利用SolidWorks三維CAD軟件，得到的本體的三維實(shí)體模型(見圖6)，利用COSMOS/Works自動(dòng)劃分網(wǎng)格，建立有限元模型(見圖7、8)。劃分好的有限元模型與實(shí)體模型基本吻合，無(wú)“贅余”與“凹陷”，劃分較為準(zhǔn)確。
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2.4.2邊界條件
????滅火閥工作時(shí)，下端面與空氣錘或鉆頭緊密接觸，上端面承受載荷(鉆壓和扭矩)。因此，取下端面為約束面，該面上所有節(jié)點(diǎn)的位移為零，除下端面上的節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)自由。
2.4.3載荷條件
????在井下數(shù)千米，滅火閥受到的載荷情況十分復(fù)雜，是一個(gè)典型的隨機(jī)動(dòng)載，起主要作用的載荷一是通過鉆柱傳來(lái)的鉆壓(p)與扭矩(M)，二是由泵壓與鉆井液液柱壓力在穩(wěn)定器內(nèi)腔產(chǎn)生的內(nèi)壓(q)。
????根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在取鉆壓與內(nèi)壓時(shí)，按6000m深井的極限工作情況計(jì)算，以使滅火閥安全可靠。
????計(jì)算鉆壓：
??? p=α·β·p0=2.0×1.6×300=640kN
式中：α為動(dòng)載系數(shù)，無(wú)量綱；β為應(yīng)力集中系數(shù)，無(wú)量綱；p0為鉆壓，kN。
????根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，扭矩按ZP-520轉(zhuǎn)盤額定扭矩取值，即M=16850Nm，滅火閥內(nèi)壓按6000m深井的極限工作情況，取q=84MPa(見圖8)。
2.4.4材料性能
????滅火閥本體的材料為40CrNiMo，其力學(xué)性能為彈性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=0.81×105MPa；泊松比μ=O.3；屈服應(yīng)力σs=930MPa；強(qiáng)度極限σb=1080MPa。在計(jì)算過程中將材料性質(zhì)定性為線彈性材料。
2.4.5強(qiáng)度分析
????用有限元分析軟件COSMOS/Works對(duì)上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得出了滅火閥本體內(nèi)各單元的應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力值為164.1MP。因本體的最大應(yīng)力值低于本體材料的屈服極限(930MPa)，其強(qiáng)度已經(jīng)足夠。使用分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，顯示其最小安全系數(shù)為5.7，滅火閥本體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。
3?空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)
????空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是專門為監(jiān)測(cè)氣體鉆井過程中返出氣體組分的變化而達(dá)到預(yù)防井下燃爆現(xiàn)象發(fā)生而配套開發(fā)研制的。它的工作原理是在監(jiān)測(cè)到烴類氣體的情況下，通過檢測(cè)CO2、CO、02、H2S等氣體體積分?jǐn)?shù)的變化來(lái)判斷是否有地層氣體進(jìn)入井眼和是否發(fā)生井下燃爆[6～7]。
3.1?系統(tǒng)組成
????空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氣樣采集及凈化裝置、氣體監(jiān)測(cè)儀、壓力傳感器、圖像監(jiān)測(cè)儀、無(wú)線傳輸模塊、監(jiān)測(cè)平臺(tái)(監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ))等組成。用于對(duì)井口氣體的成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)顯示，以便對(duì)氣體鉆井的過程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。需要采集的數(shù)據(jù)包括：①井深；②二氧化碳含量；③一氧化碳含量；④氧氣含量；⑤甲烷等可燃?xì)怏w含量；⑥硫化氫含量；⑦溫度；⑧濕度。同時(shí)裝備攝像頭監(jiān)視泄流管口的流體形態(tài)，并在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上同步顯示其視頻。
3.2?系統(tǒng)功能
??? 1)?采用VC語(yǔ)言進(jìn)行編程，工業(yè)串口參數(shù)設(shè)置界面，保證數(shù)據(jù)傳輸有效性和正確率。
??? 2)?數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄和保存，曲線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。
??? 3)?可以進(jìn)行報(bào)警閾值參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)具有超限報(bào)警功能，O2、CO、CO2、H2S、CH4和排砂管線取樣口壓力測(cè)量范圍的閾值可以根據(jù)研究成果進(jìn)行合理設(shè)定。
4?認(rèn)識(shí)與建議
??? 1)?在川東北地區(qū)，非儲(chǔ)層段陸相地層如上三疊統(tǒng)須家河組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組等地層為含氣層段，氣體鉆進(jìn)過程中遇到地層出氣，均有發(fā)生燃爆的可能性，一旦發(fā)生燃爆，造成的損失很大。
??? 2)?研制設(shè)計(jì)的滅火閥，強(qiáng)度符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，在正常氣體鉆進(jìn)時(shí)作為單流閥，當(dāng)井下發(fā)生可燃性氣體爆炸時(shí)，可有效阻斷氧氣的供應(yīng)，控制燃爆的進(jìn)一步擴(kuò)大。
3)?空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到返出氣體組分的變化和捕捉到井下燃爆現(xiàn)象，操作方便、界面友好。
4)?加強(qiáng)對(duì)地層的認(rèn)識(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取有效手段，保證空氣鉆井的安全、實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
[1]?趙業(yè)容，孟英峰.氣體鉆井理論與實(shí)踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.
[2]?李鐵成，劉東峰，胡建均，等.川東北地區(qū)空氣鉆井燃爆分析與預(yù)防[J].天然氣工業(yè)，2009，29(5):78-81.
[3]?李永杰.空氣霧化鉆井井下燃爆分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2002.
[4] WILLIAM C LYONS，BOYUN GUO，F(xiàn)RANK A SEIDEL.空氣和氣體鉆井手冊(cè)[M].曾義金，樊洪海，譯.北京：中國(guó)石化出版社，2006.
[5]?張林，余代銀.空氣鉆井井下燃爆事例分析[J].天然氣工業(yè)，2008，28(5):53-54.
[6]?馮靚，陳一健.空氣鉆井井下燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].石油機(jī)械，2007，35(5):35-37.
[7]?朱禮平，王希勇.空氣鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1):64-66.
