井下安全阀国内外研究现状与国产化思考

刘 威，杨 松，买 煜，王益民，江士凯

1.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油塔里木油田分公司工程技术部，新疆 库尔勒 841000；3.中国石油塔里木油田分公司开发事业部，新疆 库尔勒 841000；4.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000；5.四川宝石机械专用车有限公司，四川 广汉 618300

引 言

在对油气井进行井下作业时，开采设备有时会出现故障（如设备失效等），造成流管内烃类流体流速增大或地面设施发生险情，这时就需要及时关闭流体通道，确保作业安全，避免发生更大的事故。现场操作中，通常使用井下安全阀来关闭流体通道[1]。当关闭后的油气井需要再次恢复生产时，安全阀必须能够重新打开。

由于井下安全阀在环保和安全生产方面具有非常重要的作用，全球4大石油服务公司生产了适合各种条件的井下安全阀，国外许多研究机构、生产企业、高校等也都对已有安全阀进行了多方面的研究与改进，井下安全阀在国外已标准化和系列化。而中国对井下安全阀的研究尚处于起始阶段[2]，设计与研发经验严重不足。针对这些问题，分析了井下安全阀国内外科研最新研究情况，总结了国内外公司井下安全阀产品情况与技术优势，最后针对井下安全阀国产化及可能存在的问题提出了具体的发展建议。

1 井下安全阀的基本结构与分类

1.1 基本结构与组成

油气开釆过程中应用最普遍的井下安全阀是地面控制油管回收式井下安全阀[2]，故本文主要研究内容为地面控制油管回收式井下安全阀，其主要结构如图1所示[2]。

图1 井下安全阀的结构示意图Fig.1 The structure diagram of subsurface safety valves

回收式井下安全阀上、下接头分别连接上、下两段油管，上接头上部接有液控管线，通过地面液压控制系统可以进油（加压）或回油（减压），液腔为储油室，进油加压时，液压油会推动柱塞向右移动从而压缩弹簧，液腔体积变大，回油减压时，弹簧恢复弹力反推杆活塞与液压油朝液控管线方向移动，液腔体积变小（图1）。弹簧位于中间接头与中心管之间，中间接头通过螺纹与上、下接头连接，中心管凸起端与杆活塞凹槽端形成“J型”连接，确保中心管运动与杆活塞保持一致。固定套筒被插入中间接头的凸起和中心管之间，并与扭簧、固定轴、阀板构成“铰链”结构，随着中心管的前、后运动，阀板可实现关闭及开启。此外，安全阀结构中还存在大量的静密封与动密封。

1.2 井下安全阀的分类

按照美国石油协会颁布的API Spec 14A标准，根据井下安全阀不同属性可以将其分为4类[3]，具体情况如表1所示。

表1 井下安全阀的常用分类方法Tab.1 The common classification of subsurface safety valves

虽然分类依据有4种，但以“开关方式”分类最为普遍。一类是地面控制式井下安全阀(Surface Controlled Subsurface Safety Valve，SCSSV)[4]，其通过地面上的液压系统控制打开与关闭，如图2所示。按照下入方式又可以分为两种，一种是钢丝回收式（通过钢丝绳工具下入，在流动管内部），另一种是油管回收式（通过短节安装在油管上，在流动管外部），两者结构和差别如图3所示[4]。

图2 地面控制式井下安全阀安全示意图Fig.2 The structure diagram of a SCSSV

图3 钢丝和油管回收式安全阀的比较Fig.3 Comparisons of slickline and tubing-retrievable SSVs

另一类为井下控制式安全阀(Subsurface Controlled Safety Valves，为SSCSV)[4]，其控制过程是在井下被动式完成的。井下有明显的流体流动或压力变化都可以用来关闭安全阀。早期的井下控制式安全阀工作原理，阀门上安装了限制流量的节流管，随着管内液流变化在流管左、右两端产生使安全阀被动开启的压差，如图4所示。

依据封堵结构划分，当安全阀遇到紧急情况需要安全阀封堵油气通道，通常可以通过球阀或瓣阀结构实现，见图5，图6。

图4 典型井下控制式安全阀Fig.4 An typical downhole control safety valve

若按照平衡方式，目前有两种方法实现平衡安全阀上、下的压力：一种是通过地面液压控制系统向油管内加压；一种是在安全阀内部安装平衡机构(钢丝工具(一般扭簧结构))[5]。

