“半浮動(dòng)”取心保壓球閥的設(shè)計(jì)研究

劉合 ，溫鵬云 ，宋微 ，董康興 ，王素玲 ?

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

保壓取心技術(shù)作為目前最前沿的鉆井取心技術(shù)，可以將巖心保持在原始地應(yīng)力狀態(tài)下取出，獲得儲(chǔ)層信息的第一手資料［1-3］，是實(shí)現(xiàn)老油田剩余油精細(xì)挖潛、非常規(guī)油氣儲(chǔ)藏地質(zhì)描述及向深層探索的關(guān)鍵［4-5］.我國(guó)自20 世紀(jì)70 年代起，涌現(xiàn)出了大慶油田、浙江大學(xué)、中石化勝利石油工程研究院等一批致力于保壓取心技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)［6-9］.現(xiàn)有工具可以獲取直徑80 mm巖心，額定保壓能力達(dá)到60 MPa，相較于國(guó)外，在保壓能力及巖心直徑等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面尚存在明顯差距，這成為我國(guó)油氣行業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重掣肘［10-12］.同時(shí)《中國(guó)“十四五”規(guī)劃》中指出要加快深海、深層和非常規(guī)油氣資源利用，推動(dòng)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)，在此背景下，大力發(fā)展保壓取心技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)的重中之重［13-14］.

球閥，配合儲(chǔ)心筒實(shí)現(xiàn)巖心原位壓力保持，其保壓能力是保壓取心技術(shù)發(fā)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(guān)鍵因素［15-18］.現(xiàn)行保壓球閥普遍為機(jī)械式固定球閥［19-21］，受限于井下空間狹小，轉(zhuǎn)軸承壓能力成為制約保壓能力提升的關(guān)鍵；機(jī)械控制方式難以避免巖屑、泥、沙石等雜物進(jìn)入儲(chǔ)心筒，阻礙巖心進(jìn)入［22］.基于以上問(wèn)題，提出了一種“半浮動(dòng)”取心保壓球閥設(shè)計(jì)方案.“半浮動(dòng)”承壓結(jié)構(gòu)改變了球閥承壓位置，通過(guò)閥座承載高壓，顯著提高了球閥保壓能力，配合主被動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，提升了球閥的保壓成功率；氣動(dòng)控制方式保證球閥啟閉可控，提升了巖心質(zhì)量及取心收獲率.

1 “半浮動(dòng)”球閥結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 “半浮動(dòng)”球閥結(jié)構(gòu)

“半浮動(dòng)”取心保壓球閥由預(yù)緊彈簧、軟密封座、閥座、閥體、氣輪軸、氣輪蓋螺釘、自鎖結(jié)構(gòu)及氣輪蓋組成，其結(jié)構(gòu)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(nèi)筒；預(yù)緊彈簧及軟密封座安裝在閥座內(nèi)形成閥體前密封端，其與保壓內(nèi)筒配合保證球閥在低壓狀態(tài)下仍具有良好的密封性；氣輪軸安裝在閥座氣輪槽內(nèi)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)孔及螺釘孔，注氣孔用于氣體注入，推動(dòng)氣輪軸旋轉(zhuǎn)，自鎖結(jié)構(gòu)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(dòng)”取心保壓球閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of "semi-floating" coring and pressuremaintaining ball valve

1.2 工作原理

關(guān)閉球閥，將保壓取心工具下入到井底進(jìn)行取心作業(yè)；球閥工作原理如圖2 所示，巖心逐漸進(jìn)入取心工具底孔到傳感器監(jiān)測(cè)到巖心位置時(shí)，控制系統(tǒng)控制電磁閥1 開(kāi)啟，氣體通過(guò)氣輪蓋上的注氣孔進(jìn)入，推動(dòng)氣輪軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)球閥開(kāi)啟，一定時(shí)間后電磁閥1 關(guān)閉；隨著工具下行，巖心逐漸進(jìn)入儲(chǔ)心筒，取得所需長(zhǎng)度巖心后，差動(dòng)裝置動(dòng)作實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒差動(dòng)，帶動(dòng)割心裝置上行割斷巖心；當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到井底巖柱脫離球閥中孔時(shí)，控制系統(tǒng)控制電磁閥2 開(kāi)啟，氣體推動(dòng)氣輪軸反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)球閥關(guān)閉密封，一定時(shí)間后電磁閥2關(guān)閉.

