氣液通用的連續循環閥的有限元分析與測試

魏臣興

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津 300457)

齊金濤，馬金山

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術服務分公司，天津 300280)

魏群濤，郭衍茹

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津 300457)

林鐵軍

氣液通用的連續循環閥的有限元分析與測試

魏臣興

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津 300457)

齊金濤，馬金山

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術服務分公司，天津 300280)

魏群濤，郭衍茹

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津 300457)

林鐵軍

(油氣藏地質與開發國家重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500)

[摘要]連續循環鉆井技術是能在接單根或立柱以及起下鉆過程中保證鉆井循環介質的連續不斷的注入、維持恒定的鉆井循環排量和當量循環密度、避免井下壓力波動引起復雜事故發生的一項新技術，其中連續循環閥鉆井系統是最為容易實現的方式，該系統的核心是連續循環閥。介紹了一種氣液通用的連續循環閥，并采用ABAQUS有限元軟件對連續循環閥本體和旁通閥進行強度校核，確保工具的安全性，最后通過室內氣液密封測試證實其密封可靠性。該連續循環閥在蘇76-43-35井上成功進行連續循環鉆井測試，實現了接立柱過程中鉆井液連續循環的目的，為降低壓力敏感井、復雜結構井的施工難度提供有力技術支撐。

[關鍵詞]連續循環鉆井；連續循環閥；旁通閥；充氣鉆井；仿真分析

連續循環鉆井(Continuous Circulation Drilling，CCD)是在接單根或立柱以及起下鉆過程中保證鉆井循環介質的連續不斷的注入、維持恒定的鉆井循環排量和當量循環密度、避免井下壓力波動引起復雜事故發生的一種鉆井新技術，其可以有效防止接卸單根或立柱時停止循環引起的井壁坍塌、溢流、沉砂卡鉆等復雜事故的發生，提高鉆井的安全性。特別是在氣體鉆井中，可以及時攜帶進入井底的地層水，避免浸泡井壁和鉆頭泥包，拓寬了氣體鉆井的適用范圍，并且在接單根或立柱時避免了泄/充氣過程以及沉砂卡鉆的風險。

根據實現連續循環鉆井所用設備的不同，連續循環鉆井技術分為連續循環鉆井系統(Continuous Circulation System，CCS)和連續循環閥鉆井系統(Continuous Circulation Valve，CCV)[1]。就目前而言，連續循環閥鉆井系統是最為容易實現連續循環鉆井的方式，如ENI公司的E-CD系統、Managed Pressure Operations 公司的Non Stop Driller System(NSD)和威德福的Continuous Flow System(CFS)[2~4]。國內中海油和中石油的相關單位也研發了各自的連續循環閥鉆井系統，并已成功完成多口井的現場測試[5~7]，該系統中最為核心的工具為連續循環閥。下面，筆者介紹一種氣液通用的連續循環閥，以有效解決鉆井方式轉換時連續循環閥的不通用性。

1基本結構

圖1　連續循環閥

現有連續循環閥的中心閥和旁通閥一般為板閥結構，為了提高密封性能以及鉆井過程中不影響隨鉆單點或多點測斜儀器的使用，筆者研發的氣液通用連續循環閥，其中心閥采用密封技術成熟的球閥，旁通閥采用板閥結構，主要由閥座、閥板、銷軸、扭簧和閥堵組成(見圖1)，閥板通過銷軸與閥座相連，扭簧套在銷軸上，扭簧一端支撐在閥座上，另一端壓在閥板上，使閥板緊緊的壓在閥座上；閥板和閥座之間采用錐面密封和密封件密封的雙密封結構，提高了密封性能，且密封件設置在閥座的背面，避免來自旁通路鉆井液的沖刷，同時將扭簧藏在連續循環閥所開的旁通孔內，有效的保護了旁通閥的扭簧，提高了連續循環閥的可靠性和耐久性。該連續循環閥中心通道與常規鉆桿水眼尺寸相當，既實現了連續循環鉆井的目的，又不影響隨鉆過程中的其他作業。

