連續(xù)油管防噴器閘板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭雪，叢恩會(huì)，張賀臣，屈志明

連續(xù)油管防噴器閘板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭雪，叢恩會(huì)，張賀臣，屈志明

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 滄州 062552）

為提高井控安全設(shè)備的使用性能，針對連續(xù)油管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用過程中的特殊性，對連續(xù)油管閘板防噴器的核心部件——管柱密封閘板總成的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中包括閘板前端導(dǎo)向塊厚度、導(dǎo)向角度，底部導(dǎo)向槽的結(jié)構(gòu)尺寸以及與閘板總成配合的導(dǎo)向桿的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證閘板防噴器密封可靠性的同時(shí)，避免了在進(jìn)行管柱密封過程中對閘板總成和連續(xù)油管造成損傷。經(jīng)導(dǎo)向試驗(yàn)證實(shí)，優(yōu)化后的管柱密封閘板總成的導(dǎo)向能力有大幅提高，增強(qiáng)了連續(xù)油管閘板防噴器的安全可靠性。

連續(xù)油管；閘板防噴器；閘板體；導(dǎo)向桿；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著我國石油產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，連續(xù)油管作業(yè)憑借其成本低、安全高效、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，解決了許多常規(guī)開采作業(yè)技術(shù)難以解決的問題，在鉆井、修井、完井、油氣開發(fā)等作業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-5]。

隨著連續(xù)油管技術(shù)的發(fā)展，與之相配套的井控裝備也發(fā)展迅速[6-9]。連續(xù)油管閘板防噴器作為保證作業(yè)安全的核心裝置，具有封閉井口、密封、懸掛、剪切等功能，在出現(xiàn)井噴、井涌等緊急情況時(shí)，為控制井內(nèi)壓力提供安全保障。根據(jù)作業(yè)井深的要求，一卷連續(xù)油管通常幾百甚至幾千米長，作業(yè)過程中需要導(dǎo)向器支撐其質(zhì)量并引導(dǎo)連續(xù)油管進(jìn)入或?qū)С鲎⑷腩^[10-12]。由于連續(xù)油管自身撓度大、長度長的特點(diǎn)[13-14]，導(dǎo)致雖有扶正機(jī)構(gòu)，但無法保證其在防噴器通徑內(nèi)部閘板密封位置居中，在作業(yè)過程中油管發(fā)生偏移，甚至有較大側(cè)向力的情況比較普遍。因此，對閘板防噴器的關(guān)鍵部件管柱閘板的導(dǎo)向性能較以往提出了更高的要求[15-16]。本文以5 1/8-10000連續(xù)油管閘板防噴器為例，對閘板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 管柱閘板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 閘板體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)優(yōu)化

連續(xù)油管閘板防噴器的管柱閘板總成位于防噴器內(nèi)部閘板腔內(nèi)部，主要包括閘板體、前密封、頂密封三個(gè)零件，閘板體前端有導(dǎo)向塊，底部有導(dǎo)向槽，如圖1所示。

圖1 管柱閘板總成示意圖

在關(guān)閉過程中，由主液缸關(guān)腔進(jìn)液壓油推動(dòng)活塞帶動(dòng)閘板總成向通徑中心移動(dòng)，此時(shí)閘板體前端上、下兩側(cè)導(dǎo)向塊將管柱導(dǎo)入前密封中心孔，推擠橡膠抱緊管柱實(shí)現(xiàn)密封，如圖2所示。閘板體前端導(dǎo)向塊的結(jié)構(gòu)直接影響到閘板體的導(dǎo)向能力。

1.1.1 導(dǎo)向塊厚度優(yōu)化

閘板體前端導(dǎo)向塊的厚度對其自身強(qiáng)度和閘板體承受井壓的能力都會(huì)產(chǎn)生影響。導(dǎo)向塊越厚，閘板另一側(cè)導(dǎo)向槽深度就越深，導(dǎo)致閘板體前密封槽與導(dǎo)向槽相交處厚度越小，會(huì)降低閘板體承受井壓的能力。因此，需優(yōu)化出合適的導(dǎo)向塊厚度，在保證閘板體密封可靠性的前提下，提高閘板體導(dǎo)向塊的強(qiáng)度及導(dǎo)向能力。

