地面控制井下安全閥配套工具技術研究

楊曉勇， 邊小玲， 王振德， 趙旭東， 陳成

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

井下安全閥是根據我國安全生產法、海洋環境保護法及其他相關的安全環保法規，在陸上及海洋油氣田完井生產管柱上安裝的必要井下工具之一。井下安全閥的主要作用是在發生火警、井噴、管線破裂等緊急情況時，能夠及時關閉生產管柱，以阻止安全環保事故的發展或進一步擴大[1-5]。井下安全閥應用前景廣、技術難度大、產品附加值高，國內要求所有的海上油氣井和陸上部分高危高產油氣井必須裝有井下安全閥，目前其市場主要被國外幾大油服公司所壟斷。從目前公開信息來看，國內專利和文獻數量很多，雖然已有井下安全閥研制成功[6-7]，但尚未在油氣田進行工業化規模應用。井下安全閥現場應用時必須使用配套工具進行各種作業，因而很有必要對其進行研究分析。目前發表的文獻都是針對井下安全閥本身進行[8-9]，本文首次對井下安全閥配套工具進行系統研究與分析，并提出發展研制建議。

1 井下安全閥工具概述

井下安全閥工具可分為液壓連通工具、永久開啟工具、二級安全閥、管線保護器等。如圖1所示是井下安全閥工具使用的條件和順序，閥瓣不能正常開啟，有可能是井下壓力過大，此時最安全的做法是油管內加平衡壓，如果仍然不能順利打開，則下入永久開啟工具，利用震擊力強制打開，然后再次下入液壓連通工具，溝通原安全閥上的液壓通道之后，最后下入二級安全閥延續原安全閥的功能。

圖1 井下安全閥工具使用條件

2 液壓連通工具

液壓連通工具是當安全閥閥板閥座密封失效后，而又不能將管柱提出更換時，在下入二次安全閥之前，需要將原安全閥內的液控壓力導入到二次安全閥，用以開關二次安全閥。

2.1 機械開孔式

哈里伯頓和貝克休斯使用的都是機械開孔式，即利用液壓連通工具上部震擊器所施加的震擊力使工具刀尖部強行刺穿井下安全閥的內壁。

如圖2所示為哈里伯頓液壓連通工具的關鍵結構[10]，工作時中心推桿沿箭頭方向往下運動，在推桿上斜面的作用下，刀頭部分沿箭頭方向伸出工具外殼體，進而刺穿井下安全閥液控通道與中心通孔之間的薄壁，從而使即將下入的二級安全閥與井下安全閥液控通道連通。該工具刀頭則分為兩部分，其中刀尖在開孔后留在開孔處，其上有流體通孔可將液壓油導出。

圖2 哈里伯頓液壓連通關鍵結構示意圖

圖3 貝克休斯液壓連通關鍵結構示意圖

圖3所示為貝克休斯的液壓連通工具的關鍵結構[11]。與哈里伯頓工具最大的不同在于刀頭部分，刀頭呈尖角狀，更易刺穿安全閥內壁。

2.2 電動切割式

機械切割需要使用震擊器配合提供刺穿力，實現起來較為繁瑣，而電動切割工具則很好避免了這種缺點，威德福研發出了電動切割工具[12]，結構如圖4所示，切割刀頭位于工具下部，使用時刀頭伸出旋轉切割井下安全閥本體內腔相關部位，其工作原理類似于擴眼工具，可用于小井眼，電動機采用直流無刷電動機。

圖4 威德福液壓連通工具示意圖

3 永久開啟工具

當井下安全閥出現故障無法開啟時，需要下入永久開啟工具，利用機械力強行打開安全閥，并保持永久開啟狀態。

3.1 膨脹管變形式

圖5 膨脹管式永久開啟工具原理圖

貝克休斯永久開啟工具利用膨脹管變形的特征[13]，如圖5所示。圖5（a）中工具前端首先強制開啟閥瓣，同時膨脹管到達閥腔位置，圖5（b）中工具再下壓，使得工具上的彈性頂塊變形，同時脹開膨脹管，將閥瓣限位在永久打開的位置，然后解除下壓力，彈性頂塊收回，工具回收，膨脹管永久變形留在閥腔位置。

3.2 機械壓印式

威德福永久開啟工具采用機械壓印式[14]，如圖6所示，工具中心桿沿箭頭方向推出，與中心桿連接的橢球型端部推開閥瓣，中心桿在此推出過程中可同時利用斜面分3次擠壓工具外殼體內的鋼球，使鋼球壓印井下安全閥上中心流動管，使中心流動管變形凸起，這樣當工具回收后，中心管由于壓印凸起的限位，不能移動，這樣就使得閥瓣永久留在閥腔開啟位置，起到永久開啟的目的。

圖6 機械壓印式永久開啟工具原理圖

4 二級安全閥

當井下安全閥失效后，如果還沒有到上提油管串進行維護更換的時機，那么必須在井下安全閥內下入二級安全閥，以延續井下安全閥的作用。由于是在井下安全閥的通徑內使用二級安全閥，因而二級安全閥的通徑更小，對產量的限制較為明顯，因而不宜長期使用，可作為過渡使用。二級安全閥使用的是原安全閥的液控壓力，如圖7所示為威德福的二級安全閥[15]，上部為卡塊可坐放在井下安全閥內腔相應型面上，中部為液控通道及其密封組件，保證液壓油由井下安全閥進入二級安全閥內，下部結構與井下安全閥類似。

圖7 威德福二級安全閥原理圖

5 研制建議與結論

1）液壓連通工具分為機械開孔式和電動切割式，電動切割式結構較為復雜，需要電控系統及其執行機構，不易實現且可靠性難以保證，建議開發時選擇機械開孔式。2）永久開啟工具則有利用膨脹管材料變形的原理和利用鋼球壓印的方式等類型，如果在材料不能得到保證的前提下建議采用鋼球壓入等方式。3）二級安全閥一般下入井下安全閥內通徑中，利用原有的液控壓力，執行機構方面與井下安全閥類似，由于二級安全閥本身直徑很小，開發時應注意小直徑密封的可靠性問題。4）井下安全閥配套工具主要是坐放在井下安全閥內腔型面上，在開發配套工具之前就應該考慮并合理布置井下安全閥內腔的坐放型面。另外從井下安全閥配套工具的使用頻率來看，有些比如永久開啟等工具較為常用，有些工具如液壓連通工具不常用，應該首先選擇并集中資源開發常用工具。

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