黎　偉， 雷鴻翔， 楊　博， 黎宗琪， 李　斌

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué) 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610500；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司， 四川 成都 610051)

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井下防噴器的設(shè)計及實(shí)驗(yàn)研究

黎偉1，2， 雷鴻翔1，2， 楊博1，2， 黎宗琪3， 李斌3

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué) 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610500；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司， 四川 成都 610051)

為了提高鉆井作業(yè)的安全性，保證井底發(fā)生溢流后能迅速可靠封隔環(huán)空、方便后續(xù)壓井作業(yè)，設(shè)計了一種安裝在近鉆頭端的井下防噴器，對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹.通過建立井下防噴器中推塊機(jī)構(gòu)的受力模型，分析了推塊對管柱的反作用力與推塊錐面角和碟簧變形量之間的關(guān)系.對花鍵進(jìn)行了強(qiáng)度校核，使用有限元軟件對不同厚度和硬度的膠筒的封隔能力進(jìn)行了分析，同時進(jìn)行了井下防噴器的室內(nèi)實(shí)驗(yàn).研究結(jié)果表明：當(dāng)單個碟簧的變形量為0.2 mm、推塊的錐面角度為45°時，單個推塊可對鉆柱產(chǎn)生2.2 kN的反作用力，設(shè)計值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近；當(dāng)鉆柱扭矩達(dá)到45 000 N·m，花鍵的擠壓應(yīng)力仍在許用應(yīng)力范圍內(nèi)；在壓縮量和封隔間隙相同的情況下，膠筒的寬度越寬、硬度越大，封隔能力越強(qiáng)，且膠筒硬度越大，需要的下壓力也越大.研究結(jié)果對井下防噴器的設(shè)計具有一定指導(dǎo)作用.

井下防噴器； 推塊； 膠筒； 封隔能力

隨著油氣勘探開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，油氣鉆探逐漸朝著深井、超深井方向發(fā)展[1].在深井鉆探中鉆遇高壓油氣或裂縫性油氣藏等壓力敏感地層機(jī)率逐漸增多，而傳統(tǒng)的井口防噴裝置在此種井況下可能難以勝任，會導(dǎo)致嚴(yán)重溢流或井噴失控事故[2].傳統(tǒng)井口防噴裝置的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在2個方面：1)反應(yīng)比較滯后，當(dāng)井口發(fā)現(xiàn)溢流實(shí)施關(guān)井后，鉆井泥漿內(nèi)已經(jīng)侵入了大量的高壓氣體，會使套壓逐漸升高；2)關(guān)井后的壓井作業(yè)比較困難，因?yàn)榫诃h(huán)空已經(jīng)封隔，要進(jìn)行泥漿替換就只能采用高壓泥漿泵或者壓裂泵，壓井作業(yè)周期長，成本高，井控風(fēng)險大.井下防噴器因其直接安裝在井下近鉆頭端，在溢流快速預(yù)警系統(tǒng)的幫助下，能在第一時間內(nèi)將高壓油氣憋在井下，避免高壓油氣向上運(yùn)移，同時它在封隔環(huán)空后還能在封隔上方重新聯(lián)通鉆桿內(nèi)部和環(huán)空，建立新的循環(huán)通道，為準(zhǔn)確快速的壓井作業(yè)提供方便.

國外關(guān)于井下防噴器的研究起始于20世紀(jì)80年代[3].1991年，挪威科學(xué)家Sangesland和Sivertsen設(shè)計了一種提升閥式井下防噴器，并研制了試驗(yàn)樣機(jī)[4]；2001年，Andersen和Sivertsen進(jìn)一步對提升閥式井下防噴器作了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[5]；2008年，美國科學(xué)家James申請了一項(xiàng)打壓式井下防噴器專利[6].近年來國內(nèi)對井下防噴器的關(guān)注度逐漸提高，部分高校和科研機(jī)構(gòu)開展了井下防噴器的設(shè)計和研究.2010年，王國榮和劉清友等申請了一項(xiàng)機(jī)械式井下內(nèi)外一體防噴器專利[7]；2012年，楊啟明和羅雨雷等設(shè)計了一種鉆柱內(nèi)井下防噴器，對設(shè)計結(jié)構(gòu)、防噴過程及解封原理進(jìn)行了介紹[8].本文提出了一種通過下放和上提鉆柱實(shí)現(xiàn)環(huán)空防噴、建立循環(huán)通道和解封功能的井下防噴器，該防噴器結(jié)構(gòu)簡單，膠筒坐封和解封迅速，有較高的應(yīng)用價值.

