基于AMESim的帶壓作業(yè)防噴器關(guān)閉性能仿真*

馬衛(wèi)國，梅雪松，王 煒，陳 婷，盧 雷

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

0 引言

帶壓作業(yè)是能夠在井筒帶壓條件下進(jìn)行起下管柱等作業(yè)的一項(xiàng)新技術(shù)[1]，這項(xiàng)技術(shù)能夠減輕對產(chǎn)層的污染，最大限度地保護(hù)地層[1-2]，同時(shí)帶壓作業(yè)能夠簡化作業(yè)工序，提高生產(chǎn)效率和儲(chǔ)層采收率，降低生產(chǎn)成本等，其獨(dú)特的優(yōu)勢已經(jīng)得到業(yè)界的普遍認(rèn)可[3-4]。帶壓作業(yè)裝置控制元器件多、作業(yè)工序復(fù)雜。將PLC引入帶壓作業(yè)裝置的控制系統(tǒng)，即以PLC做控制系統(tǒng)下位機(jī)，由PLC發(fā)出指令信號給電磁閥，從而控制卡瓦、防噴器及起升系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起下管柱作業(yè)，可以大幅度提升帶壓作業(yè)裝置的自動(dòng)化水平，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和工作效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)現(xiàn)場操作的安全性[5-6]。因此，對帶壓作業(yè)裝置舉升液缸、卡瓦和防噴器的運(yùn)行特性進(jìn)行研究十分必要。

閘板防噴器是帶壓作業(yè)中井口壓力控制裝置，控制防噴器閘板的打開和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)井筒環(huán)空壓力控制。其開關(guān)性能和操作壓力控制直接關(guān)系到帶壓作業(yè)裝置的作業(yè)能力和作業(yè)安全性，也是工程人員和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。賈光政等應(yīng)用雙向大變形理論計(jì)算了閘板膠芯對油管的密封比壓，基于Matlab建立系統(tǒng)控制仿真模型研究了閘板開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性[7]；劉清友等針對工程實(shí)際中采用“軟關(guān)井”、或“半軟關(guān)井”2種關(guān)井方式存在的問題，探討了“硬關(guān)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(guān)閉過程中井筒瞬態(tài)壓力，得到了瞬態(tài)壓力對井筒的影響作用有限，因此在井筒發(fā)生溢流時(shí)，可以采取快速關(guān)井方式抑制井涌的進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)論[9]。這些研究表明了鉆井過程中防噴器關(guān)閉性能對井筒和地層等產(chǎn)生的工程影響。在帶壓作業(yè)工程實(shí)踐中，決定防噴器關(guān)閉性能的操作壓力控制主要是依據(jù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)建立的操作壓力與井筒壓力之間的關(guān)系。關(guān)閉閘板時(shí)，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(yán)重時(shí)管柱不能下入井中，或者發(fā)生油管屈曲現(xiàn)象。迄今為止，研究涉及防噴器閘板關(guān)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(bào)道。

閘板防噴器閘板關(guān)閉(包括與管柱接觸)的全過程是一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，需要研究其動(dòng)態(tài)特性。然而，實(shí)驗(yàn)測試和理論建模求解其動(dòng)態(tài)特性是個(gè)復(fù)雜的過程。AMESim軟件是個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真平臺(tái)，在該平臺(tái)上能夠自主建立起跨機(jī)械、液壓、電力、熱磁等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的一體化模型。該軟件最大的優(yōu)勢是基于鍵合圖的建模方式，研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，只需要知道系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)組成及其參數(shù)便能夠搭建模型并進(jìn)行仿真分析。 AMESim軟件給機(jī)電液一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了可能，在工程研究中應(yīng)用非常廣泛[10-11]。

本文基于AMESim軟件建立帶壓作業(yè)配套防噴器的液壓控制系統(tǒng)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(guān)閉性能；利用ABAQUS軟件進(jìn)行帶壓作業(yè)防噴器閘板膠芯密封狀態(tài)下的接觸應(yīng)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(jié)合兩者，建立不同井筒壓力時(shí)閘板關(guān)閉的操作壓力，可為工程作業(yè)提供參考。

1 防噴器液壓控制系統(tǒng)

1.1 防噴器結(jié)構(gòu)

帶壓作業(yè)配套的閘板防噴器主要由殼體、側(cè)門、油缸、鎖緊軸、端蓋、閘板及膠芯等部件組成，其結(jié)構(gòu)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(huì)作用于閘板后部，對閘板產(chǎn)生助封力。閘板關(guān)閉時(shí)，操作壓力PO需要克服閘板前部與后部面積差造成的關(guān)閉阻力。井筒壓力越大 ，閘板關(guān)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(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the gate of ram blowout preventer