建立閘板體的三維模型，并導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行分析計(jì)算。在閘板體承受69 MPa的額定工作壓力下，對不同厚度導(dǎo)向塊的閘板體進(jìn)行有限元計(jì)算。閘板體力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度R0.2≥517 MPa，抗拉強(qiáng)度R≥655 MPa，延伸率18%。

圖2 閘板導(dǎo)向過程示意圖

由于閘板體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元對閘板體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用局部網(wǎng)格細(xì)化的方式。單元格平均長度4 mm。采用彈性模型，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 閘板體有限元模型

應(yīng)用相同方法對不同厚度導(dǎo)向塊的閘板體危險(xiǎn)截面的應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。閘板體應(yīng)力強(qiáng)度校核參照API 6A中引用API 6X的校核準(zhǔn)則要求，許用應(yīng)力值S＝2/3R0.2，薄膜加彎曲應(yīng)力許用值P＋P≤1.5S。

表1 在額定井壓下閘板體危險(xiǎn)截面A－B的應(yīng)力對比

由表1可以看出，在導(dǎo)向塊厚度達(dá)到33 mm時(shí)，薄膜應(yīng)力和點(diǎn)的薄膜加彎曲應(yīng)力值均超過許用值，有發(fā)生閘板體變形、密封失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此選定導(dǎo)向塊厚度為28 mm。

在導(dǎo)向塊厚度為28 mm時(shí)，閘板體在額定井壓下的Mises應(yīng)力分析結(jié)果云圖如圖4所示，可以看出，最大應(yīng)力值為661.1 MPa，位于閘板體與殼體通徑相貫線接觸位置，危險(xiǎn)截面－的薄膜應(yīng)力為222.3 MPa，點(diǎn)和點(diǎn)的薄膜與彎曲應(yīng)力和分別為264.7 MPa和413.4 MPa，均小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

圖4 額定井壓下閘板體Mises應(yīng)力分析結(jié)果

1.1.2 導(dǎo)向角度優(yōu)化

所需密封管柱在側(cè)向力的作用下貼緊通徑邊緣的極限位置時(shí)，導(dǎo)向塊在導(dǎo)向過程中的受力分析如圖5所示。

F為主液缸推力，kN；Fτ為主液缸推力沿油管外圓切向分力，kN；Fd為主液缸推力沿油管外圓徑向分力，kN；Fdx、Fτx為Fτ、Fd沿x軸方向的分力，kN；α為導(dǎo)向塊前端傾角，（°）。

推導(dǎo)出極限位置的關(guān)系式為：

＝·cos（2）

F＝·sin（3）

F＝·sin（4）

F＝F·cos（5）

式中：為主液缸直徑，mm；為液控關(guān)閉壓力，MPa。

當(dāng)切向分力大于導(dǎo)向塊與管柱的靜摩擦力時(shí)，管柱將沿導(dǎo)向塊前端斜面滑動(dòng)，此時(shí)推力的切向分力等于滑動(dòng)摩擦力，則：

F＝μF（6）

F＝μF·sin＝(sin)2（7）

F＝·sin·cos（8）

＝F－F＝·sin(cos－sin) （9）

式中：為摩擦系數(shù)；為導(dǎo)向塊產(chǎn)生的沿軸方向的推力，即徑向推力，kN。

在相同液控壓力21 MPa下，可以計(jì)算出不同導(dǎo)向塊前端傾角能產(chǎn)生的徑向推力值，得出二者的關(guān)系曲線，如圖6所示。可以看出，在為40°～55°時(shí)，在相同液控壓力下，產(chǎn)生的徑向推力較大，且在此范圍內(nèi)的角度改變對徑向推力影響相對較小。

結(jié)合上述分析結(jié)果，在相同液缸推力下，管柱在通徑邊緣極限位置時(shí)，對前端傾角的導(dǎo)向塊進(jìn)行強(qiáng)度分析，建立2 3/8"管柱和導(dǎo)向塊的二維有限元分析模型，如圖7所示。當(dāng)分別為40°、45°、50°、55°時(shí)，分析導(dǎo)向塊和管柱的應(yīng)力情況。

在相同液控推力下，多種前端傾角導(dǎo)向塊的Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果曲線如圖8所示。可以看出，隨著導(dǎo)向塊前端傾角的增加，導(dǎo)向塊的Mises應(yīng)力值相應(yīng)提高。因此為保證導(dǎo)向塊的強(qiáng)度可靠性，選定＝40°。

