基于RFID的鉆井連續(xù)循環(huán)閥研制

靳浩元，管鋒，高陽(yáng)，張鵬程，劉子豪，陳志慶

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院湖北荊州 434023）

石油工業(yè)是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)業(yè)，噴漏卡塌事故影響油井安全生產(chǎn)，嚴(yán)重制約著石油鉆探技術(shù)的發(fā)展。為防止噴漏卡塌發(fā)生，需使用連續(xù)循環(huán)閥。目前的連續(xù)循環(huán)閥受到循環(huán)次數(shù)的限制，起下鉆、更換非連續(xù)循環(huán)閥降低鉆井時(shí)效。為減少現(xiàn)有連續(xù)循環(huán)閥由于多次投球及更換浪費(fèi)的時(shí)間，急需研制一種新型連續(xù)循環(huán)閥。

多次激活循環(huán)閥可根據(jù)井下工況及時(shí)開(kāi)、關(guān)旁通孔進(jìn)行特種作業(yè)，增強(qiáng)特殊鉆具組合的適用性，有利于提高生產(chǎn)效率，降低井控風(fēng)險(xiǎn)。在井下作業(yè)中，可隨鉆堵漏作業(yè)、注酸作業(yè)、修井及完井作業(yè)，保護(hù)井下鉆具組合。在水平井、定向井鉆井中可提高環(huán)隙流速，增強(qiáng)井壁下側(cè)清洗能力。

RFID（無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)）具有節(jié)省成本、精確性高和數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)勢(shì)，在井下工具中的應(yīng)用逐漸成熟[1-5]，例如引入RFID能突破現(xiàn)有滑套工具的技術(shù)瓶頸，并能大大拓展滑套工具功能[6-9]。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，為提高油氣井長(zhǎng)期有效性、作業(yè)效率并降低油氣井的建井成本，新技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用越來(lái)越重要。

圖1 RFID電子標(biāo)簽和信號(hào)球

由于井下特殊的環(huán)境，目前國(guó)外對(duì)RFID在井下工具中的應(yīng)用還處于前期研發(fā)階段[10]，最近國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)始研究該技術(shù)。通過(guò)將RFID技術(shù)與連續(xù)循環(huán)閥結(jié)合在一起，這就形成了基于RFID的連續(xù)循環(huán)閥。

1 循環(huán)閥工作原理

RFID循環(huán)閥，通過(guò)投放電子標(biāo)簽激活循環(huán)閥，取代了原有投球憋壓的機(jī)械式激活方式，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)閥開(kāi)啟和關(guān)閉的智能控制。攜載控制指令的電子標(biāo)簽由井口投入，當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)區(qū)域時(shí)，電子標(biāo)簽將自身存儲(chǔ)的指令發(fā)送給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器接收信號(hào)，傳遞給控制單元?？刂茊卧邮招畔⒑蟀l(fā)送指令控制電機(jī)動(dòng)作，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、絲杠及滑塊將動(dòng)力傳遞執(zhí)行滑套，使其直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑套循環(huán)孔與旁通孔對(duì)齊時(shí)即可實(shí)現(xiàn)液體循環(huán)作業(yè)。通過(guò)程序設(shè)定可使循環(huán)閥分別處于關(guān)閉、雙通、旁通等狀態(tài)。由于電子標(biāo)簽與循環(huán)閥滑套有唯一識(shí)別和配對(duì)的特征，在循環(huán)閥組合使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)循環(huán)閥的選擇性單獨(dú)控制。

2 循環(huán)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本循環(huán)閥采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由上接頭、通信單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元和下接頭等部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 循環(huán)閥結(jié)構(gòu)圖

2.1 上接頭

上接頭是連接循環(huán)閥和油管的重要部件，選用40CrNiMo。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上接頭三維圖

2.2 通信單元

通信單元是電子標(biāo)簽與閱讀器單元進(jìn)行信息交流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通信單元主要有天線(xiàn)本體、天線(xiàn)內(nèi)筒、天線(xiàn)外筒、通孔螺釘、壓力傳感器、天線(xiàn)轉(zhuǎn)換接頭等組成。外筒采用40CrNiMo，內(nèi)筒采用40CrMo。

圖4 通信單元三維圖

2.3 控制單元

控制單元為信號(hào)的處理中心。控制單元由內(nèi)筒、外筒、控制板、支撐架、電池組以及固定套筒等部分組成。外筒采用40CrNiMo，內(nèi)筒采用40CrMo。外筒兩端分別與天線(xiàn)外筒和電機(jī)固定外筒相連?？刂瓢逯渭苡糜诠潭?，支撐架的一側(cè)焊接在固定套筒的端面上。固定套筒的另一端固定在電機(jī)固定外筒上，固定套筒上設(shè)置有為控制系統(tǒng)、閱讀器天線(xiàn)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量的電池組。

