0 引言
保溫保壓取心工具是一種能獲取基本保持或接近地層原始溫度和壓力狀態(tài)信息巖心的取心工具，它具有保護井下巖心不受鉆井液污染、物性資料真實等優(yōu)點。當(dāng)巖心筒從井底提升到地面時，巖心內(nèi)儲存的流體、氣體和輕質(zhì)組分等物質(zhì)不會因筒外壓力和溫度的降低而發(fā)生劇烈膨脹和散逸現(xiàn)象，對儲層流體飽和度、儲層壓力、油層相對濕度及油氣水分布規(guī)律等資料保持完整，能真實地反映井底條件下原始地層的物性狀態(tài)。因此，保溫保壓取心技術(shù)獲取的井下地質(zhì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，對常規(guī)油氣田開發(fā)方案的合理制定以及對可燃冰、頁巖氣和致密氣等新能源的開發(fā)具有廣泛的應(yīng)用前景。
保溫保壓取心工具的技術(shù)關(guān)鍵是在完成鉆井取心和割心作業(yè)后，如何高效地密閉所獲取的巖心，保持井下原地的壓力和溫度等地質(zhì)信息參數(shù)。通常采用井下球閥機構(gòu)密封取心內(nèi)筒的方式來實現(xiàn)，對于井下地層壓力大和溫度高的取心井，現(xiàn)場工程實踐中出現(xiàn)球閥關(guān)閉裝置的半滑環(huán)軸銷剪斷及球閥倉破壞等現(xiàn)象，導(dǎo)致球閥在井下工作時關(guān)閉不嚴(yán)或者無法關(guān)閉，從而嚴(yán)重影響井下保溫保壓取心工藝的可靠性，降低了保壓率、密閉率和取心收獲率等技術(shù)指標(biāo)。
筆者在此提出一種井下可轉(zhuǎn)動的球閥機構(gòu)，該機構(gòu)具有動作靈活可靠，取心成功率高的優(yōu)點。保溫保壓取心工具承受的軸向載荷大，井下環(huán)境惡劣，特別是其徑向尺寸受到空間狹窄的限制，部分零件的機械強度安全系數(shù)儲備小，局部工作表面出現(xiàn)了嚴(yán)重壓潰或過度變形情況。擬以某GW194－70BYM型保溫保壓取心工具為對象，采用有限元數(shù)值分析方法，對現(xiàn)行球閥機構(gòu)在典型工作狀態(tài)下的力學(xué)行為進行分析計算，找出其應(yīng)力集中部位和強度薄弱環(huán)節(jié)。該項研究結(jié)果對于指導(dǎo)球閥機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及提高其工作安全性具有重要意義。
1 球閥的工作特點
1.1 取心工具的結(jié)構(gòu)
保溫保壓取心工具由取心鉆頭、內(nèi)外巖心筒總成、球閥總成、氣閥調(diào)節(jié)機構(gòu)、氣室聯(lián)通總成、懸掛總成、滑動機構(gòu)和地面配套處理設(shè)備8大工作單元組成。其中的氣閥調(diào)節(jié)機構(gòu)由高壓氣室、調(diào)節(jié)閥總成和單流閥等組成。高壓氣室用于儲存高壓氮氣，調(diào)節(jié)閥總成是一種用于保持內(nèi)筒壓力恒定的壓力自動補償機構(gòu)。圖1是GW194－70BYM型保溫保壓取心工具球閥總成結(jié)構(gòu)的三維立體模型。
圖1 球閥總成結(jié)構(gòu)的三維立體模型
1.2 球閥的工作特點
保溫保壓取心工具通常采用雙筒單動式取心筒結(jié)構(gòu)，卡箍式巖心爪；其中內(nèi)筒是非旋轉(zhuǎn)的薄壁管，懸掛在開式鉆井液潤滑的軸承座上。該內(nèi)巖心筒既是容納和存貯巖心的容器，也是在割心后需要密閉的腔體。
取心工具下井前，內(nèi)巖心筒充滿密閉液，下端由密閉頭密封。在取心鉆進過程中密閉頭上移，將密閉液從內(nèi)巖心筒中擠出來向下流動，把巖心包封起來，保護入筒巖心免遭鉆井液污染。當(dāng)取心鉆進完成后，上提鉆具，巖心爪卡斷巖心，并把巖心扶正到球閥內(nèi)。在井口投入鋼球使之坐在滑套座上，待鉆井液返出且泵壓正常后，滑套移到預(yù)定位置。此時，外筒在重力作用下，內(nèi)外六方脫開，外筒下移，重力作用在球閥的半滑環(huán)上，半滑環(huán)使球體產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)動扭矩。該扭矩推動球體旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到90°后，球閥關(guān)閉，巖心被密閉在內(nèi)巖心筒中。壓力補償系統(tǒng)中的高壓氣室預(yù)先儲存著高壓氮氣，閥門組機構(gòu)預(yù)先調(diào)到規(guī)定的壓力范圍，在起鉆和隨后的作業(yè)過程中，通過壓力調(diào)節(jié)器恒定地向內(nèi)筒補充壓力，從而維持內(nèi)巖心筒的壓力不變。
綜上可知，井下球閥是一種受控轉(zhuǎn)動的機械式旋轉(zhuǎn)球閥，有2種工作狀態(tài)，即開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。開啟狀態(tài)為常態(tài)，此時，巖心可自動地進入內(nèi)巖心筒。當(dāng)球閥從常態(tài)旋轉(zhuǎn)90°后變成關(guān)閉狀態(tài)，該狀態(tài)時球閥的受力*大，此時，巖心被密封和存貯在內(nèi)巖心筒中。球閥的井下工作內(nèi)壓力一般為30～40MPa，由壓力容器的設(shè)計壓力等級分類可知，該球閥屬于高壓狀態(tài)下工作的產(chǎn)品。
2 球閥的建模
