88.9 mm油管携带式井下安全阀研制

孔学云，李宝龙，齐海涛，左　凯，李宏伟，党万恒，陈胜宏，刘　军

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)①



88.9 mm油管携带式井下安全阀研制

孔学云，李宝龙，齐海涛，左凯，李宏伟，党万恒，陈胜宏，刘军

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)①

为解决在海上油气田生产过程中井中流体发生非正常流动时所带来的安全问题，采用结构设计和试验验证相结合的方法，研制了一套油管携带式井下安全阀。通过多次地面功能测试，各项性能参数稳定可靠，满足现场作业要求。

井下安全阀；结构；性能试验

井下安全阀是油气井中流体非正常流动的控制装置，在海上生产设施发生危险、管线破裂等非正常情况下能自动关闭，实现井中流体的流动控制。该装置是海洋油气田开发过程中必须的安全控制设施之一。针对海上油田特点，自主研发了地面控制式井下安全阀。从结构原理、功能参数、性能测试及现场应用等方面对安全阀进行介绍，诠释了自主研发的井下安全阀能满足现场作业要求。

1　井下安全阀的结构设计难点

井下安全阀中最重要的部分为活塞、开关机构、自平衡机构、密封机构，设计难点如下：

1)活塞结构设计。井下安全阀的活塞结构类型有单柱塞、双柱塞和中心管一体式活塞等。

单柱塞(如图1a)的优点是密封面积小，密封简单；缺点是需要加工较高精度的细长孔，加工困难大。另外，柱塞和中心管不能同轴线运动，容易导致偏心卡死。双柱塞结构解决了运动不同轴的问题，但结构相对复杂。

a　柱塞活塞结构

中心管一体式活塞(如图1b)是将中心管作为活塞杆，大幅简化了安全阀的结构。中心管一体式活塞结构能使弹簧处于液压油环境中，防止油井中腐蚀性液体和气体对弹簧的腐蚀。但由于活塞直径大，对密封性能的要求较高[1-2]。

b　中心管一体式活塞结构图1　井下安全阀的活塞结构

2)阀板结构设计。井下安全阀的阀板分为球阀和瓣阀结构。球阀结构(如图2a)是可以旋转的带孔球体，当孔的方向与生产油管方向一致时，安全阀处于打开状态。当球体旋转90°后孔的方向与油管方向垂直，安全阀处于关闭状态。瓣阀结构(如图2b)是扭簧控制的瓣阀，通过活塞作用实现瓣阀的打开和关闭，来控制安全阀的开关状态。球阀结构缺点是转动时摩擦力大，控制困难，可靠性差，目前，常用瓣阀结构[3-5]。

b　瓣阀式图2　井下安全阀的阀板结构

3)自平衡机构设计。当井底压力过高时，通过自平衡机构使安全阀上下腔体压力沟通并平衡，保证安全阀在额定工作压力下轻松打开。自平衡机构有侧孔式和阀板自带式2种结构[6-7]，如图3。

a　侧孔式自平衡机构

b　阀板自带式平衡机构图3　井下安全阀的自平衡机构

4)密封设计。井下安全阀的控制压力一般较高，因此对密封性能的要求较高。常用的密封形式有橡胶密封、金属密封和组合密封3种。橡胶密封性能好，但由于受到油气的腐蚀，工作寿命低；金属密封结构简单，其耐腐蚀和耐冲蚀能力好，但是加工精度高，密封面处还要经过特殊处理。

2　新型井下安全阀结构及工作原理

根据以上对安全阀设计难点分析，进行了密封件优化设计、弹簧材料及热处理工艺优选、运动部件表面特殊处理等技术攻关，综合考虑结构简单、加工方便和安全可靠等因素，设计了单管活塞(T形组合动密封)、自带自平衡机构的瓣阀式阀板(采用金属密封)、地面控制式井下安全阀，其结构如图4所示。

工作原理：地面控制管线向液压腔内加压，压力推动活塞向下运动并压缩动力弹簧，活塞向下运动的同时带动流动管向下运动，将阀板打开。当需要关闭安全阀时，地面控制管线泄压，弹簧收缩，推动活塞向上运动，活塞向上运动带动流动管向上运动，阀板关闭。

1—液压腔；2—T形密封；3—刮环；4—活塞；5—弹簧筒；6—流动管；7—动力弹簧；8—阀座；9—挡圈； 10—O形密封圈；11—阀瓣架总成；12—软密封；13—阀瓣弹簧；14—自平衡阀瓣总成；15—下接头。图4　88.9 (3英寸)油管携带式井下安全阀结构

