一種新型井下安全閥全通徑強開工具的研究與應用

萬宏春,李三喜,李艷飛,蔡斌,葛俊瑞

1.中海油能源發展股份有限公司 上海工程技術公司（上海 200335）2.中海石油（中國）有限公司 上海分公司(上海 200335）

0 引言

海上常用油管攜帶式井下安全閥，其采用液壓控制的閥板結構[1-2]，具有密封性好、可靠性高的特點。由于井下環境惡劣，井下安全閥可能發生故障而無法正常開啟，導致無法進行鋼絲、電纜、連續油管等作業，給生產、完井、修井帶來一系列的難題。

井下安全閥因故障出現閥瓣意外關閉常采用臨時強開工具和永久鎖定強開工具[3]。臨時強開工具利用隔離套筒將安全閥閥瓣臨時強行打開，可以實現繼續生產的要求，后續可以通過鋼絲作業取出隔離套筒[4]，使安全閥閥瓣再次關閉，但因隔離套筒內徑較小，不能滿足鋼絲、電纜、連續油管等作業。永久鎖定強開工具主要是通過鎖定安全閥閥瓣[5]，使閥瓣保持永久打開，雖然閥瓣無法再次關閉，但實現了安全閥保持原有通徑，可以滿足鋼絲、電纜、連續油管等特殊作業的要求。

針對井下安全閥閥瓣意外關閉，為使安全閥保持原有通徑，研制了一種新型井下安全閥全通徑強開工具。該強開工具采用釋放卷簧鎖定閥瓣原理，使安全閥保持原有通徑，實現永久強開，是安全閥閥瓣意外關閉后一種很好的處理手段。

1 結構分析

1.1 結構原理

新型井下安全閥全通徑強開工具主要由送入工具、卷簧釋放裝置、卷簧3部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 全通徑井下安全閥強開工具結構示意圖

井下安全閥全通徑強開工具采用釋放卷簧鎖定閥瓣原理，使安全閥保持原有通徑實現永久強開，如圖2所示。

圖2 卷簧在安全閥閥瓣中的位置

卷簧釋放裝置送入工具主要由打撈頸、限位銷、剪切銷釘、外層可選擇性推筒、內層中心桿組成，如圖3所示，送入工具上部接頭連接卷簧釋放裝置時，靠彈性爪、內層中心桿連接銷釘、下拉桿與卷簧釋放裝置連接；可下擊鋼絲工具串，剪斷銷釘，送入工具上部接頭外層推筒下移，使彈性爪與卷簧釋放裝置連接處脫開；在確認堵塞器坐牢后，可上擊震擊器，使剪切銷釘、下拉桿與卷簧釋放裝置脫開，起出送入工具。

投送卷簧、釋放卷簧、回收卷簧釋放裝置原理如下：

圖3 送入工具

1）X型堵塞器鎖芯鎖在X型坐落接頭內。如圖1 所示，由鋼絲工具串帶著送入工具及卷簧釋放裝置，下至井下安全閥閥瓣位置，工具前端底堵首先強制頂開閥瓣，如圖4 所示。X 型堵塞器鎖芯到達安全閥上端X 型坐落接頭內，通過合攏鋼絲機械震擊器，向下震擊整個鋼絲工具串，使堵塞器鎖芯卡瓦撐開完全坐落在X 鎖芯槽內，同時卷簧定位至安全閥閥瓣、閥腔位置，送入工具上部接頭中的剪切銷釘剪斷。

2）送入工具與卷簧釋放裝置脫開。向上提鋼絲工具串，判斷是否過提，確認X 型堵塞器鎖芯坐牢，繼續上提鋼絲工具串，送入工具與卷簧釋放裝置連接固定剪切銷釘剪斷。

3）卷簧釋放。送入工具上部接頭中上連接桿帶動整個中心桿上移，使得支撐瓦固定銷釘剪斷，卷簧工具上的彈簧套上移，漏出卷簧，卷簧因為自身彈力作用，在沒有彈簧套的阻擋之后，自動彈出，外徑變大，永久留在安全閥閥瓣閥腔位置，將閥瓣撐開，保持安全閥永久打開。

油管攜帶式安全閥一般要求至少要下在海底泥線以下30 m[6]，安全閥閥瓣打開后，會漏出一塊長約110 mm，厚3 mm圓環體狹小空間，利用此圓環體空間，釋放卷簧將閥瓣進行永久鎖定強開。設計卷簧釋放裝置能夠精準定位，卷簧能夠可靠釋放在圓環體空間。