1　井下防噴器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1井下防噴器的功能要求

井下防噴器需要滿足以下3個功能[9]：

1)當(dāng)井下發(fā)生溢流時能迅速可靠封隔環(huán)空，如圖1(a)所示；

2)封隔環(huán)空后能建立新的循環(huán)通道便于后續(xù)壓井工作，如圖1(b)所示；

3)完成壓井后能進(jìn)行解封并繼續(xù)鉆進(jìn)，如圖1(c)所示.

圖1　井下防噴器三大功能Fig.1　Three functions of downhole blow-out preventer

1.2井下防噴器結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的井下防噴器主要由上接頭、碟簧、推塊、上/下外套筒、膠筒上/下?lián)醐h(huán)、內(nèi)套筒、中心管、下接頭等零部件組成.各零部件的安裝位置及連接關(guān)系如圖2所示，下接頭、下外套筒、中心管之間通過螺紋連接，膠筒與膠筒的上/下接頭在加工過程中硫化為一個整體，膠筒的上/下接頭與上/下外套筒通過銷釘連接.上接頭、上外套筒和內(nèi)套筒之間通過螺紋連接，內(nèi)套筒與下外套筒通過花鍵配合(如圖2中端面B-B所示)，三者可在軸向力作用下沿中心管軸向滑動一定距離.各零部件之間安裝有密封圈，可防止井下防噴器內(nèi)外壓力串通.

1.3井下防噴器工作原理

井下防噴器兩端配接鉆柱，在正常鉆井過程中扭矩通過上接頭—上外套筒—內(nèi)套筒—下外套筒—下接頭依次傳遞，孔A與孔B處于錯開狀態(tài)，鉆井液不能從井下防噴器內(nèi)流向環(huán)空.當(dāng)井底發(fā)生溢流時，通過下放鉆柱擠壓推塊，推塊在外力的作用下后退，上接頭、上外套筒和內(nèi)套筒向下移動，直到推塊進(jìn)入環(huán)形槽B，內(nèi)套筒下部與下外套筒碰接(l1=l3)，在此過程中上外套筒作用膠筒上擋環(huán)從而擠壓膠筒徑向膨脹封隔環(huán)空，防止井下流體向上溢流導(dǎo)致井噴事故.推塊進(jìn)入環(huán)形槽B時，孔A與孔B對接(l1=l2)，井下防噴器內(nèi)部與環(huán)空導(dǎo)通，方便后續(xù)

1—上接頭；2—碟簧；3—推塊；4—密封圈；5—上外套筒；6—膠筒上擋環(huán)；7—膠筒；8—膠筒下?lián)醐h(huán)；9—銷釘；10—內(nèi)套筒；11—中心管；12—下外套筒；13—下接頭.圖2　井下防噴器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure schematic diagram of downhole blow-out preventer

壓井作業(yè).當(dāng)壓井完成后，通過上提鉆柱，上接頭、上外套筒和內(nèi)套筒向上回移，推塊重新回到環(huán)形槽A，孔A與孔B錯開，膠筒在自身作用力下恢復(fù)，防噴器解封，又可重新開鉆鉆井.整個環(huán)空防噴、壓井和解封過程操作方便，耗時短，大大提高了鉆井的安全性和效率.

2　關(guān)鍵零部件設(shè)計與分析

2.1推塊機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析

圖3　推塊機(jī)構(gòu)Fig.3　Push block mechanism

井下防噴器中安裝推塊機(jī)構(gòu)是為了方便地面人員檢測鉆柱下放的距離和推測膠筒的變形情況.如圖3所示，通過下放鉆柱，推塊與中心管A面接觸，繼續(xù)驅(qū)動推塊下行需施加更大的力，此時將會產(chǎn)生力的突變，當(dāng)推塊向下移動一小段距離脫離A面后，力的突變消失，從地面可以判定膠筒開始被壓縮.上接頭繼續(xù)向下移動，當(dāng)推塊與中心管的B面接觸后，又將產(chǎn)生力的突變，脫離B面后，力的突變消失，從地面檢測到力的變化可以判斷膠筒此時被壓縮的距離.推塊機(jī)構(gòu)中碟簧產(chǎn)生的彈力和推塊與中心管接觸面錐角的大小是影響鉆柱下行過程中突變力(推塊對鉆柱反作用力)大小的重要因素，本文對這2個因素與突變力之間的關(guān)系進(jìn)行分析.推塊機(jī)構(gòu)的受力如圖4所示：在豎直方向上受到自身重力mg(忽略不計)、上接頭對推塊的正壓力T；在水平方向上受到碟簧彈力FK、推塊與上接頭間的摩擦力f2；在錐面上受到錐面的支持力FN、推塊與錐面摩擦力f1.

