海上油井井下安全阀结构分析与应用研究摘 要随着石油勘探和开发的发展，特别是近年世界各国对环境保护和安全生产的高度重视，很多国家对油气井的安全生产都有详细的法律法规，强调位于人口稠密地区、重要经济区、海洋和内陆水域的、可能发生自喷或外溢的油气井都要安装井下安全阀。由此，除广泛地应用了地面井口装置外，井下安全阀在国外已得到了普遍的应用，且取得了显著效果，同时也形成了标准化和系列化。本文从安全阀概念及结构工作原理入手，进步一步介绍了国外井下安全阀技术现状，最后对井下安全阀活塞、阀体密封、锁定、及连通转换方式进行了深入分析和探讨，并对井下安全阀未来发展进行了展望，希望能为我国的井下安全阀发展提供参考。关键词：海上油井；井下安全阀；结构；应用i 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）2.2 贝克休斯石油工具公司技术特色贝克休斯石油工具公司拥有井下安全阀全套系列，包括钢丝可取式安全阀和油管可取式安全阀。该公司首先推出了 FV 系列安全阀。随着安全阀设计的优化，又相继推出了多种系列。该公司井下安全阀有以下特点：1.锁紧螺母连接井下安全阀的危险漏失通道位于控制线和安全阀的连接处。这种锁紧螺母连接是该公司一流的全金属一金属控制线连接器，适用于该公司所有油管可取式安全阀，工作压力为 68.96 MPa。如图 2-3 所示，连接器包括 1 个前金属环和 1 个后金属环，以确保连接无漏失，这对保持阀体和控制线间的可靠连接是至关重要的。锁紧螺母只用于维持机械连接，前、后金属环起到保持压力密封的作用。锁紧螺母连接主要特点是：与常规连接相比较，潜在漏失通道更小；无需使用特氟龙带；和接头锁紧螺母具有相同的扭矩规格。2.备用连通装置研究表明，25％的油管可取式安全阀故障是由水力控制线和过油管钢丝插入阀连通装置之间的漏失造成的。贝克休斯石油工具公司重新设计了备用连通装置，在阀内不采用剪切套。该装置主要特点：无线性剪切套；震击作用代替水力作用；安全阀不添加其他零件。3.高级螺纹连接6 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）高级螺纹连接是两级螺纹连接，外螺纹是金属．金属密封，内螺纹带有一个中心定位台肩(见图 2-4)。该连接的主要特点是：两级设计分配的螺纹载荷更加有效，强度更高；具有抑制内、外压力和拉伸载荷的全金属一金属密封设计；中心定位台肩能够有效防止井下装置滑扣，精确控制上紧损失，使密封不受过扭矩破坏，内、外螺纹不会发生金属一金属干扰密封；通过了 API 功能测试。 图 2-3 锁紧螺母连接 图 2-4 优质螺纹连接2.3 威德福公司技术特色威德福公司的油管式井下安全阀主要是 Opitimax 系列。能够应对灾难性井控问题，井下累积使用寿命长。其产品具有以下结构特点：1. 阀板与阀座Opitimax 系列井下安全阀采用了 2 种阀板阀座设计。标准设计采用平面阀板一阀座界面，周围使用备用软密封，特别注意7 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）阀板铰链的几何设计，以确保即使在含杂质环境下也能高效密封；外径较小时(如用于小井眼中)可采用完全金属一金属密封的等高阀板．阀座界面，独特的界面几何结构确保了弹出闭合过程中和高压差下的高密封性和稳定性。2.阀体接头设计Opitimax 系列安全阀的阀体连接采用威德福高级螺纹结构(见图 2-5)。具有强度高、精确定位和应力低的特点。这是一种单步、高齿腹角、双金属密封螺纹，其强度、密封性和耐弯曲性都极高。单步设计使得在壁厚很小的情况下强度也很高；高齿腹角能在高张力载荷下减小环向应力；双金属一金属密封能在高外压和内压下实现承压密封。3. 控制管线连接Opitimax 系列安全阀采用双箍异径接头，插口直接与阀体整体加工成型(见图 2-6)。双箍设计确保了最大的保压能力(必须高于控制管线自身的保压能力)。 图 2-5 威德福高级螺纹 图 2-6 控制管线连接8 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第三章 井下安全阀的技术分析3.1 活塞井下安全阀的活塞是用来压缩弹簧推动内管打开阀板，其内部要保存压力以防止井下安全阀关闭。所以，井下安全阀对活塞的密封性能要求严格，在井下工具设计中常用不同截面的轴管来作活塞。由于活塞直径大，活塞密封圈长，从而增加了漏失的可能性。另外，为了保证井下安全阀能下到某一深度，并防止控制管线损坏后井内液柱压力将阀板打开导致井下安全阀无法关闭，所以，采用的活塞面积很小，致使活塞压差面直径非常接近，这样加工中的误差就会对活塞面积产生影响，而贝壳石油工具公司 T-5 型井下安全阀则将大直径活塞改为小直径柱塞，将柱塞置于通道外面，由于柱塞直径小，所以，从密封圈上漏失的可能性就大大减小，且直径尺寸上的误差对面积影响可忽略。当然，这种设计需要加工较高精度的细长孔，在加工上有一定难度。3.2 阀体密封方式早期的井下安全阀采用球阀密封方式,球阀密封的缺点是球阀转动时摩擦力大、可靠性差，更换密封件时球体和球座必须同时更换。因此，世界上新投产的油气井井下安全阀多采用阀板密封方式，克服了球阀转动时摩擦力大、可靠性差，更换密封件不方便的缺点。阀板密封是靠阀板上的锥面和密封座之间的配合，胜利石油管理局9 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）采油工艺研究所研制的 SF-1 型井下安全阀的特点是阀板采用铰支结构固定于阀板套上，阀板套与弹簧套用螺纹连接，阀板与阀板座采用锥面密封并配带聚四氟乙烯密封圈，低压时采用阀板软密封，高压时采用阀板硬密封。