滑套式井下安全阀设计及动态特性分析*

黎　伟，宋　伟，李乃禾,宋金丽，黎宗琪，雷鸿翔

(1.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都610500；2.石油天然气装备教育部重点实验室，四川 成都 610500；3.宝鸡石油机械有限责任公司 广汉钻采设备厂，四川 成都，610051；4.中国石油川庆钻探工程有限公司 井下作业公司，四川 成都，610051)

0　引言

在石油开采过程中，若遇到因地层压力大于井底压力而导致的溢流或井喷，或者因设备故障而导致的烃类流体流速增大等情况，就需要井下安全阀及时关闭流体通道，避免恶性事故的发生[1]。

我国井下安全阀技术研究起步较晚，仍处于初级研究阶段，现有的井下安全阀多以液压单柱塞驱动方式为主[2]。但是这种驱动方式需将液压管线连接至地面控制部分，且柱塞在推动中心管打开阀板的过程中，会导致中心管偏心。容易出现安全阀失效。另外，如果液压控制系统因泄漏而失效，安全阀将被强行关闭，此时为了保证油气的正常生产，只能通过井下作业将阀板打开，使井下安全阀处于永久打开状态，无法再次使用。

针对以上这些问题，设计了新型井下安全阀，采用压力脉冲方式，液压管线只需要传递压力脉冲信号，不需要长期承受高压，杜绝了因管线泄漏而造成的井下安全阀失效。同时，驱动方式改为电机驱动，直接驱动滑套式阀门的开合，反应迅速，且由于采用新型滑套式阀门，其所承担的阻力远小于折叠式板阀。该种设计提高了安全阀的安全性和可靠性。

1　研究现状

井下安全阀发展到现在经历了70多年，随着技术的进步，其结构发生了较大的变化，可靠性越来越高，其主要完善的部分包括阀体密封方式、驱动方式、锁定方式等3个方面[3]。

1)密封方式

井下安全阀的密封方式经历了由球阀密封到滑套阀密封的变革。早期采用的主要为球阀密封方式，但是由于球阀密封在旋转时摩擦力较大、可靠性较差，一般更换部件时需同时更换球阀体和球座[4]，为了克服球阀密封的缺点，如今油气井井下安全阀一般采用阀板密封方式。板阀密封是靠阀板上的锥面和密封座之间的配合产生的[5]。

2)驱动方式

现有的井下安全阀一般都采用液压驱动的方式，利用弹簧推动中心管来打开或关闭阀板[6]。阀板打开时，为了防止阀板关闭需要液压腔要保持压力，这对活塞的密封性能要求很高。为了改善密封性能，贝壳石油工具公司在2000年研制了T-5型井下安全阀，将大直径活塞变为小直径活塞，减轻了活塞质量，提高了密封性能。

3)锁定方式

在高压情况下，液压系统易发生刺破，导致系统泄压，此时为了保证正常生产，只能强行打开阀板，SC35-120A型井下安全阀设计了通过使锁套剪断销钉，强制推动中心管下移打开阀板的永久开锁锁定机构[7]。但其结构复杂，且可靠性不高。

针对这些问题，国外的井下安全阀技术取得了较大进展。Vick发明了包括磁耦合装置、弹簧、阀板、柱塞的井下安全阀[8]。后来，Lauderdale设计出平衡柱塞结构来平衡流体静压力，提高了阀板关闭的可靠性[9]。

国内井下安全阀研究尚处于起步阶段，理论体系尚不完善，产品可靠性不高，需要研发出动作迅速、工作可靠、结构简单的新型井下安全阀。

2　结构及其控制方式

2.1　井下安全阀结构

设计的电机驱动式井下安全阀主要由上接头、外套筒、中心管、压力传感器、控制板、中间接头、电机、滑套阀、旁通流道、可投捞堵头、下接头组成，结构如图1所示。上下接头分别外套于中心筒，采用螺纹连接的方式；电机为空心杯电机，外套于中心管，内嵌于外套筒，利用键槽进行周向固定，止推轴承进行轴向定位；滑套阀与电机转子组成丝杆螺母副，将电机的旋转运动转化为轴向直线运动。地面液压控制系统与装于上接头的液压管线接头相连，调节液压；旁通流道作为正常生产时的油气通道；可投捞堵头长期处于堵住状态，修井时可用专门的打捞工具捞起。

1-上接头；2-液压管线接头；3-压力传感器；4-控制面板；5-电池；6-中间接头；7-碟簧；8-电机；9-止推轴承；10-中心管；11-滑套阀；12-流道；13-堵头；14-下接头图1　滑套式井下安全阀结构Fig.1　Structure of slip-typesubsurface safety valve

