随着经济的快速发展,人类对油气资源的需求日益增长,随着对油气资源的进一步开采,一些油气井逐步进入开采后期,勘探与开采的难度逐步增大,随之对井控设备安全性的要求也逐步提高。本文调研了在现今钻井工程中常用的几种内防喷工具,对它们的工作原理、失效形式进行了深入分析总结。在此基础上本文提出了一种新型自旋合式内防喷工具,其具有反应灵敏,流道通畅不易堵塞,结构简单可靠等特点。本文以此结构方案为蓝本从以下几个方面进行了研究工作。(1)对该自旋合式内防喷工具的上下接头及壁厚进行了设计校核;从静力学和有限元仿真两方面对锥角度数进行了设计;设计了上下阀座的具体结构尺寸;根据密封比压相关理论对结构密封性进行了设计校核;设计了钢球及螺旋滚道的尺寸;从理论校核和有限元仿真两个方面对阀体在不同工况载荷下的强度进行了校核,得出其在上阀座定位环处等效应力最大,经对比研究发现拉伸载荷对阀体强度影响最大,内压载荷次之,扭转载荷影响最小。为阀体的强度设计及生产制造提供了有力的理论参考。(2)在基于冲蚀理论的基础上对自旋合式内防喷工具的内部流场仿真模拟分析,分析表明该型内防喷工具的易冲蚀磨损部位在于阀瓣边缘处及下接头内部壁面,并根据冲蚀理论对阀座流道数目进行了优化。其次,根据现场使用的钻井液的流变性质,选择幂律流体中的假塑性流体作为研究对象。分别将稠度系数与流性指数作为单一变量,研究流体流变性与冲蚀特性之间的关系。研究发现随着稠度系数的增大,或者流性指数的增大,流体对内防喷工具的冲蚀效应均在降低。这一结论为指导工程实际应用提供了理论基础。并通过文献调研提出了对易冲蚀部位的强化解决方案。(3)运用Ls-dyna等软件对新型内防喷工具在井喷发生状况下,承受设计最高压力70MPa时,下阀座对上阀座的冲击状况做了仿真分析。结果表明该型内防喷工具在最高压力作用时,冲击力对结构强度没有发生屈服变形,满足使用要求。另外也发现了一些问题:①、阀体上的螺旋滚道由于在下阀座上升过程起到导向作用,其单侧一直承受较大挤压应力,长此以往对该侧的磨损会比较快。②、钢球在下阀座上升过程中所受应力较小,主要起到导向作用,但由于第一次冲击结束后下阀座回弹导致的钢球与螺旋滚道产生瞬时较大的剪切应力,对钢球的冲击较大,会使其使用寿命降低。