圖7 導(dǎo)向塊前端傾角的有限元分析模型

圖8 導(dǎo)向塊的Mises應(yīng)力結(jié)果曲線

經(jīng)多次加載計(jì)算得出，在最大可提供14 kN的徑向推力的情況下，導(dǎo)向塊的Mises應(yīng)力云圖如圖9所示，最大應(yīng)力值476.7 MPa，位于與管柱接觸位置，管柱的最大應(yīng)力為179.8 MPa，均不超過閘板體和油管的屈服強(qiáng)度517 MPa和620 MPa，不會(huì)發(fā)生塑性變形。

圖9 40°導(dǎo)向塊Mises應(yīng)力云圖

1.2 導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

導(dǎo)向桿采用螺紋連接結(jié)構(gòu)固定在側(cè)門上，前端伸入防噴器閘板腔內(nèi)閘板體底部導(dǎo)向桿槽內(nèi)，用來約束閘板體在閘板軸向的旋轉(zhuǎn)自由度，克服閘板體在導(dǎo)向管柱過程中前端導(dǎo)向塊受力時(shí)產(chǎn)生的扭矩。導(dǎo)向桿和閘板體的位置關(guān)系如圖10和圖11所示。

圖10 改進(jìn)后導(dǎo)向桿示意圖

圖11 導(dǎo)向桿和閘板體的三維有限元模型

1.2.1 導(dǎo)向桿直徑的確定

導(dǎo)向桿直徑由閘板體底部導(dǎo)向槽深度決定。由于閘板腔內(nèi)空間受限，在保證閘板總成密封井壓可靠性的前提下，根據(jù)閘板體外徑尺寸和側(cè)門導(dǎo)向桿螺紋位置，導(dǎo)向桿直徑尺寸最大可設(shè)計(jì)為18 mm。并且將閘板體底部導(dǎo)向桿槽設(shè)計(jì)為雙槽結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

1.2.2 導(dǎo)向桿強(qiáng)度校核

導(dǎo)向桿的直徑為18 mm，長度為168 mm，力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度R0.2≥725 MPa，抗拉強(qiáng)度R≥862 MPa，延伸率為16%。

為模擬在閘板體前端導(dǎo)向塊受到徑向推力時(shí)導(dǎo)向桿的受力情況，建立導(dǎo)向桿和閘板體的三維模型，導(dǎo)入有限元軟件，并且采用剛性體模擬閘板腔體，導(dǎo)向桿采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元長度2 mm，共劃分9273個(gè)節(jié)點(diǎn)、8044個(gè)單元格，如圖11所示。

由于導(dǎo)向桿在閘板體對管柱進(jìn)行導(dǎo)向時(shí)受力情況較惡劣，在閘板體導(dǎo)向塊前端施加14 kN徑向力，對閘板腔剛性體施加全約束，在導(dǎo)向桿與側(cè)門連接螺紋處施加位移約束，在閘板腔剛性體和閘板體、閘板體和導(dǎo)向桿之間建立接觸約束。

導(dǎo)向桿有限元計(jì)算結(jié)果如圖12所示，導(dǎo)向桿最大應(yīng)力位于導(dǎo)向桿與側(cè)門固定端外圓處，值為667.9 MPa，未超過材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生塑性變形。在徑向推力不超過14 kN時(shí)，導(dǎo)向桿滿足強(qiáng)度要求。

圖12 導(dǎo)向桿Mises應(yīng)力云圖

綜上所述，改進(jìn)后導(dǎo)向桿直徑18 mm，在單個(gè)閘板體導(dǎo)向塊承載徑向推力不超過14 kN時(shí)，不會(huì)損傷導(dǎo)向桿。由于閘板體導(dǎo)向時(shí)兩個(gè)閘板體同時(shí)作用，因此管柱在通徑極限位置所受徑向推力不超過28 kN時(shí)，不會(huì)損傷導(dǎo)向桿。如徑向推力超過28 kN，可能導(dǎo)致導(dǎo)向桿變形或損傷。

