本發(fā)明涉及深井、超深井、深水井、儲氣庫等完井及生產(chǎn)作業(yè)領(lǐng)域，尤其涉及一種井下安全閥性能信封曲線繪制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著油田勘探開發(fā)范圍日益增大，深井、超深井及深水井油氣藏勘探開發(fā)已經(jīng)成為一項重要任務(wù)。由于井下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，井下作業(yè)工具的安全與穩(wěn)定運行變得至關(guān)重要。井下安全閥是安裝于油氣井和儲氣庫井下的一種重要作業(yè)工具，當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)異常情況時，其可緊急關(guān)閉，以防止井噴事故發(fā)生，保障油氣井生產(chǎn)安全。

2、當(dāng)前，國內(nèi)外相關(guān)石油公司在井下安全閥性能評價方面尚未構(gòu)建起統(tǒng)一、完整的標(biāo)準(zhǔn)化體系，這給井下安全閥的設(shè)計、選型及操作帶來諸多困難。因此，迫切需要開展井下安全閥性能信封曲線的研究工作，用以精確表征井下安全閥在極限工況下的應(yīng)用界限。

3、根據(jù)api?14a標(biāo)準(zhǔn)，每個井下安全閥都必須經(jīng)過四項嚴(yán)格的測試，包括抗內(nèi)壓、抗外擠、抗拉和抗壓。根據(jù)gb/t?28259-2012標(biāo)準(zhǔn)，井下安全閥性能信封曲線的四個象限，從第一象限至第四象限按照笛卡爾直角坐標(biāo)系的象限規(guī)定依次表示的載荷工況為：井下安全閥內(nèi)部壓力和軸向拉力、井下安全閥內(nèi)部壓力和軸向壓力、井下安全閥外部壓力和軸向壓力、井下安全閥外部壓力和軸向拉力，并以曲線圖解的方式表示井下安全閥在合理的內(nèi)外壓和拉壓力下的承載極限；x軸正半軸表示拉伸載荷，x軸負(fù)半軸表示壓縮載荷，y軸正半軸表示內(nèi)壓，y軸負(fù)半軸表示外壓；應(yīng)在每個象限中至少測試一個失效點。

4、根據(jù)api?14a和gb/t?28259-2012標(biāo)準(zhǔn)，通過對井下安全閥進(jìn)行抗內(nèi)壓、抗外擠、抗拉和抗壓的單獨與組合載荷試驗，能夠精確表征井下安全閥在極限工況下的應(yīng)用界限，預(yù)測井下安全閥的安全工作區(qū)和失效區(qū)，從而確定井下安全閥的邊界包絡(luò)線，即井下安全閥性能信封曲線。井下安全閥性能信封曲線可以提供井下安全閥的安全操作區(qū)域，現(xiàn)場判斷井下安全閥的工作狀態(tài)以及有效指導(dǎo)井下安全閥的選擇，確定井下安全閥在各種復(fù)雜工況下所能承受的極限載荷，其對于井下安全閥的實際應(yīng)用具有重要意義。

5、為更優(yōu)地指導(dǎo)深井、超深井、深水井以及儲氣庫領(lǐng)域下的井下安全閥應(yīng)用，實時對井下安全閥的工作狀態(tài)進(jìn)行安全評價，準(zhǔn)確判斷其工作狀態(tài)，判定井下安全閥是否處于安全作業(yè)范圍，避免因井下安全閥失效引發(fā)的一系列安全事故，亟需發(fā)明一種井下安全閥性能信封曲線繪制方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種井下安全閥性能信封曲線繪制方法，以解決復(fù)雜服役工況下井下安全閥性能信封曲線繪制的技術(shù)難題，該方法操作簡單，且完全適用于不同服役工況與不同類型的井下安全閥。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的一種井下安全閥性能信封曲線繪制方法，其特征在于該方法主要根據(jù)api?14a和gb/t?28259-2012標(biāo)準(zhǔn)繪制井下安全閥性能信封曲線，具體為：(1)井下安全閥性能信封曲線的四個象限，從第一象限至第四象限按照笛卡爾直角坐標(biāo)系的象限規(guī)定依次表示的載荷工況為：井下安全閥內(nèi)部壓力和軸向拉力、井下安全閥內(nèi)部壓力和軸向壓力、井下安全閥外部壓力和軸向壓力、井下安全閥外部壓力和軸向拉力，并以曲線圖解的方式表示井下安全閥在合理的內(nèi)外壓和拉壓力下的承載極限；(2)x軸正半軸表示拉伸載荷，x軸負(fù)半軸表示壓縮載荷，y軸正半軸表示內(nèi)壓，y軸負(fù)半軸表示外壓；(3)應(yīng)在每個象限中至少測試一個失效點。

