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井限制工具原型已在靜態(tài)條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，但在動(dòng)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(dòng)。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(jì)為 95 /8 -in 套管柱的一個(gè)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(huì)。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(dòng)通過移動(dòng)開放套筒來實(shí)現(xiàn)，從而排出六個(gè)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(hào)被傳送到井限制工具（WRT）上的接收器時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)。當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，帶電固體推進(jìn)劑留在推進(jìn)劑腔，被點(diǎn)燃。由推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高壓氣體向前驅(qū)動(dòng)開放套筒，排出彈簧支撐的指狀閥。當(dāng)連接套筒向前移動(dòng)時(shí)，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(shí)，它們開始突進(jìn)井眼，任何向上的流動(dòng)有助于提高指狀閥進(jìn)入關(guān)閉位置的動(dòng)力。 值得注意的是，指狀閥設(shè)計(jì)確保六個(gè)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(jì)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(jì)為從表面運(yùn)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(shí)存在干擾管的機(jī)會(huì)。

 

設(shè)計(jì)與分析
 

有限元分析（FEA）用于井限制工具（WRT）的整個(gè)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(yàn)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(chǎng)。 除 了 擋 板 式 承 載 界 面的 熱 點(diǎn)（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(shí)，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(cè)試驗(yàn)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(jì)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)流體沖擊壓力比靜態(tài)壓力負(fù)荷更嚴(yán)重。為了評(píng)估快速閉閥期間閥門的完 整 性， 使 用 Abaqus 顯 式 動(dòng) 態(tài)FEA 軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài) FEA。使用分析方法保守估計(jì)瞬時(shí)流體沖擊壓力，并應(yīng)用于閥門 FEA模型。第一次動(dòng)態(tài)模擬表明，在沖擊事件期間擋板有可能會(huì)失效，然后將針式材料從 80-ksi 鋼升級(jí)為150-ksi 鈹銅合金。動(dòng)態(tài) FEA 表明，較強(qiáng)的針式材料可能會(huì)在沖擊事件中生存，同時(shí)塑性應(yīng)變最小。此外，動(dòng)態(tài) FEA計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)了令人滿意的擋板設(shè)計(jì)，F(xiàn)EA 就可用于評(píng)估整個(gè)工具上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷，包括殼體、滑套和推進(jìn)劑腔。

 

原型測(cè)試
 

井限制工具（WRT）由兩個(gè)主要子系統(tǒng)組成：（1）遠(yuǎn)程啟動(dòng)系統(tǒng)，其接收表面信號(hào)，并平移滑動(dòng)套管以部署指狀閥；（2）閥動(dòng)裝置，其由六個(gè)擋板指進(jìn)和相關(guān)聯(lián)的殼體組件組成。對(duì)各種不同概念設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的分析，包括在各種井眼條件下評(píng)估套筒軌跡，以及評(píng)估套管在部署期間如何與擋板指進(jìn)相互作用。對(duì)于初始原型測(cè)試，決定這的僅是創(chuàng)造閥動(dòng)裝置，以便在使用機(jī)械啟動(dòng)裝置之前能夠良好地表現(xiàn)其性能。遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，但在開發(fā)程序的這個(gè)階段沒有新的創(chuàng)造。閥裝置子部分概念驗(yàn)證測(cè)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(cè)試夾具專門用于在各種靜水壓力、高溫和不同安裝方向測(cè)試閥動(dòng)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(cè)試壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 5,000psi 所需的壓力等級(jí)。其中一個(gè)擋板指在四個(gè)位置使用三軸裝置測(cè)量應(yīng)變儀，第二個(gè)擋板指用單個(gè)鑲嵌儀器提供測(cè)量冗余度。

 

在閥裝置高壓側(cè)安裝了用于測(cè)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(cè)試。在高溫 250 ℉下進(jìn)行測(cè)試，在閥裝置的兩側(cè)可以用水進(jìn)行。測(cè)試WRT密封面的兩個(gè)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(cè)試。這種設(shè)計(jì)僅包含用于中心塞鉆頭的小型彈性體。通 過 FEA 評(píng) 估 MTM 閥 動(dòng) 裝置設(shè)計(jì)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(jì)可能會(huì)在一定程度上泄漏。研究設(shè)計(jì)，因?yàn)樗峁┝烁?jiǎn)單密封潛力，并擴(kuò)大使用案例。

 

MTM 設(shè)計(jì)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(cè)試 MTM 設(shè)計(jì)不需要制造兩個(gè)單獨(dú)的閥組件。對(duì) MTM設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步測(cè)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(shí)的工藝公差和復(fù)雜的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)造成的。MTM 測(cè)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(jì)，包括彈性體密封件。該密封件被并入最終原型。對(duì)基于彈性體的閥組件進(jìn)行初步測(cè)試，測(cè)試中心塞有輕微變化，直到設(shè)計(jì)證明為完全可靠地密封。在該設(shè)計(jì)建立之后，閥組件的正式測(cè)試， 并且在中心塞最終確定之后，對(duì)組件的任何部件沒有進(jìn)行任何改變。該版本的原型測(cè)試通過了一系列測(cè)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(cè)試程序如下：在測(cè)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(cè)試了較低的壓力，但這也是大多數(shù)測(cè)試中使用的典型初始?jí)毫Α?/div>