在取心工具井下球閥結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)分析過程中，采用Pro/E軟件制作三維實體模型。把AN-SYS軟件集成在Pro/E軟件中，可從實體模型直接進入有限元力學(xué)分析狀態(tài)，實現(xiàn)實體設(shè)計軟件與分析計算軟件之間的無縫連接。在ANSYS數(shù)值分析中，幾何模型的精度和完整性十分重要。由于ANSYS直接集成于Pro/E之中，由幾何模型向分析模型的轉(zhuǎn)換過程可以在不脫離Pro/E和ANSYS這2款軟件的環(huán)境下交互對話式進行，是一種真正意義上的CAD/CAE一體化分析技術(shù)。
按照球閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖紙，用Pro/E實現(xiàn)各零件的三維造型，用ANSYS9.0軟件進行分析。根據(jù)球閥的結(jié)構(gòu)特點、載荷類型以及分析的需要，選擇Solid95單元。Solid95單元有20個節(jié)點定義，每個節(jié)點有3個自由度（X、Y、Z方向），在空間的方位任意。它具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力，并且提供不同的輸出項；且能夠容不規(guī)則形狀，不會降低**性，特別適合邊界為曲線的實體幾何模型，劃分不規(guī)則物體的網(wǎng)格，計算結(jié)果精度高。
3 球閥零件有限元力學(xué)分析
井下球閥機構(gòu)總成主要由球閥倉、轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)球和球端活塞等元件組成。GW194－70BYM型保溫保壓密閉取心工具設(shè)計的井下原地壓力為p0=35～40MPa，適用于井深4000m以內(nèi)的鉆井取心。以海水深度3200m，泥線以下500～850m可燃冰鉆井取心工況為例進行分析，取原地壓力p=40MPa。
工具材料為42CrMo，抗拉強度極限Rm=1080MPa，屈服強度極限Re=930MPa。斷后伸長率A=12%，斷面收縮率Z=45%，沖擊吸收功Akv=63J。材料彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3。取安全系數(shù)n=1.5，則許用應(yīng)力［σ］=620MPa。
3.1 球閥倉的位移變形和應(yīng)力分布
球閥倉的應(yīng)力分布特性如圖2所示。
圖2 球閥倉的應(yīng)力分布特性
球閥倉的數(shù)值分析計算與實物破壞的比較如圖3所示。
圖3 球閥倉的數(shù)值分析計算與實物破壞的比較
3.2 轉(zhuǎn)軸的位移變形和應(yīng)力分布
轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力分布與變形情況如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力分布與變形
3.3 旋轉(zhuǎn)球體的位移變形和應(yīng)力分布
旋轉(zhuǎn)球體的應(yīng)力分布與變形情況如圖5所示。
圖5 旋轉(zhuǎn)球體的應(yīng)力分布與變形
3.4 球閥零件的局部*大應(yīng)力值與變形值
在井下原地壓力p=40MPa時，球閥零件在井下工作的*大局部應(yīng)力與變形情況如表1所示。
表1 球閥零件的*大局部應(yīng)力與變形
從表中可以得出，球閥倉、轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)球體的剛度均高于需求；球閥倉部分材料已進入屈服狀態(tài)，應(yīng)對轉(zhuǎn)軸的支撐部分增強；轉(zhuǎn)軸存在局部應(yīng)力集中，應(yīng)改進幾何形狀變化時的過渡連接方式。
4 結(jié)論
以現(xiàn)行GW194－70BYM型保溫保壓密閉取心工具為例，介紹了保溫保壓密閉取心工具球閥總成的工作原理及力學(xué)性能的有限元分析方法，得到以下結(jié)論：
（1）轉(zhuǎn)軸在軸徑變化的地方存在著較嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)對幾何形狀進行改進或調(diào)整，宜通過采用過渡連接方式或適當(dāng)增粗直徑的方法進行解決；
（2）球閥倉在轉(zhuǎn)軸的支撐處因結(jié)構(gòu)不對稱，在左上耳和右上耳部位的局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料抗拉強度極限，出現(xiàn)局部屈服的現(xiàn)象，降低了總體強度，需要增大左上耳和右上耳部位的幾何尺寸；
（3）球閥倉的應(yīng)力和變形數(shù)值計算結(jié)果與實物在40MPa工作內(nèi)壓下室內(nèi)實測數(shù)據(jù)非常接近；
（4）對球閥各零件的力學(xué)分析計算結(jié)論，與現(xiàn)行球閥機構(gòu)經(jīng)井下實際使用后的數(shù)據(jù)資料符合良好，這為球閥機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和改進提供了重要的參考數(shù)據(jù)。
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