气体钻井连续循环短节旁通阀的设计与分析

夏成宇孙巧雷于章丽冯 定涂忆柳王旭东

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023；2.中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳 618000）

气体钻井连续循环短节旁通阀的设计与分析

夏成宇1孙巧雷1于章丽1冯 定1涂忆柳1王旭东2

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023；2.中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳 618000）

气体钻井连续循环短节能有效解决井底压力不易控制、地层孔隙压力与破裂压力之间的操作压力窗口窄小、井眼鼓胀效应严重以及油气意外入侵等难题。设计了一种气体钻井连续循环短节，对其核心组件旁通阀在两种工况下受力状态进行了分析：关闭和打开两种工况下循环介质均会对阀体局部产生冲击力，易造成阀体局部强度破坏，且旁通阀关闭时，容易出现循环介质泄漏的情况。利用ANSYS有限元分析软件模拟了旁通阀处于关闭和打开两种工况下阀体的力学行为，对阀体危险截面进行分析。结果表明，该阀体结构满足各种工况下的强度条件，且旁通阀处于关闭状态时对密封性能有严格要求。研究同时完成了旁通阀密封副的密封设计分析。

气体钻井；连续循环短节；旁通阀；密封

与常规钻井液钻井相比，气体钻井技术具有机械钻速快、利于井斜控制、防止循环漏失、不伤害地层等优点［1］。但是在常规气体钻井过程中，钻杆上扣和卸扣时气体介质的循环通道中断，造成钻屑沉降减小有效井径，钻柱所受扭矩和阻力增加造成卡钻；欠平衡钻井时，钻井介质循环的中断会破坏环空及井底压力的平衡，引起井壁失稳、坍塌及井涌［2］。

目前国内外连续循环钻井技术的实现方式主要有两种：一种采用连续循环系统（CCS），在三联闸板防喷器组成的腔体内完成钻杆上扣、卸扣和钻井液循环流道的切换，使用时仅需配备顶驱，缺点是结构复杂，控制难度大；另一种采用不间断循环阀（CCV），无需配备顶驱，采用常规方法进行上卸扣操作，缺点是必须在每个单根或立根上安装此阀，带压上卸扣作业容易造成安全事故［3-5］。中国石油川庆钻探工程公司集中技术力量，联合国内科研院研究了一种基于连续循环阀的连续循环气体钻井系统并进行了现场试验。连续循环气体钻井系统可推广应用于液相条件下的控压钻井，用于大位移井、长段水平井、欠平衡井、窄密度窗口井，可避免井底压力波动，改善井眼清洁效果，减少循环漏失、井涌、压差卡钻等多种井下复杂情况的发生［6-7］。

1 连续循环短节

设计了一种气体钻井连续循环短节，结构简单、使用方便，可以保证整个钻井过程中钻井介质的循环不发生间断，主要由短节本体、主通阀和旁通阀组成，如图1所示。

连续循环短节安装在两根钻杆之间，在正常钻井时，钻井液通过上部钻杆，流经连续循环短节主通阀，进入下部钻杆形成一个内部循环通道。在接卸单根或立柱时，将旁通管路接头插入连续循环短节侧口内并操作内部机构关闭短节内部主通道，钻井液从旁通管路流入，实现了接换钻具过程中保持井底钻井流体的连续循环，降低了钻井作业成本。该旁通阀占用空间小、密封性能可靠、力学性能良好。

图1 气体钻井连续循环短节结构图

2 旁通阀工作原理

旁通阀是气体钻井连续循环短节旁通通道的核心组件，安装在短节本体的侧部圆孔处，其主要功能是在接卸单根或者立柱时，将从钻柱顶部流入的钻井循环介质改为由循环短节侧面流入，起到切换流体通道的作用。旁通阀结构如图2所示。

图2 旁通阀结构图

正常钻井时，主通阀打开，旁通阀弹簧处于压缩状态。在弹簧预压力以及主通道气压的双重作用下，旁通阀阀板与短节本体下台肩面紧密贴合形成金属密封面。旁通阀的保护堵头下端面与短节本体上台肩面设计成金属与密封圈双重密封，若主通道有少量气体由阀板密封面泄漏，可通过泄压阀泄压；若有大量气体由密封面泄漏，泄压阀在大的气体压力作用下直接关闭，使阀的安全性能得到提升。

切换流道时，主通阀关闭，旋出旁通阀的保护堵头与泄压阀，将旁通管路旋入旁通阀阀座内，旁通管路控制系统输入的高压循环气体进一步压缩弹簧，在内外压差作用下，旁通阀开启。分析认为，主通阀打开旁通阀关闭时，主通道中的循环介质冲击阀板，易造成短节本体台肩的局部强度破坏；主通阀关闭旁通阀打开时，旁通管路中的循环介质冲击阀板压缩弹簧，也易造成短节本体台肩的局部强度破坏。

