高压井下安全阀的研制及性能评价

李林涛，万小勇，李渭亮，苏鹏，郭知龙，曹宗波，张伟博

(1．中石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中石化江汉石油工程有限公司井下测试公司，湖北 武汉 430040；3. 上海优强石油科技有限公司，上海 201806)

0 前言

安全阀是一种在井口出现重大故障时防止井喷、保证生产安全的自动关井装置。其目的之一为保护设备，防止生产受到损失；还可以保护环境，防止由于油气喷出造成的污染[1-5]。随着我国对能源需求的不断增长和对环境保护的日益重视，特别是近年来海洋石油勘探与开发的迅速发展，国家对油气井安全生产装置的要求也越来越高[1-5]。

目前，国外大型油田服务公司生产的井下安全阀的压力等级已经达到了138 MPa，甚至更高，而国内的完井工具制造商生产的井下安全阀最高压力等级仅为69 MPa。在API 14A井下安全阀规范中规定，压力等级在103.5 MPa以上的安全阀属于高压安全阀[6]，其余的则属于常规井下安全阀。根据API 14A的规定，国产井下安全阀在常规井下安全阀中压力等级是较低的，而在实际生产中，国内高压井下安全阀的用量在逐年递增。特别是在新疆地区，部分油气井的井口压力已经超过了103.5 MPa，必须使用138 MPa以上的安全阀以保证环境、生产设备以及人员的安全。这些高压油气井所用的安全阀还依赖于进口，被国外公司垄断[4]，产品、服务以及维修价格均比较昂贵，既不利于油田的生产，也不利于降低成本。

针对国内对高压安全阀的需求，结合国内外井下安全阀的技术现状，通过大量调研哈里伯顿、贝克休斯等几家国际油服高压井下安全阀的结构特点，研制了适合我国井况的高压井下的特种安全阀。

1 技术分析

1.1 特种安全阀的结构

高压井下的安全阀与常规井下安全阀结构上相似[7-9]，主要由液压腔、活塞杆、弹簧、弹簧腔、阀座、阀瓣和下接头等组成，结构如图1所示。不同点在于高压井下安全阀没有阀瓣上下平衡机构[10]，在阀瓣之下有压力存在时，需要向生产管柱内安全阀阀瓣以上部分加压，平衡阀瓣之下的压力之后，才可以通过控制管线加压打开阀瓣；另外，也不能在控制系统损坏后再下入钢丝安全阀[11-12]。

图1 高压井下安全阀结构示意图

高压井下安全阀的设计难点在于曲面阀瓣结构、本体金属对金属密封的螺纹以及活塞的高压密封。

高压井下安全阀由于需要承受比常规安全阀高得多的压力，阀体及阀瓣壁厚均有大幅增加。如果仍然采用常规安全阀的平面阀瓣结构，高压安全阀的外径会比常规的要大许多，影响工具适用套管的范围，限制了其应用；而要保证合适的外径以满足套管的需要，则又会使得内径变小，形成缩径，影响生产。为了满足使用要求，提高产品的适用性，减少阀瓣在全开状态下的空间占用，高压安全阀采用曲面阀瓣设计，阀瓣与阀座互相配合的密封面是一空间曲面，结构如图2所示。

图2 阀瓣结构示意图

阀瓣与阀座的密封是安全阀的关键[13-14]，在考虑阀瓣外形的同时，也要考虑密封的实现。在综合考虑了半圆柱面密封、半椭圆柱面密封等之后，选择了两条曲线拟合而成的空间曲面，其密封面在保证连续光滑的同时，阀瓣与阀座密封面之间的相互作用力没有径向力，避免了阀瓣与阀座出现应力集中现象，影响密封效果。

本体螺纹连接之间的密封也是高压安全阀设计中的一大难点，既要保证螺纹连接具有较高的抗拉强度，又要保证螺纹连接之间具有良好的气密封性能。考虑到安全阀在使用中的安全要求，本体各零件之间连接不允许使用任何软的密封材料，比如橡胶、PTFE等，只能采用金属对金属密封。安全阀的液压腔、弹簧筒和下接头之间的螺纹连接均采用双级偏梯形同步气密螺纹设计，此螺纹抗拉强度大，容易对扣，金属对金属密封，密封可靠，能够承受高压,可以多次上扣，寿命长。双级螺纹设计使得螺纹载荷分配更加合理，避免螺纹受拉伸载荷作用时金属密封处过盈量减小影响密封效果。扭矩台肩位于两级螺纹之间，此处距密封面较远，可以承受较大扭矩；金属对金属密封唇处不承受扭矩载荷，防止扭矩过大破坏密封唇影响密封性能，如图3所示。