1）通過安全閥上端設計X 型坐落接頭，可以懸掛對應，根據鎖芯位置可以精確定位閥瓣開啟后圓環體狹小空間具體的位置，如圖5所示，距離B即為鎖芯到閥瓣開啟位置距離（mm），根據距離B決定卷簧釋放裝置的具體長度；距離C 為閥瓣開啟后漏出的圓環體空間，根據距離C 及圓環體厚度決定卷簧的具體尺寸（mm）；確定尺寸之后，可以保證卷簧釋放裝置能精確定位，卷簧能夠準確投放至安全閥閥瓣開啟后的狹小的空間內，保證閥瓣永久開啟。

2）測量距離C長度為110 mm，閥瓣至下接頭距離為3 mm，設計卷簧長度80 mm，厚度2 mm，材料為不銹鋼耐腐蝕長方形鋼板，卷縮而成，具有一定的彈性力。該卷簧要求放在卷簧釋放裝置內不能發生塑性變形，彈力滿足正常回彈，且卷簧回彈至正常位置能夠克服扭簧的彈力將安全閥閥瓣撐開。卷簧釋放后內徑滿足≥71.5 mm，不能影響生產管柱的內通徑，卷簧大于圓周彈性防腐蝕金屬片，具有較強的彈性力。

1.2 作業步驟

圖4 全通徑強開工具原理圖

圖5 油管攜帶式安全閥結構示意圖

全通徑安全閥強開工具用于強行開啟井下安全閥閥瓣，并對閥瓣進行永久性鎖定。該全通徑強開工具可實現一趟下入和一趟回收，主要技術參數見表1。

1）下入步驟：全通徑強開工具用送入工具上部接頭工具下入，一旦全通徑強開工具進入并鎖定到油管攜帶式井下安全閥X 型坐落接頭臺階，向上震擊下入工具，脫手送入工具上部接頭，同時剪斷銷釘釋放卷簧，繼續向上震擊將下入工具回收到地面。

2）起出步驟：全通徑強開工具使用GS工具一趟回收，GS 回收工具下到位之后，會抓住全通徑強開工具卷簧釋放裝置上部的打撈頸，向上震擊，將全通徑強開工具卷簧釋放裝置回收到地面。

表1 主要技術參數

2 室內性能評價

室內將卷簧釋放裝置與X 型堵塞器、送入工具進行組裝，測量各個工具內外徑、長度等關鍵數據。測試表明，各個連接工具配合良好，銷釘安裝準確。模擬實際施工過程，進行強開工具投送、釋放卷簧實驗、回收卷簧釋放裝置及通徑實驗。

2.1 強開工具投送、釋放卷簧實驗

實驗流程如圖6 所示。工具準備：Φ 88.9 mm油管，Φ 71.45 mm 油管攜帶式井下安全閥，卷簧釋放裝置一套，送入工具一套，主要包括X 型堵塞器、卷簧釋放裝置、卷簧；送入工具主要包括送入工具上部接頭、探桿等。實驗步驟如下：

1）投送過程。將送入工具上部接頭置于非選擇位，送入工具和卷簧釋放裝置連接在一起，通過鋼絲作業送至安全閥以上，將堵塞器鎖鍵鎖在安全閥內置X 型坐落接頭卡槽內，通過合攏鋼絲機械震擊器，向下震擊鋼絲工具串。

2）釋放過程。緩慢上提送入工具，剪切送入工具上部接頭與卷簧釋放裝置連接銷釘。繼續上提工具串，將工具串提出卷簧釋放裝置。

實驗結果顯示，全通徑強開工具能夠順利下至安全閥閥瓣，X 型堵塞器能夠準確定位X 型坐落接頭位置，并順利坐落；卷簧順利釋放；送入工具上部接頭工具能夠正常脫手，正常起出。

2.2 回收卷簧釋放裝置實驗

實驗流程如圖7所示。工具準備：Φ 88.9 mm GS回收工具，Φ 47.625 mm鋼絲機械震擊器，Φ 47.625 mm加重桿等各一套。

實驗步驟：緩慢將GS工具送入至X型堵塞器打撈頸內，緩慢上提GS工具串，拉開堵塞器鎖定塊，堵塞器鎖定塊支撐塊下移，堵塞器鎖定塊脫離坐落接頭鎖芯槽，堵塞器上移，帶動整個卷簧釋放裝置上移，順利從安全閥內取出。

