基于AMESim的带压作业防喷器关闭性能仿真*

马卫国，梅雪松，王 炜，陈 婷，卢 雷

(1.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023；2.中石化石油工程机械有限公司 第四机械厂，湖北 荆州 434024)

0 引言

带压作业是能够在井筒带压条件下进行起下管柱等作业的一项新技术[1]，这项技术能够减轻对产层的污染，最大限度地保护地层[1-2]，同时带压作业能够简化作业工序，提高生产效率和储层采收率，降低生产成本等，其独特的优势已经得到业界的普遍认可[3-4]。带压作业装置控制元器件多、作业工序复杂。将PLC引入带压作业装置的控制系统，即以PLC做控制系统下位机，由PLC发出指令信号给电磁阀，从而控制卡瓦、防喷器及起升系统，实现起下管柱作业，可以大幅度提升带压作业装置的自动化水平，提高设备运行的可靠性和工作效率，降低工人劳动强度，增强现场操作的安全性[5-6]。因此，对带压作业装置举升液缸、卡瓦和防喷器的运行特性进行研究十分必要。

闸板防喷器是带压作业中井口压力控制装置，控制防喷器闸板的打开和关闭实现作业时井筒环空压力控制。其开关性能和操作压力控制直接关系到带压作业装置的作业能力和作业安全性，也是工程人员和学者关注的焦点之一。贾光政等应用双向大变形理论计算了闸板胶芯对油管的密封比压，基于Matlab建立系统控制仿真模型研究了闸板开关的动态特性[7]；刘清友等针对工程实际中采用“软关井”、或“半软关井”2种关井方式存在的问题，探讨了“硬关井”方式存在水击作用影响井口装备的安全性问题[8]；贾甲等研究了防喷器关闭过程中井筒瞬态压力，得到了瞬态压力对井筒的影响作用有限，因此在井筒发生溢流时，可以采取快速关井方式抑制井涌的进一步发展的结论[9]。这些研究表明了钻井过程中防喷器关闭性能对井筒和地层等产生的工程影响。在带压作业工程实践中，决定防喷器关闭性能的操作压力控制主要是依据实践和经验建立的操作压力与井筒压力之间的关系。关闭闸板时，操作压力过小，将不能迅速有效密封井筒压力，操作压力过大，使得闸板胶芯与管柱的摩阻增大，严重时管柱不能下入井中，或者发生油管屈曲现象。迄今为止，研究涉及防喷器闸板关闭性能对井筒密封可靠性问题，并综合管柱阻力、闸板胶芯失效与寿命问题的研究未见报道。

闸板防喷器闸板关闭(包括与管柱接触)的全过程是一个运动学和动力学问题，需要研究其动态特性。然而，实验测试和理论建模求解其动态特性是个复杂的过程。AMESim软件是个多学科领域复杂系统的建模与仿真平台，在该平台上能够自主建立起跨机械、液压、电力、热磁等多个学科领域的一体化模型。该软件最大的优势是基于键合图的建模方式，研究系统的数学建模，只需要知道系统的物理结构组成及其参数便能够搭建模型并进行仿真分析。 AMESim软件给机电液一体化系统的设计创造了可能，在工程研究中应用非常广泛[10-11]。

本文基于AMESim软件建立带压作业配套防喷器的液压控制系统模型，得到闸板的位移、速度特性、胶芯与管柱的接触行为等关闭性能；利用ABAQUS软件进行带压作业防喷器闸板胶芯密封状态下的接触应力分析，得到不同操作压力下闸板胶芯的可密封井筒压力；结合两者，建立不同井筒压力时闸板关闭的操作压力，可为工程作业提供参考。

1 防喷器液压控制系统

1.1 防喷器结构

带压作业配套的闸板防喷器主要由壳体、侧门、油缸、锁紧轴、端盖、闸板及胶芯等部件组成，其结构原理如图1所示。图1中PO为操作压力,Pw为井筒压力。井筒压力Pw会作用于闸板后部，对闸板产生助封力。闸板关闭时，操作压力PO需要克服闸板前部与后部面积差造成的关闭阻力。井筒压力越大 ，闸板关闭需要的操作压力越大。

