應(yīng)急井控工具
時間：2017-10-12 11:45
來源：
作者:張瑜
井限制工具原型已在靜態(tài)條件下進(jìn)行設(shè)計和測試，但在動態(tài)條件下仍需進(jìn)一步分析。2014 年，殼牌公司開發(fā)一種表面激活套管集成流量限制工具原型。該工具能夠在井噴失控期間阻止流動。這種井限制工具（WRT）在功能上類似于地下安全閥（SSSV），且被設(shè)計為 95 /8 -in 套管柱的一個必要組成部分。與地下安全閥（SSSV）不同，井限制工具（WRT）用于鉆井過程中，可以安裝在靠近套管柱末端的井中。其目的在于通過阻止油氣進(jìn)入井中來補(bǔ)充防噴器 （BOP） ，從而增加 BOP 成功關(guān)閉的機(jī)會。如果 BOP 關(guān)閉失敗，它也可以起到后援作用。
該設(shè)備的驅(qū)動通過移動開放套筒來實現(xiàn)，從而排出六個彈簧支撐的三角狀指進(jìn)，這些指進(jìn)聚集在一起完全密封井眼。當(dāng)來自表面的加密無線信號被傳送到井限制工具（WRT）上的接收器時，驅(qū)動程序啟動。當(dāng)接收到信號時，帶電固體推進(jìn)劑留在推進(jìn)劑腔，被點燃。由推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高壓氣體向前驅(qū)動開放套筒，排出彈簧支撐的指狀閥。當(dāng)連接套筒向前移動時，油脂腔中的油脂通過一系列排氣孔排入井眼。當(dāng)連接套筒到指狀閥的端部時，它們開始突進(jìn)井眼，任何向上的流動有助于提高指狀閥進(jìn)入關(guān)閉位置的動力。 值得注意的是，指狀閥設(shè)計確保六個三角狀指進(jìn)在一起，使得表面密封適當(dāng)匹配。井限制工具（WRT）旨在被設(shè)計成為一次性使用的應(yīng)急井控制工具。為了在開啟之后恢復(fù)操作，連接工具設(shè)計為從表面運行，以使用關(guān)閉連接工具和循環(huán)指狀閥，返回到貯存位置，在這里它們被鎖定位置。如果井限制工具（WRT）上有管道，則無法完全關(guān)閉井。因此，井限制工具（WRT）最有效的布局是位于生產(chǎn)區(qū)之上，但是要盡可能深入井筒，最大限度地減少在井控事件發(fā)生時存在干擾管的機(jī)會。
設(shè)計與分析
有限元分析（FEA）用于井限制工具（WRT）的整個開發(fā)階段。最 初， 進(jìn) 行 靜 壓 分 析， 接 著 根 據(jù)ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范指南進(jìn)行分析。該工具材料的全應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，包括硬化最大抗拉強(qiáng)度。通過拉伸試驗獲得，且工具材料的全彈性塑性響應(yīng)可用于所有的有限元分析（FEA）。閥 門 額 定 壓 力 為 5,000 psi的 應(yīng) 力 場。 除 了 擋 板 式 承 載 界 面的 熱 點（hot spots） 之 外， 工 具中的應(yīng)力低于材料的 80-ksi 屈服強(qiáng)度。 當(dāng)模型中的靜壓力升高到12,500psi 時，觀察到大面積的塑性應(yīng)變，但閥保持其結(jié)構(gòu)完整性和密封能力。
靜態(tài) FEA 的接觸壓力表明，在擋板 - 擋板密界面處可能存在靠近擋板底部的泄漏路徑。第一輪靜態(tài)測試驗證了這種泄漏路徑，并引入了彈性體以改進(jìn)擋板的密封。閥門關(guān)閉事件預(yù)計會導(dǎo)致動態(tài)流體沖擊壓力比靜態(tài)壓力負(fù)荷更嚴(yán)重。為了評估快速閉閥期間閥門的完 整 性， 使 用 Abaqus 顯 式 動 態(tài)FEA 軟件進(jìn)行動態(tài) FEA。使用分析方法保守估計瞬時流體沖擊壓力，并應(yīng)用于閥門 FEA模型。第一次動態(tài)模擬表明，在沖擊事件期間擋板有可能會失效，然后將針式材料從 80-ksi 鋼升級為150-ksi 鈹銅合金。動態(tài) FEA 表明，較強(qiáng)的針式材料可能會在沖擊事件中生存，同時塑性應(yīng)變最小。此外，動態(tài) FEA計算了擋板承載界面處的壓縮塑性應(yīng)變力，并在擋板針孔處計算出約5％的拉伸塑性應(yīng)變。 盡管有這些塑性應(yīng)變分區(qū)，但模擬結(jié)果表明，閥門的結(jié)構(gòu)完整性和密封性能得以保持。一旦實現(xiàn)了令人滿意的擋板設(shè)計，F(xiàn)EA 就可用于評估整個工具上的靜態(tài)和動態(tài)載荷，包括殼體、滑套和推進(jìn)劑腔。
原型測試
