2012年12月

第40卷第23期

机床与液压

MACHINETOOL＆HYDRAULICSDec．2012

Vol.40No.23

DOI：10．3969/j.issn.1001－3881.2012.23.013

收稿日期：2011－11－16基金项目：中原石油勘探局资助项目（2011202）作者简介：张俊亮（1976—），男，工程师，中原油田博士后工作站在站博士后，从事井下工具的研究工作。Email：zhangdzu@126.com。

推进式堵水开关静动态特性分析张俊亮，韩进，张强德，曹海燕，李丽云(中原油田采油工程技术研究院，河南濮阳457001)

摘要：推进式堵水开关是一种井下智能堵水工具。开关在打开和关闭状态下，活塞轴向受力平衡，在打开和关闭瞬间，因地层和油套环空压差造成活塞受轴向冲击。分析了活塞开、关时的液压冲击力，并结合AMESim软件对活塞受冲击状况进行仿真，结果表明：增加活塞环空长度、降低电机转速、增加螺杆轴向限位轴肩等可减小瞬态液动力对开关的活塞产生的轴向冲击。为堵水开关结构优化提供设计了依据。关键词：堵水开关；静动态分析；冲击；仿真中图分类号：TE931文献标识码：A文章编号：1001－3881（2012）23－051－3

StaticandDynamicCharacteristicsAnalysisofPushTypeSwitchforWaterBlockingZHANGJunliang，HANJin，ZHANGQiangde，CAOHaiyan，LILiyun（PetroleumEngineeringInstituteofZYOF，PuyangHenan457001，China）Abstract：Pushtypeswitchforwaterblockingisatypeofintelligentblockingtoolusedinoilwell．Inthestateofopenorclose，thepistonoftheswitchbearingbalancedaxialforce，butonthemomentofopeningandclosing，forthedifferentialspacepressureofannularofoilandstratum，therewastheaxialimpacttothepiston．Thehydraulicimpactwasanalyzedatopeningorclosingofthepis-ton，andAMESimsoftwarewasusedtosimulatetheimpactstates．Theresultsshowthatlengtheningthepistonannular，loweringmotorspeedandincreasingaxiallimitshaftshoulderofscrewrod，theaxialimpacttothepistonbymomenthydra-dynamicforceonopeningandclosingofthepistoncanbelightened．Itprovidesdesignbasisforoptimalstructureofthewaterblockingswitch．Keywords：Waterblockingswitch；Staticanddynamicanalysis；Impact；Simulation

推进式堵水开关是用于高含水油井堵水作业的井下工具，与封隔器等配套使用，每个油层对应一个开关，主要功能是关闭高含水层，打开低含水层，以实现提高采收率的目的。推进式堵水开关克服以往机械式堵水开关受地层压差影响的弊端，在打开和关闭状态下实现轴向压力平衡，但在开－关或关－开瞬间，因地层压力与套压不同而产生瞬态液动力［1－2］。瞬态液动力对开关的活塞产生轴向冲击，影响开关的打开或关闭，严重时可能破坏开关的机械结构。因此通过分析开关静动态特性，以确定合理机械结构，确保推进式堵水开关可靠工作。1推进式堵水开关结构推进式堵水开关结构如图1所示，主要由上接头、传感器、控制电路、驱动电机、驱动螺杆、外套筒、活塞、活塞套、下接头等组成，电机安装在活塞套上端部，驱动螺杆一端与电机轴配合，另一端通过螺纹与活塞连接。传感器接收井口环空压力脉冲信号，控制电路根据信号情况控制驱动电机正反转，电机通过驱动螺杆将转动变为活塞的上下移动。电机正转推动活塞下行至下限位置打开该地层，电机反转推动活塞上行至活塞上限位置关闭该地层。推进式堵水开关采用侧进液模式，活塞装有密封圈，阻止液体流入活塞底部或顶部空间，使液体仅在活塞环形空间内流动，图1为开关处于打开状态，进液口与出液口连通。

图1推进式堵水开关结构图2推进式堵水开关静动态特性分析

2.1推进式堵水开关静态特性分析

堵水开关在打开状态时轴向受力如图2所示，地层油水混合液流经进液口－活塞环空－出液口至油套环空，通过采油泵抽至地面管线。在此状态下，因地层压力，活塞轴向受力情况为：F1=p1A1

F2=p1A2

式中：F1为向上的轴向推力；F2为向下的轴向推力；

p1为地层液体压力；

A1为环空截面积1；

A2为环空截面积2。

设计中，环空截面积1与环空截面积2相等，故F1=F2，活塞轴向受力平衡。

图2推进式堵水开关打开时轴向受力图推进式堵水开关关闭时，进液口关闭，出液口与活塞环空连通，如图3所示。

图3推进式堵水开关关闭时轴向受力图此时，活塞受轴向压力源自油套环空压力，活塞轴向受力情况为：F1=p2×A1

F2=p2×A2

式中：F1为向上的轴向推力；

F2为向下的轴向推力；

p2为油套环空压力；

A1为环空截面积1；

A2为环空截面积2。

因A1=A2，故活塞轴向受力平衡。因此，推进式堵水开关在打开或关闭状态时，轴向受力平衡，未产生向上或向下的轴向推力，保护电机轴不受持续的轴向压力。2.2推进式堵水开关动态特性分析