3、具體采取的技術(shù)方案如下：

4、一種井下安全閥性能信封曲線繪制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

5、s101：三維模型建立和材料性能參數(shù)測定，根據(jù)井下安全閥零部件幾何尺寸，建立其整體三維模型；開展井下安全閥零部件材料的拉伸/壓縮試驗，得到零部件材料性能參數(shù)；

6、s102：故障模式、影響和危害性分析，對井下安全閥所有零部件可能出現(xiàn)的所有故障模式、故障原因及故障后果進(jìn)行分析，得到影響井下安全閥性能的主要失效零部件；

7、s103：工作原理及受力分析，根據(jù)井下安全閥工作原理及各類生產(chǎn)工況，分析井下安全閥工作時的受力情況，得到井下安全閥所有承受載荷的零部件；

8、s104：井下安全閥仿真模型建立及極限工況下失效點確定，根據(jù)影響井下安全閥性能的主要失效零部件和井下安全閥所有承受載荷的零部件，簡化井下安全閥三維模型，得到仿真模型；使用數(shù)值模擬方法，得到井下安全閥在極限工況下的失效點；

9、s105：井下安全閥性能信封曲線繪制，根據(jù)api?14a和gb/t?28259-2012標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合井下安全閥在極限工況下的失效點，繪制井下安全閥性能信封曲線；

10、s106：井下安全閥性能信封曲線試驗驗證與修正，對井下安全閥進(jìn)行單獨與組合載荷試驗，根據(jù)試驗結(jié)果驗證與修正井下安全閥性能信封曲線。

11、進(jìn)一步的，所述步驟s101中，三維模型建立和材料性能參數(shù)測定的方法步驟如下：

12、s201：根據(jù)井下安全閥零部件設(shè)計圖紙或者采用測量的井下安全閥零部件幾何尺寸，使用三維建模軟件，建立井下安全閥所有零部件的三維模型；

13、s202：制備井下安全閥所有零部件材料的標(biāo)準(zhǔn)拉伸/壓縮試樣，確保試樣表面光滑，無明顯缺陷；

14、s203：選擇拉伸/壓縮試驗機(jī)，并確保其校準(zhǔn)和正常運行，安裝試樣夾具，確保試樣能夠正確夾持；

15、s204：根據(jù)零部件材料特性與試驗要求，設(shè)置試驗載荷加載方式；

16、s205：將試樣正確安裝在試驗機(jī)上，確保試樣軸線與加載方向一致，緊固試樣夾具，以防止試樣在試驗過程中滑動或脫落；

17、s206：在正式加載前，進(jìn)行預(yù)加載，以消除試樣與夾具之間的間隙；

18、s207：根據(jù)試驗要求，在試樣發(fā)生破壞時終止試驗；

19、s208：對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，計算井下安全閥零部件材料的彈性模量、抗拉/抗壓強(qiáng)度。

20、進(jìn)一步的，所述步驟s102中，故障模式、影響和危害性分析的步驟如下：

21、s301：對井下安全閥所有零部件進(jìn)行故障模式、影響和危害性分析，確定分析的邊界和層次；

22、s302：通過了解井下安全閥的功能、結(jié)構(gòu)和工作原理，識別可能出現(xiàn)的故障模式；

23、s303：評估每個故障模式對井下安全閥的直接和間接影響，包括對功能、性能、安全性、可靠性等方面的影響；

24、s304：根據(jù)故障影響的嚴(yán)重程度、發(fā)生概率和檢測難度，評估每個故障模式的危害性程度；

25、s305：根據(jù)故障模式、影響和危害性分析結(jié)果，得到影響井下安全閥性能的主要失效零部件；

26、進(jìn)一步的，所述步驟s103中，工作原理及受力分析的方法如下：

27、s401：井下安全閥的工作原理是基于彈簧的彈性力和井筒內(nèi)的壓力之間的平衡關(guān)系；當(dāng)井口壓力超過設(shè)定值時，彈簧會被壓縮，從而使閥芯向下移動，關(guān)閉井口；當(dāng)井口壓力恢復(fù)到正常范圍時，彈簧會恢復(fù)原狀，從而使閥芯向上移動，打開井口；

