剪切闸板剪切性能研究

剪切闸板的工作可靠性是关井能否成功的关键,因此对剪切闸板剪切可靠性的研究十分必要。借助数值模拟技术,应用ABAQUS显式动力学分析模块对闸板剪切钻杆过程进行仿真分析与研究。研究结果表明,ISR型和SBR型剪切闸板均能可靠地剪切127.0 mm(5 in)及以下规格的S135钻杆,SBR型剪切闸板剪切应力和应变值更小,故其剪切性能优于ISR型剪切闸板;在剪切直径更大或壁厚更厚的钻杆时,剪切闸板剪切应力峰值更大,剪切127.0 mm(5 in)以上的S135钻杆时闸板刃口的应力很大,已超过闸板材料屈服强度,存在较高的失效风险;ISR型剪切闸板的最优结构参数是:倒角45°、刀面倾角1°或2°、V形夹角163°。     

组合式闸板胶芯性能的正交试验和回归分析

带压作业的闸板防喷器胶芯密封结构多采用组合密封,橡胶基体和耐磨块的材料特性同时影响胶芯的密封性能。为了分析闸板胶芯的材料参数对其密封性能的影响,选择胶芯密封面上的有效接触应力和橡胶基体上最大应变能密度作为密封性能的评估指标,基于正交试验法分析影响闸板防喷器胶芯密封性能的主次因素及规律,建立了材料参数与有效应力之间的多元完全二次非线性回归模型,并分析了各参数的交互作用。分析结果表明:各因素对密封面上有效接触应力和橡胶基体上最大应变能密度的敏感性大小顺序为操作压力>耐磨块弹性模量>橡胶基体硬度>耐磨块泊松比;建立的多元回归模型的拟合剩余标准差分别为0. 513 0和0. 314 1,可以用该模型精确地分析材料参数与胶芯密封性能的关系;组合式闸板防喷器胶芯耐磨块最佳弹性模量为700～800 MPa,泊松比为0. 40～0. 47。所得结果可为组合式闸板防喷器胶芯的材料参数设计提供依据。     

一体化管柱油管特殊螺纹气密封性能研究

气井压裂投产一体化管柱在各种工况中,载荷变化较大,使得管柱的密封性能受到很大影响。以3种常用特殊螺纹接头为研究对象,运用有限元方法对其密封性能进行了研究。结果表明:随着轴向拉伸载荷逐渐增大,球面-球面和锥面-球面密封结构接触应力下降较快,柱面-柱面密封结构接触应力基本不变;内压与轴向拉力复合作用时,随着内压的增大,球面-球面密封受内压影响最大,接触应力上升较快;外压作用降低了密封面接触应力,使接头密封性能降低;在密封面结构选择上,3种密封结构各有优势,应综合考虑接触应力和接触面积,选择不同工况下相对适合的特殊螺纹接头。研究结果可为气井压裂投产一体化管柱的现场应用提供参考。     

抗硫剪切闸板的研制

针对陆地含硫化氢油气田以及海洋高压高含硫油气勘探开发的要求,研制了适应于硫化氢环境下作业的剪切闸板。该闸板外形为长圆形,在有限的空间内实现了分体结构设计,集剪切与密封为一体,结构紧凑合理,能够满足S135级外径139.7mm钻杆剪切的要求。刀体表面采用抗硫化氢涂层技术,具有较高的耐磨性和耐硫化氢腐蚀性能。试验结果表明:该抗硫剪切闸板能够在较低的液控压力下完成对钻杆的剪切,并且能密封空井,密封井压可达到105 MPa,试验结果符合API Spec 16A标准的要求。     

闸板防喷器胶芯密封参数算法及结构优化

根据闸板防喷器工作性能要求,通过建立闸板总成力学模型,应用橡胶非线性大变形理论,研究了胶芯密封比压与偏心距等密封参数的确定方法。并依据胶芯可靠、合理封井的条件,确定了保证防喷器正常工作时偏心距的取值范围。最终在此基础上对胶芯结构进行了优化。     

水下井口连接器密封性能影响因素分析与优化

水下井口连接器作为连接高压井口与水下采油树、防止井内高温高压流体泄漏的关键设备,其承受着极其恶劣的载荷作用。为研究内压工况下流体渗透压力对井口连接器金属-金属密封的影响,以自主研制的井口连接器为对象,考虑流体渗透压力对VX钢圈密封性能的影响,运用ABAQUS软件分析了井口连接器在预紧和内压工况下的密封性能,探究了预紧力、介质压力、密封圈材料性能和结构参数对其接触应力的影响规律。研究结果表明：轴向预紧力是影响连接器密封性能的重要因素,在保证连接器结构强度下应尽量增大预紧力;随着内压的增大,上密封面的接触应力增加,趋势与下密封面相比较增加速率变低,且下密封面接触应力大于上密封面;316L不锈钢满足密封准则,用其作为密封圈材料更为经济;最优密封锥面锥角α为22.75°,最优密封面宽度b₀为28mm。所得结论可为其他类型水下井口连接器的密封结构设计提供依据。     

