鹽穴儲氣庫低節流井下安全閥的研制

劉亞靜 姜海濤 康延鵬 李帆 周冬林 趙昕

1. 中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司；2. 中國石油天然氣股份有限公司鹽穴儲氣庫技術研究中心

天然氣地下儲氣庫在解決天然氣應急調峰、優化管道運行以及保障國家能源安全等方面發揮著重要作用［1-2］。鹽穴儲氣庫注采具有切換靈活、單井注采氣能力大、墊底氣用量少和墊底氣可完全采出等優點；單腔體積大，平均約20 萬m3，較大腔體可達40 萬m3，一旦發生井噴后果不堪設想。井下安全閥是一種防止井噴、保證生產安全的井下工具［3-5］。為了防止注氣排鹵過程、井下作業過程以及長期注采氣運行中可能發生的腔體內高壓天然氣井噴事故，建設鹽穴儲氣庫時必須在注采完井作業過程中下入井下安全閥，以達到出現異常情況時能及時關閉流體通道，確保生產安全的目的［6-9］。項目組在金壇儲氣庫開展注氣排鹵管柱一體化工藝現場試驗，井下安全閥處存在嚴重節流導致的排鹵效率低的問題，有必要研制一款與本工藝系統配套的新型低節流井下安全閥。

1 研制方案及計算過程

目前，國外大型油田服務公司如Baker Hughes、Schlumberger 和Hajliburton 等都自主研發了各種規格井下安全閥，符合API 標準的?139.7 mm 套管用井下安全閥的主要技術規范如表1 所示。通過對比分析，發現Baker Hughes 公司的FVLDS(E) 型套管用井下安全閥設計最為緊湊，其最大外徑為?193.04 mm，最小內徑為?115.87 mm。根據套管規格，?244.5 mm 套管內徑為?220.52 mm。

表1 符合API 標準的?139.7 mm 套管用井下安全閥主要技術規范表Table 1 Main technical specifations of downhole safety valve used in ?139.7 mm casing in accordance with API

經計算可得FVLDS(E)型?139.7 mm 套管用井下安全閥外最小環空面積為

式中，As為FVLDS(E)型井下安全閥外最小環空面積，mm2；Dm為?244.5 mm 套管內徑，mm；Ds為FVLDS(E)型井下安全閥最大外徑，mm。

經計算可得?139.7 mm 套管外環空面積為

式 中，AL為?139.7 mm 套 管 外 環 空 面 積，mm2；DL為?139.7 mm 套管外徑，mm。

計算結果顯示，若采用Baker Hughes 公司的FVLDS(E)型?139.7 mm 套管用井下安全閥，當氣流經過井下安全閥時，其過流面積將由22 865.28 mm2減小為8 925.76 mm2，過流面積縮小了60.96%，從而導致注氣排鹵過程中存在明顯節流。此外，受節流壓差影響，高速沖蝕的氣流易導致井下安全閥液壓管線高頻振動從而造成工具失效。依據以上分析，確定了鹽穴儲氣庫?139.7 mm 套管用低節流井下安全閥的改進設計思路：(1)所設計井下安全閥的外徑盡可能小，以減小內外管環空節流影響；(2)所設計井下安全閥的內徑盡可能大，以最大限度的提高排鹵速度。

確定低節流井下安全閥設計方案：優化設計安全閥本體連接及液控管線與安全閥的連接處的密封形式，保證密封可靠性高；優化活塞桿密封組件材料，具有化學惰性，性能不受環境影響；弧形閥板結構中采用新材料，使之在同樣具有壓力平衡結構的前提下減小安全閥外徑。

經設計，將井下安全閥本體連接及液控管線與井下安全閥的連接處的密封形式改為金屬密封，提高了高頻振動下工具的可靠性；將活塞桿密封組件設計為非橡膠材料，性能穩定；安全閥的核心部件弧形閥板結構采用機械性能優異的S13Cr-P110 新材料，內徑不變的情況下將井下安全閥的外徑控制在?184.15 mm，該外徑尺寸相比目前最為緊湊的Baker Hughes 公司FVLDS(E) 型安全閥外徑減小了8.89 mm，同時也保證了安全閥的耐壓等級和產品的抗腐蝕能力。

相同井身結構下，新研制的?139.7 mm 套管用SVT5 低節流井下安全閥外環空最小過流面積增大為

式中，Ad為低節流井下安全閥外環空最小過流面積，mm2；Dd為低節流井下安全閥最大外徑，mm。

相比Baker Hughes 公司FVLDS(E) 型安全閥，新研制SVT5 低節流井下安全閥降低了井下安全閥處29.51%的節流，取得良好效果。

2 結構與技術參數

新研制的SVT5 低節流井下安全閥是一種自平衡、閥板型、地面控制、井下安裝的安全閥。它可以通過油管進行下入和回收。當鹽穴儲氣庫注氣排鹵完井作業過程中安全閥正確安裝后，可通過連接到地面緊急關井系統的液壓控制管線進行操作，即通過地面控制管線加壓，液壓油通過液控管線傳至液壓孔到活塞，可推動活塞向下移動的同時壓縮彈簧到一定壓力時，閥板打開，如果一直保持液控壓力條件，則安全閥始終處于打開狀態，一旦液控管線壓力被釋放，彈簧就會推動活塞上移，閥板自動關閉，阻斷流通通道，保障地下儲氣庫的安全。SVT5 低節流井下安全閥主要材料采用S13Cr-P110，其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 SVT5 低節流井下安全閥結構Fig. 1 Structure of SVT5 low-throttling downhole safety valve