2有限元分析

2.1本體強度校核

在連續循環鉆井中，連續循環閥本體上要有足夠開口尺寸的旁通孔才能確保旁通路中鉆井循環介質的順利通過。為了平衡旁通孔開口尺寸和連續循環閥本體強度的關系，對?178mm規格的連續循環閥，旁通孔開口尺寸取?90mm，并采用《SY/T 6427-1999鉆柱設計和操作限度的推薦作法》中規定的5in G105鉆桿極限操作參數進行強度校核，經查表可知對本體進行分析時采用的最大拉伸力為2722147N、最大極限扭矩為96255N·m。

考慮到連續循環閥多處于鉆柱串的上部，上提或下放時承受較大的軸向拉力。通過有限元軟件ABAQUS建立連續循環閥本體的有限元模型，并在其母扣端面上施加固定約束、公扣螺紋處施加最大拉伸力進行計算分析。圖2為連續循環閥本體僅承受軸向拉力2722147N時的Von Mises應力云圖，由圖2可以看出，在旁通孔和旋塞孔兩側產生應力集中，最大Von Mises應力達734.3MPa。

當連續循環閥處于正常鉆進工況時，其主要承受拉力、扭矩和鉆柱內流體壓力作用，在連續循環閥本體上施加最大拉伸力2722147N、最大極限扭矩96255N·m和內部壓力35MPa的外載進行計算分析。圖3為連續循環閥本體承受拉力、扭矩和內壓力情況下旁通孔處的Von Mises應力云圖，其最大值為545MPa，略小于本體單獨受拉時的應力值，并且位置與單獨受拉時也稍微不同。

圖2　連續循環短節本體應力云圖(單獨受拉)　　　　　圖3　連續循環短節本體旁通孔處應力云圖(受拉扭、內壓)

通過有限元分析，確立了旁通孔開口尺寸為?90mm時，連續循環閥本體仍可采用屈服強度為930MPa的40CrMo材料。

2.2旁通閥強度校核

旁通閥一般處于常閉狀態，只有連接旁通管路時才會在流體壓力作用下向本體內打開。閥板和閥座依靠兩者間的錐面金屬密封和密封件密封組成的雙道密封來確保密封可靠性，其中密封件硫化固定在閥座的密封槽內，密封槽設置在閥座的背面，有效避免旁通管線內流體對密封件的沖刷剝離，提高了旁通閥的可靠性和使用壽命。當連續循環閥在低壓環境下，閥板繞銷軸轉動壓縮密封件，并與閥座錐面接觸，此時密封件密封起主要作用；當連續循環閥在高壓環境下，閥板與閥座錐面金屬密封將起主要作用，密封件密封將起輔助作用。

圖4　旁通閥應力分布云圖

為了驗證旁通閥的安全可靠性，對暴露在高壓鉆井循環介質內的旁通閥進行有限元分析，為了便于計算，忽略密封件對閥板的支撐力，這種簡化進一步提高了旁通閥的安全系數。對旁通閥外側螺紋處采用固定約束，暴露在本體內腔內的閥座和閥板表面施加35MPa均布壓力，并設置閥座和閥板的接觸約束進行有限元計算。圖4為旁通閥半剖面的Von Mises應力云圖，最大Von Mises應力為606.3MPa，出現在閥板的環狀區域3處，該處出現應力集中主要是因為靠近閥座錐面的邊緣的緣故；閥座上有環狀1、2、3處危險區域，最大Von Mises應力為501.7MPa，出現在閥座的環狀區域2處?？傊?，旁通閥整體依然可以采用40CrMo材料進行加工。

3室內測試

表1　氣液密封測試結果

對加工的連續循環閥，先進行氣密封測試再進行液密封測試。測試時，關閉球閥，拆除旁通閥外側的閥堵，從連續循環閥公接頭端打壓，實現對球閥和旁通閥同時進行測試的目的，以穩壓10min壓降不大于0.7MPa為合格。測試結果(見表1)表明，球閥和旁通閥均密封效果良好，達到了設計的預期目標。

