈工具將堵頭撈出，打開中心管。

4　滑套閥工作過程動(dòng)態(tài)分析

4.1　理論基礎(chǔ)

滑套式板閥關(guān)閉過程中的受力如圖3所示。若要求滑套閥關(guān)閉過程中的某1個(gè)時(shí)刻所受的液壓推力F，一般有2種辦法，一是求出滑套閥上每1個(gè)點(diǎn)的表面力，然后對整個(gè)表面積分以求出作用力，這種方法計(jì)算任務(wù)量較大；二是利用控制體積法，即運(yùn)用流體動(dòng)量方程直接求出滑套閥所受的液壓推力F[11-12]。

圖3　滑套閥關(guān)閉過程示意Fig.3　Slide valve closed process diagram

在閥門關(guān)閉過程中，H為閥門初始寬度，m；閥門寬度變?yōu)閔c時(shí)，設(shè)閥門井口壓力為P0，Pa；出口壓力為Pc，Pa；流體流量為Q，m3/s；閥門寬度為B，m；流體對板閥的作用力為F，Pa；v為閥門關(guān)閉速度，m/s。

根據(jù)流體動(dòng)量方程，則有：

(1)

(2)

ρQ(Vc-V0)=P0-F′-Pc

(3)

將式(1)、(2)帶入式(3)得：

F′=P0-Pc-ρQ(Vc-V0)

(4)

(5)

F=-F′

(6)

式中：V0為進(jìn)口處流體的速度，m/s；Vc為出口處流體的速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；F′為板閥對水流的作用力，Pa。

上述公式計(jì)算的是在某一時(shí)刻下，滑套閥所受流體推力的大小，為了分析滑套閥從開始關(guān)閉到完全關(guān)閉整個(gè)動(dòng)態(tài)過程板閥的受力規(guī)律，需要進(jìn)行大量計(jì)算，以下采用有限元分析軟件ANSYS workbench對井下安全閥動(dòng)態(tài)關(guān)閉過程進(jìn)行模擬分析。

4.2　尺寸及材料參數(shù)

井下安全閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，滑套閥的材料采用35CrMo，調(diào)質(zhì)到283～302 HB，滑套閥密封區(qū)高頻淬火HRC硬度為40～50 HRC。

表1　結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.3　井下安全閥流固耦合分析

模擬分析所針對的井下安全閥模型，除去受自身重力之外，只受到的井下流體的高壓沖擊，并且滑套閥變形對流體的影響忽略不計(jì)。采用單向耦合的方法，在不同求解器分別求解流體控制方程和固體控制方程。通過設(shè)置耦合面的辦法將流體域的數(shù)據(jù)傳遞到固體域，即可分析井下安全閥在滑套閥關(guān)閉的動(dòng)態(tài)過程中滑套閥的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。在流固耦合面上，應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)力、位移變量守恒，即滿足如下方程[13-14]。

(7)

4.3.1有限元模型的建立及網(wǎng)格的劃分

為節(jié)約計(jì)算資源，建立井下安全閥的簡化模型，該模型采用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)模擬過程中的網(wǎng)格變形，采用四面體網(wǎng)格并開啟網(wǎng)格重構(gòu)，以防止滑套閥關(guān)閉過程中網(wǎng)格畸變出現(xiàn)負(fù)體積；流體域模型共劃分了2 192 489個(gè)網(wǎng)格，并在滑套閥附近進(jìn)行局部細(xì)化，便于充分反映出滑套閥附近流場及應(yīng)力狀態(tài)；滑套的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格也采用四面體網(wǎng)格，共劃分3 625 011個(gè)網(wǎng)格。

4.3.2邊界條件

由于模型內(nèi)部存在彎道和截流效應(yīng)，對模型腔內(nèi)流體雷諾數(shù)根據(jù)式(8)進(jìn)行計(jì)算，將表2中相關(guān)數(shù)據(jù)帶入得Re=43 875(Re>10 000)即為完全湍流。故采用k-ε的湍流模型。邊界條件選用速度入口(v=7.5m/s)和壓力出口(P=30 MPa)。其湍流強(qiáng)度I由式(9)可得，I=0.042 1，水力直徑d=0.065 m。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

(8)

(9)

表2　計(jì)算參數(shù)

4.4　內(nèi)部流場特性分析

滑套閥開度為21 mm時(shí)的內(nèi)部壓力云圖截面如圖4所示。由圖可見，因環(huán)槽流道空間較小，故流體壓力較大；隨著流體進(jìn)入環(huán)槽流道后，壓力逐漸下降，通過滑套閥前，由于流體方向的急劇改變，壓力出現(xiàn)一定程度的增大，通過滑套閥最小過流面積時(shí)候，流體方向發(fā)生改變，根據(jù)伯努利方程可知，由于慣性作用，流體在滑套閥壁面上有脫離之勢，導(dǎo)致壓力有所降低，并形成漩渦低壓區(qū)。待流過最小截面處后，由于空間變大，流體重新附著壁面，壓力出現(xiàn)一定程度增加。