1.液压缸；2.活塞杆；3.壳体；4.闸板；5.胶芯；6.活塞。图1 防喷器闸板结构示意Fig.1 Schematic diagram of the gate of ram blowout preventer

闸板防喷器的开关动作由防喷器液压缸驱动实现。当控制元件给出关闭信号时，压力油经液压缸进出油口A口进入液压缸无杆腔，推动活塞与闸板迅速向井筒中心移动，关闭井筒环空。此时，液压缸有杆腔内的液压油在活塞推动下，经过液压缸进出油口B口回油箱。闸板打开时，压力油经液压缸B口进入液压缸的有杆腔，推动活塞与闸板迅速离开井眼中心，闸板则快速返回闸板室内。此时，液压缸无杆腔内的液压油经过液压缸A口回控制装置油箱。闸板防喷器基本参数如表1所示[12-13]。

表1 闸板防喷器结构、性能参数Table 1 Structure and performance parameters of ram blowout preventer

1.2 液压系统建模

利用AMESim软件建立防喷器液压系统动力模型，如图2所示。液压系统主要由泵、溢流阀、换向阀、液压缸、质量块等构成。泵与溢流阀构成恒压源，可获得稳定的系统压力，提高液压系统的节能效果。常数信号源模拟PLC发出的控制电磁溢流阀开启压力(防喷器操作压力)的指令信号；分段信号源模拟PLC发出的换向阀换向的指令信号，三位四通电磁换向阀接受信号后作出相应的动作；质量块模拟防喷器闸板和液压缸的总质量；线性碰撞模块模拟防喷器胶芯与管柱间的碰撞。

1.油箱；2.电机；3.泵；4.常数信号源；5.电磁溢流阀；6.单向液压阀；7.过滤器；8.阶跃信号发生器；9.三位四通电磁阀；10.液压缸；11.质量块；12.线性碰撞模块；13.零位移源。图2 防喷器液压系统模型Fig.2 The model diagram of the hydraulic system of the ram blowout preventer

2 防喷器闸板运动仿真

2.1 参数设置

参数设置是AMESim 软件建模仿真的重要环节。三位四通电磁换向阀的额定电流为40 mA，假设防喷器闸板从1 s时刻开始动作，分段信号源模拟的电流信号输入曲线如图3(a)所示。

图3 控制电流输入信号Fig.3 Input signal of control current

2.1.1 常数信号源

常数信号源是井筒压力作用闸板的力Fw，其计算公式如式(1)：

Fw=k·PwA3

(1)

式中：Fw为井筒压力作用闸板的力，N；A3为液压缸的活塞杆面积,mm2；k为换算系数。考虑在闸板关闭过程中，因井筒压力Pw作用于闸板下部，导致闸板上部密封环橡胶与防喷器壳体接触，产生摩擦阻力Ff，Ff=PwA4·μ，其中，μ为壳体与密封环橡胶间的摩擦系数，取0.25；A4为密封环橡胶与壳体的接触面积。参考某厂家闸板胶芯尺寸，经估算k=1.2。

结合表1中参数可得到液压缸几何尺寸满足以下关系：

(2)

式中：d1为活塞杆直径,mm。可得液压缸的活塞杆面积A3的计算公式：

(3)

当井筒压力Pw=35 MPa时，联立式(1)、式(2)和式(3)，解得d1=83 mm，Fw=227 130 N。

2.1.2 电磁溢流阀

电磁溢流阀的最大开启压力与对应的电流信号分别为20 MPa，200 mA，推荐的防喷器开关闸板的液控压力一般为8.4～10.5 MPa，取10 MPa，则常数信号源模拟的电磁溢流阀的电流为100 mA，输入信号曲线如图3(b)所示。