檢查卷簧釋放情況，發現卷簧釋放裝置正常工作，卷簧擋環正常動作，卷簧釋放完成。

實驗證明，卷簧釋放裝置能夠順利回收，工具能按照設定機構動作，且卷簧不影響釋放裝置回收。

2.3 通徑實驗

通徑實驗流程如圖8 所示。工具準備：內含釋放卷簧的油管攜帶式安全閥（Φ 71.45 mm），Φ 70 mm 通徑規，Φ 47.625 mm 鋼絲機械震擊器，Φ 47.625 mm加重桿等各一套。

圖6 投送、釋放卷簧測試示意圖

圖7 回收卷簧釋放裝置測試示意圖

圖8 通徑測試示意圖

實驗步驟：將Φ 70 mm通徑規+Φ 47.625 mm機械震擊器+Φ 47.625 mm 加重桿組合緩慢通過井下安全閥，在安全閥閥瓣位置來回移動幾次，無阻掛現象；驗證卷簧釋放后，卷簧內通徑無臺階，無縮徑。

實驗結果：通過反復3次實驗，Φ 70 mm通徑規可以正常通過安全閥。

3 某區塊B5井應用效果

3.1 應用井基本數據

海上油氣田某區塊B5井為一口開發生產氣井，生產后期需起管柱進行上返補孔作業。上返補孔作業前需進行井筒處理，井筒處理期間要進行鋼絲作業打開滑套反循環壓井、電纜切割油管、起出上部油管、套銑封隔器等作業。由于井下安全閥控制管線泄漏，導致閥瓣自動關閉[7]，造成生產管柱通道堵塞，無法進行鋼絲作業開滑套及電纜切割油管作業，給壓井、切割油管作業帶來困難。因此需將井下安全閥閥瓣強制打開，保持生產管柱內通道暢通，滿足鋼絲、電纜作業[8]。生產管柱結構如圖9所示。

圖9 生產管柱示意圖

3.2 應用過程

具體作業步驟如下：

1）井口組裝鋼絲防噴管，對防噴器及工具串進行試壓，試壓合格。

2）通徑作業。工具串組合：Φ 47.625 mm繩帽+Φ 47.625 mm 旋轉節+ Φ 47.625 mm 加重桿254 mm（10"）+ Φ 47.625 mm 萬向節+ Φ 47.625 mm 機械震擊器762 mm（30"）+Φ 53.6 mm 扶正器+ Φ 38.1 mm加重桿203.2 mm（8"）+Φ 70.0 mm通徑規。

下入通徑工具串，通徑至井下安全閥閥板以下50 m，輕探并記錄閥瓣位置。

3）下入卷簧釋放裝置，釋放卷簧。工具串組合：繩帽+旋轉節+加重桿+萬向節+機械震擊器+萬向節+送入工具+卷簧釋放裝置。連接全通徑強開工具，送入工具、卷簧釋放裝置，設定送入工具上部接頭工具處于非選擇位，緩慢下放至井下安全閥的閥板位置，半合機械震擊器；緩慢下放鋼絲工具串將X 鎖芯坐落于X 型坐落接頭，向下震擊完全釋放X 鎖芯，過提驗證鎖芯鎖緊后，向上震擊，脫手卷簧釋放裝置送入工具，起出工具串，檢查卷簧釋放裝置送入工具上部接頭脫手銷釘、中心桿銷釘正常剪切[9-11]。

4）回收卷簧釋放裝置。工具串組合：繩帽+旋轉節+加重桿+萬向節+機械震擊器+萬向節+GS 工具。下入工具串至井下安全閥，到位后嘗試回收卷簧釋放裝置，緩慢下放后上提確認撈住卷簧釋放裝置本體，起出后檢查工具正常，卷簧釋放成功。

5）再次通徑作業。工具串組合：繩帽+旋轉節+加重桿+萬向節+機械震擊器+扶正器+加重桿+Φ 70.0 mm 通徑規。下入通徑工具串，通徑至井下安全閥閥板以下50 m，驗證卷簧釋放后未影響管柱內通徑，滿足后續其他作業需求。

6）通過鋼絲作業打開滑套，反循環壓井。

7）下入電纜切割工具至4 200 m，切割油管，起出原井生產管柱。

4 結論

1）通過室內實驗和現場應用，證明該新型井下安全閥全通徑強開工具連接簡便、強度合格、釋放卷簧性能可靠，且送入工具及回收工具相關機構能夠在設定壓力下準確動作。充分說明該工具設計合理，滿足施工作業要求，具備現場應用條件。

2）該工具在某區塊B5井成功應用，且在施工過程中操作方便，安全高效，當安全閥出現同類問題時可提供實踐經驗。

3）該工具的成功應用，表明針對不同型號的安全閥，可根據安全閥具體結構尺寸進行卷簧裝置的重新設計，具有推廣應用的條件。