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

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由注氣孔、葉輪、氣動(dòng)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(gè)密閉空腔，即氣動(dòng)軌道，葉輪葉片在氣動(dòng)軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥體動(dòng)作；該結(jié)構(gòu)中氣動(dòng)軌道及葉輪葉片皆為定角度扇形件，保證轉(zhuǎn)軸及球閥最大旋轉(zhuǎn)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(tǒng)連接；當(dāng)傳感器接收到信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)控制電磁閥開(kāi)啟，氣體通過(guò)注氣孔注入預(yù)加載槽中，推動(dòng)葉輪葉片旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥體的啟閉控制；閥體開(kāi)啟與關(guān)閉狀態(tài)如圖4所示.

圖3 氣動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)”承壓結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有球閥分為固定球閥及浮動(dòng)球閥兩種.固定球閥有上下兩根閥桿固定閥體，閥體相對(duì)于閥座不發(fā)生位移；浮動(dòng)球閥只有上閥桿，球體可以發(fā)生輕微的位移［23-24］.本球閥中設(shè)計(jì)了一種“半浮動(dòng)”結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，其主要由氣動(dòng)葉片的矩形軸端及閥體的矩形槽組成；在球閥開(kāi)啟時(shí)，不發(fā)生位移，當(dāng)球閥關(guān)閉后，在預(yù)緊力作用下球閥可以相對(duì)閥座下行，發(fā)生微量位移，保證閥體可以緊密貼合在閥座承壓面上，通過(guò)閥座來(lái)承受儲(chǔ)心筒內(nèi)的高壓，顯著增強(qiáng)了球閥的保壓能力，其工作過(guò)程如圖6所示.

圖5 “半浮動(dòng)”承壓結(jié)構(gòu)Fig.5 "Semi-floating" pressure-bearing structure

圖6 “半浮動(dòng)”承壓結(jié)構(gòu)工作示意圖Fig.6 Working diagram of "semi-floating" pressure-bearing structure

2.3 密封結(jié)構(gòu)

“半浮動(dòng)”球閥采用主被動(dòng)密封結(jié)構(gòu)對(duì)球閥進(jìn)行密封保壓［25-26］，主要由預(yù)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(chǔ)心筒壓緊預(yù)緊彈簧實(shí)現(xiàn)球閥的主動(dòng)預(yù)緊密封，保證球閥在低壓狀態(tài)下仍具有良好的密封性；當(dāng)密封腔室內(nèi)處于高壓狀態(tài)時(shí)，密封座在流體高壓下壓緊閥體，實(shí)現(xiàn)球閥的被動(dòng)密封.密封座外表面加裝3 道密封圈，保證氣體不會(huì)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(yù)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(jié)構(gòu)Fig.7 Ball valve sealing structure

3 球閥扭矩計(jì)算

3.1 “半浮動(dòng)”球閥扭矩計(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn)球閥的順利啟閉是保壓裝置成功保壓的關(guān)鍵.因此，需要計(jì)算球閥在其額定工作壓力下的旋轉(zhuǎn)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(nèi)流體壓力，本設(shè)計(jì)中取70 MPa；S1、S2分別為浮動(dòng)支座及密封圈的橫截面積；P0為余隙平均壓力；qmin為預(yù)緊所必需的最小比壓；d1為浮動(dòng)支座外徑；u0為橡膠對(duì)金屬的摩擦系數(shù)；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(shù)；dT為閥桿直徑；d01為閥桿O型圈橫截面直徑.

根據(jù)計(jì)算得出球閥啟閉總扭矩M為53.3N?m，當(dāng)氣體傳遞給轉(zhuǎn)軸的扭矩大于53.3N?m 時(shí)，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(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)球閥啟閉控制，因此用取心工具進(jìn)行取心作業(yè)時(shí)需要攜帶高壓氣源入井；計(jì)算出推動(dòng)球閥旋轉(zhuǎn)所需的最小氣體壓力，保證攜帶充足壓力的氣源入井是實(shí)現(xiàn)球閥成功啟閉的關(guān)鍵.葉輪上葉片的面積是影響氣體壓力的關(guān)鍵因素，對(duì)葉輪受力面積分析如圖8 所示，圖8（a）為葉輪的結(jié)構(gòu)圖，葉輪共有兩個(gè)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(jù)上文所計(jì)算出的球閥啟閉總扭矩M，對(duì)葉輪進(jìn)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(dòng)球閥旋轉(zhuǎn)所需的最小氣體壓力；S為單個(gè)葉片的面積；h為葉片的重心高度.