2.1.3 液压缸

2.1.4 质量块

质量块由闸板和液压缸活塞组成，其中闸板质量，m1=26 kg。通过活塞直径和厚度，估算液压缸活塞质量m2=18 kg。质量块的总质量m=m1+m2。质量块位移s即闸板行程,102 mm。

2.1.5 接触刚度K′计算

假设胶芯耐磨块与管柱的碰撞满足Hertz接触理论[14-15]，接触副的材料性能参数如表2所示[13]，碰撞接触力F与其等效接触刚度K的计算公式分别如式(4)和式(5)。

(4)

(5)

(6)

代入数据解得K′=11 234.68 N/mm。

表2 接触副参数Table 2 Contact pair parameters

2.2 防喷器闸板关闭动作仿真

在仿真模式下设置运行时间为10 s，采样周期为0.01 s。设置的仿真参数见表3，对防喷器闸板的关闭动作进行仿真，得到防喷器液压缸的压力变化曲线和闸板的位移、速度、闸板受到的推力曲线分别如图4(a)-(d)所示。

表3 液压系统仿真参数Table 3 Simulation parameters of hydraulic system

图4 闸板关闭运动仿真曲线Fig.4 Simulation curve of gate closing motion

由图4(a)和(b)给出闸板关闭的运动过程：1 s时刻前，闸板处于静止状态，换向阀关闭；1 s时，换向阀接受电磁信号，左位接通，液压缸无杆腔压力迅速上升并推动闸板移动；3.40 s时，闸板胶芯耐磨块与管柱接触并发生碰撞，压力迅速增加，并维持一个相对高的压力(溢流阀控制的压力)；4.25 s时闸板达到最大位移，闸板关闭所需时间为3.25 s。

由图4(c)可以看出：换向阀换向后，闸板速度在迅速上升和波动后稳定在0.042 m/s；3.40 s时，闸板胶芯耐磨块与管柱接触并发生碰撞，闸板速度逐渐减小；4.25 s时闸板速度为0。由图4(d)可以看出：闸板胶芯与管柱接触前，井筒压力作用在液压缸活塞杆面积上形成运动阻力，闸板胶芯与管柱接触后，井筒压力形成的阻力消除，闸板受到的推力增加，经过短时间波动后与闸板受到的接触力平衡。基于AMESim软件仿真闸板的关闭动作过程，得到液压缸压力曲线、闸板位移、速度曲线、闸板推力曲线，其特征符合力学理论规律，与工程实际相近。

3 操作压力对系统响应的影响

3.1 操作压力为变量的批运行仿真

操作压力即为溢流阀开启压力，是带压作业闸板防喷器工作时的重要控制变量。操作压力的大小直接影响防喷器闸板的运动特性，研究操作压力对系统响应的影响具有重要意义。使用仿真平台的批运行模式，重新定义批运行变量，溢流阀的开启压力为5.5～10 MPa，步长0.5 MPa，井筒压力为35 MPa，其他参数不变。运行后得到防喷器闸板在不同操作压力下的运动仿真曲线，如图5所示。

图5 不同操作压力下的闸板运动仿真曲线Fig.5 Motion simulation curve of gate under different operating pressure

由图5可以看出：

1)当井筒压为35 MPa时，操作压力小于5.5 MPa时，将不能关闭防喷器闸板；操作压力为6 MPa时，关闭防喷器的时间需要10 s以上，不能满足系统性能要求；操作压力达到8 MPa以上时，能在4 s内关闭防喷器闸板，且操作压力越大，闸板的运动速度越快，关闭时间越短。

2) 因为闸板胶芯与管柱接触后产生变形，闸板的实际位移大于闸板与管柱间的距离。操作压力越大，防喷器关闭后闸板与管柱间的接触力越大，胶芯的变形量越大，闸板的位移越大。