2 管柱閘板導(dǎo)向試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

采用5 1/8-10000連續(xù)油管閘板防噴器內(nèi)裝2 3/8"半封閘板總成，對通徑內(nèi)部的連續(xù)油管加載側(cè)向力使其緊貼通徑內(nèi)壁。然后關(guān)閉閘板，依靠閘板體導(dǎo)向塊對油管進(jìn)行導(dǎo)向居中操作。試驗(yàn)過程中，逐級(jí)增加側(cè)向力，并記錄各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

試驗(yàn)采用優(yōu)化前后的2 3/8"閘板總成各一付，分別進(jìn)行試驗(yàn)，并對比分析試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)方案

采用導(dǎo)向試驗(yàn)裝置連接在5 1/8-10000防噴器殼體側(cè)法蘭位置，用液控壓力關(guān)閉導(dǎo)向試驗(yàn)裝置，為2 3/8"油管提供側(cè)向力，使其緊貼在防噴器主通徑壁上。

導(dǎo)向試驗(yàn)裝置關(guān)閉油路一側(cè)連接有蓄能器和壓力表，蓄能器可保證在油管被導(dǎo)向過程中側(cè)向力的穩(wěn)定性，壓力表可精確讀取實(shí)際的關(guān)閉壓力，用以計(jì)算出側(cè)向力值。

試驗(yàn)過程中采用多次逐步增加側(cè)向力的方式加載。在側(cè)向力加載完成后，逐步升高防噴器關(guān)閉壓力關(guān)閉閘板，觀察油管是否被導(dǎo)向居中，并記錄試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述方案進(jìn)行閘板總成導(dǎo)向密封試驗(yàn)，試驗(yàn)過程照片如圖13所示，兩種導(dǎo)向塊厚度的閘板導(dǎo)向密封試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖13 試驗(yàn)過程照片

可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的閘板體，在油管側(cè)向力為15 kN時(shí)，雖成功導(dǎo)向，但閘板體和油管均發(fā)生了明顯變形和刮傷；結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的閘板體，在油管側(cè)向力為32 kN時(shí)，閘板體和油管發(fā)生變形和刮傷。

表2 2 3/8"閘板體優(yōu)化前后導(dǎo)向塊導(dǎo)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

3 結(jié)論

在閘板總成原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為保證閘板體承壓強(qiáng)度，通過對比分析不同厚度導(dǎo)向塊的閘板體在額定井壓69 MPa時(shí)的應(yīng)力結(jié)果，選定導(dǎo)向塊厚度為28 mm。通過分析導(dǎo)向塊前端傾角和徑向推力的關(guān)系曲線，以及對不同前端傾角導(dǎo)向塊的強(qiáng)度分析對比曲線，優(yōu)化選定導(dǎo)向塊前端傾角為40°。充分利用閘板腔內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)空間，優(yōu)化導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)導(dǎo)向桿直徑為18 mm，閘板體底部導(dǎo)向桿槽設(shè)計(jì)為雙槽結(jié)構(gòu)。

將優(yōu)化前后的閘板體分別進(jìn)行導(dǎo)向試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不使油管和閘板體產(chǎn)生刮傷、壓痕和變形的前提下，優(yōu)化后的閘板體導(dǎo)向能力較優(yōu)化前提高了兩倍以上。

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Optimization Design of Ram Guide Structure for Coiled Tubing BOP

GUO Xue，CONG Enhui，ZHANG Hechen，QU Zhiming

(Rongsheng Machinery Manufacture Ltd. of Huabei Oilfield, Cangzhou 062552, China )

To improve the performance of the well control safety equipment, considering the particularity of coiled tubing during the process of structural design and actual use, the guide structure of pipe ram assembly which serves as the core component of the coiled tubing ram BOP is optimized from the aspects of the ram front guide block thickness, the guide angle, the structural size of the bottom guide groove and the structural size of the guide rod fitted with the ram assembly, which ensures the sealing reliability and avoids the damage to the tubing. The guiding test proves that the guiding ability of the optimized pipe ram assembly is greatly improved, which enhances the safety and reliability of coiled tubing BOP.

coiled tubing；ram bop；ram body；guide rod；optimization design

TE242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.003

1006-0316 (2023) 01-0014-06

2022-05-05

郭雪（1983－），女，遼寧法庫人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事防噴器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和力學(xué)分析計(jì)算工作，E-mail：guoxuesnow@sina.com。