然而，在井下安全阀关闭过程中，普通阀板与阀座的接触过程为一次性完全接触，这种方式在油管内液体流速很大时，由于液体的冲击作用很有可能把阀板打碎。贝壳石油工具公司研制的 T-5 型安全阀克服了这一缺点，阀板与阀座的密封采用先 3 点接触，其他密封部分后接触的方式来增加阀板与阀座的接触时间，减小接触冲击力，防止阀板由于液体冲击损坏。因而，这种密封技术被广泛采用，但阀板密封仍存在一些缺陷，如阀板打开需要的活塞行程较长，因此，当井下安全阀安装深度较大时，其控制压力容易达到极限，这也增加了安全阀本体的长度，以致于质量增加。3.3 锁定方式井下安全阀的液控管线在高压情况下，容易导致密封圈刺漏，造成液控系统卸压，井下安全阀将关闭并失去安全保护作用。这时，只能强制将阀板打开并锁住，使井下安全阀处于永久打开状态，以保证油气生产的正常进行，待油井作业时对井下安全阀进行更换，胜利石油管理局采油工艺研究所研制的 SC35-120 型井下安全阀锁定总成由锁套、锁簧、剪钉等组成，在液控系统失效时，用钢丝工具使锁套剪断剪钉，强制推动活塞中心管下行顶开阀板，同时通过10 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）锁簧锁定中心管，使阀板处于开启状态，这种永久开锁锁定机构非常复杂，且可靠性不高，T-5 型井下安全阀改变了永久开锁锁定方式，省去了复杂的开锁锁定机构，只是在阀板处下入一个弹性钢圈将阀板撑开，这种设计既完成了永久开锁并锁定，又大大简化了结构，给施工带来很大方便。3.4 连通转换方式井下安全阀液控管线内的压力在正常时与井下安全阀内部液体通道不连通，当井下安全阀阀板密封失效后，要用钢丝下入小直径的管内安全阀，并通过原来的液控管线对油井进行安全控制，早期的井下安全阀，液控压力被内密封套密封在液压腔内，当内密封套被钢丝工具撞击并将剪钉剪断下移后，液孔压力腔就与井下安全阀的内部流体通道相通，再下入管内安全阀对油井进行安全控制，早期的井下安全阀在连通转换结构上有以下缺点：结构复杂，内密封套密封要求高，导致制造成本高；在钢丝作业过程中，有可能撞坏内密封套，而导致井下安全阀失效。T-5 型井下安全阀克服了这些缺点，对连通方式进行了改进，由内密封套下移式改为钻孔式，当需要连通时，只需下入机械钻孔工具在其薄弱部分钻孔可完成。国外有学者提出一种更便于后期补救的井下安全阀结构，在阀板失效后，可在井口用钢丝下入一管内安全阀装置，该管内安全阀可自身在井下安全阀薄弱部分完成钻孔，使液控管线柱式压腔与井下安全阀内部液体相通来控制管内安全阀。11 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）与 T-5 型井下安全阀相，这种结构省去了从井口下入机械钻孔工具，给施工带来方便。3.5 其他技术问题随着世界上深井、超深井的数量和比例逐渐增多，对井下安全阀的要求也越来越高，使井下安全阀的研制增加了更多新的技术难点，例如，一些超深井中井下安全阀的安装深度达 3048m，在这种高压情况下安全阀会出现以下问题：1.控制压腔和安全阀内油气液体之间的动密封泄漏"导致油气进入控制压腔。2.作用在柱塞上的控制压力要克服弹簧力和管内油气液体压力之和使柱塞推动中心管下移来打开阀板，这就要求相当大的控制压力，对控制管线的要求很高。在这些问题上，国外的井下安全阀技术得到了飞速发展。Vick发明了一种结构，该结构包括柱塞、弹簧、阀板、磁耦合装置、中心管。其原理是控制压腔与环空腔之间的压差在柱塞上形成向下的力，柱塞带动磁体克服弹簧压力向下运动，由于存在磁耦合，油管内磁铁带动中心管推动阀板，直到井下安全阀完全打开。Vick 的发明也有缺陷，在阀板关闭过程中，仍需要很大的弹簧力克服控制管线 流 体 静 压 力 ， 当 静 压 力 过 大 时 ， 阀 板 不 能 正 常 关 闭 。 为 此Lauderdale 设计出在阀板关闭过程中运用一平衡柱塞结构来平衡控制管线流体静压力，当控制系统卸压时，弹簧克服柱塞和中心管12 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）重力向上运动，直到阀板完全关闭。13 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第四章 投捞式井下安全阀安全控制系统应用分析4.1 系统组成投捞式井下安全控制系统丰要由投捞式管内安全阀、锁定装置 、坐落短节及液控管线等组成，结构如图 4-l 所示。图 4-1 井下安全控制系统结构示意图l.水力喷射泵；2.管内安伞阀；3.液控管线；4.坐落短节1.管内安全阀投捞式管内安全阀主要由上接头、密封件、中心管、弹簧、底部阀座等组成。它是控制管内油流通道的核心工具，其作用是通过底部阀板的开肩和关闭朱控制油管通道，采用液压控制方式来进行工作状态的转换。2.锁定装置锁定装置主要由上接头、锁块、滑动管、下接头、密封件等组成。它有 2 个作用：一是将管内安全阀锁定在坐落短节上；二是与管内安全阀相配合，密封与坐落短节之间安全阀控制液入口上下环形空间，保证管内安全阀的正常工作。14 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）3.坐落短节坐落短节主要由锁定部分和液控部分组成。它是管内安全阀的工作筒，与液控管线相连接，为管内安全阀提供阀板开关控制压力。为了保证起下作、世时液控管线不受磨损，采崩旁通式设计。4.2 工作原理坐落短节通过油管连接在生产管柱上，下至井下预定位置，其上安装液控管线，可以根据不同情况南地面或者井下控制液压力。