閘板防噴器的開關(guān)動(dòng)作由防噴器液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)控制元件給出關(guān)閉信號時(shí)，壓力油經(jīng)液壓缸進(jìn)出油口A口進(jìn)入液壓缸無桿腔，推動(dòng)活塞與閘板迅速向井筒中心移動(dòng)，關(guān)閉井筒環(huán)空。此時(shí)，液壓缸有桿腔內(nèi)的液壓油在活塞推動(dòng)下，經(jīng)過液壓缸進(jìn)出油口B口回油箱。閘板打開時(shí)，壓力油經(jīng)液壓缸B口進(jìn)入液壓缸的有桿腔，推動(dòng)活塞與閘板迅速離開井眼中心，閘板則快速返回閘板室內(nèi)。此時(shí)，液壓缸無桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)過液壓缸A口回控制裝置油箱。閘板防噴器基本參數(shù)如表1所示[12-13]。

表1 閘板防噴器結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)Table 1 Structure and performance parameters of ram blowout preventer

1.2 液壓系統(tǒng)建模

利用AMESim軟件建立防噴器液壓系統(tǒng)動(dòng)力模型，如圖2所示。液壓系統(tǒng)主要由泵、溢流閥、換向閥、液壓缸、質(zhì)量塊等構(gòu)成。泵與溢流閥構(gòu)成恒壓源，可獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力，提高液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果。常數(shù)信號源模擬PLC發(fā)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(fā)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(yīng)的動(dòng)作；質(zhì)量塊模擬防噴器閘板和液壓缸的總質(zhì)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(jī)；3.泵；4.常數(shù)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(fā)生器；9.三位四通電磁閥；10.液壓缸；11.質(zhì)量塊；12.線性碰撞模塊；13.零位移源。圖2 防噴器液壓系統(tǒng)模型Fig.2 The model diagram of the hydraulic system of the ram blowout preventer

2 防噴器閘板運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是AMESim 軟件建模仿真的重要環(huán)節(jié)。三位四通電磁換向閥的額定電流為40 mA，假設(shè)防噴器閘板從1 s時(shí)刻開始動(dòng)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(shù)信號源

常數(shù)信號源是井筒壓力作用閘板的力Fw，其計(jì)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(shù)?？紤]在閘板關(guān)閉過程中，因井筒壓力Pw作用于閘板下部，導(dǎo)致閘板上部密封環(huán)橡膠與防噴器殼體接觸，產(chǎn)生摩擦阻力Ff，F(xiàn)f=PwA4·μ，其中，μ為殼體與密封環(huán)橡膠間的摩擦系數(shù)，取0.25；A4為密封環(huán)橡膠與殼體的接觸面積。參考某廠家閘板膠芯尺寸，經(jīng)估算k=1.2。

結(jié)合表1中參數(shù)可得到液壓缸幾何尺寸滿足以下關(guān)系：

(2)

式中：d1為活塞桿直徑,mm?？傻靡簤焊椎幕钊麠U面積A3的計(jì)算公式：

(3)

當(dāng)井筒壓力Pw=35 MPa時(shí)，聯(lián)立式(1)、式(2)和式(3)，解得d1=83 mm，F(xiàn)w=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(yīng)的電流信號分別為20 MPa，200 mA，推薦的防噴器開關(guān)閘板的液控壓力一般為8.4～10.5 MPa，取10 MPa，則常數(shù)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(zhì)量塊

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

2.1.5 接觸剛度K′計(jì)算

假設(shè)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(shù)如表2所示[13]，碰撞接觸力F與其等效接觸剛度K的計(jì)算公式分別如式(4)和式(5)。

(4)

(5)

(6)

代入數(shù)據(jù)解得K′=11 234.68 N/mm。

表2 接觸副參數(shù)Table 2 Contact pair parameters

2.2 防噴器閘板關(guān)閉動(dòng)作仿真

在仿真模式下設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為10 s，采樣周期為0.01 s。設(shè)置的仿真參數(shù)見表3，對防噴器閘板的關(guān)閉動(dòng)作進(jìn)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(tǒng)仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters of hydraulic system

圖4 閘板關(guān)閉運(yùn)動(dòng)仿真曲線Fig.4 Simulation curve of gate closing motion

由圖4(a)和(b)給出閘板關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)過程：1 s時(shí)刻前，閘板處于靜止?fàn)顟B(tài)，換向閥關(guān)閉；1 s時(shí)，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(dòng)閘板移動(dòng)；3.40 s時(shí)，閘板膠芯耐磨塊與管柱接觸并發(fā)生碰撞，壓力迅速增加，并維持一個(gè)相對高的壓力(溢流閥控制的壓力)；4.25 s時(shí)閘板達(dá)到最大位移，閘板關(guān)閉所需時(shí)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(dòng)后穩(wěn)定在0.042 m/s；3.40 s時(shí)，閘板膠芯耐磨塊與管柱接觸并發(fā)生碰撞，閘板速度逐漸減??；4.25 s時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jīng)過短時(shí)間波動(dòng)后與閘板受到的接觸力平衡?；贏MESim軟件仿真閘板的關(guān)閉動(dòng)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(xué)理論規(guī)律，與工程實(shí)際相近。