3 旁通阀阀体的力学性能分析

旁通阀处于关闭和打开两种工况时，均有可能发生阀体的局部强度破坏，需要对其结构进行强度分析，判断安全性能。用ANSYS workbench软件对阀体进行局部建模，由于阀体即为短节本体的一部分，因此将其假定为圆柱体进行两种工况下的受力行为模拟，并进行强度校核。

旁通阀采用40 CrMo，强度极限为1 080 MPa，屈服极限为930 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。在ANSYS workbench中建模并划分网格，生成有限元模型，如图3所示。

图3 阀体局部模型和有限元模型

3.1 主通阀打开旁通阀关闭时阀体力学性能分析

当主通阀打开旁通阀关闭时（工况一），主通道内的气体循环介质撞击阀板，与阀板接触的旁通阀阀体台肩面承受弹簧预紧力和阀板传递的气体压强的双重作用，成为此工况下旁通阀阀体最危险位置。

该工况下旁通阀局部阀体的边界条件和载荷：局部模型的外圆柱面采用固定约束，密封面（即阀板与阀体的接触面）所受的密封比压为67 MPa。有限元分析后的应力、应变云图如图4和图5所示。

图4 工况一应力云图

图5 工况一应变云图

由模拟结果可知，阀体的最大应力为222.5 MPa、最大应变为0.001 09，均出现在阀板与阀体接触的台肩根部，与弹塑性力学分析结果相符。最大应力小于40 CrMo的屈服极限，满足强度条件。

3.2 旁通阀打开主通阀关闭时阀体力学性能分析

当旁通阀打开主通阀关闭时（工况二），由旁通管路进入主通道的气体钻井介质冲击阀板，阀板将冲击力传递给弹簧与阀体接触的台肩面，该位置成为此工况下的最危险部位。

该工况下旁通阀局部阀体的边界条件和载荷：局部模型的外圆柱面采用固定约束，与弹簧接触的阀体台肩面受198 MPa的气压和550 N的弹簧预紧力的双重作用，模型受力示意图如图6所示。有限元分析后的应力、应变云图如图7和图8所示。

图6 阀体模型受力示意图

由模拟结果可知，此工况下最大应力和最大应变均出现在阀板与阀体接触的台肩根部，最大应力为616.5 MPa，最大应变为0.003 03，最大应力小于阀体材料40 CrMo的屈服极限，满足强度条件。

图7 工况二应力云图

图8 工况二应变云图

4 旁通阀的密封设计

影响旁通阀密封副密封效果的主要因素是循环介质、旁通阀阀体台肩密封面的加工方法、密封面的宽度b和密封力F［8］。受旁通阀工作环境和工作要求的限制，循环介质因素一般不能改变；密封面加工需要综合考虑实用性和经济性来选择最合理的方法；密封面宽度b以及密封力F的选择，则受到具体工况、密封要求和密封结构等因素的影响。

要达到良好的密封效果，密封面的设计比压q必须要大于密封面的必须比压qn；考虑到材料强度要求，密封面的设计比压q必须要小于密封面材料的许用比压［q］，则有条件关系式为

式中，［q］为密封面材料许用比压，MPa；q为密封面设计比压，MPa；qn为密封面必须比压， MPa。

根据旁通阀的具体结构尺寸和使用工况，则密封面的设计压比为

式中，F为作用在阀体密封面上的作用力，N；D为密封副内径，m；b为密封面宽度，m。

旁通阀密封面上的必须比压为［9］

式中，m为循环介质系数；a为密封材质系数Ⅰ；c为密封材质系数Ⅱ；p为密封面压强，MPa。

当密封面表面粗糙度为0.1~0.2 μm时，常温流体的m为1，常温气体的m为1.4；高温流体的m为1.4，高温气体的m为1.8。当密封面表面粗糙度小于0.1 μm时，常温流体的m为0.75，常温气体的m为1；高温流体的m为1，高温气体的m为1.4。当密封面材料为钢、硬质合金时，a为3.5，c为1；当密封面材料为铜、铸铁时，a为3，c为1；当密封面材料为铝、塑料时，a为1.8，c为0.9；当密封面材料为中硬度橡胶时，a为0.4，c为0.6；当密封面材料为软橡胶时，a为0.3，c为0.4［10］。

（1）密封面必须作用力。综合考虑实用性和经济性，密封面表面粗糙度取0.1~0.2 μm；井底为高温气体，m取值1.8；采用双重密封形式，第一道密封为中硬度橡胶，第二道密封为金属密封（硬质合金密封），因此a取值3.5，c取值1；p取最大值31 MPa；密封面宽度b取值7 mm。通过计算得到密封面必须压比qn为67 MPa。密封面呈环形，已知圆环内外径，得到密封面必须作用力为