尽管推进式堵水开关在静态时活塞轴向受力平衡，但在打开或关闭瞬间，液体对活塞产生轴向冲击，造成瞬间轴向力的不平衡，影响电机对活塞的驱动，若冲击力过大则影响整个工具的使用效果。

2.2.1开关瞬间液体冲击力分析

［3］

根据推进式堵水开关活塞结构，将其简化为一滑阀开关，文献［4］已分析并得出结论：阀体关闭时，液体冲击与关闭速度和进出口压差成正比。因此仅对堵水开关打开瞬间液动力影响因素进行分析，开关打开瞬间如图4所示，当阀体右移打开时，通过滑阀阀腔的液体以一定速度流动，产生液体动量冲击，对阀芯有轴向的瞬态作用力。

图4推进式堵水开关简化图Fk=ρAvLdvdt=ρLdQdt（1）

·25·机床与液压第40卷式中：Av为阀芯有效面积；v为阀腔内液流速度；L为阀腔内液流实际长度；ρ为液体的密度；Q为通过滑阀口流量；t为时间。忽略阀腔内液体泄漏量、压缩性，由节流公式得出通过滑阀口的流量：Q=Cdwx2ρΔ槡P=Cdwx1ρ（p1－p2槡）（2）式中：Cd为流量系数；Δp为通过阀口的压差；w为面积梯度；x为阀芯开口；p1为进液口压力（油层压力）；p2为出液口压力（环空套压）。由式（1）、（2）得瞬态液动力为：Fk=ρLCdw1ρ（p1－p2槡）dxdt+LCdx1ρ（p1－p2槡）d（p1－p2）dt（3）由上式可知，液体瞬态液动力与阀腔内液流长度、阀芯运动速度和压力变化成正比，通常情况下，油层液体压力p1大于环空套压p2，不同深度的油井压力参数不同，与工具结构无关。因此在设计时，根据工具整体尺寸情况，尽可能加大阀腔内活塞环形槽长度，从而增加液流长度减小冲击；为减小因阀芯运动速度对活塞轴向的液体冲击，设计电机经减速器后输出转速为4r/min，降低了阀芯的运动速度。对开关瞬间液动力分析后，利用AMESim软件对液体冲击力进行仿真分析，进一步优化开关结构。2.2.2基于AMESim软件的液体冲击仿真AMESim（AdvancedModelingEnvironmentforper-formingSimulationofengineeringsystems）是法国Imag-ine公司于1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，AMESim使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案，研究任何元件或回路的动力学特性。更为重要的是其图形化物理建模方式，使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来，只专注于物理系统本身的设计［5］。根据推进式堵水开关简化结构建模，基于AMESim软件的开关模型如图5所示。图5堵水开关模型图中：p0为开关轴向平衡力、p1为层压力（30MPa）、p2为套压（10MPa）。其中p0保持开关静态时轴向力平衡。设定图5中左侧开关信号如图6（a）所示，为研究堵水开关打开瞬间状态，将信号设定为每秒开关一次。仿真结果如图6所示。

图6开关瞬间活塞冲击仿真图设定开关在正常状态下1s后完全打开，由图6（b）（c）（d）可知，打开瞬间，压力快速升高，活

塞受压力冲击产生加速度，加速度在0.01s即达到最大，活塞在0.1s左右因压力冲击完全打开。因此在原设计中仅靠电机轴通过销钉拉动螺杆无法克服瞬间冲击，活塞瞬间加速度会拉溃电机。对开关结构进行优化后，增加螺杆轴向限位轴肩（图1），可防止活塞瞬间被压力冲击至活塞下限位置，保护电机及工具的正常工作。3结论

（1）推进式堵水开关利用传感器技术、单片机

技术实现将井口压力信号转换为开关器的打开或关闭动作，堵水开关在静态时轴向压力平衡，克服以往机械式堵水开关受地层压力影响的缺点。（2）通过对开关打开和关闭瞬间的轴向冲击力

分析，结合AMESim软件的仿真结果，对推进式堵水开关结构进行优化，增加活塞环空长度、降低电机转速、增加螺杆轴向限位轴肩等，使堵水开关结构更加合理。参考文献：【1】卫秀芬，陈凤．大庆油田机械堵水技术的发展及展望

［J］．新疆石油天然气，2007（6）：43－46．【2】陈艳秋，周圣军．机械堵水管柱存在问题及下步对策

［J］．胜利油田职工大学学报，2008（6）：166－167．【3】尹玉臣，高莹．瞬态液动力对电磁换向阀安全运行的影

响［J］．煤，2004（6）：50－53．【4】杨树人，汪志明，何光渝，等．工程流体力学［M］．北京：石油工业出版社，2006．【5】付永领，祁晓野．AMESim系统建模和仿真：从入门到精

通［M］．北京：北京航空航天出版社，2005．

·35·第23期张俊亮等：推进式堵水开关静动态特性分析