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井限制工具原型已在靜態(tài)條件下進行設計和測試，但在動態(tài)條件下仍需進一步分析。2014 年，殼牌公司開發(fā)一種表面激活套管集成流量限制工具原型。該工具能夠在井噴失控期間阻止流動。這種井限制工具（WRT）在功能上類似于地下安全閥（SSSV），且被設計為 95 /8 -in 套管柱的一個必要組成部分。與地下安全閥（SSSV）不同，井限制工具（WRT）用于鉆井過程中，可以安裝在靠近套管柱末端的井中。其目的在于通過阻止油氣進入井中來補充防噴器 （BOP） ，從而增加 BOP 成功關(guān)閉的機會。如果 BOP 關(guān)閉失敗，它也可以起到后援作用。

 

該設備的驅(qū)動通過移動開放套筒來實現(xiàn)，從而排出六個彈簧支撐的三角狀指進，這些指進聚集在一起完全密封井眼。當來自表面的加密無線信號被傳送到井限制工具（WRT）上的接收器時，驅(qū)動程序啟動。當接收到信號時，帶電固體推進劑留在推進劑腔，被點燃。由推進劑燃燒產(chǎn)生的高壓氣體向前驅(qū)動開放套筒，排出彈簧支撐的指狀閥。當連接套筒向前移動時，油脂腔中的油脂通過一系列排氣孔排入井眼。當連接套筒到指狀閥的端部時，它們開始突進井眼，任何向上的流動有助于提高指狀閥進入關(guān)閉位置的動力。 值得注意的是，指狀閥設計確保六個三角狀指進在一起，使得表面密封適當匹配。井限制工具（WRT）旨在被設計成為一次性使用的應急井控制工具。為了在開啟之后恢復操作，連接工具設計為從表面運行，以使用關(guān)閉連接工具和循環(huán)指狀閥，返回到貯存位置，在這里它們被鎖定位置。如果井限制工具（WRT）上有管道，則無法完全關(guān)閉井。因此，井限制工具（WRT）最有效的布局是位于生產(chǎn)區(qū)之上，但是要盡可能深入井筒，最大限度地減少在井控事件發(fā)生時存在干擾管的機會。

 

設計與分析
 

有限元分析（FEA）用于井限制工具（WRT）的整個開發(fā)階段。最 初， 進 行 靜 壓 分 析， 接 著 根 據(jù)ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范指南進行分析。該工具材料的全應力 - 應變曲線，包括硬化最大抗拉強度。通過拉伸試驗獲得，且工具材料的全彈性塑性響應可用于所有的有限元分析（FEA）。閥 門 額 定 壓 力 為 5,000 psi的 應 力 場。 除 了 擋 板 式 承 載 界 面的 熱 點（hot spots） 之 外， 工 具中的應力低于材料的 80-ksi 屈服強度。 當模型中的靜壓力升高到12,500psi 時，觀察到大面積的塑性應變，但閥保持其結(jié)構(gòu)完整性和密封能力。

 

靜態(tài) FEA 的接觸壓力表明，在擋板 - 擋板密界面處可能存在靠近擋板底部的泄漏路徑。第一輪靜態(tài)測試驗證了這種泄漏路徑，并引入了彈性體以改進擋板的密封。閥門關(guān)閉事件預計會導致動態(tài)流體沖擊壓力比靜態(tài)壓力負荷更嚴重。為了評估快速閉閥期間閥門的完 整 性， 使 用 Abaqus 顯 式 動 態(tài)FEA 軟件進行動態(tài) FEA。使用分析方法保守估計瞬時流體沖擊壓力，并應用于閥門 FEA模型。第一次動態(tài)模擬表明，在沖擊事件期間擋板有可能會失效，然后將針式材料從 80-ksi 鋼升級為150-ksi 鈹銅合金。動態(tài) FEA 表明，較強的針式材料可能會在沖擊事件中生存，同時塑性應變最小。此外，動態(tài) FEA計算了擋板承載界面處的壓縮塑性應變力，并在擋板針孔處計算出約5％的拉伸塑性應變。 盡管有這些塑性應變分區(qū)，但模擬結(jié)果表明，閥門的結(jié)構(gòu)完整性和密封性能得以保持。一旦實現(xiàn)了令人滿意的擋板設計，F(xiàn)EA 就可用于評估整個工具上的靜態(tài)和動態(tài)載荷，包括殼體、滑套和推進劑腔。

 

