高壓井下安全閥的研制及性能評價

李林濤，萬小勇，李渭亮，蘇鵬，郭知龍，曹宗波，張偉博

(1．中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中石化江漢石油工程有限公司井下測試公司，湖北 武漢 430040；3. 上海優(yōu)強石油科技有限公司，上海 201806)

0 前言

安全閥是一種在井口出現(xiàn)重大故障時防止井噴、保證生產(chǎn)安全的自動關(guān)井裝置。其目的之一為保護設(shè)備，防止生產(chǎn)受到損失；還可以保護環(huán)境，防止由于油氣噴出造成的污染[1-5]。隨著我國對能源需求的不斷增長和對環(huán)境保護的日益重視，特別是近年來海洋石油勘探與開發(fā)的迅速發(fā)展，國家對油氣井安全生產(chǎn)裝置的要求也越來越高[1-5]。

目前，國外大型油田服務(wù)公司生產(chǎn)的井下安全閥的壓力等級已經(jīng)達到了138 MPa，甚至更高，而國內(nèi)的完井工具制造商生產(chǎn)的井下安全閥最高壓力等級僅為69 MPa。在API 14A井下安全閥規(guī)范中規(guī)定，壓力等級在103.5 MPa以上的安全閥屬于高壓安全閥[6]，其余的則屬于常規(guī)井下安全閥。根據(jù)API 14A的規(guī)定，國產(chǎn)井下安全閥在常規(guī)井下安全閥中壓力等級是較低的，而在實際生產(chǎn)中，國內(nèi)高壓井下安全閥的用量在逐年遞增。特別是在新疆地區(qū)，部分油氣井的井口壓力已經(jīng)超過了103.5 MPa，必須使用138 MPa以上的安全閥以保證環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備以及人員的安全。這些高壓油氣井所用的安全閥還依賴于進口，被國外公司壟斷[4]，產(chǎn)品、服務(wù)以及維修價格均比較昂貴，既不利于油田的生產(chǎn)，也不利于降低成本。

針對國內(nèi)對高壓安全閥的需求，結(jié)合國內(nèi)外井下安全閥的技術(shù)現(xiàn)狀，通過大量調(diào)研哈里伯頓、貝克休斯等幾家國際油服高壓井下安全閥的結(jié)構(gòu)特點，研制了適合我國井況的高壓井下的特種安全閥。

1 技術(shù)分析

1.1 特種安全閥的結(jié)構(gòu)

高壓井下的安全閥與常規(guī)井下安全閥結(jié)構(gòu)上相似[7-9]，主要由液壓腔、活塞桿、彈簧、彈簧腔、閥座、閥瓣和下接頭等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。不同點在于高壓井下安全閥沒有閥瓣上下平衡機構(gòu)[10]，在閥瓣之下有壓力存在時，需要向生產(chǎn)管柱內(nèi)安全閥閥瓣以上部分加壓，平衡閥瓣之下的壓力之后，才可以通過控制管線加壓打開閥瓣；另外，也不能在控制系統(tǒng)損壞后再下入鋼絲安全閥[11-12]。

圖1 高壓井下安全閥結(jié)構(gòu)示意圖

高壓井下安全閥的設(shè)計難點在于曲面閥瓣結(jié)構(gòu)、本體金屬對金屬密封的螺紋以及活塞的高壓密封。

高壓井下安全閥由于需要承受比常規(guī)安全閥高得多的壓力，閥體及閥瓣壁厚均有大幅增加。如果仍然采用常規(guī)安全閥的平面閥瓣結(jié)構(gòu)，高壓安全閥的外徑會比常規(guī)的要大許多，影響工具適用套管的范圍，限制了其應(yīng)用；而要保證合適的外徑以滿足套管的需要，則又會使得內(nèi)徑變小，形成縮徑，影響生產(chǎn)。為了滿足使用要求，提高產(chǎn)品的適用性，減少閥瓣在全開狀態(tài)下的空間占用，高壓安全閥采用曲面閥瓣設(shè)計，閥瓣與閥座互相配合的密封面是一空間曲面，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥瓣結(jié)構(gòu)示意圖