計(jì)算得出Pmin≥5.75 MPa，即推動(dòng)球閥旋轉(zhuǎn)所需的最小氣體壓力為5.75 MPa，同時(shí)考慮氣體用量及氣體壓力隨儲(chǔ)量減少逐漸降低的情況，因此在取心工具進(jìn)行取心作業(yè)時(shí)，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(xiàn)行保壓取心球閥普遍為固定球閥，其通過(guò)轉(zhuǎn)軸來(lái)承載工作介質(zhì)高壓.“半浮動(dòng)”球閥提供了一種新的思路，對(duì)承壓位置及控制方式進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)閥球與閥座的弧形接觸面來(lái)承載保壓筒內(nèi)的工作壓力.對(duì)比分析兩種球閥承壓能力，對(duì)處于關(guān)閉狀態(tài)的兩種球閥進(jìn)行仿真分析，分別施加10 MPa、30 MPa、50 MPa、70 MPa的介質(zhì)壓力，分析兩種球閥在不同介質(zhì)壓力下的最大應(yīng)力.

將兩種球閥受力模型簡(jiǎn)化，球閥材料都選用42GrMo，其抗拉強(qiáng)度極限Rm=1 080MPa，屈服強(qiáng)度極限Re=930MPa，取安全系數(shù)n=1.1，則許用應(yīng)力[σ]=845.5 MPa［27］.固定球閥閥體、閥座接觸面及“半浮動(dòng)”球閥閥體、閥座接觸面均設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.2，主體網(wǎng)格劃分尺寸皆為5 mm，對(duì)接觸面、轉(zhuǎn)軸軸孔等處進(jìn)行網(wǎng)格加密，劃分尺寸為0.5 mm.分析得到兩種球閥在不同介質(zhì)壓力下的閥體、閥座的應(yīng)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(shí)，其最大應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了材料許用應(yīng)力；閥座在30 MPa 工作壓力下最大應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了材料許用應(yīng)力.而“半浮動(dòng)”球閥閥體及閥座在70 MPa 壓力下，最大應(yīng)力值皆小于材料許用應(yīng)力，承壓能力優(yōu)良.

圖9 不同壓力下閥體應(yīng)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(yīng)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(yīng)力對(duì)比圖.由圖可知，在介質(zhì)壓力為70 MPa 時(shí)，固定球閥閥體及閥座最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到近2 000 MPa，遠(yuǎn)超材料許用應(yīng)力；而“半浮動(dòng)”球閥閥體及閥座在70 MPa 時(shí)最大應(yīng)力小于800 MPa，承壓性能明顯優(yōu)于固定球閥，承壓能力顯著提升.

圖11 閥體最大應(yīng)力對(duì)比圖Fig.11 Valve body maximum stress comparison chart

圖12 閥座最大應(yīng)力對(duì)比圖Fig.12 Valve seat maximum stress comparison chart

5 結(jié)論

1）研究設(shè)計(jì)了一種新型取心保壓球閥，提出了氣動(dòng)啟閉的新型井下球閥控制方式，增強(qiáng)了球閥的靈活性；創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了“半浮動(dòng)”承壓結(jié)構(gòu)，打破了現(xiàn)有球閥利用轉(zhuǎn)軸承壓的常態(tài)，通過(guò)閥座來(lái)承載高壓，與密封結(jié)構(gòu)配合，顯著增強(qiáng)了球閥的保壓能力，為現(xiàn)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(duì)“半浮動(dòng)”球閥扭矩及推動(dòng)閥體轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小氣體壓力進(jìn)行了計(jì)算，保證了球閥啟閉可行性，為“半浮動(dòng)”球閥的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

3）對(duì)固定球閥及“半浮動(dòng)”球閥閥體、閥座兩個(gè)主要承壓部件進(jìn)行了有限元對(duì)比分析.研究表明在70 MPa介質(zhì)壓力下，“半浮動(dòng)”球閥閥體、閥座最大應(yīng)力小于800 MPa，小于材料許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.