2 国内外井下安全阀现状

井下安全阀从出现到现在约经历了70 a[4]，国外可以生产安全阀的公司很多，代表性公司有斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯、威德福，均已推出了多套油管回收式井下安全阀产品，并先后投人现场并成功应用。

2.1 斯伦贝谢井下安全阀

斯伦贝谢公司现有安全阀产品主要有5大系列：TRC-II、TRM、Pinnacle、Reliance及SlimTech[6]，产品最大特点是在设计过程中考虑了腐蚀的影响。使用温度为4～149◦C，压力一般有 34.5和68.9 MPa两个级别，但Pinnacle类型可以适合超高温高压，温度可达204◦C，压力可达137.9 MPa；可供选择尺寸为60.33～177.80 mm，较常用为88.90，114.30和139.70 mm；最深安装一般小于2 000 m，对于腐蚀严重井况，有SlimTech（2 438 m）和TRCII（3 658 m）两款安全阀可以供选择。此外，斯伦贝谢优化了几种安全阀产品的移动元件及连接处结构、增加了密封位置的可靠性、采用ScaleGard抗结垢涂层处理被流体浸泡表面，并对177.80 mm的SlimTech型安全阀进行了“砰然”开/关率测试。

图5 安全阀为球阀结构开启与关闭Fig.5 The open and close of ball-valve structure

图6 安全阀为瓣阀结构开启与关闭Fig.6 The open and close of flapper-valve structure

2.2 哈里伯顿井下安全阀

哈里伯顿公司现有安全阀产品主要有3大系列：NETM、SPTM 及 DepthStar®[7]，产品最大特点是一般用于高温高压等恶劣井环境。压力一般有34.5和68.9 MPa两个级别；安全阀外径从60.30～244.50 mm，但以88.90，114.30和 139.70 mm系列最多；最深安装一般在深水或深井区域都超过了1 500 m，DepthStar®系列最为先进，使用独特的磁耦合器，能根据完井需要设定安放深度；此外，哈里伯顿公司增加了安全阀对岩屑和固体处理能力，不仅有主动岩屑栅栏，还有引导槽和清洁环等，使用非弹性体动态活塞密封、金属对金属阀体连接等增加用以提高作业可靠性。

2.3 贝克休斯井下安全阀

贝克休斯公司现有井下安全阀产品都是以Select TTM系列为设计基础，先后推出了Onyx 10E系列、REACHTMPerformance系列及DeepShieldTM深水系列等3类安全阀[8]，产品最大特点是使用条件带有明确目标性。有适合高温相对中、低压下大井眼的Onyx 10E系列，还有高温高压下的深井、超深水及恶劣环境的REACHTM系列，以及高温中、高压下控制设备压力有限的地方的DeepShieldTM系列，可用尺寸为88.90～244.50 mm，但以114.30和139.70 mm的系列最多；能满足深井和超深井的安装，最大深度可达6 096 m；此外，贝克休斯公司对井下安全阀密封处进行了改进，主要有非弹性体动态活塞密封、RBTTM金属对金属螺纹技术、在关闭位置完全金属对金属密封等，近几年也陆续发展了弧形阀板、自均衡系统、以及重簧载闭合技术减少开启压力，同时，采取了防止岩屑和磨损措施，如活塞使用耐磨轴承与刮油环，以及两套独立的专利开启系统增加系统可靠性。

2.4 威德福井下安全阀

威德福公司的油管式井下安全阀主要是OpitimaxTM系列[9]，Opitimax系列油管回收式安全

阀包含 Model W(E)-5、WSP(E)-5/7.5/10及WSSP(E)-5几种产品，其最大特点是可以根据完井需要配置阀板结构和尺寸，但只供选择尺寸和压力等级不多。可以适合中、低温压强不超过70 MPa固井与一般油气井生产与注入完井，外径也只有5种，其中适合114.30 mm安装系列最多；最深安装也只有304.8和609.6 m两种，此外，威德福公司主要对安全阀的结构进行改进与优化，先后研究了非弹性体、弧形及高级薄型等阀板，通过使用金属对金属优质螺纹密封、非弹性体动态密封以及过阀板自均衡机构减少泄露路径提高整个系统密封可靠性。