图3 双级偏梯形同步气密螺纹示意图

活塞密封采用非弹性密封组设计，其特点是承压高，耐温高，克服了弹性密封摩阻大、耐压低、易咬边损坏等缺点。非弹性密封组中间是支撑环，支撑环两边依次是V型密封、范塞和压帽，结构如图4所示。范塞和V型密封选用添加石墨的改性PTFE材料，既改善了PTFE的蠕变特性，又增加了润滑功能；支撑环和压帽选用PEEK材料，既有较高的强度和硬度，在运动时又不会擦伤密封面；由于密封需要承受双向压差，一个方向压力高时，另一方向的压帽可以有效防止范塞的密封唇被挤坏。

图4 非弹性密封组

另外，控制管线与安全阀的连接采用Autoclave高压密封接头，消除了通常采用JAM NUT连接易造成控制管线在高压下拉脱的风险。

1.2 特种安全阀工作原理

安全阀下入井筒设计位置后，首先对生产管柱内安全阀阀瓣以上部分加压，以平衡阀瓣下部的压力；然后，通过控制管线从地面加压，压力经控制管线传递至液压腔内，推动活塞向下移动，活塞推动流动管压缩弹簧，流动管将阀瓣打开，安全阀开启。保持控制管线内的压力，安全阀处于打开状态，释放掉控制管线内的压力，依靠弹簧的弹力向上推动活塞上移，安全阀关闭，之后会一直处于关闭状态，直至再次对液控管线施加液压力，安全阀才会再次打开。

1.3 特种安全阀技术参数

最大外径 139.7 mm

最小内径 65.075 mm

坐挂型面 2.562R

工作压力 138 MPa

工作温度 204 ℃

下入深度 600 m

全开压力 18 MPa

全关压力 7.6 MPa

抗拉强度 2 080 kN

此安全阀的特点：曲面阀瓣设计，占用空间小，安全阀外径小，可使用套管范围大；本体连接采用双级偏梯形同步气密螺纹设计，螺纹抗拉强度大，金属对金属密封，能够承受高压；活塞密封采用非弹性密封设计，承压高，耐高温；阀座、阀瓣采用金属对金属硬密封设计，增加辅助软密封，无论高压还是低压都能可靠密封；没有一个橡胶密封圈，消除了密封圈的泄漏隐患；管线与安全阀的连接采用Autoclave高压密封接头，强度高，密封可靠。

2 特种安全阀性能评价

2.1 液压腔密封测试

将高压井下安全阀安置在工装内，保持阀处于关闭状态，在阀体内压力为零的情况下，打开安全阀。调节液体控制压力并将其稳定在设计的全开压力值上，然后切断液压控制压力源，观察5 min内的压力变化情况，压力曲线如图5所示。由压力曲线可以看出，在压力稳定后的5 min时间内，压力曲线平稳。

图5 液压腔测试曲线

2.2 阀瓣全开全关性能测试

在安全阀内压力值为零的情况下，关闭并打开阀瓣五次。测试曲线如图6所示。

图6 阀瓣全开全关性能曲线

根据API要求，每次控制压力值都不应超出阀门连续开关操作5次平均压力值的±5%，由曲线图提取阀瓣全开全关测试数据见表1。

表1 阀瓣全开全关测试数据

由表1可以看出，阀瓣五次全开、全关压力值均在API规范要求的范围内，偏差较小，开关性能较为稳定，符合API规范要求。

2.3 安全阀整体密封性能测试

关闭安全阀，对安全阀外部进行彻底干燥。调节整个测试单元的压力，使其稳定在172.5 MPa(允许偏差±3.45 MPa)压力下，持续观察5 min，观察控制管线端口及阀体各连接处没有发现泄漏现象，压力曲线显示无压降，测试曲线如图7所示。

图7 安全阀整体密封测试曲线

2.4 阀瓣液体密封性能测试

将安全阀阀瓣上方的压力释放至零，调节阀瓣下方的压力，并将其稳定在138 MPa的额定工作压力(允许偏差为额定工作压力的±5%)，待压力稳定后，监测5 min内液体没有泄漏现象，测试曲线如图8所示。

2.5 阀瓣气体密封性能测试[6]

将安全阀阀瓣上方的压力释放至零，用氮气调节阀瓣下方的压力，将其稳定在1.4±0.07 MPa，监测得5 min内气体泄漏速率为0.031 m3/min；继续调节安全阀阀瓣下方的压力，将其提高并稳定在8.3±0.41 MPa，监测得5 min内气体泄漏速率为0.053 m3/min。两次测得的泄漏速率均远低于API验收标准要求的0.14 m3/min。

3 结论

(1)通过室内试验证明，高压井下安全阀的整体结构设计合理，能够满足138 MPa压力下的使用条件。

(2)拟合曲面阀瓣有利于减小空间占用，提高承压能力，曲面阀瓣的安全阀外径更小，能够适用更多规格的套管。

(3)添加了石墨的改性PTFE范塞和V型密封组合能够承受高压密封，且摩阻较小。

(4)研制的138 MPa高压井下安全阀在地面成功通过测试。下一步需要寻找合适的高压油气井来对安全阀进行现场井下应用，进一步验证其可靠性。