井限制工具（WRT）由兩個主要子系統(tǒng)組成：（1）遠(yuǎn)程啟動系統(tǒng)，其接收表面信號，并平移滑動套管以部署指狀閥；（2）閥動裝置，其由六個擋板指進(jìn)和相關(guān)聯(lián)的殼體組件組成。對各種不同概念設(shè)計的遠(yuǎn)程啟動系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的分析，包括在各種井眼條件下評估套筒軌跡，以及評估套管在部署期間如何與擋板指進(jìn)相互作用。對于初始原型測試，決定這的僅是創(chuàng)造閥動裝置，以便在使用機(jī)械啟動裝置之前能夠良好地表現(xiàn)其性能。遠(yuǎn)程驅(qū)動裝置的設(shè)計已經(jīng)完成，但在開發(fā)程序的這個階段沒有新的創(chuàng)造。閥裝置子部分概念驗證測試的目的是確定其性能并收集數(shù)據(jù)，以便與前述 FEA 進(jìn)行比較。 測試夾具專門用于在各種靜水壓力、高溫和不同安裝方向測試閥動裝置。一 種 全 尺 寸 原 型 閥 組 件 被 制造，并使用水作為介質(zhì)，承受高達(dá)10,000 psi 的壓力范圍。這種最終測試壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 5,000psi 所需的壓力等級。其中一個擋板指在四個位置使用三軸裝置測量應(yīng)變儀，第二個擋板指用單個鑲嵌儀器提供測量冗余度。
在閥裝置高壓側(cè)安裝了用于測量流體壓力和溫度的附加儀器。在暴露的 WRT 低壓側(cè)進(jìn)行環(huán)境溫度測試。在高溫 250 ℉下進(jìn)行測試，在閥裝置的兩側(cè)可以用水進(jìn)行。測試WRT密封面的兩個變化。WRT 最初在金屬 - 金屬（MTM）接觸之間在擋板指的密封表面之間以及擋板指的周邊和外殼之間進(jìn)行了測試。這種設(shè)計僅包含用于中心塞鉆頭的小型彈性體。通 過 FEA 評 估 MTM 閥 動 裝置設(shè)計的方法之一，是通過分析負(fù)載下發(fā)生的變形并檢查在匹配表面處產(chǎn)生的接觸壓力。 根據(jù)分析確定，MTM 設(shè)計可能會在一定程度上泄漏。研究設(shè)計，因為它提供了更簡單密封潛力，并擴(kuò)大使用案例。
MTM 設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)和最終的基于彈性體的原型之間也沒有區(qū)別。因此，測試 MTM 設(shè)計不需要制造兩個單獨的閥組件。對 MTM設(shè)計進(jìn)行了初步測試，最終原型密封面無法充分密封。這在很大程度上是由于真實的工藝公差和復(fù)雜的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)造成的。MTM 測試還提供了有關(guān)中心塞鉆頭性能的初步數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)用于改變彈性體原型的中心塞。替代配套表面幾何結(jié)構(gòu)的其它研究可為全金屬閥門部分提供可行方案，決定改變 MTM 設(shè)計，包括彈性體密封件。該密封件被并入最終原型。對基于彈性體的閥組件進(jìn)行初步測試，測試中心塞有輕微變化，直到設(shè)計證明為完全可靠地密封。在該設(shè)計建立之后，閥組件的正式測試， 并且在中心塞最終確定之后，對組件的任何部件沒有進(jìn)行任何改變。該版本的原型測試通過了一系列測試，在很大范圍的壓力和高溫下表現(xiàn)良好。
原 型 閥 組 件 需 要 初 始 流 量 來激發(fā)閥門，允許擋板指完全密封，這是使用預(yù)先蓄能器完成的。像通過蓄能器中有限壓降所觀察到的一樣，閥門很快地通電，流量非常小。一般測試程序如下：在測試固件中安裝閥組件；使用模擬連接工具循環(huán)閥；將蓄能器充電至 1,200psi。雖然成功測試了較低的壓力，但這也是大多數(shù)測試中使用的典型初始壓力。
在廣泛的壓力下進(jìn)行測試以評估密封性能。彈性原型設(shè)計通過在大范圍的壓力下完全密封而表現(xiàn)良好，被認(rèn)為是成功完成概念驗證。測試證明，該概念在靜態(tài)條件下是可行的，在動態(tài)關(guān)閉條件下進(jìn)行額外的分析和測試是有必要。迄今為止，動態(tài)測試將需要在開發(fā)工作中進(jìn)行設(shè)計，但不是非構(gòu)建的原型殼體和套管部件。WRT 開發(fā)的下一步是在流程循環(huán)中安裝一個原型，以便在流動條件下進(jìn)行測試。
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