圖4　推塊受力示意圖Fig.4　Force sketch diagram of push block

在豎直和水平方向建立力平衡方程：

(1)

式中：f1=FNμ，f2=Tμ，μ為摩擦系數(shù)，取0.12；θ為推塊的錐面角.

碟簧的彈力FK與變形量l的關(guān)系為[10]

(2)

式中：E為碟簧材料的彈性模量；D為碟簧外徑；h0為碟簧錐高；t為碟簧厚度；計算系數(shù)K1由下式求得:

(3)

式中：C=D/d，d為碟簧內(nèi)徑.

本文所設(shè)計的防噴器所選碟簧D=20 mm，d=10.2 mm，t=1.2 mm，h0=1.55 mm.當(dāng)推塊被完全推進(jìn)時碟簧的壓縮總量為1 mm，選用n片碟簧串聯(lián)使用，單片碟簧的變形量l=1/nmm.

在下放管柱的過程中，推塊對管柱的反作用力T′等于推塊在豎直方向上受到的正壓力T.聯(lián)合式(1)，(2)，(3)可求得管柱在下放過程中推塊對管柱的反作用力T′與碟簧變形量l、推塊錐面角θ的函數(shù)關(guān)系:

(4)

圖5是反作用力T′與碟簧的變形量l、推塊錐面角θ三者間的關(guān)系曲面.從圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著錐面角減小和碟簧變形量的增加，推塊對管柱的反作用力增大.反作用力越大，力的突變效應(yīng)越明顯，越利于地面人員觀察.但同時推塊受力越大，可能造成推塊變形失效.本文選用外徑D=20 mm的5個碟簧串聯(lián)，單個碟簧的變形量l=0.2 mm，推塊的錐面角選用45°，通過式(4)求得推塊對管柱的反作用力為2.2 kN，井下防噴器中共安裝有4個推塊，對管柱的反作用力總和為8.8 kN.

圖5　反作用力與錐角、碟簧變形量的關(guān)系曲面Fig.5　Relation surface of reacting force with cone angle of push block and disc spring deformation amount

圖6　推塊Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6　Von Mises stress nephogram of push block

為了校核推塊在此參數(shù)下的強(qiáng)度，使用有限元軟件對推塊進(jìn)行分析.圖6是推塊的Von Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力出現(xiàn)在推塊與中心管接觸面下的內(nèi)部位置，最大應(yīng)力σmax=375 MPa，推塊所用材料為35CrMo，35CrMo的屈服極限σs≥835 MPa，推塊最大應(yīng)力低于材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求.

2.2花鍵設(shè)計與校核

在正常鉆井的過程中，井下防噴器的內(nèi)套筒和下外套筒之間通過花鍵連接傳遞扭矩.與矩形花鍵相比，漸開線花鍵的根部強(qiáng)度高，應(yīng)力集中小.鉆井時鉆柱傳遞的扭矩大，工況惡劣時，內(nèi)套筒和下外套筒之間選用漸開線花鍵進(jìn)行連接較為合適.鉆井過程中存在振動，內(nèi)套筒和下外套在之間的花鍵連接為動連接，動連接花鍵的強(qiáng)度條件為

(5)

式中：λ為載荷不均系數(shù)，z為花鍵齒數(shù)，s為齒工作長度，h為花鍵齒側(cè)面工作高度,di為花鍵平均直徑.在對花鍵設(shè)計時，根據(jù)鉆井工程技術(shù)手冊[11],取M=45 000 N·m，z=16個，di=144 mm，s=100 mm.由式(5)計算得σ=27 MPa，介于許用應(yīng)力[σ](20～35 MPa)之間[12].

