地面控制井下安全阀配套工具技术研究

杨晓勇， 边小玲， 王振德， 赵旭东， 陈成

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002）

0 引言

井下安全阀是根据我国安全生产法、海洋环境保护法及其他相关的安全环保法规，在陆上及海洋油气田完井生产管柱上安装的必要井下工具之一。井下安全阀的主要作用是在发生火警、井喷、管线破裂等紧急情况时，能够及时关闭生产管柱，以阻止安全环保事故的发展或进一步扩大[1-5]。井下安全阀应用前景广、技术难度大、产品附加值高，国内要求所有的海上油气井和陆上部分高危高产油气井必须装有井下安全阀，目前其市场主要被国外几大油服公司所垄断。从目前公开信息来看，国内专利和文献数量很多，虽然已有井下安全阀研制成功[6-7]，但尚未在油气田进行工业化规模应用。井下安全阀现场应用时必须使用配套工具进行各种作业，因而很有必要对其进行研究分析。目前发表的文献都是针对井下安全阀本身进行[8-9]，本文首次对井下安全阀配套工具进行系统研究与分析，并提出发展研制建议。

1 井下安全阀工具概述

井下安全阀工具可分为液压连通工具、永久开启工具、二级安全阀、管线保护器等。如图1所示是井下安全阀工具使用的条件和顺序，阀瓣不能正常开启，有可能是井下压力过大，此时最安全的做法是油管内加平衡压，如果仍然不能顺利打开，则下入永久开启工具，利用震击力强制打开，然后再次下入液压连通工具，沟通原安全阀上的液压通道之后，最后下入二级安全阀延续原安全阀的功能。

图1 井下安全阀工具使用条件

2 液压连通工具

液压连通工具是当安全阀阀板阀座密封失效后，而又不能将管柱提出更换时，在下入二次安全阀之前，需要将原安全阀内的液控压力导入到二次安全阀，用以开关二次安全阀。

2.1 机械开孔式

哈里伯顿和贝克休斯使用的都是机械开孔式，即利用液压连通工具上部震击器所施加的震击力使工具刀尖部强行刺穿井下安全阀的内壁。

如图2所示为哈里伯顿液压连通工具的关键结构[10]，工作时中心推杆沿箭头方向往下运动，在推杆上斜面的作用下，刀头部分沿箭头方向伸出工具外壳体，进而刺穿井下安全阀液控通道与中心通孔之间的薄壁，从而使即将下入的二级安全阀与井下安全阀液控通道连通。该工具刀头则分为两部分，其中刀尖在开孔后留在开孔处，其上有流体通孔可将液压油导出。

图2 哈里伯顿液压连通关键结构示意图

图3 贝克休斯液压连通关键结构示意图

图3所示为贝克休斯的液压连通工具的关键结构[11]。与哈里伯顿工具最大的不同在于刀头部分，刀头呈尖角状，更易刺穿安全阀内壁。

2.2 电动切割式

机械切割需要使用震击器配合提供刺穿力，实现起来较为繁琐，而电动切割工具则很好避免了这种缺点，威德福研发出了电动切割工具[12]，结构如图4所示，切割刀头位于工具下部，使用时刀头伸出旋转切割井下安全阀本体内腔相关部位，其工作原理类似于扩眼工具，可用于小井眼，电动机采用直流无刷电动机。

图4 威德福液压连通工具示意图

3 永久开启工具

当井下安全阀出现故障无法开启时，需要下入永久开启工具，利用机械力强行打开安全阀，并保持永久开启状态。

3.1 膨胀管变形式

图5 膨胀管式永久开启工具原理图

贝克休斯永久开启工具利用膨胀管变形的特征[13]，如图5所示。图5（a）中工具前端首先强制开启阀瓣，同时膨胀管到达阀腔位置，图5（b）中工具再下压，使得工具上的弹性顶块变形，同时胀开膨胀管，将阀瓣限位在永久打开的位置，然后解除下压力，弹性顶块收回，工具回收，膨胀管永久变形留在阀腔位置。