SVT5 低節流井下安全閥的主要技術參數見表2。活塞排液體積是指開啟安全閥需要的控制液體積，此參數是理論計算值且未包含液體的可壓縮性等因素。如果控制管線損壞，失效深度將取決于環空井液的密度。另外，安全閥的安全拉力指安全閥內部連接的強度參數，不包含兩端的連接(其可能更低)。若兩端的油管螺紋連接強度與產品的拉伸強度不同時應取兩者中的較小值。

3 室內測試

針對新研制的SVT5 低節流井下安全閥，以GB/T 28259—2012 石油天然氣工業-井下設備-井下安全閥與ANSI/API Spec 14A 井下安全閥設備規范為依據進行了室內測試［10-11］。測試結果表明，新研制的SVT5 低節流井下安全閥的各項技術性能指標達到設計要求，符合ANSI/API Spec 14A 井下安全閥設備規范要求。室內測試內容如下。

表2 SVT5 低節流井下安全閥主要技術參數Table 2 Main technical parameters of SVT5 low-throttling downhole safety valve

(1)液壓控制管線及液控系統壓力測試結果見表3。通過表3 的數據可以看出，在保壓5 min 的時間里，液壓控制管線及液控系統壓力基本保持不變，控制腔和本體接頭無泄漏，符合安全設備規范要求。

表3 液控系統壓力測試數據Table 3 Pressure test data of hydraulic control system

(2)安全閥的開啟關閉功能測試及5 次綜合測試結果見表4。從中可以得出安全閥的平均全開壓力約為11 MPa，平均全關壓力約為4.5 MPa。

(3)閥板下方100%壓力時液體泄漏速率測試結果見表5。在保壓5 min 的時間里，每分鐘液體泄漏量為0.028 mL，符合規范要求。

(4)本體在1.38 MPa 和8.27 MPa 的N2壓力下，安全閥的關閉功能測試結果見表6。在保壓5 min的時間里，不同測試壓力下液控泄漏速率均為0，安全閥關閉功能可靠，符合規范要求。

表4 安全閥測試數據Table 4 Test data of the safety vale

表5 液體泄漏速率測試數據Table 5 Test data of liquid leakage rate

表6 安全閥的關閉功能測試數據Table 6 Shutdown function test data of the safety valve

(5)閥板下方在1.38 MPa 和8.27 MPa 的N2壓力下，泄漏速率測試結果見表7。在保壓5 min 的時間內，每分鐘最大泄漏速率僅為0.02 m3，符合規范要求。

表7 閥板下方N2 泄漏速率測試數據Table 7 N2 leakage rate tested below the valve plate

4 現場應用情況

2018 年12 月1 日，開始進行井下安全閥功能現場試驗。12 月6 日，開井下安全閥開始注氣，至12 月8 日，注氣壓力為12.7 MPa，溫度為20.6 ℃，日注天然氣量為180 790 Nm3，低壓排鹵進鹵水站，排鹵壓力0.73 MPa，日排鹵1 426 m3；累計注氣386 542 Nm3(含試注氣量)，累計排鹵2 885 m3(含試注排鹵量)，關井，關閉井下安全閥。油管放壓至0，觀察油壓均為0，井口無壓力且無水溢出，證明新型井下安全閥開啟及關閥功能可靠，水密封試驗合格。

2019 年4 月24 日，開始進行采氣作業，采氣流量54 358～44 893 Nm3/h，采氣溫度8.8～26.9 ℃，油壓由13.2 MPa 下降至7.5 MPa，采氣出口壓力7.5 MPa，日采氣124 053 Nm3。停止采氣，關閉翼閥，安裝油壓表，關井。期間關閉井下安全閥，油管放空壓力降落為0 后關閉，觀察油管壓力為0，放空無氣體溢出，證明新型井下安全閥氣密試壓合格。

5 結論

(1)新研制的SVT5 低節流井下安全閥密封形式及密封材料的改變，提高了高頻振動下工具的可靠性及抗腐蝕性能；安全閥的核心部件弧形閥板結構采用的S13Cr-P110 新材料，實現了內徑不變的情況下將井下安全閥的外徑大幅縮小，從而降低了井下安全閥處29.51%的節流，同時減小了高速沖蝕的氣流導致的安全閥液壓管線高頻振動。

(2)通過室內測試，井下安全閥的開關功能及密封性指標均達到設計要求，符合ANSI/API Spec 14A井下安全閥設備規范要求。經過現場試驗，新研制安全閥開關靈活可靠，水密封試驗及氣密封試驗均合格，證明其能夠滿足現場使用條件。