88.9 mm(3.5英寸)油管携带式井下安全阀的技术参数如表1所示。

表1　88.9 英寸)油管携带式井下安全阀的技术参数

3　安全阀性能试验

3.1阀板开关试验

将安全阀与控制管线连接好，并测试控制管线密封完好后进行阀板开关功能测试试验。释放液控管线压力，在内腔中压力为0的情况下，全开、全关安全阀5次，记录全开压力和全关压力。压力曲线如图5所示。安全阀阀板开关试验数据如表2。

a　内腔不加压力

b　内腔加50%额定工作压力图5　安全阀阀板开关试验曲线表2　安全阀阀板开关试验数据 MPa

由试验结果可知，在内腔压力为0的条件下，关闭和开启安全阀5次，其完全开启压力和完全关闭压力的误差均未超过平均值的±5%，符合API 14A标准要求。内腔加50%额定工作压力的条件下，关闭和开启安全阀5次，其完全开启压力和完全关闭压力均需增加约17.5 MPa，符合API 14A标准要求[8]。

3.2安全阀整体密封试验

安全阀上部和下部注入清水或其它合适气体，替出内部的空气，然后加压至52.5 MPa(±2.6 MPa)，保压10 min，液控管线连接处和安全阀外部检测无泄。试验结果如图6所示。

图6　安全阀整体密封试验

3.3安全阀流体漏失试验

打开安全阀，向内腔加液体至35 MPa，然后关闭安全阀，稳压10 min，测量内腔液体泄漏速率。同理，打开安全阀，向内腔加气体(空气)至8.3 MPa，然后关闭安全阀，稳压10 min，测量内腔气体泄漏速率，试验结果如图7所示。

a　液体漏失试验

b　气体漏失试验图7　安全阀流体漏失试验

由图7所示，内腔液体压力35 MPa时，液体泄漏量为0.53 mL/min，符合API 14A标准要求的泄漏量≤10 mL/min要求。内腔空气压力8.3 MPa时，泄漏量为130 L/min，符合API 14A标准要求的泄漏量≤140 L/min要求[8]。

4　现场应用

5　结论

1)在分析井下安全阀结构设计难点的基础上，研制了油管携带式井下安全阀，实现了常规油气井中流体的控制。但是，鉴于井下安全阀的高性能和高安全性要求，在高温、高压和深水等油气井中应用的安全阀的技术难题仍未解决。

2)受弹簧材质的限制，安全阀下入深度受限，对于深水安全阀而言，可以考虑双管来控制安全阀的开关，解决下深难题。

3)采用金属密封、橡胶和金属、塑脂和金属等组合密封，解决高温安全阀的动密封问题。

4)受井眼或井深尺寸限制，可以考虑采用弧面阀板结构，解决大通径安全阀的开发难题。

[1]张梦婷，张勇.国外井下安全阀技术现状[J].石油机械，2008，36(7)：81-84.

[2]周大伟，钟功祥，梁政.国内外井下安全阀的技术现状及发展趋势[J].石油矿场机械，2007，36(3)：14-16.

[3]董社霞，皇甫洁，吕芳蕾.一种新型油管安全阀的研制和应用[J].石油天然气学报，2008，30(1)：364-366.

[4]蔡涛，魏忠华，蔡秀玲.井下安全阀技术分析[J].石油矿场机械，2003，32(6)：93-95.

[5]时健，苏国丰，魏芳勋.NE型油管回收式井下安全阀[J].油气田地面工程，2009，28(10)：88.

[6]周大伟.井下安全阀系统设计与分析[D].成都：西南石油大学，2007.

[7]韩飞.井下安全阀研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2008.

[8]API Spec 14A，井下安全阀设备规范[S].第11版.2005.

KONG Xueyun，LI Baolong，QI Haitao，ZUO Kai，LI Hongwei，DANG Wanheng，CHEN Shenghong，LIU Jun

(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.，Tianjin300452，China)

To solve the fluid safe brought by abnormal flow in the process in oil and gas production well.A set of tubing-retrievable subsurface safety valve is developed by adopting the method of combining the structure designing and test.The performance of the safety valve meets the requirements of field operation.

subsurface safety valve；structure；performance test

1001-3482(2016)09-0049-04

2016-03-15

中国海洋石油总公司十三五科研项目《完井防砂系列工具研制III期》(CNOOC-KJ 135 KJXM NFGJ2016-01)

孔学云(1980-)，女，内蒙古乌盟人，高级工程师，2007年毕业于内蒙古科技大学材料加工工程专业，现从事石油工具研发工作，E-mail：kongxy@cnooc.com.cn。

TE952

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.011