Композиционное строение магниевого шарового элемента клапана для буровой скважины

Abstract

В нефтяной промышленности шары применяются в процессе гидравлического разрыва пласта (ГРП). Материалом, удовлетворяющим основным требованиям к шарам для ГРП, является магний. Растворимые магниевые шары предназначены для активации муфт ГРП. При достижении седла муфты, во время прокачки жидкости ГРП, шар временно перекрывает проходное сечение внутри колонны-хвостовика, что обеспечивает возможность для создания избыточного давления и открытия окон муфты ГРП. Однако поскольку магний обладает малой плотностью, то в бурильных растворах, имеющих высокую плотность, возможен негерметичный контакт шара с седлом клапана вследствие недостаточной силы гравитации. Это может привести к утечкам рабочей жидкости. Цель работы – создание и исследование способа изготовления шара, нацеленного на его утяжеление. Описан разработанный способ изготовления двухслойного шарового элемента клапана методом штамповки. Двухслойный шар состоит из магниевой оболочки, в которую помещен стальной шар. В магниевый цилиндрический стакан с дном опускается стальной шар, стакан закрывается крышкой из магния. Полученную композиционную сборку деформируют, подвергая сжатию двумя пуансонами с торцами в виде полусфер до плотного смыкания торцов цилиндрического стакана. В качестве варианта исполнения оболочки шара предложен магний марки Мг90. Теоретически установлено, что масса биметаллического шара в 2,74 раза больше магниевого шара. Смоделирована штамповка композиционной заготовки с целью установить возможность получения шара по предложенному способу. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние композиционной заготовки в процессе формоизменения. Успешное компьютерное моделирование процесса дает основание рекомендовать предложенный способ для осуществления в условиях реального эксперимента. Также установлено наименьшее значение соотношения толщины стенки цилиндра к его высоте, обеспечивающее сохранение устойчивости стенки цилиндра в процессе деформации.

In the oil industry, balls are used in the process of hydraulic fracturing (HF). The material that meets the basic requirements for HF balls is magnesium. Soluble magnesium balls are designed to activate HF couplings. When the coupling seat is reached, during the pumping of HF fluid, the ball temporarily blocks the passage section inside the shank column, which makes it possible to create excess pressure and open the windows of the HF coupling. However, since magnesium has a low density, in drilling fluids with a high density, leaky contact of the ball with the valve seat is possible due to insufficient gravity. This may lead to leakage of the working fluid. The purpose of the work is to create and study a method of manufacturing a ball aimed at weighing it down. The developed method of manufacturing a two-layer ball valve element by stamping is described. The two-layer ball consists of a magnesium shell, inside which a steel ball is placed. A steel ball is placed in a magnesium cylindrical glass with a bottom, the glass is closed with a magnesium lid. The resulting composite assembly is deformed by being compressed with two punches with ends in the form of hemispheres until the ends of the cylindrical cup are tightly closed. As a variant, the shell of the ball is proposed to be made of Mg90 grade magnesium. It is theoretically established that the mass of a bimetallic ball is 2.74 times larger than a magnesium ball. Modeling of stamping of a composite billet is performed in order to establish the possibility of obtaining a ball according to the proposed method. The stress-strain state of a composite billet in the process of shaping is considered. Successful computer simulation of the process gives grounds to recommend the proposed method for implementation in a real experiment. The smallest value of the ratio of the cylinder wall thickness to its height is also established, which ensures the stability of the cylinder wall during deformation.