井限制工具原型已在静态条件下进行设计和测试，但在动态条件下仍需进一步分析。2014 年，壳牌公司开发一种表面激活套管集成流量限制工具原型。该工具能够在井喷失控期间阻止流动。这种井限制工具（WRT）在功能上类似于地下安全阀（SSSV），且被设计为 95 /8 -in 套管柱的一个必要组成部分。与地下安全阀（SSSV）不同，井限制工具（WRT）用于钻井过程中，可以安装在靠近套管柱末端的井中。其目的在于通过阻止油气进入井中来补充防喷器 （BOP） ，从而增加 BOP 成功关闭的机会。如果 BOP 关闭失败，它也可以起到后援作用。

 

该设备的驱动通过移动开放套筒来实现，从而排出六个弹簧支撑的三角状指进，这些指进聚集在一起完全密封井眼。当来自表面的加密无线信号被传送到井限制工具（WRT）上的接收器时，驱动程序启动。当接收到信号时，带电固体推进剂留在推进剂腔，被点燃。由推进剂燃烧产生的高压气体向前驱动开放套筒，排出弹簧支撑的指状阀。当连接套筒向前移动时，油脂腔中的油脂通过一系列排气孔排入井眼。当连接套筒到指状阀的端部时，它们开始突进井眼，任何向上的流动有助于提高指状阀进入关闭位置的动力。 值得注意的是，指状阀设计确保六个三角状指进在一起，使得表面密封适当匹配。井限制工具（WRT）旨在被设计成为一次性使用的应急井控制工具。为了在开启之后恢复操作，连接工具设计为从表面运行，以使用关闭连接工具和循环指状阀，返回到贮存位置，在这里它们被锁定位置。如果井限制工具（WRT）上有管道，则无法完全关闭井。因此，井限制工具（WRT）最有效的布局是位于生产区之上，但是要尽可能深入井筒，最大限度地减少在井控事件发生时存在干扰管的机会。

 

设计与分析
 

有限元分析（FEA）用于井限制工具（WRT）的整个开发阶段。最 初， 进 行 静 压 分 析， 接 着 根 据ASME 锅炉和压力容器规范指南进行分析。该工具材料的全应力 - 应变曲线，包括硬化最大抗拉强度。通过拉伸试验获得，且工具材料的全弹性塑性响应可用于所有的有限元分析（FEA）。阀 门 额 定 压 力 为 5,000 psi的 应 力 场。 除 了 挡 板 式 承 载 界 面的 热 点（hot spots） 之 外， 工 具中的应力低于材料的 80-ksi 屈服强度。 当模型中的静压力升高到12,500psi 时，观察到大面积的塑性应变，但阀保持其结构完整性和密封能力。

 

静态 FEA 的接触压力表明，在挡板 - 挡板密界面处可能存在靠近挡板底部的泄漏路径。第一轮静态测试验证了这种泄漏路径，并引入了弹性体以改进挡板的密封。阀门关闭事件预计会导致动态流体冲击压力比静态压力负荷更严重。为了评估快速闭阀期间阀门的完 整 性， 使 用 Abaqus 显 式 动 态FEA 软件进行动态 FEA。使用分析方法保守估计瞬时流体冲击压力，并应用于阀门 FEA模型。第一次动态模拟表明，在冲击事件期间挡板有可能会失效，然后将针式材料从 80-ksi 钢升级为150-ksi 铍铜合金。动态 FEA 表明，较强的针式材料可能会在冲击事件中生存，同时塑性应变最小。此外，动态 FEA计算了挡板承载界面处的压缩塑性应变力，并在挡板针孔处计算出约5％的拉伸塑性应变。 尽管有这些塑性应变分区，但模拟结果表明，阀门的结构完整性和密封性能得以保持。一旦实现了令人满意的挡板设计，FEA 就可用于评估整个工具上的静态和动态载荷，包括壳体、滑套和推进剂腔。

 

原型测试
 

井限制工具（WRT）由两个主要子系统组成：（1）远程启动系统，其接收表面信号，并平移滑动套管以部署指状阀；（2）阀动装置，其由六个挡板指进和相关联的壳体组件组成。对各种不同概念设计的远程启动系统进行广泛的分析，包括在各种井眼条件下评估套筒轨迹，以及评估套管在部署期间如何与挡板指进相互作用。对于初始原型测试，决定这的仅是创造阀动装置，以便在使用机械启动装置之前能够良好地表现其性能。远程驱动装置的设计已经完成，但在开发程序的这个阶段没有新的创造。阀装置子部分概念验证测试的目的是确定其性能并收集数据，以便与前述 FEA 进行比较。 测试夹具专门用于在各种静水压力、高温和不同安装方向测试阀动装置。一 种 全 尺 寸 原 型 阀 组 件 被 制造，并使用水作为介质，承受高达10,000 psi 的压力范围。这种最终测试压力远远超过 5,000psi 所需的压力等级。其中一个挡板指在四个位置使用三轴装置测量应变仪，第二个挡板指用单个镶嵌仪器提供测量冗余度。

 

在阀装置高压侧安装了用于测量流体压力和温度的附加仪器。在暴露的 WRT 低压侧进行环境温度测试。在高温 250 ℉下进行测试，在阀装置的两侧可以用水进行。测试WRT密封面的两个变化。WRT 最初在金属 - 金属（MTM）接触之间在挡板指的密封表面之间以及挡板指的周边和外壳之间进行了测试。这种设计仅包含用于中心塞钻头的小型弹性体。通 过 FEA 评 估 MTM 阀 动 装置设计的方法之一，是通过分析负载下发生的变形并检查在匹配表面处产生的接触压力。 根据分析确定，MTM 设计可能会在一定程度上泄漏。研究设计，因为它提供了更简单密封潜力，并扩大使用案例。

 

MTM 设计的基本结构和最终的基于弹性体的原型之间也没有区别。因此，测试 MTM 设计不需要制造两个单独的阀组件。对 MTM设计进行了初步测试，最终原型密封面无法充分密封。这在很大程度上是由于真实的工艺公差和复杂的机械几何结构造成的。MTM 测试还提供了有关中心塞钻头性能的初步数据。该数据用于改变弹性体原型的中心塞。替代配套表面几何结构的其它研究可为全金属阀门部分提供可行方案，决定改变 MTM 设计，包括弹性体密封件。该密封件被并入最终原型。对基于弹性体的阀组件进行初步测试，测试中心塞有轻微变化，直到设计证明为完全可靠地密封。在该设计建立之后，阀组件的正式测试， 并且在中心塞最终确定之后，对组件的任何部件没有进行任何改变。该版本的原型测试通过了一系列测试，在很大范围的压力和高温下表现良好。

 

原 型 阀 组 件 需 要 初 始 流 量 来激发阀门，允许挡板指完全密封，这是使用预先蓄能器完成的。像通过蓄能器中有限压降所观察到的一样，阀门很快地通电，流量非常小。一般测试程序如下：在测试固件中安装阀组件；使用模拟连接工具循环阀；将蓄能器充电至 1,200psi。虽然成功测试了较低的压力，但这也是大多数测试中使用的典型初始压力。

 

在广泛的压力下进行测试以评估密封性能。弹性原型设计通过在大范围的压力下完全密封而表现良好，被认为是成功完成概念验证。测试证明，该概念在静态条件下是可行的，在动态关闭条件下进行额外的分析和测试是有必要。迄今为止，动态测试将需要在开发工作中进行设计，但不是非构建的原型壳体和套管部件。WRT 开发的下一步是在流程循环中安装一个原型，以便在流动条件下进行测试。