靳浩元，管鋒，高陽，張鵬程，劉子豪，陳志慶

（長江大學機械工程學院湖北荊州 434023）

石油工業(yè)是一個高風險產業(yè)，噴漏卡塌事故影響油井安全生產，嚴重制約著石油鉆探技術的發(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)次數的限制，起下鉆、更換非連續(xù)循環(huán)閥降低鉆井時效。為減少現有連續(xù)循環(huán)閥由于多次投球及更換浪費的時間，急需研制一種新型連續(xù)循環(huán)閥。

多次激活循環(huán)閥可根據井下工況及時開、關旁通孔進行特種作業(yè)，增強特殊鉆具組合的適用性，有利于提高生產效率，降低井控風險。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，增強井壁下側清洗能力。

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

圖1 RFID電子標簽和信號球

由于井下特殊的環(huán)境，目前國外對RFID在井下工具中的應用還處于前期研發(fā)階段[10]，最近國內相關科研機構也開始研究該技術。通過將RFID技術與連續(xù)循環(huán)閥結合在一起，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，通過投放電子標簽激活循環(huán)閥，取代了原有投球憋壓的機械式激活方式，能夠實現循環(huán)閥開啟和關閉的智能控制。攜載控制指令的電子標簽由井口投入，當電子標簽經過電磁感應區(qū)域時，電子標簽將自身存儲的指令發(fā)送給讀寫器。讀寫器接收信號，傳遞給控制單元?？刂茊卧邮招畔⒑蟀l(fā)送指令控制電機動作，電機通過聯(lián)軸器、絲杠及滑塊將動力傳遞執(zhí)行滑套，使其直線運動。當滑套循環(huán)孔與旁通孔對齊時即可實現液體循環(huán)作業(yè)。通過程序設定可使循環(huán)閥分別處于關閉、雙通、旁通等狀態(tài)。由于電子標簽與循環(huán)閥滑套有唯一識別和配對的特征，在循環(huán)閥組合使用時，可實現對單個循環(huán)閥的選擇性單獨控制。

2 循環(huán)閥結構設計

本循環(huán)閥采用模塊化設計，主要由上接頭、通信單元、控制單元、驅動執(zhí)行單元和下接頭等部分構成，整體結構如圖2所示。

圖2 循環(huán)閥結構圖

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。結構如圖3所示。

圖3 上接頭三維圖

2.2 通信單元

通信單元是電子標簽與閱讀器單元進行信息交流的關鍵環(huán)節(jié)。通信單元主要有天線本體、天線內筒、天線外筒、通孔螺釘、壓力傳感器、天線轉換接頭等組成。外筒采用40CrNiMo，內筒采用40CrMo。

圖4 通信單元三維圖

2.3 控制單元

控制單元為信號的處理中心?？刂茊卧蓛韧?、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，內筒采用40CrMo。外筒兩端分別與天線外筒和電機固定外筒相連?？刂瓢逯渭苡糜诠潭?，支撐架的一側焊接在固定套筒的端面上。固定套筒的另一端固定在電機固定外筒上，固定套筒上設置有為控制系統(tǒng)、閱讀器天線和驅動電機提供能量的電池組。

圖5 控制單元三維圖

2.4 驅動執(zhí)行單元

驅動執(zhí)行單元是實現開/關循環(huán)閥的具體執(zhí)行部件，由電機固定外筒、驅動電機組件、傳動組件、執(zhí)行滑套、電機安裝套、坐封器、下接頭、密封圈、防塵圈等部分組成。關鍵零件采用40CrNiMo。電機固定在執(zhí)行滑套上，傳動絲杠滑塊運動路徑對應的部位開有軌跡槽。電機組件由電機及其固定裝置組成，傳動組件由聯(lián)軸器、傳動絲杠、滑塊、導向光杠、支撐架、軸承等組成。其中滑塊通過連接件帶動滑套運動，連接件在軌跡槽內運行，同時也與導向光杠相連，以保證滑塊滑套的穩(wěn)定運行。

執(zhí)行滑套沿內壁軸向移動，其殼體上有兩個循環(huán)孔，當第一循環(huán)孔與旁通孔對齊時，液體既可經下接頭中心孔流向下部管柱，又可經過旁通孔從井壁返回。當第二循環(huán)孔旁通孔對齊時，滑套的中心孔坐封器堵住，此時液體只能經由旁通孔、井壁返回。