圖5 控制單元三維圖

2.4 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元是實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)循環(huán)閥的具體執(zhí)行部件，由電機(jī)固定外筒、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件、傳動(dòng)組件、執(zhí)行滑套、電機(jī)安裝套、坐封器、下接頭、密封圈、防塵圈等部分組成。關(guān)鍵零件采用40CrNiMo。電機(jī)固定在執(zhí)行滑套上，傳動(dòng)絲杠滑塊運(yùn)動(dòng)路徑對(duì)應(yīng)的部位開(kāi)有軌跡槽。電機(jī)組件由電機(jī)及其固定裝置組成，傳動(dòng)組件由聯(lián)軸器、傳動(dòng)絲杠、滑塊、導(dǎo)向光杠、支撐架、軸承等組成。其中滑塊通過(guò)連接件帶動(dòng)滑套運(yùn)動(dòng)，連接件在軌跡槽內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)也與導(dǎo)向光杠相連，以保證滑塊滑套的穩(wěn)定運(yùn)行。

執(zhí)行滑套沿內(nèi)壁軸向移動(dòng)，其殼體上有兩個(gè)循環(huán)孔，當(dāng)?shù)谝谎h(huán)孔與旁通孔對(duì)齊時(shí)，液體既可經(jīng)下接頭中心孔流向下部管柱，又可經(jīng)過(guò)旁通孔從井壁返回。當(dāng)?shù)诙h(huán)孔旁通孔對(duì)齊時(shí)，滑套的中心孔坐封器堵住，此時(shí)液體只能經(jīng)由旁通孔、井壁返回。

圖6 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元三維圖

3 循環(huán)閥工作狀態(tài)分析

本循環(huán)閥在使用過(guò)程中，可根據(jù)不同要求，提供三種流體通路。

3.1 直通狀態(tài)

此時(shí)，旁通孔被滑套殼體堵住。從井口進(jìn)入的液體，將會(huì)沿著滑套中心通孔流經(jīng)坐封器流體通道，進(jìn)而由下接頭端口流出。

圖7 循環(huán)閥直通狀態(tài)

3.2 雙通狀態(tài)

此時(shí)，滑套上的下循環(huán)孔與旁通孔對(duì)齊，滑套末端中心孔離坐封器堵頭較遠(yuǎn)。從井口進(jìn)入的液體一部分可以沿滑套中心孔往下從下接頭端口流出，另一部分液體可經(jīng)旁通孔反出。

圖8 循環(huán)閥雙通狀態(tài)

3.3 旁通狀態(tài)

此時(shí)，滑套的上循環(huán)孔與旁通孔對(duì)齊，滑套末端中心孔被坐封器堵頭堵住，井口進(jìn)入的液體將從兩側(cè)循環(huán)孔反出。

圖9 循環(huán)閥旁通狀態(tài)

4 關(guān)鍵零部件校核及模擬分析

在鉆井過(guò)程中，由于鉆柱的上體下放，所以連續(xù)循環(huán)閥會(huì)受到鉆柱帶來(lái)的壓力。且這種閥體容易在井下受到扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的切應(yīng)力，所以對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核和流場(chǎng)分析十分重要。針對(duì)殼體部分，用有限元分析進(jìn)行校核[11]。

4.1 天線(xiàn)外筒

4.1.1 軸向載荷、約束及切應(yīng)力

殼體所承受的最大軸向力35.86MPa，兩端施加全約束，載荷均勻分布。取循環(huán)閥所受扭矩為20000N·m。殼體所受切應(yīng)力為1.43MPa。

4.1.2 數(shù)值模擬

運(yùn)用abaqus軟件對(duì)殼體在軸向力和扭矩作用下的受力情況進(jìn)行模擬。施加軸向載荷為500KN，扭矩為20000N·m.數(shù)值模擬結(jié)果如下：

圖10 天線(xiàn)外筒應(yīng)力分布云圖

殼體最大應(yīng)力為37.3MPa，遠(yuǎn)小于40CrNiMo取安全系數(shù)3 的情況下，所得的許用應(yīng)力278MPa。因此，殼體在受軸向載荷和扭矩的情況下，安全性滿(mǎn)足要求。

4.2 控制和電機(jī)外筒

由于控制部分外筒和電機(jī)部分外筒在危險(xiǎn)截面具有相同截面尺寸，故可將二者一起校核。

4.2.1 軸向載荷、約束及切應(yīng)力

殼體所承受的最大軸向力57.66MPa，兩端施加全約束，載荷均勻分布。取循環(huán)閥所受扭矩為20000N·m。殼體所受切應(yīng)力為2.306MPa。