3.2 机械压印式

威德福永久开启工具采用机械压印式[14]，如图6所示，工具中心杆沿箭头方向推出，与中心杆连接的椭球型端部推开阀瓣，中心杆在此推出过程中可同时利用斜面分3次挤压工具外壳体内的钢球，使钢球压印井下安全阀上中心流动管，使中心流动管变形凸起，这样当工具回收后，中心管由于压印凸起的限位，不能移动，这样就使得阀瓣永久留在阀腔开启位置，起到永久开启的目的。

图6 机械压印式永久开启工具原理图

4 二级安全阀

当井下安全阀失效后，如果还没有到上提油管串进行维护更换的时机，那么必须在井下安全阀内下入二级安全阀，以延续井下安全阀的作用。由于是在井下安全阀的通径内使用二级安全阀，因而二级安全阀的通径更小，对产量的限制较为明显，因而不宜长期使用，可作为过渡使用。二级安全阀使用的是原安全阀的液控压力，如图7所示为威德福的二级安全阀[15]，上部为卡块可坐放在井下安全阀内腔相应型面上，中部为液控通道及其密封组件，保证液压油由井下安全阀进入二级安全阀内，下部结构与井下安全阀类似。

图7 威德福二级安全阀原理图

5 研制建议与结论

1）液压连通工具分为机械开孔式和电动切割式，电动切割式结构较为复杂，需要电控系统及其执行机构，不易实现且可靠性难以保证，建议开发时选择机械开孔式。2）永久开启工具则有利用膨胀管材料变形的原理和利用钢球压印的方式等类型，如果在材料不能得到保证的前提下建议采用钢球压入等方式。3）二级安全阀一般下入井下安全阀内通径中，利用原有的液控压力，执行机构方面与井下安全阀类似，由于二级安全阀本身直径很小，开发时应注意小直径密封的可靠性问题。4）井下安全阀配套工具主要是坐放在井下安全阀内腔型面上，在开发配套工具之前就应该考虑并合理布置井下安全阀内腔的坐放型面。另外从井下安全阀配套工具的使用频率来看，有些比如永久开启等工具较为常用，有些工具如液压连通工具不常用，应该首先选择并集中资源开发常用工具。

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

[2] 王辉.胜利海上油田常用井下安全阀结构分析[J].胜利油田职工大学学报,2009,23(5):59-61.

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

[4] 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.

[5] 宁世品,唐亮,罗煜恒,等.井下安全阀技术的发展与现状[J].新疆石油天然气,2009,5(3):83-86.

[6] 李常友,孙宝全,董社霞,等.SC35_120A型井下安全阀的研制[J].石油机械,2005,33(1):43-44.

[7] 祝庆远.海上油井井下安全阀[J].石油机械,1997,25(9):24-25.

[8] 蔡涛,魏忠华,蔡秀玲.井下安全阀的技术分析[J].石油矿场机械,2003,32(6):93-94.

[9] 刘鹏,杜峰.井下安全阀的工作原理及技术分析[J].中国石油和化工标准与质量,2013,12(6):78.

[10]DENNISTOUN S M,SMITH R R,GAZDA I I.Communication tool for accessing a non annular hydraulic chamber of a subsurface safety valve:US7249635[P].2007-05-31.

[11]MAILAND J C,GLENN B A.Radial indexing communication tool and method for subsurface safety valve with communication component:US7918280[P].2011-04-05.

[12]Safety systems catalog[Z].

[13]WILLIAMS R D,THOMPSON G R,SLOAN J T,ET AL.Flapper lock open apparatus:US6684958[P].2004-02-03.

[14]HILL T G,DEATON T M,SIMPSON N A A,et al.Method and apparatus for locking out a subsurface safety valve:US6991040[P].2006-01-31.

[15]Safety product catalog[Z].Weatherford,2010.