圖6 驅動執(zhí)行單元三維圖

3 循環(huán)閥工作狀態(tài)分析

本循環(huán)閥在使用過程中，可根據不同要求，提供三種流體通路。

3.1 直通狀態(tài)

此時，旁通孔被滑套殼體堵住。從井口進入的液體，將會沿著滑套中心通孔流經坐封器流體通道，進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，滑套上的下循環(huán)孔與旁通孔對齊，滑套末端中心孔離坐封器堵頭較遠。從井口進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，滑套的上循環(huán)孔與旁通孔對齊，滑套末端中心孔被坐封器堵頭堵住，井口進入的液體將從兩側循環(huán)孔反出。

圖9 循環(huán)閥旁通狀態(tài)

4 關鍵零部件校核及模擬分析

在鉆井過程中，由于鉆柱的上體下放，所以連續(xù)循環(huán)閥會受到鉆柱帶來的壓力。且這種閥體容易在井下受到扭轉帶來的切應力，所以對其進行強度校核和流場分析十分重要。針對殼體部分，用有限元分析進行校核[11]。

4.1 天線外筒

4.1.1 軸向載荷、約束及切應力

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。殼體所受切應力為1.43MPa。

4.1.2 數值模擬

運用abaqus軟件對殼體在軸向力和扭矩作用下的受力情況進行模擬。施加軸向載荷為500KN，扭矩為20000N·m.數值模擬結果如下：

圖10 天線外筒應力分布云圖

殼體最大應力為37.3MPa，遠小于40CrNiMo取安全系數3 的情況下，所得的許用應力278MPa。因此，殼體在受軸向載荷和扭矩的情況下，安全性滿足要求。

4.2 控制和電機外筒

由于控制部分外筒和電機部分外筒在危險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。殼體所受切應力為2.306MPa。

4.2.2 數值模擬

在軸向載荷為500KN和扭矩為20000N·m共同作用下，數值模擬結果如下：

圖11 控制部分外筒應力分布云圖

殼體的最大應力為5 8.4 M P a，遠小于278MPa。因此，殼體在受軸向載荷和扭矩的情況下，安全性滿足要求。

4.3下接頭

4.3.1 軸向載荷、約束及切應力

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。殼體所受切應力為1.134MPa。

4.3.2 數值模擬

在軸向載荷為500KN和扭矩為20000N·m共同作用下，數值模擬結果如下：

圖12 下接頭應力分布云圖

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

4.4 不同工況下流場分析

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

4.4.1 直通狀態(tài)

當循環(huán)閥處于直通狀態(tài)時，滑套側壁循環(huán)孔被擋住。從滑套中心通孔進入的液體，將由下接頭端口流出。經數值模擬，入口流速為5m/s時，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，從滑套中心通孔進入的液體，一部分由下接頭端口流出，另一部分則從滑套側壁循環(huán)孔反出，液體共有三個出口，分別為出口1，出口2和出口3。經過數值模擬，入口流速為5m/s時，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)

當循環(huán)閥處于旁通狀態(tài)時，滑套下端被堵住，從滑套中心通孔進入的液體，只能從滑套側壁的循環(huán)孔流出，液體共有兩個出口，分別設置為出口1和出口2。經過數值模擬，入口流速為5m/s時，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，出口1和出口2的流速則大幅增加。根據各出口的流速，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，可適量增大循環(huán)閥的循環(huán)量，而當調整到旁通狀態(tài)時則可獲得最大的循環(huán)量。

5 主要結論

（1）研發(fā)的基于RFID控制的鉆井循環(huán)閥。由通信單元、控制單元和驅動執(zhí)行單元等三部分構成。通過三維建模軟件對循環(huán)閥各零部件進行了結構設計與模型構建。實現了，激活方式上的非接觸方式打開和關閉循環(huán)閥；在控制方式的連續(xù)循環(huán)閥組合中的選擇性單獨控制；以及三種工作狀態(tài)上的靈活調節(jié)循環(huán)量的技術優(yōu)勢和功能。

（2）通過對循環(huán)閥不同工況下的流場分析分析表明，在循環(huán)閥處于旁通狀態(tài)時則可獲得最大的循環(huán)量。

（3）通過工程分析軟件進行分析模擬，理論計算，數值模擬等方法對循環(huán)閥的結構方案進行了論證，驗證了RFID連續(xù)循環(huán)閥整體結構方案的合理性。