2.3膠筒設(shè)計與分析

膠筒是井下防噴器的重要元件，膠筒工作性能的好壞影響著井下防噴器環(huán)空封隔的可靠性.根據(jù)所設(shè)計井下防噴器的特點(diǎn)，選用的是壓縮式膠筒.井下防噴器與普通壓縮式封隔器的原理類似，兩者都通過軸向壓縮膠筒使膠筒徑向膨脹達(dá)到封隔管柱外環(huán)空的目的，但井下防噴器需封隔的環(huán)空間隙更大.為了選取合適的膠筒參數(shù)，本文使用有限元軟件對不同厚度和不同硬度的膠筒進(jìn)行分析.

井下防噴器中膠筒的材料為橡膠，在對膠筒進(jìn)行分析時選用的是Yeoh模型，利用其來描述橡膠超彈性材料在大變形下的力學(xué)特性.Yeoh模型的三次應(yīng)變能函數(shù)為

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3，

(6)

式中：I1為第一變形張量不變量；C10，C20和C30是Yeoh 模型材料參數(shù).根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]得到膠筒材料邵氏硬度為75A，80A和85A的Yeoh模型參數(shù)如表1所示.

表1不同硬度下的橡膠材料參數(shù)

Table 1Parameters of rubber materials with different hardness

模型常數(shù)C10/MPaC30/MPaC20/MPa硬度為75A0.917-0.5020.361硬度為80A1.76-0.570.89硬度為85A2-0.531.45

為了研究井下防噴器安裝不同厚度膠筒在封隔環(huán)空間隙a=22.5 mm下的密封性能，本文對厚度b=23,24,25,26 mm、邵氏硬度為80A的膠筒向下壓縮100 mm后的封隔性能進(jìn)行分析.圖7是不同厚度膠筒與套管壁間的接觸應(yīng)力分布，從圖中可以看出：接觸應(yīng)力的分布呈拋物線形，接觸應(yīng)力中間大、兩端??；膠筒的厚度越大，接觸應(yīng)力越大，且密封寬度更長.接觸應(yīng)力反映的是膠筒的封隔能力，接觸應(yīng)力越大，封隔能力越強(qiáng)，即厚度越大的膠筒密封性能越好.膠筒的最大接觸應(yīng)力需大于封隔壓差才能達(dá)到可靠封隔的目的.本文所設(shè)計的井下防噴器的封隔壓差為30 MPa，當(dāng)膠筒厚度為26 mm時最大接觸應(yīng)力達(dá)到37 MPa，滿足設(shè)計要求.圖8是井下防噴器膠筒被壓縮100 mm坐封后的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，因環(huán)空間隙過大，膠筒在兩端的突出嚴(yán)重，膠筒肩部的Von Mises應(yīng)力很大，易被剪切失效，當(dāng)井下防噴器用于大間隙、大壓差工況時需增加膠筒防突機(jī)構(gòu)來增強(qiáng)防噴器環(huán)空封隔的可靠性.

圖7　不同厚度膠筒接觸應(yīng)力分布曲線Fig.7　Contact stress distribution curve of rubber with different thickness

圖8　膠筒應(yīng)力云圖(b=25 mm)Fig.8　Stress nephogram of rubber (b=25 mm)

為了研究不同硬度膠筒材料對密封性能的影響，本文對邵氏硬度為75A，80A和85A的膠筒進(jìn)行分析.不同硬度膠筒在相同壓縮距離和相同封隔間隙下與套管壁的接觸應(yīng)力如9圖所示.從圖中可以看出，膠筒硬度增大，密封寬度略有減小，但接觸應(yīng)力明顯增大，封隔能力增強(qiáng).當(dāng)井下防噴器用于較大壓差封隔時宜選用硬度較大的膠筒.

圖9　不同硬度膠筒接觸應(yīng)力分布曲線Fig.9　Contact stress distribution curve of rubber with different hardness

