“半浮动”取心保压球阀的设计研究

2023-03-08刘合温鹏云宋微董康兴王素玲

湖南大学学报（自然科学版） 2023年2期

刘合，温鹏云，宋微，董康兴，王素玲 †

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318）

保压取心技术作为目前最前沿的钻井取心技术，可以将岩心保持在原始地应力状态下取出，获得储层信息的第一手资料［1-3］，是实现老油田剩余油精细挖潜、非常规油气储藏地质描述及向深层探索的关键［4-5］.我国自20 世纪70 年代起，涌现出了大庆油田、浙江大学、中石化胜利石油工程研究院等一批致力于保压取心技术研究的机构［6-9］.现有工具可以获取直径80 mm岩心，额定保压能力达到60 MPa，相较于国外，在保压能力及岩心直径等关键技术指标方面尚存在明显差距，这成为我国油气行业发展的严重掣肘［10-12］.同时《中国“十四五”规划》中指出要加快深海、深层和非常规油气资源利用，推动油气增储上产，在此背景下，大力发展保压取心技术已经成为我国油气勘探开发的重中之重［13-14］.

球阀，配合储心筒实现岩心原位压力保持，其保压能力是保压取心技术发展的短板.球阀承压能力、密封性能及控制方式是影响保压能力的关键因素［15-18］.现行保压球阀普遍为机械式固定球阀［19-21］，受限于井下空间狭小，转轴承压能力成为制约保压能力提升的关键；机械控制方式难以避免岩屑、泥、沙石等杂物进入储心筒，阻碍岩心进入［22］.基于以上问题，提出了一种“半浮动”取心保压球阀设计方案.“半浮动”承压结构改变了球阀承压位置，通过阀座承载高压，显著提高了球阀保压能力，配合主被动密封结构，提升了球阀的保压成功率；气动控制方式保证球阀启闭可控，提升了岩心质量及取心收获率.

1 “半浮动”球阀结构及工作原理

1.1 “半浮动”球阀结构

“半浮动”取心保压球阀由预紧弹簧、软密封座、阀座、阀体、气轮轴、气轮盖螺钉、自锁结构及气轮盖组成，其结构如图1 所示.阀座是球阀的主要承压部件，其上部螺纹连接保真内筒；预紧弹簧及软密封座安装在阀座内形成阀体前密封端，其与保压内筒配合保证球阀在低压状态下仍具有良好的密封性；气轮轴安装在阀座气轮槽内，在气体作用下控制球阀启闭；气轮盖螺钉用于紧固气轮盖；自锁结构可以在气轮轴到位后自锁，保证球阀启闭到位；气轮盖上具有注气孔、自锁结构孔及螺钉孔，注气孔用于气体注入，推动气轮轴旋转，自锁结构孔用于自锁装置的安装，螺钉孔与气轮盖螺钉配合保证气轮轴位置.

图1 “半浮动”取心保压球阀结构图Fig.1 Structure diagram of "semi-floating" coring and pressuremaintaining ball valve

1.2 工作原理

关闭球阀，将保压取心工具下入到井底进行取心作业；球阀工作原理如图2 所示，岩心逐渐进入取心工具底孔到传感器监测到岩心位置时，控制系统控制电磁阀1 开启，气体通过气轮盖上的注气孔进入，推动气轮轴旋转，实现球阀开启，一定时间后电磁阀1 关闭；随着工具下行，岩心逐渐进入储心筒，取得所需长度岩心后，差动装置动作实现内外筒差动，带动割心装置上行割断岩心；当传感器监测到井底岩柱脱离球阀中孔时，控制系统控制电磁阀2 开启，气体推动气轮轴反转，实现球阀关闭密封，一定时间后电磁阀2关闭.

图2 球阀工作原理图Fig.2 Working principle diagram of ball valve

2 关键结构设计

2.1 气动结构

气动结构主要由注气孔、叶轮、气动轨道以及气轮盖组成，如图3 所示.气轮盖与阀座扣合形成一个密闭空腔，即气动轨道，叶轮叶片在气动轨道内运动，带动阀体动作；该结构中气动轨道及叶轮叶片皆为定角度扇形件，保证转轴及球阀最大旋转角度为90°，确保球阀启闭到位；注气孔依次连接高压管道、电磁阀、高压气罐，电磁阀与控制系统连接；当传感器接收到信号时，控制系统控制电磁阀开启，气体通过注气孔注入预加载槽中，推动叶轮叶片旋转，实现阀体的启闭控制；阀体开启与关闭状态如图4所示.

图3 气动结构图Fig.3 Pneumatic structure diagram

图4 球阀启闭图Fig.4 Ball valve opening and closing diagram

2.2 “半浮动”承压结构

现有球阀分为固定球阀及浮动球阀两种.固定球阀有上下两根阀杆固定阀体，阀体相对于阀座不发生位移；浮动球阀只有上阀杆，球体可以发生轻微的位移［23-24］.本球阀中设计了一种“半浮动”结构，如图5 所示，其主要由气动叶片的矩形轴端及阀体的矩形槽组成；在球阀开启时，不发生位移，当球阀关闭后，在预紧力作用下球阀可以相对阀座下行，发生微量位移，保证阀体可以紧密贴合在阀座承压面上，通过阀座来承受储心筒内的高压，显著增强了球阀的保压能力，其工作过程如图6所示.