3)闸板胶芯接触管柱时发生碰撞，此时闸板受到的推力发生波动，波动范围约为0.4 kN，弹性回复时间约为1 s，且不同操作压力时，波动值和弹性回复时间基本相同。

在工程实际中，闸板防喷器的关闭时间一般在3～8 s。当胶芯与管柱的接触力越大时，胶芯变形量越大，胶芯与管柱间摩擦力越大，不利于带压作业操作，而且会加剧胶芯的磨损。马卫国等[17-18]利用Abaqus进行接触分析，得到闸板胶芯与管柱之间接触应力和Mises应力分布规律；根据胶芯密封面上的接触应力大于或等于井筒压力时能实现防喷器密封的条件研究了不同液压缸液压力下能密封井筒压力的最大值。参照其研究方法，针对本研究的带压作业防喷器闸板胶芯进行接触应力分析，胶芯的几何模型及提取密封面接触应力分析结果的路径如图6所示[15]。

图6 胶芯模型及仿真结果提取路径Fig.6 Model of rubber core and extraction path of simulation results

计算得到不同操作压力下、不同路径的接触应力曲线，如图7所示。

图7 不同操作压力下的接触应力曲线Fig.7 Contact stress curve under different operation pressure

路径S1与路径S2，S3上的接触应力形成互补，由密封条件可以知道操作压力为7 MPa时，胶芯密封面上的接触应力大于35 MPa，可以密封井筒压力不超过35 MPa；操作压力为5 MPa时，胶芯密封面上的接触应力大于26 MPa，可以密封井筒压力不超过26 MPa；操作压力为3 MPa时，胶芯密封面上的接触应力大于16 MPa，可以密封井筒压力不超过16 MPa。

通过上述分析，我们给一定条件约束：即闸板关闭时间小于4 s，满足闸板关闭迅速的要求；闸板关闭后胶芯与管柱间的接触力在满足井筒密封的前提下尽可能小。图5所示结果表明，井筒压力在35 MPa时满足关闭时间的最小操作压力为8 MPa。图7结果表明，满足密封的最小操作压力为7 MPa，所以井筒压力为35 MPa时选择操作压力为8 MPa。华北荣盛、上海神开等厂家生产的闸板防喷器额定工作压力为35 MPa时，推荐操作压力为8.4～10.5 MPa，与分析结果相差不到5%，验证了模型的可靠性。

3.2 选择不同井筒压力下的操作压力

目前，工程实际中，带压作业闸板防喷器操作压力的控制基本上都是凭操作者经验决定，更多考虑防喷器密封的可靠性。在涪陵页岩气现场，某服务公司操作带压作业设备配套防喷器额定密封压力为35 MPa，作业时控制操作压力在7～10 MPa范围内选择。为了既安全可靠地关闭防喷器，又能改善闸板胶芯的工作环境，本文利用3.1节的分析结论，探求带压作业时防喷器的操作压力，为工程作业提供参考。因此，设置不同井筒压力取值，综合AMESim液压仿真与Abaqus接触应力计算的方法进行分析，分别得到不同井筒压力下满足关闭时间条件和密封条件的操作压力，结果如表4所示。

表4 不同井筒压力下的操作压力Table 4 Operating pressure under different wellbore pressure

拟合曲线如图8所示。拟合曲线的表达式为PO=2.06+0.17Pw，其中，PO为操作压力，MPa；Pw为井筒压力，MPa；拟合优度R2为0.994 6。由拟合曲线看出，井筒压力越大，防喷器实现快速关闭闸板并完成密封所需要的优化操作压力越大。研究结果在工程实际推荐操作压力范围之内。

图8 不同井筒压力下的优化操作压力拟合曲线Fig.8 Fitting curve of optimal operation pressure under different wellbore pressure

4 结论

1)基于AMESim和Abaqus软件研究得到的防喷器闸板关闭时的运动学和动力学特性，给出了带压作业配套防喷器在不同井筒压力时，迅速关闭的操作压力推荐值。依据推荐值控制防喷器闸板操作压力既能迅速关闭闸板，有效密封井筒，又能防止防喷器闸板关闭后胶芯与管柱间的接触力过大，从而减小胶芯的磨损和起下管柱阻力。

2)防喷器闸板操作压力的推荐值，可为PLC引入带压作业装置控制系统，实现防喷器操作的精确控制提供依据。