3　實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證井下防噴器在膠筒壓縮過程中力的變化和膠筒的封隔能力，對其進(jìn)行了室內(nèi)打壓實(shí)驗(yàn)，如圖10所示.將防噴器立于門型臺架上，放置在套管內(nèi)，上部通過液壓千斤頂?shù)謮悍绹娖?，模擬下放鉆柱時膠筒坐封的過程，膠筒完全被壓縮后通過高壓泵向套管內(nèi)打壓，測試不同硬度的膠筒能封隔的最大壓力.圖11是不同硬度膠筒在壓縮過程中施加的力與壓縮位移的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在膠筒向下壓縮的過程中力發(fā)生了2次突變，這是由井下防噴器內(nèi)安裝的推塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的.膠筒的硬度不同，但2次力突變的大小接近，約為10 kN，這與設(shè)計的推塊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力(8.8 kN)大小接近.膠筒的硬度越大，向下壓縮相同位移需要的力越大.當(dāng)向下壓縮100 mm時，硬度為75A的膠筒所需的下壓力約為79.3 kN，硬度為80A膠筒所需的下壓力約為86.3 kN，硬度為85A的膠筒所需的下壓力約為104.68 kN.當(dāng)完全被壓縮后向套管內(nèi)打入壓力，測得硬度為75A的膠筒在泵壓升至26.5 MPa時，壓力下泄；硬度為80A的膠筒在泵壓升至31.2 MPa時，壓力下泄；硬度為85A的膠筒在泵壓升至34.7 MPa時，壓力下泄；膠筒硬度越大，封隔的壓力越大，與分析結(jié)果的變化趨勢一致.

圖10　井下防噴器室內(nèi)實(shí)驗(yàn)Fig.10　Indoor experiments of downhole blow-out preventer

圖11　不同硬度膠筒力—位移曲線Fig.11　Force-displacement curve of rubber with different hardness

4　結(jié)　論

1)設(shè)計的井下防噴器結(jié)構(gòu)簡單,操作方便，通過下放和上提鉆柱便能達(dá)到封隔環(huán)空、建立新的循環(huán)通道和解封的目的.

2)當(dāng)推塊機(jī)構(gòu)的錐面角設(shè)為45°、安裝5個外徑為20 mm的碟簧時可對鉆柱產(chǎn)生較大的反作用力，同時推塊的強(qiáng)度也滿足要求.當(dāng)鉆柱扭矩達(dá)到45 000 N·m，花鍵的擠壓應(yīng)力仍在許用應(yīng)力范圍內(nèi).在環(huán)空間隙和壓縮量相同的條件下，膠筒的厚度越大、硬度越大，封隔能力越強(qiáng).

3)通過井下防噴器的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在井下防噴器向下壓縮的過程中，力發(fā)生了2次突變，突變力與設(shè)計的推塊對鉆柱的反作用力大小接近；壓縮量相同的情況下，膠筒的硬度越大，封隔能力越強(qiáng)，與有限元分析結(jié)果的變化趨勢一致；膠筒硬度越大，膠筒需要的下壓力越大.

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Design and experimental analysis of downhole blow-out preventer

LI Wei1，2， LEI Hong-xiang1，2， YANG Bo1，2， LI Zong-qi3， LI Bin3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2. Key Laboratory of Oil and Gas Equipment of Ministry of Education, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500，China; 3.Downhole Operation Company, Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, Chengdu 610051, China)

In order to improve the safety of drilling, ensure annulus can be quickly and reliably sealed and provide convenience for well-killing operations，a kind of downhole blow-out preventer near the bit was designed, whose structure and working principle were introduced in detail. By establishing the force model of push block mechanism in downhole blow-out preventer, he relationship between reacting force of push block to column with cone angle of push block and deformation amount of disc spring was analyzed. The strength of spline was checked. The rubber sleeves with different thickness and hardness were analyzed based on the finite element software. Meanwhile the indoor experiments of downhole blow-out preventer were carried out. Research results showed that when deformation amount of single disc spring was 0.2 mm and cone angle is 45°, reacting force of push block to column produced by single disc spring was 2.2 kN which was close to experimental value; when torque of drill string reached to 45 000 N·m, extrusion stress of spline was in the range of allowable stress. In the same compression and seal clearance, the wider width and the bigger the hardness of the rubber was, sealing ability was stronger. When the greater hardness of the rubber was , more pressure was needed to compress rubber. The researching achievement has certain significance for the design of downhole blow-out preventer.

downhole blow-out preventer; push block; rubber; sealing capacity

2016-05-30.

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國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51274171)；教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(OGE201403-03)；四川省科技計劃項(xiàng)目(2015JY0078，2015SZ0010-06)；四川省教育廳科研項(xiàng)目(14ZA0042).

黎偉(1983—)，男，四川成都人，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，從事井下工具設(shè)計及其仿真研究，E-mail:liwei867@aliyun.com. http://orcid.org//0000-0001-8849-409X

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.012

TH 122

A

1006-754X(2016)04-0371-07