原型測試
 

井限制工具（WRT）由兩個主要子系統(tǒng)組成：（1）遠程啟動系統(tǒng)，其接收表面信號，并平移滑動套管以部署指狀閥；（2）閥動裝置，其由六個擋板指進和相關(guān)聯(lián)的殼體組件組成。對各種不同概念設計的遠程啟動系統(tǒng)進行廣泛的分析，包括在各種井眼條件下評估套筒軌跡，以及評估套管在部署期間如何與擋板指進相互作用。對于初始原型測試，決定這的僅是創(chuàng)造閥動裝置，以便在使用機械啟動裝置之前能夠良好地表現(xiàn)其性能。遠程驅(qū)動裝置的設計已經(jīng)完成，但在開發(fā)程序的這個階段沒有新的創(chuàng)造。閥裝置子部分概念驗證測試的目的是確定其性能并收集數(shù)據(jù)，以便與前述 FEA 進行比較。 測試夾具專門用于在各種靜水壓力、高溫和不同安裝方向測試閥動裝置。一 種 全 尺 寸 原 型 閥 組 件 被 制造，并使用水作為介質(zhì)，承受高達10,000 psi 的壓力范圍。這種最終測試壓力遠遠超過 5,000psi 所需的壓力等級。其中一個擋板指在四個位置使用三軸裝置測量應變儀，第二個擋板指用單個鑲嵌儀器提供測量冗余度。

 

在閥裝置高壓側(cè)安裝了用于測量流體壓力和溫度的附加儀器。在暴露的 WRT 低壓側(cè)進行環(huán)境溫度測試。在高溫 250 ℉下進行測試，在閥裝置的兩側(cè)可以用水進行。測試WRT密封面的兩個變化。WRT 最初在金屬 - 金屬（MTM）接觸之間在擋板指的密封表面之間以及擋板指的周邊和外殼之間進行了測試。這種設計僅包含用于中心塞鉆頭的小型彈性體。通 過 FEA 評 估 MTM 閥 動 裝置設計的方法之一，是通過分析負載下發(fā)生的變形并檢查在匹配表面處產(chǎn)生的接觸壓力。 根據(jù)分析確定，MTM 設計可能會在一定程度上泄漏。研究設計，因為它提供了更簡單密封潛力，并擴大使用案例。

 

MTM 設計的基本結(jié)構(gòu)和最終的基于彈性體的原型之間也沒有區(qū)別。因此，測試 MTM 設計不需要制造兩個單獨的閥組件。對 MTM設計進行了初步測試，最終原型密封面無法充分密封。這在很大程度上是由于真實的工藝公差和復雜的機械幾何結(jié)構(gòu)造成的。MTM 測試還提供了有關(guān)中心塞鉆頭性能的初步數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)用于改變彈性體原型的中心塞。替代配套表面幾何結(jié)構(gòu)的其它研究可為全金屬閥門部分提供可行方案，決定改變 MTM 設計，包括彈性體密封件。該密封件被并入最終原型。對基于彈性體的閥組件進行初步測試，測試中心塞有輕微變化，直到設計證明為完全可靠地密封。在該設計建立之后，閥組件的正式測試， 并且在中心塞最終確定之后，對組件的任何部件沒有進行任何改變。該版本的原型測試通過了一系列測試，在很大范圍的壓力和高溫下表現(xiàn)良好。

 

原 型 閥 組 件 需 要 初 始 流 量 來激發(fā)閥門，允許擋板指完全密封，這是使用預先蓄能器完成的。像通過蓄能器中有限壓降所觀察到的一樣，閥門很快地通電，流量非常小。一般測試程序如下：在測試固件中安裝閥組件；使用模擬連接工具循環(huán)閥；將蓄能器充電至 1,200psi。雖然成功測試了較低的壓力，但這也是大多數(shù)測試中使用的典型初始壓力。

 

在廣泛的壓力下進行測試以評估密封性能。彈性原型設計通過在大范圍的壓力下完全密封而表現(xiàn)良好，被認為是成功完成概念驗證。測試證明，該概念在靜態(tài)條件下是可行的，在動態(tài)關(guān)閉條件下進行額外的分析和測試是有必要。迄今為止，動態(tài)測試將需要在開發(fā)工作中進行設計，但不是非構(gòu)建的原型殼體和套管部件。WRT 開發(fā)的下一步是在流程循環(huán)中安裝一個原型，以便在流動條件下進行測試。