高壓井下安全閥的研制及性能評價

李林濤，萬小勇，李渭亮，蘇鵬，郭知龍，曹宗波，張偉博

(1．中石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中石化江漢石油工程有限公司井下測試公司，湖北 武漢 430040；3. 上海優強石油科技有限公司，上海 201806)

0 前言

安全閥是一種在井口出現重大故障時防止井噴、保證生產安全的自動關井裝置。其目的之一為保護設備，防止生產受到損失；還可以保護環境，防止由于油氣噴出造成的污染[1-5]。隨著我國對能源需求的不斷增長和對環境保護的日益重視，特別是近年來海洋石油勘探與開發的迅速發展，國家對油氣井安全生產裝置的要求也越來越高[1-5]。

目前，國外大型油田服務公司生產的井下安全閥的壓力等級已經達到了138 MPa，甚至更高，而國內的完井工具制造商生產的井下安全閥最高壓力等級僅為69 MPa。在API 14A井下安全閥規范中規定，壓力等級在103.5 MPa以上的安全閥屬于高壓安全閥[6]，其余的則屬于常規井下安全閥。根據API 14A的規定，國產井下安全閥在常規井下安全閥中壓力等級是較低的，而在實際生產中，國內高壓井下安全閥的用量在逐年遞增。特別是在新疆地區，部分油氣井的井口壓力已經超過了103.5 MPa，必須使用138 MPa以上的安全閥以保證環境、生產設備以及人員的安全。這些高壓油氣井所用的安全閥還依賴于進口，被國外公司壟斷[4]，產品、服務以及維修價格均比較昂貴，既不利于油田的生產，也不利于降低成本。

針對國內對高壓安全閥的需求，結合國內外井下安全閥的技術現狀，通過大量調研哈里伯頓、貝克休斯等幾家國際油服高壓井下安全閥的結構特點，研制了適合我國井況的高壓井下的特種安全閥。

1 技術分析

1.1 特種安全閥的結構

高壓井下的安全閥與常規井下安全閥結構上相似[7-9]，主要由液壓腔、活塞桿、彈簧、彈簧腔、閥座、閥瓣和下接頭等組成，結構如圖1所示。不同點在于高壓井下安全閥沒有閥瓣上下平衡機構[10]，在閥瓣之下有壓力存在時，需要向生產管柱內安全閥閥瓣以上部分加壓，平衡閥瓣之下的壓力之后，才可以通過控制管線加壓打開閥瓣；另外，也不能在控制系統損壞后再下入鋼絲安全閥[11-12]。

圖1 高壓井下安全閥結構示意圖

高壓井下安全閥的設計難點在于曲面閥瓣結構、本體金屬對金屬密封的螺紋以及活塞的高壓密封。

高壓井下安全閥由于需要承受比常規安全閥高得多的壓力，閥體及閥瓣壁厚均有大幅增加。如果仍然采用常規安全閥的平面閥瓣結構，高壓安全閥的外徑會比常規的要大許多，影響工具適用套管的范圍，限制了其應用；而要保證合適的外徑以滿足套管的需要，則又會使得內徑變小，形成縮徑，影響生產。為了滿足使用要求，提高產品的適用性，減少閥瓣在全開狀態下的空間占用，高壓安全閥采用曲面閥瓣設計，閥瓣與閥座互相配合的密封面是一空間曲面，結構如圖2所示。

圖2 閥瓣結構示意圖

閥瓣與閥座的密封是安全閥的關鍵[13-14]，在考慮閥瓣外形的同時，也要考慮密封的實現。在綜合考慮了半圓柱面密封、半橢圓柱面密封等之后，選擇了兩條曲線擬合而成的空間曲面，其密封面在保證連續光滑的同時，閥瓣與閥座密封面之間的相互作用力沒有徑向力，避免了閥瓣與閥座出現應力集中現象，影響密封效果。

本體螺紋連接之間的密封也是高壓安全閥設計中的一大難點，既要保證螺紋連接具有較高的抗拉強度，又要保證螺紋連接之間具有良好的氣密封性能。考慮到安全閥在使用中的安全要求，本體各零件之間連接不允許使用任何軟的密封材料，比如橡膠、PTFE等，只能采用金屬對金屬密封。安全閥的液壓腔、彈簧筒和下接頭之間的螺紋連接均采用雙級偏梯形同步氣密螺紋設計，此螺紋抗拉強度大，容易對扣，金屬對金屬密封，密封可靠，能夠承受高壓,可以多次上扣，壽命長。雙級螺紋設計使得螺紋載荷分配更加合理，避免螺紋受拉伸載荷作用時金屬密封處過盈量減小影響密封效果。扭矩臺肩位于兩級螺紋之間，此處距密封面較遠，可以承受較大扭矩；金屬對金屬密封唇處不承受扭矩載荷，防止扭矩過大破壞密封唇影響密封性能，如圖3所示。