3 操作壓力對系統(tǒng)響應(yīng)的影響

3.1 操作壓力為變量的批運(yùn)行仿真

操作壓力即為溢流閥開啟壓力，是帶壓作業(yè)閘板防噴器工作時(shí)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(yùn)動(dòng)特性，研究操作壓力對系統(tǒng)響應(yīng)的影響具有重要意義。使用仿真平臺(tái)的批運(yùn)行模式，重新定義批運(yùn)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(shù)不變。運(yùn)行后得到防噴器閘板在不同操作壓力下的運(yùn)動(dòng)仿真曲線，如圖5所示。

圖5 不同操作壓力下的閘板運(yùn)動(dòng)仿真曲線Fig.5 Motion simulation curve of gate under different operating pressure

由圖5可以看出：

1)當(dāng)井筒壓為35 MPa時(shí)，操作壓力小于5.5 MPa時(shí)，將不能關(guān)閉防噴器閘板；操作壓力為6 MPa時(shí)，關(guān)閉防噴器的時(shí)間需要10 s以上，不能滿足系統(tǒng)性能要求；操作壓力達(dá)到8 MPa以上時(shí)，能在4 s內(nèi)關(guān)閉防噴器閘板，且操作壓力越大，閘板的運(yùn)動(dòng)速度越快，關(guān)閉時(shí)間越短。

2) 因?yàn)殚l板膠芯與管柱接觸后產(chǎn)生變形，閘板的實(shí)際位移大于閘板與管柱間的距離。操作壓力越大，防噴器關(guān)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(shí)發(fā)生碰撞，此時(shí)閘板受到的推力發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)范圍約為0.4 kN，彈性回復(fù)時(shí)間約為1 s，且不同操作壓力時(shí)，波動(dòng)值和彈性回復(fù)時(shí)間基本相同。

在工程實(shí)際中，閘板防噴器的關(guān)閉時(shí)間一般在3～8 s。當(dāng)膠芯與管柱的接觸力越大時(shí)，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(yè)操作，而且會(huì)加劇膠芯的磨損。馬衛(wèi)國等[17-18]利用Abaqus進(jìn)行接觸分析，得到閘板膠芯與管柱之間接觸應(yīng)力和Mises應(yīng)力分布規(guī)律；根據(jù)膠芯密封面上的接觸應(yīng)力大于或等于井筒壓力時(shí)能實(shí)現(xiàn)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(yè)防噴器閘板膠芯進(jìn)行接觸應(yīng)力分析，膠芯的幾何模型及提取密封面接觸應(yīng)力分析結(jié)果的路徑如圖6所示[15]。

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

計(jì)算得到不同操作壓力下、不同路徑的接觸應(yīng)力曲線，如圖7所示。

圖7 不同操作壓力下的接觸應(yīng)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(yīng)力形成互補(bǔ)，由密封條件可以知道操作壓力為7 MPa時(shí)，膠芯密封面上的接觸應(yīng)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(shí)，膠芯密封面上的接觸應(yīng)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(shí)，膠芯密封面上的接觸應(yīng)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(guān)閉時(shí)間小于4 s，滿足閘板關(guān)閉迅速的要求；閘板關(guān)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(jié)果表明，井筒壓力在35 MPa時(shí)滿足關(guān)閉時(shí)間的最小操作壓力為8 MPa。圖7結(jié)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(shí)選擇操作壓力為8 MPa。華北榮盛、上海神開等廠家生產(chǎn)的閘板防噴器額定工作壓力為35 MPa時(shí)，推薦操作壓力為8.4～10.5 MPa，與分析結(jié)果相差不到5%，驗(yàn)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(shí)際中，帶壓作業(yè)閘板防噴器操作壓力的控制基本上都是憑操作者經(jīng)驗(yàn)決定，更多考慮防噴器密封的可靠性。在涪陵頁巖氣現(xiàn)場，某服務(wù)公司操作帶壓作業(yè)設(shè)備配套防噴器額定密封壓力為35 MPa，作業(yè)時(shí)控制操作壓力在7～10 MPa范圍內(nèi)選擇。為了既安全可靠地關(guān)閉防噴器，又能改善閘板膠芯的工作環(huán)境，本文利用3.1節(jié)的分析結(jié)論，探求帶壓作業(yè)時(shí)防噴器的操作壓力，為工程作業(yè)提供參考。因此，設(shè)置不同井筒壓力取值，綜合AMESim液壓仿真與Abaqus接觸應(yīng)力計(jì)算的方法進(jìn)行分析，分別得到不同井筒壓力下滿足關(guān)閉時(shí)間條件和密封條件的操作壓力，結(jié)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(dá)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(yōu)度R2為0.994 6。由擬合曲線看出，井筒壓力越大，防噴器實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉閘板并完成密封所需要的優(yōu)化操作壓力越大。研究結(jié)果在工程實(shí)際推薦操作壓力范圍之內(nèi)。

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

4 結(jié)論

1)基于AMESim和Abaqus軟件研究得到的防噴器閘板關(guān)閉時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，給出了帶壓作業(yè)配套防噴器在不同井筒壓力時(shí)，迅速關(guān)閉的操作壓力推薦值。依據(jù)推薦值控制防噴器閘板操作壓力既能迅速關(guān)閉閘板，有效密封井筒，又能防止防噴器閘板關(guān)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(yè)裝置控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防噴器操作的精確控制提供依據(jù)。