2.5 国内井下安全阀产品

调研发现，国内企业拥有井下安全阀产品并不多，只发现川南航天能源有限公司SV系列井下安全阀[10]以及浙江惟其信石油机械有限公司生产的200W TSV-5B/5X/10B/10X井下安全阀[11]等。国内井下安全阀公司往往与4大石油公司合作，或进行联合研制生产或代售产品（可选安全阀生产材料均为国外安全阀常用材料型号）。以川南航天能源有限公司的SV系列井下安全阀为例进行说明，SV安全阀是一种油管回收式井下安全阀，它是通过连接到地面的管线控制阀板的开启和关闭，腔体采用密封圈+金属对金属硬密封结构技术，该系列安全阀有平衡式和非平衡式两种产品可供选择，根据所适应管径不同，具体型号有SV-288TB1-50、SV-350TB1-50及 SV-450TB1-50。

2.6 井下安全阀产品比较

根据上述的公司网站上的井下安全阀产品公开资料[6-11]，对其进行了产品比较，具体情况如表2。

表2 4大石油公司与川南能源井下安全阀产品比较Tab.2 SCSSVs′Comparisons of 4 oil service companies in the world with Chuannan Energy Technology Co.Ltd.

从表2可见，4大石油公司与川南能源井下安全阀产品既有共性又各具特点，共性在于液压执行系统都使用了非弹性体密封，阀板结构都采用弧形阀板与过阀板均衡系统。而斯伦贝谢公司产品主要特点是产品齐全以及抗结垢表面涂层，但可在金属密封与岩屑防护装置方面进行研究进一步增强安全阀可靠性使用寿命；哈里伯顿公司产品主打产品为SPTM系列，涵盖常用油管尺寸，具有等高线阀板、侧孔自平衡与岩屑防护装置、磁耦合器等技术优势，但可在金属密封、阀座结构与表面涂层方面进行研究增强安全阀可靠性使用寿命；贝克休斯公司产品特适合深井及深水井，相比较而言具有较低开启压力，可以在阀座结构与表面处理及岩屑防护等方面进行研究增强安全阀的可靠性与使用寿命；威德福井下安全阀可选产品不多，但可根据完井需要选择不同的阀板外形，可在岩屑防护装置以及表面涂层方面进行研究进一步增强安全阀可靠性使用寿命；川南能源公司井下安全阀产品使用了派克公司的OE活塞组合密封进行活塞密封，但OE组合密封受到使用温度与工作压力限制[12]而只能适合浅井完井，亟需在金属密封、阀座结构、表面涂层以及液压执行系统等方面进行进一步研究。

根据产品资料对井下安全阀环境温度压力环境使用情况进行分类[13]，详细情况如表3所示。

表3 井下安全阀应用环境比较Tab.3 SCSSVs′application environment comparisons

由表3可知，现有安全阀水平产品绝大多数可以满足高温与中、低压条件下使用，也有少量极高温与极高压产品，超高温高压只有贝克休斯与斯伦贝谢公司所有，而川南机械厂产品不仅使用温度与压力都与国外同类型产品存在很大差距。根据石油工业的发展趋势，超高温高压井下安全阀是国外4大石油服务公司研究与开发的方向。

3 油管回收式安全阀研究现状

3.1 国外研究现状

3.1.1 安全阀选用与可靠性方面

Imbo等总结了当地面控制液压系统出现故障，地面液压控制油管回收式（第一选项）以及常用钢丝可回收式井下安全阀（第二选项）均不能使用时，但钢丝电磁地面控制井下安全阀（第三选项）是合格的，并具有良好的安全性[14]。

Rausand等以近海石油和天然气生产井使用的地面控制式井下安全阀为特定数据组，主要讨论了选择威布尔寿命分布来替代指数分布的结果：对随机审查数据集的平均故障时间和平均死区时间率进行了评估，而这些评估显示出相对于威布尔参数多样性的非鲁棒性[15]。

Robinson通过分析井下安全阀的应用可靠性及适用性，得出其可靠性历史记录可以用作指导并预测流体控制的表现，且所显现的期望流量控制性能比预测更佳[16]。

Thai等根据第十二版API 14A标准和新的V-1H验证等级，结合高温高压环境下井下安全阀应用情况，制定了一套由供应商和操作员进行合作“适合于服务”的验证测试方案[17]。

3.1.2 新型安全阀与阀间相互转化

LeBoeuf等举例说明墨西哥湾海底完井使用磁耦合井下安全阀能够解决普通井下安全阀不能适合海洋复杂环境下完井等问题[18]。

Yateem等利用油管可回收式安全阀转化为钢丝回收式井下安全阀，进而避免修井作业。同时，也列举了防止它们之间相互转换常见的缓解措施[19]。

3.1.3 表面涂层研究

Charpentie等针对井下安全阀表面结垢问题用7个不同性质的涂层进行过测试，并对防垢涂料的控制因素进行了讨论[20]。

Kumar等利用微痕测试仪研究一种基于特殊设计微、微纳米表面纹理处理的低表面能材料涂层的机械强度以及在实验室开展了结垢增长实验[21]。

3.1.4 安全阀新型用途

Ehtesham等提出了一种可在连续油管、连接管和连续油管-连接管混合管使用井下安全阀的技术。安全阀于在连续油管和连接管的交界处，且是混合管的一个关键组成部分，可以被压力驱动，从而打开或关闭所述井筒的流路[22]。