剪切闸板防喷器剪切力预测研究

防喷器是控制井内压力的安全设备,其中安装的剪切闸板在紧急情况下需要及时切断作业管柱才能确保实现安全封井。为了准确预测剪切闸板对钻杆的剪切能力,根据闸板剪切钻杆的工作机理及过程,以压应力公式作为理论基础,综合考虑闸板结构参数、钻杆性能参数及剪切工况参数,建立了闸板剪切力预测模型,并将预测方法应用于某型号剪切闸板剪切S135钻杆实例上以验证预测模型的有效性和可靠性。试验结果表明,利用文章所建立的预测模型计算出的剪切力数值与剪切试验得到的剪切力数据相对偏差在10%左右,满足工程实践的偏差要求。研究结果可有效弥补APISpec 16A中对于剪切闸板剪切能力预测评估的不足,并为防喷器剪切闸板的剪切力预测及结构设计提供了一定的理论依据。     

特殊螺纹气密封性能评价研究

针对特殊螺纹实现高气密封能力的问题,基于密封接触应力分布及其变化规律建立了锥面对锥面主密封过盈接触应力以及井下载荷工况下扭矩台肩面实际接触应力计算模型,并且基于密封接触能机理和密封面极限屈服条件建立了特殊螺纹气密封性能定性评价方法。以锥面对锥面主密封为例,对比分析了7种井下载荷工况对密封面平均接触应力、密封接触长度以及主密封面和台肩面的密封性能影响规律,绘制了防泄漏安全系数为1.0、1.5和2.0时锥面对锥面密封结构的密封包络线。结果表明:轴向拉伸载荷和环空外压会降低主密封结构和台肩面密封性能,轴向压缩载荷和油管温度升高有利于提高主密封结构和台肩面密封性能,而气体内压对主密封面接触应力有自增强效应,但会降低台肩面接触应力;控制合理环空内压以及上扣时台肩面作用扭矩有利于减小井下载荷工况对油管特殊螺纹密封性能的影响;绘制的密封包络线可以方便地设计锥面对锥面密封结构参数。     

“三高”气井井控配套新装置

井控装置是防止井喷,节流压井、处理事故的核心设备和最后一道屏障,其可靠性、操控性、稳定性决定了井控工作的成败。井控装置要求其具有强剪切力、稳定的密封性能和高抗冲蚀能力,但“三高”(高含硫、高压力、高产量)气井钻井所用钻杆尺寸、钢级、壁厚等已超出防喷器标准要求,导致井控装置存在防喷器剪切能力不足,全封—剪切一体闸板剪切后无法形成有效密封,节流管汇抗冲蚀能力弱等新问题。为此,在车间和现场实验、数值模拟的基础上对井控配套装置进行了系统改进。研究结果表明 ：①通过加装增力液缸,在套压 70 MPa 下,能剪断 ?149.2 mm×12.7 mm S110 钻杆;②全封—剪切一体化闸板上下密封改为前端密封,并采用斜面技术,既能对落鱼修整又能确保密封可靠性,剪切后能封住 105 MPa 压力;③基于现场模拟冲蚀实验数据,管汇 J₁号阀、J₄号阀优选圆柱形阀,对后端短节进行形状和抗冲蚀角度优化,提升了抗冲蚀能力,操控性更强。结论认为 ：①该配套,装置已在CS1 井等 30 余口“三高”气井成功使用,进一步展示了良好的应用前景 ;②目前井控设备方面的标准较钻...     

水下卧式采油树井口连接器VX钢圈力学特性研究

VX钢圈是水下卧式采油树连接器上的全金属锥形密封圈,其性能好坏直接影响着采油树功能的实现。为保证密封件的性能,需要进行密封件力学特性及相关参数的计算。根据VX钢圈密封的工作原理,对VX钢圈密封锥面进行预紧及操作工况下的力学分析,推导出了VX密封钢圈的预紧接触应力和操作接触应力公式,并用ABAQUS有限元法对推导的VX钢圈的设计计算公式进行验证及相关分析,指出在操作工况下,钢圈接触应力与内压呈线性关系,先随内压增大而降低,到达最低值后,则随内压增大而线性增大,钢圈实现自紧密封。