钻柱内防喷止回阀结构及失效原因分析.pdf

2 O 1 3年 第 3期 第 4 2卷 第 7 4页 石油 矿 oI L FI ELD 场机械 E QUI P MENT 2 0 1 3， 4 2 3 7 4 ～ 7 7 文 章 编 号 1 0 01 3 4 8 2 20 1 3 0 3 0 0 7 4 0 4 钻柱 内防喷止 回阀结构及 失效原 因分析 张晓 东 。 闫 家 ， 汪凯 ， 姜中舰 ， 李一岚 西南石油大学 ， 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 为有效防止井喷及 井涌的发生， 并解决现有钻柱 内防喷止回阀结构种 类少、 使用寿命短等 问 题 ， 有 必要分析 内防喷 止 回阀主要 结 构特 点与 失效 形 式 。通过 对 目前各 大油 田 内防喷 工 具使 用现 状 及 问题 的调 研 ， 综合 分析 了钻 具 止 回 阀 典 型结 构 与 工 作 原 理 ， 总 结 出钻 具止 回 阀主 要 的 失 效形 式， 并结合止回阀结构特点与失效情况， 进一步探讨 了钻 井液在阀芯密封面上的冲刷入射 角对密封 性能的影响、 止回阀密封比压需满足的条件并具体分析 了失效原因。分析表明 止回阀密封结构与 密封件材料性能影响使用寿命 ； 针对不 同钻井介质应合理选择 内防喷工具的组合。 关键 词 钻柱 ； 内防喷 系统 ； 止 回 阀 ； 结 构分析 ； 失效原 因 中图分 类号 TE 9 3 1 ． 2 文献标 识码 A S t r u c t u r e s a n d Fa i l u r e Re a s o n An a l y s i s f o r Ch e c k Va l v e Us e d a s I BoP i n Dr i l l Co l u m n ZHANG Xi a o d o n g ， YAN J i a ， WANG Ka i ， J I ANG Z h o n g j i a n， LI Yi l a n Sou t hwe s t Pe t r o l e u m Uni v e r s i t y， Che n gdu 6 1 05 00， Chi na mod e s b a s e d o n r e s e a r c hi ng c ur r e n t s i t u a t i o n a n d pr o bl e ms o f i ns i de b l owo u t p r e v e nt e r s a r e s u m me d u p， whi c h a r e be i ng u s e d i n m a n y o i l f i e l d s， t h e n a n a l y z i n g t he r e l a t i o n be t we e n s c o ur i n c i d e nt a n gl e s on s p oo l f a c e a nd t i g ht ne s s of c he c k v a l v e s c o m b i ne d t he s t r uc t ur e c h a r a c t e r i s t i c s wi t h f a i l ur e m o d e s ．The a na l y s i s r e s u l t s s h ows t h a t t he s e a l s t r u c t u r e a n d m a t e r i a l s a f f e c t t he s e r v i c e l i f e o f c he c k v a l v e。 a nd i t i S me a n i ng f ul t o c ho o s e t he be s t c o m b i na t i on o f i ns i d e b l owo ut p r e v e nt e r s ba s e d on d i f f e r e n t d r i l l i ng me d i um． Ke y wo r ds d r i l l s t r i ng； bo p s y s t e m i n s i de； s t r u c t ur a l a na l y s i s ； f a i l u r e c a u s e s 钻井 工程 中 ， 钻 柱 内 防喷止 回 阀是 一种 单 向阀 ， 通常连接在钻铤与钻杆之间。正常循环钻进时 ， 钻 井 液通 过 阀隙 向下流 动 ； 一 旦井 涌或 井喷 出现 时 ， 地 层高压液流就会 向上流动 ， 推动 阀芯件与基体接触 产生 密封 ， 防止 事 故 恶 化 。整 个 内防 喷 系 统 中井 底 止回阀的工作条件最为恶劣 ， 失效情况严重。 目前 ， 油田普遍使用的钻具止 回阀包括箭型阀、 浮阀、 投入 式止 回阀 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 0 6 基金项 目 西南石油大学创新基金资助项 目 G I F S S 0 7 2 1 作者简介 张 晓东 1 9 5 9 一 ， 男 ， 重庆武隆人 ， 教授 ， 博士 生导师 ， 主要 从事石 油钻 采设备新 技术 、 现代 设计 理论与 方法 的教 学及石油钻采工具 ， 特别是井下动力钻具和井下工具 的研 发工作 ， E - ma i l z x d 1 2 3 4 2 0 1 2 6 ． c o rn。 第 4 2卷第 3期 张晓东 ， 等 钻柱 内防喷止 回阀结构及失效原因分析 式中 m为冲蚀磨粒 的质量 ； 为靶材 流动应力 ； K 为常数。 由上式可 以看出 阀芯材料的磨损体积与磨粒 的质量 m和速度 的平方 即磨粒的动能 成正 比， 与靶材 的流 动应力 成反 比， 与冲角 成一 定 的函数 关 系 。 