1、第 50 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月Vol.50，No.2Feb.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）“半浮动”取心保压球阀的设计研究刘合 1，温鹏云 2，宋微 2，董康兴 2，王素玲 2（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318）摘 要：现行机械式保压球阀受限于井下狭小空间，保压能力弱、保压成功率低、灵活性差.针对以上问题，提出一种“半浮动”取心保压球阀设计构想.基于保压取心技术要求，采用数值仿真
2、及理论计算，设计研发了一种“半浮动”球阀保压控制技术，创新设计的“半浮动”承压结构改变了球阀承压位置，有效增强了球阀承压能力.提出了一种气动式的新型控制方式，球阀启闭可控，可以有效解决大斜度井、水平井作业中球阀关闭难题.分别对“半浮动”及固定球阀阀体、阀座进行了有限元对比分析，“半浮动”球阀承压能力达到70 MPa，保压能力显著提升.通过理论计算确定了球阀的转矩及最小气体压力.研究结果可为保压取心技术的发展提供一定技术支撑.关键词：保压取心技术；保压球阀设计；保压能力；球阀密封；有限元分析中图分类号：TE244 文献标志码：ADesign and Research of“Semi-floati
3、ng”Coring and Pressure-maintaining Ball ValveLIU He1，WEN Pengyun2，SONG Wei2，DONG Kangxing2，WANG Suling2（1.Petrochina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China；2.School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）Abst
4、ract：The current mechanical pressure-holding ball valve is limited by the narrow space in the well，the pressure-holding ability is weak，the pressure-holding success rate is low，and the flexibility is poor.In view of the above problems，a design concept of a semi-floating coring and the pressure-maint
5、aining ball valve is proposed.Based on the technical requirements of pressure-holding coring，numerical simulation and theoretical calculation are used to design and develop a semi-floating ball valve pressure-holding control technology.The innovatively designed semi-floating pressure-bearing structu
6、re changes the pressure-bearing position of the ball valve，effectively enhancing the ball valve pressure capacity.A new pneumatic control method is proposed，and the opening and closing of the ball valve can be controlled，which can effectively solve the problem of closing the ball valve in the operat
7、ion of highly deviated wells and horizontal wells.The finite element comparative analysis of the semi-floating and fixed ball valve bodies and valve seats were carried out，respectively.The pressure-bearing capacity of the semi-floating ball valve reaches 70 MPa，and the pressure-holding capacity is s
8、ignificantly improved.The torque 收稿日期：2022-04-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（11972113），National Natural Science Foundation of China（11972113）；黑龙江省科技计划省院合作项目（YS19A04），Heilongjiang Provincial Science and Technology Planning Provincial Institute Cooperation Project（YS19A04）作者简介：刘合（1961），男，黑龙江省哈尔滨人，中国工程院院士 通信联系人，E