圖3 雙級偏梯形同步氣密螺紋示意圖

活塞密封采用非彈性密封組設計，其特點是承壓高，耐溫高，克服了彈性密封摩阻大、耐壓低、易咬邊損壞等缺點。非彈性密封組中間是支撐環，支撐環兩邊依次是V型密封、范塞和壓帽，結構如圖4所示。范塞和V型密封選用添加石墨的改性PTFE材料，既改善了PTFE的蠕變特性，又增加了潤滑功能；支撐環和壓帽選用PEEK材料，既有較高的強度和硬度，在運動時又不會擦傷密封面；由于密封需要承受雙向壓差，一個方向壓力高時，另一方向的壓帽可以有效防止范塞的密封唇被擠壞。

圖4 非彈性密封組

另外，控制管線與安全閥的連接采用Autoclave高壓密封接頭，消除了通常采用JAM NUT連接易造成控制管線在高壓下拉脫的風險。

1.2 特種安全閥工作原理

安全閥下入井筒設計位置后，首先對生產管柱內安全閥閥瓣以上部分加壓，以平衡閥瓣下部的壓力；然后，通過控制管線從地面加壓，壓力經控制管線傳遞至液壓腔內，推動活塞向下移動，活塞推動流動管壓縮彈簧，流動管將閥瓣打開，安全閥開啟。保持控制管線內的壓力，安全閥處于打開狀態，釋放掉控制管線內的壓力，依靠彈簧的彈力向上推動活塞上移，安全閥關閉，之后會一直處于關閉狀態，直至再次對液控管線施加液壓力，安全閥才會再次打開。

1.3 特種安全閥技術參數

最大外徑 139.7 mm

最小內徑 65.075 mm

坐掛型面 2.562R

工作壓力 138 MPa

工作溫度 204 ℃

下入深度 600 m

全開壓力 18 MPa

全關壓力 7.6 MPa

抗拉強度 2 080 kN

此安全閥的特點：曲面閥瓣設計，占用空間小，安全閥外徑小，可使用套管范圍大；本體連接采用雙級偏梯形同步氣密螺紋設計，螺紋抗拉強度大，金屬對金屬密封，能夠承受高壓；活塞密封采用非彈性密封設計，承壓高，耐高溫；閥座、閥瓣采用金屬對金屬硬密封設計，增加輔助軟密封，無論高壓還是低壓都能可靠密封；沒有一個橡膠密封圈，消除了密封圈的泄漏隱患；管線與安全閥的連接采用Autoclave高壓密封接頭，強度高，密封可靠。

2 特種安全閥性能評價

2.1 液壓腔密封測試

將高壓井下安全閥安置在工裝內，保持閥處于關閉狀態，在閥體內壓力為零的情況下，打開安全閥。調節液體控制壓力并將其穩定在設計的全開壓力值上，然后切斷液壓控制壓力源，觀察5 min內的壓力變化情況，壓力曲線如圖5所示。由壓力曲線可以看出，在壓力穩定后的5 min時間內，壓力曲線平穩。

圖5 液壓腔測試曲線

2.2 閥瓣全開全關性能測試

在安全閥內壓力值為零的情況下，關閉并打開閥瓣五次。測試曲線如圖6所示。

圖6 閥瓣全開全關性能曲線

根據API要求，每次控制壓力值都不應超出閥門連續開關操作5次平均壓力值的±5%，由曲線圖提取閥瓣全開全關測試數據見表1。

表1 閥瓣全開全關測試數據

由表1可以看出，閥瓣五次全開、全關壓力值均在API規范要求的范圍內，偏差較小，開關性能較為穩定，符合API規范要求。

2.3 安全閥整體密封性能測試

關閉安全閥，對安全閥外部進行徹底干燥。調節整個測試單元的壓力，使其穩定在172.5 MPa(允許偏差±3.45 MPa)壓力下，持續觀察5 min，觀察控制管線端口及閥體各連接處沒有發現泄漏現象，壓力曲線顯示無壓降，測試曲線如圖7所示。

圖7 安全閥整體密封測試曲線

2.4 閥瓣液體密封性能測試

將安全閥閥瓣上方的壓力釋放至零，調節閥瓣下方的壓力，并將其穩定在138 MPa的額定工作壓力(允許偏差為額定工作壓力的±5%)，待壓力穩定后，監測5 min內液體沒有泄漏現象，測試曲線如圖8所示。

2.5 閥瓣氣體密封性能測試[6]

將安全閥閥瓣上方的壓力釋放至零，用氮氣調節閥瓣下方的壓力，將其穩定在1.4±0.07 MPa，監測得5 min內氣體泄漏速率為0.031 m3/min；繼續調節安全閥閥瓣下方的壓力，將其提高并穩定在8.3±0.41 MPa，監測得5 min內氣體泄漏速率為0.053 m3/min。兩次測得的泄漏速率均遠低于API驗收標準要求的0.14 m3/min。

3 結論

(1)通過室內試驗證明，高壓井下安全閥的整體結構設計合理，能夠滿足138 MPa壓力下的使用條件。

(2)擬合曲面閥瓣有利于減小空間占用，提高承壓能力，曲面閥瓣的安全閥外徑更小，能夠適用更多規格的套管。

(3)添加了石墨的改性PTFE范塞和V型密封組合能夠承受高壓密封，且摩阻較小。

(4)研制的138 MPa高壓井下安全閥在地面成功通過測試。下一步需要尋找合適的高壓油氣井來對安全閥進行現場井下應用，進一步驗證其可靠性。