图5 “半浮动”承压结构Fig.5 "Semi-floating" pressure-bearing structure

图6 “半浮动”承压结构工作示意图Fig.6 Working diagram of "semi-floating" pressure-bearing structure

2.3 密封结构

“半浮动”球阀采用主被动密封结构对球阀进行密封保压［25-26］，主要由预紧弹簧、阀座、密封圈、密封座及阀体组成，如图7 所示.阀座上部螺纹连接储心筒压紧预紧弹簧实现球阀的主动预紧密封，保证球阀在低压状态下仍具有良好的密封性；当密封腔室内处于高压状态时，密封座在流体高压下压紧阀体，实现球阀的被动密封.密封座外表面加装3 道密封圈，保证气体不会从密封座与阀座配合表面泄露；密封座下端为圆弧面，圆弧面上安装密封圈，其在预紧弹簧及工作压力作用下紧压在阀体表面，保证了球阀的密封性能.

图7 球阀密封结构Fig.7 Ball valve sealing structure

3 球阀扭矩计算

3.1 “半浮动”球阀扭矩计算

球阀承压能力是决定保压装置额定工作压力的主要因素之一，同时实现球阀的顺利启闭是保压装置成功保压的关键.因此，需要计算球阀在其额定工作压力下的旋转扭矩，确保球阀可以启闭到位，在额定工作压力下球阀的启闭总扭矩M为：

式中：Mm为球体与阀座密封圈间的摩擦扭矩；Mt为阀杆与密封圈间的摩擦扭矩；P为保压筒内流体压力，本设计中取70 MPa；S1、S2分别为浮动支座及密封圈的横截面积；P0为余隙平均压力；qmin为预紧所必需的最小比压；d1为浮动支座外径；u0为橡胶对金属的摩擦系数；d0为阀座O 型圈的横截面直径；R为球体半径；φ为密封面最中心斜角；ut为球体与密封面之间的摩擦系数；dT为阀杆直径；d01为阀杆O型圈横截面直径.

根据计算得出球阀启闭总扭矩M为53.3N∙m，当气体传递给转轴的扭矩大于53.3N∙m 时，可以满足球阀的启闭控制要求.

3.2 最小气体压力

本球阀利用气体推动叶轮旋转实现球阀启闭控制，因此用取心工具进行取心作业时需要携带高压气源入井；计算出推动球阀旋转所需的最小气体压力，保证携带充足压力的气源入井是实现球阀成功启闭的关键.叶轮上叶片的面积是影响气体压力的关键因素，对叶轮受力面积分析如图8 所示，图8（a）为叶轮的结构图，叶轮共有两个叶片；图8（b）为叶轮的最大受力面积示意图，图中剖面线部分为气体作用在叶轮叶片上的最大受力截面.根据上文所计算出的球阀启闭总扭矩M，对叶轮进行受力分析：

图8 叶轮受力分析图Fig.8 Force analysis diagram of impeller

式中：Pmin为推动球阀旋转所需的最小气体压力；S为单个叶片的面积；h为叶片的重心高度.

计算得出Pmin≥5.75 MPa，即推动球阀旋转所需的最小气体压力为5.75 MPa，同时考虑气体用量及气体压力随储量减少逐渐降低的情况，因此在取心工具进行取心作业时，需携带气体压力为2～3 倍Pmin的气源入井，保证球阀的成功启闭控制.

4 保压能力分析

现行保压取心球阀普遍为固定球阀，其通过转轴来承载工作介质高压.“半浮动”球阀提供了一种新的思路，对承压位置及控制方式进行改进，通过阀球与阀座的弧形接触面来承载保压筒内的工作压力.对比分析两种球阀承压能力，对处于关闭状态的两种球阀进行仿真分析，分别施加10 MPa、30 MPa、50 MPa、70 MPa的介质压力，分析两种球阀在不同介质压力下的最大应力.

将两种球阀受力模型简化，球阀材料都选用42GrMo，其抗拉强度极限Rm=1 080MPa，屈服强度极限Re=930MPa，取安全系数n=1.1，则许用应力[σ]=845.5 MPa［27］.固定球阀阀体、阀座接触面及“半浮动”球阀阀体、阀座接触面均设置为摩擦接触，摩擦系数取0.2，主体网格划分尺寸皆为5 mm，对接触面、转轴轴孔等处进行网格加密，划分尺寸为0.5 mm.分析得到两种球阀在不同介质压力下的阀体、阀座的应力分布图如图9和图10所示.由图可知，固定球阀阀体在50 MPa 的工作压力时，其最大应力已经远远超过了材料许用应力；阀座在30 MPa 工作压力下最大应力已经超过了材料许用应力.而“半浮动”球阀阀体及阀座在70 MPa 压力下，最大应力值皆小于材料许用应力，承压能力优良.