9、-mail：文章编号：1674-2974（2023）02-0173-08DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2022202湖南大学学报（自然科学版）2023 年and minimum gas pressure of the ball valve are determined by theoretical calculation.The research results can provide certain technical support for the development of pressure-holding coring technology.Key words：ho
10、lding pressure coring technique；pressure-holding ball valve design；pressure holding capacity；ball valve seal；finite element analysis保压取心技术作为目前最前沿的钻井取心技术，可以将岩心保持在原始地应力状态下取出，获得储层信息的第一手资料1-3，是实现老油田剩余油精细挖潜、非常规油气储藏地质描述及向深层探索的关键4-5.我国自20世纪70年代起，涌现出了大庆油田、浙江大学、中石化胜利石油工程研究院等一批致力于保压取心技术研究的机构6-9.现有工具可以获取直径80 m
11、m岩心，额定保压能力达到60 MPa，相较于国外，在保压能力及岩心直径等关键技术指标方面尚存在明显差距，这成为我国油气行业发展的严重掣肘10-12.同时 中国“十四五”规划 中指出要加快深海、深层和非常规油气资源利用，推动油气增储上产，在此背景下，大力发展保压取心技术已经成为我国油气勘探开发的重中之重13-14.球阀，配合储心筒实现岩心原位压力保持，其保压能力是保压取心技术发展的短板.球阀承压能力、密封性能及控制方式是影响保压能力的关键因素15-18.现行保压球阀普遍为机械式固定球阀19-21，受限于井下空间狭小，转轴承压能力成为制约保压能力提升的关键；机械控制方式难以避免岩屑、泥、沙石等杂物
12、进入储心筒，阻碍岩心进入22.基于以上问题，提出了一种“半浮动”取心保压球阀设计方案.“半浮动”承压结构改变了球阀承压位置，通过阀座承载高压，显著提高了球阀保压能力，配合主被动密封结构，提升了球阀的保压成功率；气动控制方式保证球阀启闭可控，提升了岩心质量及取心收获率.1 “半浮动”球阀结构及工作原理1.1 “半浮动”球阀结构“半浮动”取心保压球阀由预紧弹簧、软密封座、阀座、阀体、气轮轴、气轮盖螺钉、自锁结构及气轮盖组成，其结构如图1所示.阀座是球阀的主要承压部件，其上部螺纹连接保真内筒；预紧弹簧及软密封座安装在阀座内形成阀体前密封端，其与保压内筒配合保证球阀在低压状态下仍具有良好的密封性；气轮
13、轴安装在阀座气轮槽内，在气体作用下控制球阀启闭；气轮盖螺钉用于紧固气轮盖；自锁结构可以在气轮轴到位后自锁，保证球阀启闭到位；气轮盖上具有注气孔、自锁结构孔及螺钉孔，注气孔用于气体注入，推动气轮轴旋转，自锁结构孔用于自锁装置的安装，螺钉孔与气轮盖螺钉配合保证气轮轴位置.1.2 工作原理关闭球阀，将保压取心工具下入到井底进行取心作业；球阀工作原理如图2所示，岩心逐渐进入取心工具底孔到传感器监测到岩心位置时，控制系统控制电磁阀1开启，气体通过气轮盖上的注气孔进入，推动气轮轴旋转，实现球阀开启，一定时间后电磁阀1关闭；随着工具下行，岩心逐渐进入储心筒，取得所需长度岩心后，差动装置动作实现内外筒差动，带
14、动割心装置上行割断岩心；当传感器监测到井底岩柱脱离球阀中孔时，控制系统控制电磁阀2开启，气体推动气轮轴反转，实现球阀关闭密封，一定时间后电磁阀2关闭.2 关键结构设计2.1 气动结构气动结构主要由注气孔、叶轮、气动轨道以及气1预紧弹簧；2软密封座；3阀座；4阀体；5气轮轴；6气轮盖螺钉；7自锁结构；8气轮盖.图1“半浮动”取心保压球阀结构图Fig.1 Structure diagram of semi-floating coring and pressure-maintaining ball valve174第 2 期刘合等：“半浮动”取心保压球阀的设计研究轮盖组成，如图3所示.气轮盖与阀座扣
15、合形成一个密闭空腔，即气动轨道，叶轮叶片在气动轨道内运动，带动阀体动作；该结构中气动轨道及叶轮叶片皆为定角度扇形件，保证转轴及球阀最大旋转角度为90，确保球阀启闭到位；注气孔依次连接高压管道、电磁阀、高压气罐，电磁阀与控制系统连接；当传感器接收到信号时，控制系统控制电磁阀开启，气体通过注气孔注入预加载槽中，推动叶轮叶片旋转，实现阀体的启闭控制；阀体开启与关闭状态如图4所示.2.2 “半浮动”承压结构现有球阀分为固定球阀及浮动球阀两种.固定球阀有上下两根阀杆固定阀体，阀体相对于阀座不发生位移；浮动球阀只有上阀杆，球体可以发生轻微的位移23-24.本球阀中设计了一种“半浮动”结构，如图5所示，其主
16、要由气动叶片的矩形轴端及阀体的矩形槽组成；在球阀开启时，不发生位移，当球阀关闭后，在预紧力作用下球阀可以相对阀座下行，发生微量位移，保证阀体可以紧密贴合在阀座承压面上，通过阀座来承受储心筒内的高压，显著增强了球阀的保压能力，其工作过程如图6所示.2.3 密封结构“半浮动”球阀采用主被动密封结构对球阀进行密封保压25-26，主要由预紧弹簧、阀座、密封圈、密封座及阀体组成，如图7所示.阀座上部螺纹连接储心筒压紧预紧弹簧实现球阀的主动预紧密封，保证球（a）球阀开启 （b）球阀关闭图4 球阀启闭图Fig.4 Ball valve opening and closing diagram（a）气动叶片 （b）阀体图5 “半浮动”承压结构Fig.5 Semi-floating pressure-bearing structure图3 气动结构图Fig.3 Pneumatic structure diagram图2 球阀工作原理图Fig.2 Working principle diagram of ball valve175湖南大学学报（自然科学版）2023 年阀在低压状态下仍具有良好的密封性；当密封