锁定装置连接在投捞式管内安全阀的上面，通过钢丝绳或者连续管作业投送到坐落短节中，锁定装置释放，锁紧管内安全阀。正常生产时，给控制管线加压至一定值，经工作筒上液压通道传递到管内安全阀，推开底部阀板，从而保证油流通道畅通；遇到紧急情况及需关井时，液控管线卸压，安全阀关闭，油流通道切断，从而保证油井的安全。4.3 井下安全阀的选择对于水力喷射泵举升方式来说，必须利用油管、油套环空建立循环机制才能生产。由于在水力喷射泵采体上存在一个油套连接循环孔，所以安全阀必须下到泵下位置，否则油流在井喷等情况下会绕过安全阀，经油套连接循环孔进入油套环空上行，造成安全控制措施失效。而埕岛油田泵挂深度一般在井下 1500 m 左右，常规安全阀无法满足下到泵下的要求。因此，水力喷射泵举升系统应该采用管内安全阀，通过钢丝绳或者连续油管进行投捞作业。15 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）ii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）4.4 井下安全阀的控制由于管内安全阀的安装位置较深(在水力喷射泵的下面)，直接采用水力喷射泵动力液的压力来控制其工作状态不仅简单可靠，而且大大节约作业成本。管内安全阀与水力喷射泵通过液控管线相连接，在正常生产情况下，油管内的动力液压力通过液控管线传递到管内安全阀，安全阀底部密封阀板开启，从而打开生产通道。地面停泵时，安全阀内外压力平衡，密封阀板关闭，从而保证了安全生产。4.5 现场应用情况埕岛西 A 区块共有生产井 14 口，生产井均采用水力喷射泵工艺举升。为保证安全生产，均采用水力喷射泵安全生产井下控制技术。生产管柱主要由水力喷射泵、管内安全阀、坐落短节、固定阀、密封插头、悬挂封隔器、滤砂管等组成，结构如图 4-2 所示。该井区自投产以来，平均日动力液量 4000 m3，日产油 1500 m3。全年 生 产 时 间 在 360 d 以 上 ， 除 7P 井 进 行 补 孔 、 清 砂 作 业 ，16P、18—1 井转为电采井等几次修井作业外，其他大的修井作业极少，这表明井下安全控制系统性能可靠。16 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）图 4-2 水力喷射泵生产管柱示意图1 一油管挂；2 一水泥顶；3～水力喷射泵；扣坐落短节；5 一管内安伞阀；6 一固定阀；弘密封插头；8 一悬挂封隔器；9 一封隔器。水力喷射泵举升工艺可用于海上油田稠油区的开采，管内安全阀及相关配套工具解决了海上油田水力喷射泵举升工艺的安全控制问题，形成了投捞式井下安全控制系统。系统正常生产时，给液控符线加压至一定值，经工作筒上液压通道传递到管内安伞阀，推开底部阀板，从而保证油流通道畅通；遇到紧急情况需关井时，液控管线卸压，安全阀关闭，油流通道切断，从而保证油井的安全。现场应用情况表明，投捞式井下安全控制系统性能可靠，满足海上油田生产的安全与环保要求。17 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）参考文献[1] 张梦婷，张勇等．国外井下安全阀的技术现状．石油机械，2008；36(7) ：23～26． [2] 李常友，孙宝全等．SC35-120A 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JPT.2009.18 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）目 录第一章 井下安全阀概述................................................................................................................................................11.1 安全阀概念...........................................................................................................................................................11.2 井下安全阀分类及结构.......................................................................................................................................11.3 井下安全阀工作原理...........................................................................................................................................2第二章 国外研究现状....................................................................................................................................................32.1 哈里伯顿公司技术特色.......................................................................................................................................32.2 