4現場應用

圖5　接立柱過程中主通路和旁通路壓力變化圖

2013年8月，在蘇76-43-35井二開?215.9mm井眼中開展了連續循環充氣鉆井試驗，順利實現連續循環鉆井的目的。圖5為連續循環充氣鉆井接立柱時的主通路和旁通路壓力變化圖，此時立管壓力為8.31MPa、井深1902m。在接立柱過程中，雖然主通路和旁通路的壓力由于操作需要發生變化，但是兩者之中任一通路與鉆柱相通時，均為穩定的8.31MPa壓力，見圖5中虛線所代表的鉆柱內立壓等效值。根據井底壓力和立壓的關系：

井底壓力=立壓+液柱壓力-鉆柱內壓耗=液柱壓力+環空壓耗

循環排量和鉆井液性能不變的情況下，壓耗損失為一定值，同時鉆臺處立壓保持不變，相應的井下壓力在接立柱過程中也處于穩定狀態，從而有效避免了常規鉆井中停/開泵引起井下壓力波動導致復雜事故的發生。

隨后，又在蘇76-43-35井上開展了多次氣體、泥漿的連續循環鉆井試驗，該連續循環閥均順利實現密封，充分證實了該連續循環閥的可靠性。

5 結語

所研發的氣液通用連續循環閥，其中心閥采用密封技術成熟的球閥結構，旁通閥采用錐面密封和密封件密封的雙重密封結構，且密封件設置在閥座的背面，避免了來自旁通路流體的沖刷，同時將扭簧藏在連續循環閥所開的旁通孔內，有效的保護了扭簧，提高了連續循環閥的可靠性和耐久性。通過在蘇76-43-35井上開展的氣體、泥漿和充氣連續循環鉆井測試，充分證實了該型結構連續循環閥的實用性。

[參考文獻]

[1]胡志堅，馬青芳，邵強，等. 連續循環鉆井技術的發展與研究[J]. 石油鉆采工藝，2011，33(1)：1～6.

[2]Calderoni A, Girola G, Santos H, et al. Microflux control and E-CD continuous circulation valves allow operator to reach HPHT reservoirs for the first Time [R]. SPE 122270, 2009.

[3]Cunningham J, Bansal R K, George G, et al. A new continuous flow system (CFS) for managed pressure drilling[R]. SPE 168030, 2014.

[4]Cunningham J, Bansal R K, George G, et al. Development of a new continuous flow system for managed pressure drilling[R]. SPE 168957, 2014.

[5]連吉弘，張華. 惠州25-4油田大位移井鉆井新技術應用效果[J] . 長江大學學報(自科版)，2010，7(2)：208～210.

[6]許期聰，鄧虎, 周長虹，等. 連續循環閥氣體鉆井技術及其現場試驗[J]. 天然氣工業，2013，33(8)：83～87.

[7]張武輦，賈銀鴿，張靜，等. 閥式連續循環鉆井裝置的工業化應用探討[J]. 石油鉆采工藝，2014，36(6)：1～6.

[編輯]洪云飛

[引著格式]魏臣興，齊金濤，馬金山，等.氣液通用的連續循環閥的有限元分析與測試[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(13)：50~53.

45 Strength Analysis and Optimization of ERT PDM Housing Structure

Tian Hongping, Yang Chunlei(KingdreamPublicLimitedCompany,Wuhan430223)

Abstract:During the drilling of a building up section, the working condition of positive displacement motor(PDM) is relatively poor, and the force-summing condition is very complicated, thus the PDM housing is always prone to breakage.Aiming at the sliding steerable drilling, the methods for analyzing and evaluating the PDM housing structure strength are established by using finite element technology, the changes of PDM housing structure strength are compared in different borehole curvature conditions, the housing structure of ERT PDM is optimized.The research results show that with the increase of the borehole curvature, the PDM housing structure strength has been reduced gradually, and compared with the conventional PDM, the housing strength of ERT PDM is declined by 52.3%, but if stress relief groove is added on the stator housing, its structure strength can be improved by 33.2%.

Key words:high deviation well; PDM; housing strength; structure optimization

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)13-0050-04

[中圖分類號]TE927.9