4.2.2 數(shù)值模擬

在軸向載荷為500KN和扭矩為20000N·m共同作用下，數(shù)值模擬結(jié)果如下：

圖11 控制部分外筒應(yīng)力分布云圖

殼體的最大應(yīng)力為5 8.4 M P a，遠(yuǎn)小于278MPa。因此，殼體在受軸向載荷和扭矩的情況下，安全性滿(mǎn)足要求。

4.3下接頭

4.3.1 軸向載荷、約束及切應(yīng)力

殼體所承受的最大軸向力28.34MPa，兩端施加全約束，載荷均勻分布。取循環(huán)閥所受扭矩為20000N·m。殼體所受切應(yīng)力為1.134MPa。

4.3.2 數(shù)值模擬

在軸向載荷為500KN和扭矩為20000N·m共同作用下，數(shù)值模擬結(jié)果如下：

圖12 下接頭應(yīng)力分布云圖

分析可知，下接頭最大應(yīng)力發(fā)生在旁通孔附近，最大應(yīng)力為49.2MPa，該結(jié)果比理論計(jì)算值28.34MPa稍大，可能與流道結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力集中有關(guān)，但理論值與模擬值均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，故殼體安全性滿(mǎn)足要求。

4.4 不同工況下流場(chǎng)分析

為分析RFID循環(huán)閥在不同工作狀態(tài)時(shí)出口流量的變化，分別對(duì)直通、雙通和旁通等三種工況進(jìn)行流場(chǎng)模擬。為方便比較將滑套側(cè)壁循環(huán)孔分別設(shè)置為出口1和出口2，將下接頭出口設(shè)置為出口3。數(shù)值模擬時(shí)，選用 紊流模型，定義介質(zhì)組成為水，其密度為998kg/m3,粘度為0.001Pa·s。采用速度入口，大小設(shè)定為5m/s，出口設(shè)置為壓力，大小為0。

4.4.1 直通狀態(tài)

當(dāng)循環(huán)閥處于直通狀態(tài)時(shí)，滑套側(cè)壁循環(huán)孔被擋住。從滑套中心通孔進(jìn)入的液體，將由下接頭端口流出。經(jīng)數(shù)值模擬，入口流速為5m/s時(shí)，出口3的流速為1.24m/s，出口1和出口2的流速均為0。流道整體速度云圖（流體速度大小的分布）如下：

圖13 旁通狀態(tài)速度云圖

4.4.2 雙通狀態(tài)

處于雙通狀態(tài)時(shí)，從滑套中心通孔進(jìn)入的液體，一部分由下接頭端口流出，另一部分則從滑套側(cè)壁循環(huán)孔反出，液體共有三個(gè)出口，分別為出口1，出口2和出口3。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，入口流速為5m/s時(shí)，出口1流速為0.26m/s，出口2流速為0.21m/s，出口3流速為1.3m/s。流道整體速度云圖如下：

圖14 旁通狀態(tài)速度云圖

4.4.3 旁通狀態(tài)

當(dāng)循環(huán)閥處于旁通狀態(tài)時(shí)，滑套下端被堵住，從滑套中心通孔進(jìn)入的液體，只能從滑套側(cè)壁的循環(huán)孔流出，液體共有兩個(gè)出口，分別設(shè)置為出口1和出口2。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，入口流速為5m/s時(shí)，出口1流速為4.47m/s，出口2流速為4.48m/s，出口3流速為1.3m/s。流道整體速度云圖如下：

圖15 旁通狀態(tài)速度云圖

雙通狀態(tài)與直通狀態(tài)相比，出口1和出2的流速有所增加，出口3的流速變化不大。旁通狀態(tài)時(shí)，出口1和出口2的流速則大幅增加。根據(jù)各出口的流速，可推算出其流量。分析可知循環(huán)閥由直通狀態(tài)切換到雙通狀態(tài)時(shí)，可適量增大循環(huán)閥的循環(huán)量，而當(dāng)調(diào)整到旁通狀態(tài)時(shí)則可獲得最大的循環(huán)量。

5 主要結(jié)論

（1）研發(fā)的基于RFID控制的鉆井循環(huán)閥。由通信單元、控制單元和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元等三部分構(gòu)成。通過(guò)三維建模軟件對(duì)循環(huán)閥各零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型構(gòu)建。實(shí)現(xiàn)了，激活方式上的非接觸方式打開(kāi)和關(guān)閉循環(huán)閥；在控制方式的連續(xù)循環(huán)閥組合中的選擇性單獨(dú)控制；以及三種工作狀態(tài)上的靈活調(diào)節(jié)循環(huán)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和功能。

（2）通過(guò)對(duì)循環(huán)閥不同工況下的流場(chǎng)分析分析表明，在循環(huán)閥處于旁通狀態(tài)時(shí)則可獲得最大的循環(huán)量。

（3）通過(guò)工程分析軟件進(jìn)行分析模擬，理論計(jì)算，數(shù)值模擬等方法對(duì)循環(huán)閥的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了論證，驗(yàn)證了RFID連續(xù)循環(huán)閥整體結(jié)構(gòu)方案的合理性。