利用SolidWorks三维CAD软件，得到的本体的三维实体模型(见图6)，利用COSMOS/Works自动划分网格，建立有限元模型(见图7、8)。划分好的有限元模型与实体模型基本吻合，无“赘余”与“凹陷”，划分较为准确。

 

2.4.2边界条件

    灭火阀工作时，下端面与空气锤或钻头紧密接触，上端面承受载荷(钻压和扭矩)。因此，取下端面为约束面，该面上所有节点的位移为零，除下端面上的节点外，其余节点自由。

2.4.3载荷条件

    在井下数千米，灭火阀受到的载荷情况十分复杂，是一个典型的随机动载，起主要作用的载荷一是通过钻柱传来的钻压(p)与扭矩(M)，二是由泵压与钻井液液柱压力在稳定器内腔产生的内压(q)。

    根据设计要求，在取钻压与内压时，按6000m深井的极限工作情况计算，以使灭火阀安全可靠。

    计算钻压：

    p=α·β·p₀=2.0×1.6×300=640kN

式中：α为动载系数，无量纲；β为应力集中系数，无量纲；p₀为钻压，kN。

    根据现场实际应用情况，扭矩按ZP-520转盘额定扭矩取值，即M=16850Nm，灭火阀内压按6000m深井的极限工作情况，取q=84MPa(见图8)。

2.4.4材料性能

    灭火阀本体的材料为40CrNiMo，其力学性能为弹性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=0.81×105MPa；泊松比μ=O.3；屈服应力σ_s=930MPa；强度极限σ_b=1080MPa。在计算过程中将材料性质定性为线弹性材料。

2.4.5强度分析

    用有限元分析软件COSMOS/Works对上述有限元模型进行计算，得出了灭火阀本体内各单元的应力分布情况，最大应力值为164.1MP。因本体的最大应力值低于本体材料的屈服极限(930MPa)，其强度已经足够。使用分析软件进行设计检查，显示其最小安全系数为5.7，灭火阀本体结构具有足够的强度储备。

    空气钻井防燃爆监测系统是专门为监测气体钻井过程中返出气体组分的变化而达到预防井下燃爆现象发生而配套开发研制的。它的工作原理是在监测到烃类气体的情况下，通过检测CO₂、CO、0₂、H₂S等气体体积分数的变化来判断是否有地层气体进入井眼和是否发生井下燃爆^[6～7]。

    空气钻井防燃爆监测系统主要由气样采集及净化装置、气体监测仪、压力传感器、图像监测仪、无线传输模块、监测平台(监测数据采集、显示与存储)等组成。用于对井口气体的成分数据进行采集、存储、动态显示，以便对气体钻井的过程进行安全监测。需要采集的数据包括：①井深；②二氧化碳含量；③一氧化碳含量；④氧气含量；⑤甲烷等可燃气体含量；⑥硫化氢含量；⑦温度；⑧湿度。同时装备摄像头监视泄流管口的流体形态，并在数据采集系统上同步显示其视频。

    1) 采用VC语言进行编程，工业串口参数设置界面，保证数据传输有效性和正确率。

    2) 数据实时记录和保存，曲线实时动态显示。

    3) 可以进行报警阈值参数设置。系统具有超限报警功能，O₂、CO、CO₂、H₂S、CH₄和排砂管线取样口压力测量范围的阈值可以根据研究成果进行合理设定。

    1) 在川东北地区，非储层段陆相地层如上三叠统须家河组、中侏罗统千佛崖组等地层为含气层段，气体钻进过程中遇到地层出气，均有发生燃爆的可能性，一旦发生燃爆，造成的损失很大。

    2) 研制设计的灭火阀，强度符合现场实际要求，在正常气体钻进时作为单流阀，当井下发生可燃性气体爆炸时，可有效阻断氧气的供应，控制燃爆的进一步扩大。

3) 空气钻井防燃爆监测系统的开发，能够实时监测到返出气体组分的变化和捕捉到井下燃爆现象，操作方便、界面友好。

4) 加强对地层的认识，实时监测，采取有效手段，保证空气钻井的安全、实现快速钻进。

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