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“贅余”與“凹陷”，劃分較為準(zhǔn)確。

?

2.4.2邊界條件

????滅火閥工作時，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，是一個典型的隨機(jī)動載，起主要作用的載荷一是通過鉆柱傳來的鉆壓(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)計要求，在取鉆壓與內(nèi)壓時，按6000m深井的極限工作情況計算，以使滅火閥安全可靠。

????計算鉆壓：

??? p=α·β·p₀=2.0×1.6×300=640kN

式中：α為動載系數(shù)，無量綱；β為應(yīng)力集中系數(shù)，無量綱；p₀為鉆壓，kN。

????根據(jù)現(xiàn)場實(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σ_s=930MPa；強(qiáng)度極限σ_b=1080MPa。在計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對上述有限元模型進(jìn)行計算，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)度儲備。

????空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)是專門為監(jiān)測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)測到烴類氣體的情況下，通過檢測CO₂、CO、0₂、H₂S等氣體體積分?jǐn)?shù)的變化來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]。

????空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣樣采集及凈化裝置、氣體監(jiān)測儀、壓力傳感器、圖像監(jiān)測儀、無線傳輸模塊、監(jiān)測平臺(監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲)等組成。用于對井口氣體的成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、動態(tài)顯示，以便對氣體鉆井的過程進(jìn)行安全監(jiān)測。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。

??? 1)?采用VC語言進(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)時記錄和保存，曲線實(shí)時動態(tài)顯示。

??? 3)?可以進(jìn)行報警閾值參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)具有超限報警功能，O₂、CO、CO₂、H₂S、CH₄和排砂管線取樣口壓力測量范圍的閾值可以根據(jù)研究成果進(jìn)行合理設(shè)定。

??? 1)?在川東北地區(qū)，非儲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)計的滅火閥，強(qiáng)度符合現(xiàn)場實(shí)際要求，在正常氣體鉆進(jìn)時作為單流閥，當(dāng)井下發(fā)生可燃性氣體爆炸時，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)測系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?qū)崟r監(jiān)測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)對地層的認(rèn)識，實(shí)時監(jiān)測，采取有效手段，保證空氣鉆井的安全、實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

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