閥瓣與閥座的密封是安全閥的關(guān)鍵[13-14]，在考慮閥瓣外形的同時，也要考慮密封的實現(xiàn)。在綜合考慮了半圓柱面密封、半橢圓柱面密封等之后，選擇了兩條曲線擬合而成的空間曲面，其密封面在保證連續(xù)光滑的同時，閥瓣與閥座密封面之間的相互作用力沒有徑向力，避免了閥瓣與閥座出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響密封效果。

本體螺紋連接之間的密封也是高壓安全閥設(shè)計中的一大難點，既要保證螺紋連接具有較高的抗拉強度，又要保證螺紋連接之間具有良好的氣密封性能?？紤]到安全閥在使用中的安全要求，本體各零件之間連接不允許使用任何軟的密封材料，比如橡膠、PTFE等，只能采用金屬對金屬密封。安全閥的液壓腔、彈簧筒和下接頭之間的螺紋連接均采用雙級偏梯形同步氣密螺紋設(shè)計，此螺紋抗拉強度大，容易對扣，金屬對金屬密封，密封可靠，能夠承受高壓,可以多次上扣，壽命長。雙級螺紋設(shè)計使得螺紋載荷分配更加合理，避免螺紋受拉伸載荷作用時金屬密封處過盈量減小影響密封效果。扭矩臺肩位于兩級螺紋之間，此處距密封面較遠，可以承受較大扭矩；金屬對金屬密封唇處不承受扭矩載荷，防止扭矩過大破壞密封唇影響密封性能，如圖3所示。

圖3 雙級偏梯形同步氣密螺紋示意圖

活塞密封采用非彈性密封組設(shè)計，其特點是承壓高，耐溫高，克服了彈性密封摩阻大、耐壓低、易咬邊損壞等缺點。非彈性密封組中間是支撐環(huán)，支撐環(huán)兩邊依次是V型密封、范塞和壓帽，結(jié)構(gòu)如圖4所示。范塞和V型密封選用添加石墨的改性PTFE材料，既改善了PTFE的蠕變特性，又增加了潤滑功能；支撐環(huán)和壓帽選用PEEK材料，既有較高的強度和硬度，在運動時又不會擦傷密封面；由于密封需要承受雙向壓差，一個方向壓力高時，另一方向的壓帽可以有效防止范塞的密封唇被擠壞。

圖4 非彈性密封組

另外，控制管線與安全閥的連接采用Autoclave高壓密封接頭，消除了通常采用JAM NUT連接易造成控制管線在高壓下拉脫的風(fēng)險。

1.2 特種安全閥工作原理

安全閥下入井筒設(shè)計位置后，首先對生產(chǎn)管柱內(nèi)安全閥閥瓣以上部分加壓，以平衡閥瓣下部的壓力；然后，通過控制管線從地面加壓，壓力經(jīng)控制管線傳遞至液壓腔內(nèi)，推動活塞向下移動，活塞推動流動管壓縮彈簧，流動管將閥瓣打開，安全閥開啟。保持控制管線內(nèi)的壓力，安全閥處于打開狀態(tài)，釋放掉控制管線內(nèi)的壓力，依靠彈簧的彈力向上推動活塞上移，安全閥關(guān)閉，之后會一直處于關(guān)閉狀態(tài)，直至再次對液控管線施加液壓力，安全閥才會再次打開。

1.3 特種安全閥技術(shù)參數(shù)

最大外徑 139.7 mm

最小內(nèi)徑 65.075 mm

坐掛型面 2.562R

工作壓力 138 MPa

工作溫度 204 ℃

下入深度 600 m

全開壓力 18 MPa

全關(guān)壓力 7.6 MPa

抗拉強度 2 080 kN

此安全閥的特點：曲面閥瓣設(shè)計，占用空間小，安全閥外徑小，可使用套管范圍大；本體連接采用雙級偏梯形同步氣密螺紋設(shè)計，螺紋抗拉強度大，金屬對金屬密封，能夠承受高壓；活塞密封采用非彈性密封設(shè)計，承壓高，耐高溫；閥座、閥瓣采用金屬對金屬硬密封設(shè)計，增加輔助軟密封，無論高壓還是低壓都能可靠密封；沒有一個橡膠密封圈，消除了密封圈的泄漏隱患；管線與安全閥的連接采用Autoclave高壓密封接頭，強度高，密封可靠。