密封 面上 的 比压 为 q 一 3 q b q ≤[ q ] 式中 为密封必须 比压 ， MP a ． [ q ] 为密封面材料 许用 比压 ， MP a ； F为密封面上 的总作用力 ， N； D 为 密封面内径 ， mm； b为密封面宽度 ， i i l m。 通过上述公式分析 ， 优化密封面的接触形式 、 选 择合理的入射角可以控制阀芯密封面的磨损量或者 采用热喷涂技术在受冲蚀的密封表面喷涂 1层耐磨 耐蚀合金粉末[ 8 ] ； 同时合理控制 比压力， 既能补偿密 封 接触 面 的不 平度 ， 也 可以 防止 阀材料 的塑性 变形 ， 从而提高密封可靠性 。 2 ． 2 ． 2 弹簧失效 钻具止 回阀中弹簧的失效主要表现在 圆柱螺旋 弹簧无压并保护情况 下， 在钻井介质严重地推压 阀 芯时产生冲击载荷 ， 造成弹簧快速疲 劳失效。浮阀 中的扭转弹簧容易受 钻井介质的腐蚀作用 ， 在腐蚀 环境中承受交变载荷将发生腐蚀疲劳， 由于腐蚀环 境能加速疲劳的萌生 和扩展 ， 因而会显著降低 弹簧 的疲劳寿命 ] 。 钻井 液 通 过止 回 阀时 ， 圆柱压 缩 弹 簧 的载 荷 不 可能作用在其几何中心线上 ， 会形成偏心载荷 ， 该偏 心载荷产生 附加应力使压 缩弹簧安全应力 显著减 小 ； 并且导杆与弹簧的间隙选择影响着弹簧稳定性。 因此 ， 对止 回阀流道结构改进及合 理选择导杆与弹 簧间的间隙可以提高弹簧使用寿命。 2 ． 2 ． 3强度失效 钻 井 工程 中 ， 止 回 阀本体 接 在 钻 杆或 钻 铤 上 同 钻 柱一 起转 动 ， 承受 同样 的扭 矩 、 钻 压 和 冲击 载荷 ， 而且安装在 不同位置的 内防喷器其 内外压差也 不 同l l 。钻 柱瓶 颈 段 的 内 防 喷 工 具 容 易 受 交 变 应 力 集中作用 ， 加快 阀体疲劳破坏 。 钻探天然气井 时， 由于 H。 S 、 C O 。等腐 蚀介质 的存在， 特别是含有 H S时的井喷 ， 将严重腐蚀钻 具。H。 S应力腐蚀断裂具有突发性、 断裂应力低及 诱发应力集中处的裂纹 如螺纹连接部位 、 加厚过渡 区 等 特点 口 ” ] 。 因此， 采用合理的内防喷钻具组合及优化 的止 回阀连接位置有利于防止强度失效 ； 改善 阀的材料 ； 提高抗 H。 S 、 C O 等腐蚀介质 的性 能， 增强抵抗 破 坏 的能力 。 3 结 论 1 国内钻具止 回阀结构种类少 ， 研究和制造 能力同国外 比存在差距 ， 现场使用 中非正常失效情 况严 重 。 2 正确选用钻具止回阀。泥浆钻井时选用性 能稳定的浮阀， 空气钻 井时可选用密封性能 良好的 箭型阀。投入式止 回阀流道窄、 冲蚀作用 明显 ， 不易 长 时间工作 。 3 通过对止 回阀失效原 因的分析， 要提高钻 具止回阀的寿命可以考虑 优化止回阀密封面结构 ， 减轻阀的冲蚀刺坏 ； 在长期受钻井介质冲蚀 的密封 面上采用热喷涂技术 喷涂耐蚀耐磨合金粉末 ； 改进 弹簧和阀门的材料性能 ， 强化工艺 ， 增强抗疲劳性 ； 开展钻具组合及止回阀安装位置的研究。 参考文献 [ 1 ] 张建诺． 钻柱内防喷系统[ J ] ． 石油机械 ， l 9 9 0 3 1 - 3 ． [ 2 ] 陈浩 ， 王长江 ， 吴震 ， 等． 安全钻井钻柱 内防喷系统 止 回阀工 作 机 理 及失 效 分 析 [ J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 1 0 6 6 9 - 7 2 ． [ 3 ] S Y／ T 5 2 1 5 --2 0 0 5 ， 钻具 止回阀I S ] ． [ 4 ] 吴宪文 ， 李勇． 欠压箭型止 回阀 中国， 2 0 1 0 2 0 2 6 8 8 3 8 ． 6 [ P ] ． 2 0 1 1 0 2 0 2 ． [ 5 ] 吴 宪 文 ， 李 勇． 强 制 式 自灌 浆 箭 型 止 回 阀 中 国， 2 0 1 0 2 0 2 6 9 4 5 3 ． 1 [ P ] ． 2 0 1 l O 2 一 O 2 ． [ 6 ] 肖力彤 ， 郑泳 ， 郑嘉英 ， 等． F型新 型钻具浮 阀研制 与 应用[ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 1 0 4 8 O 一 8 2 ． [ 7 ] 邵荷 生 ， 曲敬信． 摩擦与磨损[ M] ． 北京 煤 炭工业 出版 社 ， 1 9 9 2 2 6 6 2 6 8 ． [ 8 ] 金双峰 ， 程鹏 ， 姜膺 ， 等． 弹簧的失 效分析与预防技 术[ J ] ． 金 属热处 理 ， 2 0 1 1 s 1 1 4 0 1 4 2 ． [ 9 ] 李天雷 ， 李春福 ， 姜放 ， 等． 热喷涂技术研究现 状及发 展趋 势[ J ] ． 天然气与石油 ， 2 0 0 7 ， 2 5 2 2 5 2 7 ． E l o ] 练章华 ， 李孝 军 ， 宋周成 ， 等． 新型 内防 喷器安放 位置 分析[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 8 9 2 2 2 4 ． [ 1 1 ] 陈浩 ， 宋周成 ， 王晓萍 ， 等． 钻柱 内防喷 系统研究 方 向探讨 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 7 7 6 6 6 8 ． [ 1 2 ] 宋路江， 蔡正敏， 张贵德， 等， 顶驱内防喷器在井控 中 的应 用 及 维 护 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 9 89 - 9 1． [ 1 3 ] 万 里平 ， 孟英 峰 ， 杨龙 ， 等． 高含硫 气 田钻具腐 蚀研 究 进展[ j ] ． 石油天然气学报 ， 2 0 0 6 4 1 5 4 1 5 6 。