贝克休斯石油工具公司技术特色.......................................................................................................................42.3 威德福公司技术特色...........................................................................................................................................5第三章 井下安全阀的技术分析....................................................................................................................................73.1 活塞.......................................................................................................................................................................73.2 阀体密封方式.......................................................................................................................................................73.3 锁定方式...............................................................................................................................................................83.4 连通转换方式.......................................................................................................................................................83.5 其他技术问题.......................................................................................................................................................9第四章 投捞式井下安全阀安全控制系统应用分析..................................................................................................104.1 系统组成.............................................................................................................................................................104.2 工作原理.............................................................................................................................................................104.3 井下安全阀的选择.............................................................................................................................................114.4 井下安全阀的控制.............................................................................................................................................114.5 现场应用情况.....................................................................................................................................................11iii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）参考文献........................................................................................................................................................................13 iv 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第一章 井下安全阀概述1.1 安全阀概念安全阀是一种自动阀门，它不借助任何外力而是利用介质本身的力来排出一定额定数量的流体，以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力恢复正常后，阀门再进行关闭并阻止介质继续流出。安全阀种类很多，如微启式安全阀、全启式安全阀、封闭式安全阀、带散热器的安全阀，等等。目前，海上油井安全阀均为常闭型液压控制阀, 包括井下安全阀和井口安全阀。1.2 井下安全阀分类及结构井下安全阀从产生到现在已经历了约 70 年，其结构发生了较大变化，最早的井下安全阀是提升杆式，它中间不能通过任何工具；后来又研制出球阀式井下安全阀，中间可通过工具，但当控制系统失效后安全阀将无法再打开，这将导致油井停产，并给油井作业带来很大危险；现在使用的多是阀板式井下安全阀，它克服了前两种井下安全阀的缺点。井下安全阀按照用途可分为两类：一种是注水井的注水量或采油井产量的控制阀；一种是与封隔器组合使用防止井喷的安全阀。用于井下安全系统的安全阀按结构可分为：球形安全阀、碟形安全阀和节流嘴安全阀。按操作方式又可分为地面控制安全阀和井下控制安全阀。目前主流的井下安全阀即为一种可地面控制、与封隔器1 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）组合使用的碟形井下安全阀。油气井中多含的腐蚀介质中主要包括硫化氢、二氧化碳及其他氧和氯化物等，为满足其使用要求，井下安全阀又被分为三级。第一级：常规型井下安全阀，用于不存在有害腐蚀介质和不含砂的油气井。第二级：防砂型井下安全阀，用于预计能使常规安全阀损坏(可能有砂粒物质)的油气井，满足第一级安全阀的所有要求。第三级：抗应力腐蚀开裂型井下安全阀，用于预计能产生应力腐蚀脆裂作用的油气井，在必须具备第一级和第二级情况全部要求的情况下，所有材料必须能够防止应力腐蚀脆裂。根据其腐蚀介质不同，第三级又可分为：3S 级一用于硫化物应力脆裂生产井中；3C 级一用于氯化物应力脆裂生产井中；现在多使用地面控制的油管回收式井下安全阀。其典型结构如图 1-1 所示。2 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）图 1-1 井下安全阀结构原理1.3 井下安全阀工作原理地面控制油管回收式井下安全阀工作原理为将井下安全阀连接到油管某一深度，同时连接一条小直径不锈钢控制管线，从阀体连接到地面并与自动控制系统连接起来，组成一套井下安全阀系统。油气井正常生产时，地面控制系统通过泵给安全阀提供液压油并使其自动保持在设定的打开压力下，液压力推动活塞及中心管移动$同时压缩弹簧，中心管顶开阀板，井下安全阀处于打开状态。一旦出现紧急情况，地面控制系统可泄掉控制管线内的压力，这时，中心管和活塞在弹簧力的作用下回到原位，阀板在扭簧的作用下关闭，封住油管的生产空间，井下安全阀处于关闭状态。3 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第二章 国外研究现状目前，国外的威德福公司、贝克休斯公司、哈里伯顿公司等均已推出了多套井下安全阀产品，并先后投入现场进行了成功应用。其中哈里伯顿公司的安全阀产品主要有三大系列：WellStar 系列、NETM 系列和 SPTM 系列；贝克休斯公司的安全阀主要有 FV 系列、TTM 系列和 selecTTM 系列；威德福公司主要以 Opiti-max 系列。2.1 哈里伯顿公司技术特色哈里伯顿公司的井下安全阀系统在油井安全系统中既可用作总的控制系统，叉町作为其中一部分使用。该公司拥有全系列的地面控制油管可取式安全阀和钢丝可取式安全阀。哈里伯顿公司的辅助设备，如地面控制板、引导操作装置、继动阀、易熔塞、应急切断阀等，为安全系统的设计提供了更大的灵活性，另外还能提供全自动系统装备。哈里伯顿公司的井下安全阀采用最先进的 CAD／CAM 技术，不断对油田设备技术进行改革和创新，同时还应用有限元分析和计算流体力学分析等分析工具。设计井下安全阀时，在可靠性方面，考虑因素包括密封件、杂质的隔离、材料选择和载荷的要求。主要采用了 2 种技术：金属挡板密封；在充分应用弹簧力和柱塞面积的同时，隔离液流管两端，以减少杂质的影响。其特有功能设计有：1.等高线阀板设计4 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）哈里伯顿公司借助其在球阀技术上的经验，将球阀上的球形密封应用到阀板外形上，设计出了等高线阀板(见图 2-1)。等高线阀板保留了球阀闭合时球形金属一金属密封的可靠性，同时结合了阀板的操作便利性。球形密封的接合面在组装时经过打磨，承压面积更大，并且在关闭时更易保持居中。球形密封的宽度增加还使得上下阀板表面等高，从而可以减小外径或增大内径。阀板采用双铰链和常规扭簧设计，提高了稳定性和初始闭合力，从而提高了可靠性。2.临时锁定设计临时锁定设计是 SP 系列安全阀上特有的一种可选功能(见图 2-2)。它能通过机械方式使阀门保持全开，使钢丝作业可以在安全阀以下进行。临时锁定套由内径光滑的单片滑套构成。滑套内部没有台肩，钢丝通过打开的阀门时比较安全。当钢丝工具通过阀门起出时，滑套外部有一个止行肩，它能使作用于滑套上的任意载荷直接传递到阀门的外体上。 图 2-1 等高线阀板 图 2-2 临时锁定设计5