（2）气体钻井介质作用于密封面上的力。气体钻井介质作用于阀板上的压强p取最大值31 MPa，阀板面积S为0.002 12 m2，通过计算得到气体钻井介质作用于阀板上的力F1为65 720 N，阀板将力传递到密封面上。

（3）密封面预紧力。由上文计算结果可知，气体钻井介质作用于密封面上的力小于密封面的必须作用力，需要继续在密封面上施加预紧力以保证其工作的可靠性，该预紧力由弹簧预紧力来提供。

一般选用的弹簧预紧力要大于549.7 N，以保证旁通阀密封端面的良好密封性能。

5 结论

（1）通过ANSYS有限元分析，两种工况下旁通阀阀体均存在应力集中现象，且应力集中位置均位于阀板与阀体接触的阀体台肩根部，两种工况下的最大应力均小于材料40CrMo的屈服极限，阀体满足强度条件。若要减小应力集中趋势，需要进一步采取措施，如调整阀体结构、增大台肩根部的圆。

（2）旁通阀密封面必须密封力需要由两部分来提供，气体钻井介质作用于密封面的力不足以提供密封面所需密封力，可以由弹簧预紧力来进一步提供，作为密封面的原始预紧力。只有当弹簧预紧力大于549.7 N时，才能实现旁通阀密封端面的良好密封。

［1］刘颂.国内气体钻井研究新进展［J］.钻采工艺，2009，32（2）：20-22.

［2］张微，李英明，王佳露，等.连续循环钻井技术装备与应用［J］.中外能源，2011，16（8）：44-47.

［3］VOGEL R.Continuous circulation system debuts with commercial successes offshore Egypt, Norway ［J］.Drilling Contractor, 2006, 62（6）:50-52.

［4］ANGELO Calderoni, GIORGIO Girola, HELIO Sanlos, et al.Microflux control and E-CD continuous circulation valves allow operator to reach HPHT reservoirs for the first time［R］.SPE 122270, 2009.

［5］ADEWUMI M A, TIAN Shifeng, WATSON R W.Fundamental study makes improved air drilling technology possible［R］.SPE 26893, 1993.

［6］陈香润，邱亚玲，刘清友，等.连续循环系统工作原理分析及方案设计［J］.西南石油大学学报，2007，29（11）：110-112.

［7］石俊江.连续循环系统综述［J］.钻采工艺，2008，31（1）：60-62，76.

［8］潘明浩.阀门密封性能探析［J］.科协论坛，2011，26（2）：27-28.

［9］方本孝，杨信平.阀门密封性能的研究［J］.阀门，1999，28（2）：103-108.

［10］陈国顺.阀门密封副密封设计理论及计算方法的分析与研究［J］.阀门，2010，39（3）：11-13.

（修改稿收到日期 2014-10-17）

〔编辑 李春燕〕

Nalysis and research on the bypass valve of continuous circulation sub for gas drilling

XIA Chengyu1, SUN Qiaolei1, YU Zhangli1, FENG Ding1, TU Yiliu1, WANG Xudong2
（1.College of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jingzhou434023,China;2.Drilling Engineering Research Institute,Southwest Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Deyang618000,China）

The continuous circulation sub for gas drilling can effectively address problems such as hole bottom pressure being hard to control, the operation pressure window between formation pore pressure and break pressure being small, severe wellbore ballooning effect and accident influx of oil or gas.A bypass valve for continuous circulation sub is designed in the side hole of the sub body.No matter it is open or closed, the circulating media will produce impact force on it, which may damage its strength, and the circulation medium may leak out when it is closed.The ANSYS software was used to simulate the mechanical behavior of the valve under both closed and open conditions, and furthermore analyzed the dangerous section of the valve body.The result shows that this valve construction satisfies the strength demands under various working environments and the bypass valve needs to be securely sealed when closed.The research also completed the design and analysis of the sealing pair for the bypass valve.

gas drilling;continuous circulating sub;bypass valve;sealing

夏成宇，孙巧雷，于章丽，等.气体钻井连续循环短节旁通阀的设计与分析［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：101-104.

TE927

：B

1000–7393（2014） 06–0101– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.025

国家自然科学基金“高造斜率井眼轨迹控制工具主轴井下力学行为研究”（编号：51275057），国家自然科学基金“深水无隔水管钻井涡动对钻柱动态响应研究”（编号：51405032）。

夏成宇，1981年生。2012年毕业于西南石油大学，现主要从事管柱力学研究。电话：13476989160。E-mail：qlq1010@126.com。