圖4　井下安全閥流場壓力云圖Fig.4　The stress nephogram of subsurface safety valve

滑套閥開度為21mm時(shí)候的流體速度云圖截面如圖5所示。井下安全閥閥體腔內(nèi)的流體流動(dòng)分為2種形式，在主流道內(nèi)流動(dòng)的流體為主流；經(jīng)過環(huán)槽流道區(qū)域的流體，由于速度方向突變而產(chǎn)生旋流。當(dāng)流體進(jìn)入滑套閥區(qū)域時(shí)，流體的速度和方向都發(fā)生較大的變化，流線收縮，并且由于流體速度的差異及重力作用會(huì)在滑套閥出口處產(chǎn)生二次流，并與主流疊加起來形成漩渦，這種漩渦會(huì)導(dǎo)致滑套閥的振動(dòng)，加速閥體疲勞破壞。

圖5　井下安全閥流場速度云圖Fig.5　The velocity nephogram of subsurface safety valve

4.5　動(dòng)態(tài)特性分析

以下著重分析在滑套閥由完全開啟到完全關(guān)閉的動(dòng)態(tài)過程，以及滑套閥不同倒角情況下對應(yīng)內(nèi)部流場速度和滑套閥所受壓力的變化規(guī)律。這可為安全閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論支撐。

利用UDF編程，來模擬井下安全閥從完全開啟到完全關(guān)閉的動(dòng)態(tài)過程，滑套閥倒角分別為0°，20°，45°和70°時(shí)，經(jīng)過流固耦合得到的滑套閥所受壓力對比分析曲線如圖6所示。

圖6　不同倒角壓力對比分析Fig.6　Pressure contrast analysis chart of different chamfer

由圖6可見，壓力整體趨勢是隨著開度的減小而上升，當(dāng)開度大于5 mm時(shí)，壓力上升較為緩慢，當(dāng)開度小于5 mm時(shí)候壓力上升急劇，其中，無倒角(0°)的滑套閥所受壓力最大，接近40 MPa，最大壓力隨著倒角度數(shù)的增大而逐漸減小。但是倒角為70°的滑套閥關(guān)閉過程中相對于倒角為45°的滑套閥壓力波動(dòng)較大，特別是在開度從10 mm到0 mm之間時(shí)，其壓力大于倒角為45°的滑套閥所受壓力。

滑套閥倒角分別為0°，20°，45°和70°時(shí)滑套閥內(nèi)部流場速度對比分析曲線如圖7所示。

由圖7可知，在整個(gè)過程中，內(nèi)部流體速度波動(dòng)較大且隨開度的減小速度逐漸增大，在開度大于10 mm時(shí)，流體速度增加較少且波動(dòng)較小。開度小于10 mm時(shí)，速度急劇上升并且波動(dòng)幅度很大，其中0°倒角的滑套閥速度最大速度接近275 m/s，最大速度隨著滑套閥倒角的增大整體呈現(xiàn)下降趨勢，但是倒角為70°的滑套閥在開度為5 mm到10 mm時(shí)，速度波動(dòng)很大且速度大于倒角為45°的滑套的速度。

圖7　不同倒角速度對比分析Fig.7　Velocity contrast analysis chart of different chamfer

5　結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的滑套式井下安全閥，摒棄傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)方式，改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，中間傳動(dòng)部件較少，結(jié)構(gòu)簡單，可有效的實(shí)現(xiàn)井控功能。

2)設(shè)計(jì)的滑套式井下安全閥采用壓力脈沖的控制方式，其液壓管線只需要傳輸壓力變化信號即可，所以不會(huì)發(fā)生因液壓管線壓力過大泄漏而導(dǎo)致的井下安全閥失效，可靠性更高。

3)由內(nèi)部流場分析結(jié)果可知，由于環(huán)槽流道的存在，閥體內(nèi)高速流體會(huì)對環(huán)槽通道造成沖蝕，二次流與主流的疊加而形成的漩渦會(huì)致滑套閥體的振動(dòng)，會(huì)加速閥體疲勞破壞。

4)由分析可知，在滑套閥關(guān)閉過程中流體最大速度達(dá)到275 m/s，滑套閥所承受最大壓力超過40 MPa；流體速度和滑套閥所受壓力整體都隨著開度減小而增大，隨倒角的增大而減??；但倒角超過45°時(shí)，壓力和速度波動(dòng)明顯增大，且在開度為5～10 mm階段均大于倒角為45°時(shí)的值，應(yīng)該采用倒角為45°的滑套閥。

5)設(shè)計(jì)的滑套式井下安全閥具有杜絕液壓泄漏、反應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但是該裝置仍有部分難點(diǎn)需要攻克，例如，該裝置采用的是空心杯電機(jī)，在有限的空間內(nèi)如何使電機(jī)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力；井下工況惡劣，溫度較高，裝置內(nèi)部控制面板的耐高溫能力有待提高等，需進(jìn)一步研究優(yōu)化。

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