推进式堵水开关静动态特性分析

2012年12月第40卷第23期

机床与液压

MACHINE TOOL ＆HYDRAULICS Dec．2012Vol.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

@ 。

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

Static and Dynamic Characteristics Analysis of Push Type Switch for Water Blocking

ZHANG Junliang ，HAN Jin ，ZHANG Qiangde ，CAO Haiyan ，LI Liyun

（Petroleum Engineering Institute of ZYOF ，Puyang Henan 457001，China ）

Abstract ：Push type switch for water blocking is a type of intelligent blocking tool used in oil well．In the state of open or close ，the piston of the switch bearing balanced axial force ，but on the moment of opening and closing ，for the differential space pressure of annular of oil and stratum ，there was the axial impact to the piston．The hydraulic impact was analyzed at opening or closing of the pis-ton ，and AMESim software was used to simulate the impact states．The results show that lengthening the piston annular ，lowering motor

speed and increasing axial limit shaft shoulder of screw rod ，the axial impact to the piston by moment hydra-dynamic force on opening and closing of the piston can be lightened．It provides design basis for optimal structure of the water blocking switch．

Keywords ：Water blocking switch ；Static and dynamic analysis ；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：

F 1=p 1A 1F 2=p 1A 2

式中：F 1为向上的轴向推力；

F 2为向下的轴向推力；p 1为地层液体压力；A 1为环空截面积1；A 2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F 1=F 2，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：

F 1=p 2ˑA 1F 2=p 2ˑA 2

式中：F 1为向上的轴向推力；

F 2为向下的轴向推力；p 2为油套环空压力；A 1为环空截面积1；A 2为环空截面积2。

因A 1=A 2，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

F k =ρA v L

d v d t =ρL d Q

d t

（1）

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