Wagner针对典型井下安全阀的挡板式关闭机构禁止安装毛细管或过管通道而保证紧急情况能完全关闭，提出通过在地面控制安全阀/安全阀坐落短节里面配置过管毛细管系统，重新连接液压系统到地面控制安全阀/安全阀坐落短节可以增加少钻能力，同时保持了安全阀的功能，但未见产品与相关试验报道[23]。

3.2 国内研究现状

3.2.1 井下安全阀设计与生产

周大伟等采用理论研究、分析计算与计算机仿真相结合的方法对井下安全阀开展研究，完成了三维实体建模以及重要零部件的有限元分析，并在此基础上对安全阀结构进行改进[24]。然而作者所建立的有限元模型未能给出简化和假设的参考依据。

牛贵锋等采用准静态数值模拟方法，对井下安全阀阀板受流场影响进行了研究。在流体模拟计算过程中将湿蒸汽两相流理论与工程热物理中的流体热物性计算方法有机结合，解决了阀体内流体参数及温度场的计算问题。由于阀板打开过程是一个困难和缓慢的过程，文中很多结论得出基于一般假设，未进一步用试验进行论证[25]。

李英松等针对海上油气田常用的井下安全阀，通过有限元分析的方法对启闭阀板的流体动力学和应力应变进行了模拟分析。通过分析，得出了安全阀启闭系统结构两侧压差随开启角度的增大，两侧压差呈减小趋势[26]。

黎伟等设计了一种滑套式井下安全阀，采用有限元的方法对井下安全阀由开启到关闭的动态过程进行模拟，针对不同倒角情况下，对滑套阀内部流场特性和所受压力的变化规律进行分析，但未见相关产品与现场试验相关报道[27]。

李美求等针对现有自平衡井下安全阀的自平衡时间和中心管下移时间匹配与协调的问题，首先建立自平衡安全阀振动力学模型，随后推导了自平衡式井下安全阀开阀时自平衡响应时间与平衡阀的几何尺寸及位置之间的函数关系，最后通过某公司的FVL型井下安全阀进行实例论证[28]。

李常友等针对浅海油田开发和安全环保的要求，研制了SC35–120A型井下安全阀，并对其进行了开关灵活性、密封性和安全可靠性的室内试验及浅海油田10余口油井的现场应用。但存在不锈钢工件的螺纹加工难度较大，废品率高，加工成本过高等问题[29]。

中国海油所属海油发展工程技术公司自主研发并获专利的耐高温井下安全阀，于2015年5月成功进行350◦C高温试验，但未见进一步公开报道[30]。

孔学云等在分析井下安全阀结构设计难点的基础上，研制了88.9mm油管携带式井下安全阀，实现了常规油气井中流体的控制。但安全阀在高温、高压和深水等油气井中应用的技术难题仍未解决[31]。

3.2.2 井下安全阀室内检测实验

2012年，吴迪对井下安全阀的原理结构进行了分析，设计了一套符合API 14A标准的井下安全阀液体综合检测系统，并完成包括泄漏试验在内的相关井下安全阀验证试验。在此基础上，王战友也完成气体综合试验系统及相关验证试验。两人试验研究都存在着试验系统的稳定性欠缺的问题，只能进行了单一（液体或气体）检测试验[32-33]。

尚春民等在研究井下安全阀测试系统的基础上，根据API 14标准，设计了一套基于PLC和Lab-VIEW软件控制程序的自动测试系统，并完成该系统在使用前所需进行的功能测试实验：泄漏测试、欠平衡测试、一级流测试以及二级流测试。但该系统测试结果未与API标准进行对比[34]。

李政从井下安全阀的主要试验内容出发，设计了一套基于虚拟仪器和PCI板卡的自动化测试系统，完成安全阀测试现场多项液体试验和气体试验，并对试验获取的液控压力信号应用小波分析进行信号处理，取得了较好的识别效果[35]。但测试系统只模拟了高压环境下井下安全阀的工作情况，还需增加测试温度方面的考虑。