2 特種安全閥性能評價

2.1 液壓腔密封測試

將高壓井下安全閥安置在工裝內(nèi)，保持閥處于關(guān)閉狀態(tài)，在閥體內(nèi)壓力為零的情況下，打開安全閥。調(diào)節(jié)液體控制壓力并將其穩(wěn)定在設(shè)計的全開壓力值上，然后切斷液壓控制壓力源，觀察5 min內(nèi)的壓力變化情況，壓力曲線如圖5所示。由壓力曲線可以看出，在壓力穩(wěn)定后的5 min時間內(nèi)，壓力曲線平穩(wěn)。

圖5 液壓腔測試曲線

2.2 閥瓣全開全關(guān)性能測試

在安全閥內(nèi)壓力值為零的情況下，關(guān)閉并打開閥瓣五次。測試曲線如圖6所示。

圖6 閥瓣全開全關(guān)性能曲線

根據(jù)API要求，每次控制壓力值都不應(yīng)超出閥門連續(xù)開關(guān)操作5次平均壓力值的±5%，由曲線圖提取閥瓣全開全關(guān)測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 閥瓣全開全關(guān)測試數(shù)據(jù)

由表1可以看出，閥瓣五次全開、全關(guān)壓力值均在API規(guī)范要求的范圍內(nèi)，偏差較小，開關(guān)性能較為穩(wěn)定，符合API規(guī)范要求。

2.3 安全閥整體密封性能測試

關(guān)閉安全閥，對安全閥外部進行徹底干燥。調(diào)節(jié)整個測試單元的壓力，使其穩(wěn)定在172.5 MPa(允許偏差±3.45 MPa)壓力下，持續(xù)觀察5 min，觀察控制管線端口及閥體各連接處沒有發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，壓力曲線顯示無壓降，測試曲線如圖7所示。

圖7 安全閥整體密封測試曲線

2.4 閥瓣液體密封性能測試

將安全閥閥瓣上方的壓力釋放至零，調(diào)節(jié)閥瓣下方的壓力，并將其穩(wěn)定在138 MPa的額定工作壓力(允許偏差為額定工作壓力的±5%)，待壓力穩(wěn)定后，監(jiān)測5 min內(nèi)液體沒有泄漏現(xiàn)象，測試曲線如圖8所示。

2.5 閥瓣氣體密封性能測試[6]

將安全閥閥瓣上方的壓力釋放至零，用氮氣調(diào)節(jié)閥瓣下方的壓力，將其穩(wěn)定在1.4±0.07 MPa，監(jiān)測得5 min內(nèi)氣體泄漏速率為0.031 m3/min；繼續(xù)調(diào)節(jié)安全閥閥瓣下方的壓力，將其提高并穩(wěn)定在8.3±0.41 MPa，監(jiān)測得5 min內(nèi)氣體泄漏速率為0.053 m3/min。兩次測得的泄漏速率均遠低于API驗收標(biāo)準(zhǔn)要求的0.14 m3/min。

3 結(jié)論

(1)通過室內(nèi)試驗證明，高壓井下安全閥的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足138 MPa壓力下的使用條件。

(2)擬合曲面閥瓣有利于減小空間占用，提高承壓能力，曲面閥瓣的安全閥外徑更小，能夠適用更多規(guī)格的套管。

(3)添加了石墨的改性PTFE范塞和V型密封組合能夠承受高壓密封，且摩阻較小。

(4)研制的138 MPa高壓井下安全閥在地面成功通過測試。下一步需要尋找合適的高壓油氣井來對安全閥進行現(xiàn)場井下應(yīng)用，進一步驗證其可靠性。