28、s402：采用靜力學(xué)和動力學(xué)分析方法，對井下安全閥在極限工況下進(jìn)行受力分析，得到井下安全閥所有承受載荷的零部件。

29、進(jìn)一步的，所述步驟s104中，井下安全閥仿真模型建立及極限工況下失效點確定的方法步驟如下：

30、s501：根據(jù)影響井下安全閥性能的主要失效零部件和井下安全閥所有承受載荷的零部件，建立簡化后的井下安全閥仿真模型；

31、s502：根據(jù)材料拉伸/壓縮試驗結(jié)果，設(shè)置井下安全閥仿真模型的材料屬性參數(shù)；

32、s503：對井下安全閥仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

33、s504：根據(jù)井下安全閥工作原理及受力分析結(jié)果，確定井下安全閥仿真模型的邊界條件和載荷施加；

34、s505：對下接頭下端面設(shè)置固定約束，上端面建立耦合約束，對井下安全閥仿真模型施加拉伸載荷，當(dāng)內(nèi)壓/外壓同時為零時，計算得到井下安全閥仿真模型出現(xiàn)失效時的極限拉伸載荷ft-max，記作a(ft-max，0)；

35、s506：對下接頭下端面設(shè)置固定約束，上端面建立耦合約束，對井下安全閥仿真模型施加壓縮載荷，當(dāng)內(nèi)壓/外壓同時為零時，計算得到井下安全閥仿真模型出現(xiàn)失效時的極限壓縮載荷fc-max，記作c(fc-max，0)；

36、s507：由于井下安全閥性能信封曲線是指100％額定性能下的曲線，因此，極限內(nèi)壓即為額定內(nèi)壓pi-max，記作b(0，pi-max)；

37、s508：對上接頭和下接頭端面設(shè)置固定約束，僅對井下安全閥仿真模型施加外部壓力，軸向載荷保持為零，計算得到井下安全閥仿真模型出現(xiàn)失效時的極限外壓pe-max，記作d(0，pe-max)；

38、s509：當(dāng)井下安全閥仿真模型同時承受拉伸載荷和內(nèi)壓載荷時，通過數(shù)值模擬方法，計算得到a和b之間的失效點，記作a1(ft1，pi1)、a2(ft2，pi2)；

39、s510：當(dāng)井下安全閥仿真模型同時承受壓縮載荷和內(nèi)壓載荷時，通過數(shù)值模擬方法，計算得到b和c之間的失效點，記作b1(fc3，pi3)、b2(fc4，pi4)；

40、s511：當(dāng)井下安全閥仿真模型同時承受壓縮載荷和外壓載荷時，通過數(shù)值模擬方法，計算得到c和d之間的失效點，記作c1(fc5，pe5)、c2(fc6，pe6)、c3(fc7，pe7)；

41、s512：當(dāng)井下安全閥仿真模型同時承受拉伸載荷和外壓載荷時，通過數(shù)值模擬方法，計算得到d和a之間的失效點，記作d1(ft8，pe8)、d2(ft9，pe9)、d3(ft10，pe10)、d4(ft11，pe11)。

42、進(jìn)一步的，所述步驟s105中，井下安全閥性能信封曲線繪制的方法步驟如下：

43、s601：井下安全閥性能信封曲線的四個象限，從第一象限至第四象限按照笛卡爾直角坐標(biāo)系的象限規(guī)定依次表示的載荷工況為：井下安全閥內(nèi)部壓力和軸向拉力、井下安全閥內(nèi)部壓力和軸向壓力、井下安全閥外部壓力和軸向壓力、井下安全閥外部壓力和軸向拉力，并以曲線圖解的方式表示井下安全閥在合理的內(nèi)外壓和拉壓力下的承載極限；x軸正半軸表示拉伸載荷，x軸負(fù)半軸表示壓縮載荷，y軸正半軸表示內(nèi)壓，y軸負(fù)半軸表示外壓；應(yīng)在每個象限中至少測試一個失效點；

