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空氣鉆井燃爆滅火閥的研制及其在普光氣田的應用

作者:劉東峰 聶軍 蘭凱 侯樹剛  來源:中國石化中原油田鉆井工程技術(shù)研究院 
評論: 更新日期:2016年10月06日
利用SolidWorks三維CAD軟件,得到的本體的三維實體模型(見圖6),利用COSMOS/Works自動劃分網(wǎng)格,建立有限元模型(見圖7、8)。劃分好的有限元模型與實體模型基本吻合,無“贅余”與“凹陷”,劃分較為準確。
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2.4.2邊界條件
????滅火閥工作時,下端面與空氣錘或鉆頭緊密接觸,上端面承受載荷(鉆壓和扭矩)。因此,取下端面為約束面,該面上所有節(jié)點的位移為零,除下端面上的節(jié)點外,其余節(jié)點自由。
2.4.3載荷條件
????在井下數(shù)千米,滅火閥受到的載荷情況十分復雜,是一個典型的隨機動載,起主要作用的載荷一是通過鉆柱傳來的鉆壓(p)與扭矩(M),二是由泵壓與鉆井液液柱壓力在穩(wěn)定器內(nèi)腔產(chǎn)生的內(nèi)壓(q)。
????根據(jù)設(shè)計要求,在取鉆壓與內(nèi)壓時,按6000m深井的極限工作情況計算,以使滅火閥安全可靠。
????計算鉆壓:
??? p=α·β·p0=2.0×1.6×300=640kN
式中:α為動載系數(shù),無量綱;β為應力集中系數(shù),無量綱;p0為鉆壓,kN。
????根據(jù)現(xiàn)場實際應用情況,扭矩按ZP-520轉(zhuǎn)盤額定扭矩取值,即M=16850Nm,滅火閥內(nèi)壓按6000m深井的極限工作情況,取q=84MPa(見圖8)。
2.4.4材料性能
????滅火閥本體的材料為40CrNiMo,其力學性能為彈性模量E=2.06×105MPa;剪切模量G=0.81×105MPa;泊松比μ=O.3;屈服應力σs=930MPa;強度極限σb=1080MPa。在計算過程中將材料性質(zhì)定性為線彈性材料。
2.4.5強度分析
????用有限元分析軟件COSMOS/Works對上述有限元模型進行計算,得出了滅火閥本體內(nèi)各單元的應力分布情況,最大應力值為164.1MP。因本體的最大應力值低于本體材料的屈服極限(930MPa),其強度已經(jīng)足夠。使用分析軟件進行設(shè)計檢查,顯示其最小安全系數(shù)為5.7,滅火閥本體結(jié)構(gòu)具有足夠的強度儲備。
3?空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)
????空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)是專門為監(jiān)測氣體鉆井過程中返出氣體組分的變化而達到預防井下燃爆現(xiàn)象發(fā)生而配套開發(fā)研制的。它的工作原理是在監(jiān)測到烴類氣體的情況下,通過檢測CO2、CO、02、H2S等氣體體積分數(shù)的變化來判斷是否有地層氣體進入井眼和是否發(fā)生井下燃爆[6~7]
3.1?系統(tǒng)組成
????空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣樣采集及凈化裝置、氣體監(jiān)測儀、壓力傳感器、圖像監(jiān)測儀、無線傳輸模塊、監(jiān)測平臺(監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲)等組成。用于對井口氣體的成分數(shù)據(jù)進行采集、存儲、動態(tài)顯示,以便對氣體鉆井的過程進行安全監(jiān)測。需要采集的數(shù)據(jù)包括:①井深;②二氧化碳含量;③一氧化碳含量;④氧氣含量;⑤甲烷等可燃氣體含量;⑥硫化氫含量;⑦溫度;⑧濕度。同時裝備攝像頭監(jiān)視泄流管口的流體形態(tài),并在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上同步顯示其視頻。
3.2?系統(tǒng)功能
??? 1)?采用VC語言進行編程,工業(yè)串口參數(shù)設(shè)置界面,保證數(shù)據(jù)傳輸有效性和正確率。
??? 2)?數(shù)據(jù)實時記錄和保存,曲線實時動態(tài)顯示。
??? 3)?可以進行報警閾值參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)具有超限報警功能,O2、CO、CO2、H2S、CH4和排砂管線取樣口壓力測量范圍的閾值可以根據(jù)研究成果進行合理設(shè)定。
4?認識與建議
??? 1)?在川東北地區(qū),非儲層段陸相地層如上三疊統(tǒng)須家河組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組等地層為含氣層段,氣體鉆進過程中遇到地層出氣,均有發(fā)生燃爆的可能性,一旦發(fā)生燃爆,造成的損失很大。
??? 2)?研制設(shè)計的滅火閥,強度符合現(xiàn)場實際要求,在正常氣體鉆進時作為單流閥,當井下發(fā)生可燃性氣體爆炸時,可有效阻斷氧氣的供應,控制燃爆的進一步擴大。
3)?空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā),能夠?qū)崟r監(jiān)測到返出氣體組分的變化和捕捉到井下燃爆現(xiàn)象,操作方便、界面友好。
4)?加強對地層的認識,實時監(jiān)測,采取有效手段,保證空氣鉆井的安全、實現(xiàn)快速鉆進。
參考文獻
[1]?趙業(yè)容,孟英峰.氣體鉆井理論與實踐[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.
[2]?李鐵成,劉東峰,胡建均,等.川東北地區(qū)空氣鉆井燃爆分析與預防[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):78-81.
[3]?李永杰.空氣霧化鉆井井下燃爆分析[D].重慶:重慶大學,2002.
[4] WILLIAM C LYONS,BOYUN GUO,F(xiàn)RANK A SEIDEL.空氣和氣體鉆井手冊[M].曾義金,樊洪海,譯.北京:中國石化出版社,2006.
[5]?張林,余代銀.空氣鉆井井下燃爆事例分析[J].天然氣工業(yè),2008,28(5):53-54.
[6]?馮靚,陳一健.空氣鉆井井下燃爆監(jiān)測系統(tǒng)[J].石油機械,2007,35(5):35-37.
[7]?朱禮平,王希勇.空氣鉆井隨鉆監(jiān)測技術(shù)及其應用[J].天然氣工業(yè),2009,29(1):64-66.
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