2.2　控制方式

所设计的新型井下安全阀采用压力脉冲控制方式[10]，控制流程如图2所示。内置控制板，通过压力传感器读取压力变化信号，然后控制板内部的解码器对压力信号进行解码，与控制板内部储存的控制命令进行匹配并控制电机正反转，实现滑套阀的打开与关闭。

图2　控制流程Fig.2　Control flow chart

3　工作原理

正常工作状态下，井下安全阀中心管在堵头作用下，处于关闭状态。此时滑套阀处于打开状态，油气可通过环槽流道正常生产；当遇到井底高压油气时，需要迅速将通道切断，地面通过液压管线发送压力脉冲信号，控制电机正转，带动滑套阀运动，关闭环槽通道并在密封圈的密封作用下切断油气通道，防止溢流井喷；待井底油气压力恢复正常后，电机在压力脉冲信号的控制下反转，重新打开环槽流道。若需修井及其他井下作业，则可用专门的投捞工具将堵头捞出，打开中心管。

4　滑套阀工作过程动态分析

4.1　理论基础

滑套式板阀关闭过程中的受力如图3所示。若要求滑套阀关闭过程中的某1个时刻所受的液压推力F，一般有2种办法，一是求出滑套阀上每1个点的表面力，然后对整个表面积分以求出作用力，这种方法计算任务量较大；二是利用控制体积法，即运用流体动量方程直接求出滑套阀所受的液压推力F[11-12]。

图3　滑套阀关闭过程示意Fig.3　Slide valve closed process diagram

在阀门关闭过程中，H为阀门初始宽度，m；阀门宽度变为hc时，设阀门井口压力为P0，Pa；出口压力为Pc，Pa；流体流量为Q，m3/s；阀门宽度为B，m；流体对板阀的作用力为F，Pa；v为阀门关闭速度，m/s。

根据流体动量方程，则有：

(1)

(2)

ρQ(Vc-V0)=P0-F′-Pc

(3)

将式(1)、(2)带入式(3)得：

F′=P0-Pc-ρQ(Vc-V0)

(4)

(5)

F=-F′

(6)

式中：V0为进口处流体的速度，m/s；Vc为出口处流体的速度，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；F′为板阀对水流的作用力，Pa。

上述公式计算的是在某一时刻下，滑套阀所受流体推力的大小，为了分析滑套阀从开始关闭到完全关闭整个动态过程板阀的受力规律，需要进行大量计算，以下采用有限元分析软件ANSYS workbench对井下安全阀动态关闭过程进行模拟分析。

4.2　尺寸及材料参数

井下安全阀的结构参数如表1所示，滑套阀的材料采用35CrMo，调质到283～302 HB，滑套阀密封区高频淬火HRC硬度为40～50 HRC。

表1　结构参数

4.3　井下安全阀流固耦合分析

模拟分析所针对的井下安全阀模型，除去受自身重力之外，只受到的井下流体的高压冲击，并且滑套阀变形对流体的影响忽略不计。采用单向耦合的方法，在不同求解器分别求解流体控制方程和固体控制方程。通过设置耦合面的办法将流体域的数据传递到固体域，即可分析井下安全阀在滑套阀关闭的动态过程中滑套阀的应力应变规律。在流固耦合面上，应满足流体与固体应力、位移变量守恒，即满足如下方程[13-14]。

(7)

4.3.1有限元模型的建立及网格的划分

为节约计算资源，建立井下安全阀的简化模型，该模型采用ICEM CFD进行网格划分，为了适应动态模拟过程中的网格变形，采用四面体网格并开启网格重构，以防止滑套阀关闭过程中网格畸变出现负体积；流体域模型共划分了2 192 489个网格，并在滑套阀附近进行局部细化，便于充分反映出滑套阀附近流场及应力状态；滑套的结构网格也采用四面体网格，共划分3 625 011个网格。

4.3.2边界条件

由于模型内部存在弯道和截流效应，对模型腔内流体雷诺数根据式(8)进行计算，将表2中相关数据带入得Re=43 875(Re>10 000)即为完全湍流。故采用k-ε的湍流模型。边界条件选用速度入口(v=7.5m/s)和压力出口(P=30 MPa)。其湍流强度I由式(9)可得，I=0.042 1，水力直径d=0.065 m。相关计算参数如表2所示。

(8)

(9)