44、s602：在直角坐標(biāo)系內(nèi)將x軸按500kn間隔劃分區(qū)間、y軸按50mpa間隔劃分區(qū)間，根據(jù)已計算出的失效點確定最大拉伸/壓縮載荷、最大內(nèi)壓/外壓載荷，繪制井下安全閥性能信封曲線的失效點a、a1、a2、b、b1、b2、c、c1、c2、c3、d、d1、d2、d3、d4；

45、s603：采用直線逆時針依次連接a、a1、a2、b、b1、b2、c、c1、c2、c3、d、d1、d2、d3、d4失效點，得到井下安全閥性能信封曲線，信封曲線內(nèi)屬于井下安全閥的安全操作區(qū)域，信封曲線外屬于井下安全閥的非安全操作區(qū)域，信封曲線上屬于井下安全閥的臨界工作狀態(tài)。

46、進(jìn)一步的，所述步驟s106中，井下安全閥性能信封曲線試驗驗證與修正的方法步驟如下：

47、s701：將井下安全閥實物試驗樣機(jī)安裝在井下安全閥性能試驗裝置上，并確保其連接和密封良好；檢查設(shè)備壓力表、記錄儀、管路、閥門、泵、油缸、電機(jī)等是否處于正常工作狀態(tài)；

48、s702：在井下安全閥內(nèi)部不承受任何壓力的前提下，循環(huán)打開和閉合井下安全閥5次，檢查和驗證井下安全閥的操作性能，記錄試驗前5次循環(huán)打開和閉合的液壓控制壓力；

49、s703：對仿真繪制的井下安全閥性能信封曲線的邊界包絡(luò)線極限值設(shè)置安全系數(shù)，進(jìn)行抗內(nèi)壓、抗外擠、抗拉和抗壓的單獨與組合載荷試驗，在失效點a、a1、a2、b、b1、b2、c、c1、c2、c3、d、d1、d2、d3、d4的載荷工況下打開和閉合井下安全閥，并且對井下安全閥采用逐步遞減的方式施加載荷，記錄每個載荷加載下打開和閉合井下安全閥的液壓控制壓力；

50、s704：再次在井下安全閥內(nèi)部不承受任何壓力的前提下循環(huán)打開和閉合井下安全閥5次，確定井下安全閥在進(jìn)行抗內(nèi)壓、抗外擠、抗拉和抗壓的單獨與組合載荷試驗時，井下安全閥性能是否受到影響，記錄試驗后5次循環(huán)打開和閉合的液壓控制壓力，若試驗前和試驗后得到的液壓控制壓力平均值相差在±10％或0.7mpa(±100psi)之內(nèi)，則井下安全閥通過試驗；

51、s705：通過單獨與組合載荷試驗得到的井下安全閥極限載荷修正仿真獲得的井下安全閥性能信封曲線。

52、本發(fā)明的有益效果是：

53、(1)開展井下安全閥性能信封曲線研究，實現(xiàn)了復(fù)雜工況下井下安全閥性能信封曲線的建立，能夠精確表征井下安全閥在極限工況下的應(yīng)用界限，為井下安全閥應(yīng)用提供有效依據(jù)；

54、(2)解決了目前國內(nèi)外石油公司井下安全閥性能評價未形成統(tǒng)一、完整標(biāo)準(zhǔn)化體系的問題，為井下安全閥的設(shè)計、選型和操作提供了便利，可有效指導(dǎo)深井、超深井及深水井領(lǐng)域下的井下安全閥優(yōu)化設(shè)計、選擇和更換，為井下安全閥應(yīng)用提供了有效依據(jù)；

55、(3)現(xiàn)場工作人員可通過信封曲線判斷井下安全閥是否安全，以確保有效作業(yè)；設(shè)計人員可通過信封曲線對井下安全閥的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計和選擇，根據(jù)信封曲線臨界點受力情況更換相應(yīng)零部件和為相應(yīng)元件選擇合適強(qiáng)度的材料，可減少作業(yè)成本，有效提高經(jīng)濟(jì)效益；

56、(4)可實時對井下安全閥的工作狀態(tài)進(jìn)行安全評價，準(zhǔn)確判斷其工作狀態(tài)，及時采取措施預(yù)防井噴等一系列安全事故的發(fā)生。