带压作业闸板防喷器关键部件的有限元分析

    引 言

    带压作业是指在井口有压力的情况下，通过带压作业设备控制井口压力，实现井口密封，进行起下管柱作业或实施增产措施的一种先进修井作业工艺。生产井带压作业能有效解决作业过程中压井液对油层产生的污染问题，既保护了油层，又提高了油气井产量；注水井带压作业可以解决卸压造成的能量损失或放喷污染环境问题，既节能又环保。

    闸板防喷器是带压作业设备的核心装置，通过防喷器胶心的开启和关闭来控制井口密封，从而完成带压作业过程。因此，闸板防喷器各组成部件的结构强度和密封件的密封能力、寿命成为带压作业设备的关键因素。笔者利用有限元法，建立闸板防喷器关键部件的力学分析模型，并进行分析计算，为关键部件的结构设计提供有益参考。

    带压作业闸板防喷器工作原理

    带压作业主要设备由上、下闸板防喷器，上、下接箍探测器，压力平衡短节，上、下压力平衡控制阀及压力管汇组成，如图1所示。上、下闸板防喷器是带压作业系统的核心装置，主要结构包括壳体、驱动油缸、闸板密封总成以及铰链总成等；闸板密封总成主要由夹持器、盖板、前部胶心、顶部胶心、螺钉等组成。闸板防喷器的关键部件是防喷器壳体和前部密封胶心。

    防喷器壳体用较厚的合金钢制成，可承受较高的压力。前部密封胶心通常为合成橡胶材料，具有较高的强度和韧性。闸板密封工作时，液压系统推动活塞杆运动，从而带动闸板靠向被密封管柱。当胶心与管柱接触时，胶心被推挤产生轻微的弹性变形，紧密地挤压在被密封的管柱上实现密封。上下闸板防喷器交替开合，可使被密封管柱接箍顺利通过，从而实现管柱的带压起下作业。

    有限元模型建立

    1．有限元法

    有限元法是一种有效的数值计算方法，已在石油装备设计方面获得广泛应用。基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，在每一个单元中假设特定的插值函数，建立用以求解节点未知量的有限元法方程组，同时追加边界条件进行求解，最终确定单元乃至整个集合体的变量值。

    采用数值模拟技术对结构进行受力和分析，能在设计或加工制造前预知结构的危险部位。预测结构的大概破坏情况，从而采取解决措施。

    2．有限元模型