张福涛根据API 14A关于井下安全阀检测的相关标准要求，设计了液体压力与泄漏检测、液体循环检测等系统，且满足了API 14A规定的检测内容，但该实验系统未在实际作业中做进一步检测与改进[36]。

肖忠哲通过对气井安全控制技术的研究，设计研发了基于紫金桥6.0为上位机工控软件的气井安全控制系统，并进行了室内试验和现场试验。但应用条件很有限，而且未能按照API 14A或ISO的测试标准[37]。

4 井下安全阀国产化思考

4.1 目前现状问题

总的来说，在井下安全阀领域内，核心的关键的技术基本上为全球4大石油服务公司所掌握，国内市场也被它们垄断，而国内不仅缺乏相关的理论研究、设计、生产等方面的积累及专业研发团队(软件方面），还缺乏安全阀相应使用材料、先进加工方法以及检测设备（硬件方面）[38-40]。

4.2 亟待解决的关键技术

井下安全阀研发加工涉及到机械、液压、密封、流体、控制、材料等诸多学科[41]，而且要考虑温度、压力、地层深度、腐蚀性以及安全阀开启时高压差等影响因素；研发过程中需要考虑在高温高压下液压执行器来回运行过程中的密封与可靠性，同时需要解决安全阀多个元件金属对金属密封等问题；加工生产过程中需要保证安全阀金属对金属螺纹加工精度，阀板及阀座安装配合间隙；功能测试与API/ISO试验阶段需要利用专业认证安全阀的检测设备；现场作业验证中又存在施工单位对国产井下设备信心等问题。相对国外，中国在材料高级加工制造等领域还存在不少差距，且对高温高压下金属对金属密封与可靠性方面研究较少[42]，国外可借鉴的地方也不多。

4.3 解决方法与国产化思考

由于目前国内尚未进行井下安全阀的较为系统的研究工作，而国外已有较为成熟的系列产品，因此，进行井下安全阀国产化研究，应采用引进吸收再创新的方式，结合一般陆上油田采用井深3 000 m×114.3 mm的不加厚型的生产管柱工况进行设计，技术路线如图7所示。

首先，需结合全球4大石油服务公司的井下安全阀产品对其工作机理进行研究，按照其主要实现功能，分成3部分：连通系统、金属-金属密封以及过阀板压力平衡系统，随后进一步细化研究内容与目标，在此基础上结合3 000 m×114.3 mm完井管柱一般工况和相关的配套设备（一般为井口压力设备）来确定井下安全阀的基本设计参数。通过计算机辅助设计与分析的方法对设计方案与要求进行初步判定，若达到要求则先后进行功能试验与样机试制，若未能达到要求则返回最初的工作机理方面的研究。同理，依次进行功能试验与样机试制、API/ISO检测试验以及现场作业验证试验。在现场作业验证试验之前，还得对安全阀进行侵泡表面涂层处理，这样可以增加井下安全阀使用寿命和可靠性。待上述步骤进行完后，所设计的安全阀可以定型并进行小批量加工生产。

图7 井下安全阀国产化设计思路Fig.7 The design concept of localization of SCSSVs

5 结 语

（1）井下安全阀经过多年的发展，国外井下阀已标准化和系列化，而国内对井下安全阀的研究尚处于起步阶段；目前国外研究主要集中在安全阀最优选用与可靠性方面、与其他井下设备搭配实现新功能、以及被流体侵泡表面的涂层研究，国内暂时只能对井下安全阀进行初步设计与生产以及外国成熟产品的室内检测实验。

（2）4大石油服务公司安全阀产品各具特点，能满足不同完井作业需要，结构设计大同小异，现有产品创新基本上集中在液压控制管线与阀体液压腔连接处管线集成系统，高效活塞执行器与动态密封、金属对金属密封技术以及过阀板压力均衡系统等方面，新型产品呈现在深井、超深井智能化控制领域发展趋势（安全阀开启压力不受控制系统、最深安装及环境压力温度）；国内公司产品只能适合浅井压力不高条件，密封一般采用国外弹性体密封组合。

（3）井下安全阀要实现真正国产化，需要解决连通系统、金属对金属密封及过阀板压力均衡系统等核心难题，而中国不仅缺乏相关设计与经验积累，还缺少专有研发相关检验设备等。从长远发展来看，中国应加紧安全阀的研制，发展性能可靠、结构简单、智能化并具有自主知识产权的安全阀产品，并进行市场开拓和推广，形成标准化与系列化，打破国外公司在中国市场的垄断局面。

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