表2　计算参数

4.4　内部流场特性分析

滑套阀开度为21 mm时的内部压力云图截面如图4所示。由图可见，因环槽流道空间较小，故流体压力较大；随着流体进入环槽流道后，压力逐渐下降，通过滑套阀前，由于流体方向的急剧改变，压力出现一定程度的增大，通过滑套阀最小过流面积时候，流体方向发生改变，根据伯努利方程可知，由于惯性作用，流体在滑套阀壁面上有脱离之势，导致压力有所降低，并形成漩涡低压区。待流过最小截面处后，由于空间变大，流体重新附着壁面，压力出现一定程度增加。

图4　井下安全阀流场压力云图Fig.4　The stress nephogram of subsurface safety valve

滑套阀开度为21mm时候的流体速度云图截面如图5所示。井下安全阀阀体腔内的流体流动分为2种形式，在主流道内流动的流体为主流；经过环槽流道区域的流体，由于速度方向突变而产生旋流。当流体进入滑套阀区域时，流体的速度和方向都发生较大的变化，流线收缩，并且由于流体速度的差异及重力作用会在滑套阀出口处产生二次流，并与主流叠加起来形成漩涡，这种漩涡会导致滑套阀的振动，加速阀体疲劳破坏。

图5　井下安全阀流场速度云图Fig.5　The velocity nephogram of subsurface safety valve

4.5　动态特性分析

以下着重分析在滑套阀由完全开启到完全关闭的动态过程，以及滑套阀不同倒角情况下对应内部流场速度和滑套阀所受压力的变化规律。这可为安全阀结构的优化提供理论支撑。

利用UDF编程，来模拟井下安全阀从完全开启到完全关闭的动态过程，滑套阀倒角分别为0°，20°，45°和70°时，经过流固耦合得到的滑套阀所受压力对比分析曲线如图6所示。

图6　不同倒角压力对比分析Fig.6　Pressure contrast analysis chart of different chamfer

由图6可见，压力整体趋势是随着开度的减小而上升，当开度大于5 mm时，压力上升较为缓慢，当开度小于5 mm时候压力上升急剧，其中，无倒角(0°)的滑套阀所受压力最大，接近40 MPa，最大压力随着倒角度数的增大而逐渐减小。但是倒角为70°的滑套阀关闭过程中相对于倒角为45°的滑套阀压力波动较大，特别是在开度从10 mm到0 mm之间时，其压力大于倒角为45°的滑套阀所受压力。

滑套阀倒角分别为0°，20°，45°和70°时滑套阀内部流场速度对比分析曲线如图7所示。

由图7可知，在整个过程中，内部流体速度波动较大且随开度的减小速度逐渐增大，在开度大于10 mm时，流体速度增加较少且波动较小。开度小于10 mm时，速度急剧上升并且波动幅度很大，其中0°倒角的滑套阀速度最大速度接近275 m/s，最大速度随着滑套阀倒角的增大整体呈现下降趋势，但是倒角为70°的滑套阀在开度为5 mm到10 mm时，速度波动很大且速度大于倒角为45°的滑套的速度。

图7　不同倒角速度对比分析Fig.7　Velocity contrast analysis chart of different chamfer

5　结论

1)设计的滑套式井下安全阀，摒弃传统的液压驱动方式，改为电机驱动，中间传动部件较少，结构简单，可有效的实现井控功能。

2)设计的滑套式井下安全阀采用压力脉冲的控制方式，其液压管线只需要传输压力变化信号即可，所以不会发生因液压管线压力过大泄漏而导致的井下安全阀失效，可靠性更高。

3)由内部流场分析结果可知，由于环槽流道的存在，阀体内高速流体会对环槽通道造成冲蚀，二次流与主流的叠加而形成的漩涡会致滑套阀体的振动，会加速阀体疲劳破坏。

4)由分析可知，在滑套阀关闭过程中流体最大速度达到275 m/s，滑套阀所承受最大压力超过40 MPa；流体速度和滑套阀所受压力整体都随着开度减小而增大，随倒角的增大而减小；但倒角超过45°时，压力和速度波动明显增大，且在开度为5～10 mm阶段均大于倒角为45°时的值，应该采用倒角为45°的滑套阀。

5)设计的滑套式井下安全阀具有杜绝液压泄漏、反应迅速、结构简单、可靠性高的优点。但是该装置仍有部分难点需要攻克，例如，该装置采用的是空心杯电机，在有限的空间内如何使电机有足够的驱动能力；井下工况恶劣，温度较高，装置内部控制面板的耐高温能力有待提高等，需进一步研究优化。

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