海上熱采常開式高溫排氣閥研制與試驗(yàn)

孫永濤 胡厚猛 白健華 孫玉豹 馬增華 顧啟林

摘要：針對海上熱采用排氣閥在高溫高壓下存在液控管線損壞導(dǎo)致無法正常開啟關(guān)閉的問題，設(shè)計(jì)了常開式高溫排氣閥。常開式高溫排氣閥采用全金屬密封，保證在常溫到350℃高低溫交變工況下密封可靠性，并通過高低溫室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；通過常壓開啟、加壓關(guān)閉的方式避免井下工具和管線長期高溫承壓，提高了排氣閥啟閉的可靠性；對開啟和關(guān)閉2個(gè)狀態(tài)下的閥體進(jìn)行了受力分析，利用Hertz接觸理論建立了閥體—下接頭的球頭—錐面接觸力學(xué)理論模型，通過對球面半徑、錐面錐角和液控端壓力敏感性分析，優(yōu)化了地面關(guān)閉壓力和密封壓力等工作性能參數(shù)，保證在應(yīng)急狀態(tài)下關(guān)閉的可靠性。通過理論模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，球面半徑8.2mm、錐面錐角4.6°時(shí)具備最佳的密封性能，并得到了不同環(huán)空壓力下的關(guān)閉壓力圖版；常開式高溫排氣閥經(jīng)過高低溫試驗(yàn)，表明常開式高溫排氣閥開啟關(guān)閉動(dòng)作靈活可靠，在60～350℃下都具有可靠的密封性能，能夠滿足海上熱采井長期注汽—采油需要。常開式高溫排氣閥適合海上熱采井常開高低溫交變工況下長期使用，建議在海上3輪次吞吐井及驅(qū)替井推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：海上熱采；常開式高溫排氣閥；金屬滑動(dòng)密封；球頭—錐面密封；接觸應(yīng)力；室內(nèi)高溫試驗(yàn)

中圖分類號：TE952 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16082／j．enki．issn．1001-4578.2022.12.010

Development and Laboratory Test of Normally Open High-Temperature Vent Valve for Offshore Thermal Recovery

Sun Yongtao' Hu Houmeng' Bai Jianhua Sun Yubao' Ma Zenghua' Gu Qilin'

（1.CNOOC（China）Limited;2.Tianjin Branch of CNOOC（China）Limited）

Abstract：The vent valve for offshore thermal recovery cannot be opened or closed normally under high tem- perature and high pressure（HTHP）conditions due to the damage of hydraulic control pipeline.To solve this prob- lem，a normally open high-temperature vent valve was designed. It adopts all-metal sealing to ensure its sealing re- liability under the high-low temperature alternating working condition ranging from normal temperature to 350 ℃， which was verified by high-low temperature laboratory tests.Its opening at atmospheric pressure and closing at high pressure prevent the downhole tools and pipeline from long-term exposure to HTHP， thus improving its open- ing/closing reliability.The force analysis of the valve was conducted in the states of opening and closing.Based on the Hertz contact theory，a theoretical model of globe-cone contact mechanics between valve and lower joint was es- tablished.Based on the sensitivity analysis of spherical radus，cone angle and hydraulic control pressure，the working performance parameters of surface closing pressure and sealing pressure were optimized to ensure its closing liability in case of emergency. The optimization design of theoretical model shows that it has the best sealing per- formance at spherical radius of 8.2 mm and cone angle of 4.6°. In addition，the closing pressure charts under different annular pressures were obtained. 'The high-low temperature tests indicate that the normally open high-temper-alure vent valve can be opened and closed flexibly and reliably，and it has reliable sealing performance at 60～350℃，which meets the requirements of long-term steam injection and oil production of offshore thermal recoverywells. The normally open high-temperature vent valve is suitable for long-term use in offshore thermal recovery wellsunder normally open and high-low temperature alternating working conditions. It is recommended to be applied inoffshore three-cycle huff-and-puff wells and displacement wells.

Keywords： offshore thermal recovery; normally open high-temperature vent valve;metal sliding seal;globe-cone seal;contact stress; laboratory high-temperature test

0引言

渤海油田自 2008 年開始在多個(gè)區(qū)塊開展了 30井次的海上熱采應(yīng)用，形成了“全井筒隔熱”“井下安全控制” “水平段均勻注熱”等特色工藝[1—3]，在提高注熱安全性、減少熱損失、降低熱采成本等方面取得了良好的效果。為了保證井下安全，海上熱采井一般采用“高溫環(huán)空安全封隔器+高溫井下安全閥”的管柱組合，同時(shí)為了兼顧環(huán)空補(bǔ)氮隔熱的工藝要求，通常在環(huán)空封隔器加裝高溫排氣閥，用來控制環(huán)空注氮通道的開啟和關(guān)閉。

排氣閥是一種安裝于油氣井管柱上，通過地面液壓控制開啟和關(guān)閉的閥門，其主要功能是為排氣、洗壓井等工藝措施提供通道。目前多數(shù)常規(guī)排氣閥及高溫排氣閥均采用加壓開啟、泄壓關(guān)閉的工作方式。對于常溫油氣井采用該工作方式的排氣閥結(jié)構(gòu)成熟，性能可靠[4—5]；但對于海上熱采井，由于其大多數(shù)工作狀態(tài)為開啟狀態(tài)，導(dǎo)致高溫排氣閥的液控管線一直處于高溫高壓的工作狀態(tài)。目前海上試驗(yàn)的高溫排氣閥均不同程度的出現(xiàn)液控管線應(yīng)力腐蝕開裂，無法可靠開啟的問題[6]。隨著海上熱采注采一體化工藝以及蒸汽驅(qū)逐步應(yīng)用，井下工具在多輪次蒸汽吞吐以及驅(qū)替下長期應(yīng)用的可靠性更是亟需解決的問題。為了提高海上熱采井所用的高溫排氣閥的可靠性，筆者一方面改變常規(guī)思路提出常開式的工作方式降低液控管線長期承壓風(fēng)險(xiǎn)，另一方面通過優(yōu)化密封方式研制了常開式高溫排氣閥。該常開式高溫排氣閥經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，在不同工作壓力下均能靈活的啟閉和密封，適用于海上熱采的高低溫交變工況。

1結(jié) 構(gòu)

常開式高溫排氣閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由開啟機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)和關(guān)閉結(jié)構(gòu) 3 大部分組成。

開啟機(jī)構(gòu)由上接頭、定位帽、定位螺釘、彈簧和活塞桿組成；滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)由固定套A、墊片、密封腔、金屬密封環(huán)和固定套B組成；關(guān)閉機(jī)構(gòu)由閥體、閥座和下接頭組成。

（1）開啟機(jī)構(gòu)：上接頭上部可以連接液控管線，可以地面加壓控制，同時(shí)通過定位帽定位壓縮彈簧，保持在地面壓力為 0時(shí)排氣閥為常開狀態(tài)。

（2）滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)：密封腔上下兩端通過固定套A 和B、墊片將金屬密封環(huán)定位于其內(nèi)部腔體內(nèi)，閥體在排氣閥內(nèi)部上下運(yùn)動(dòng)時(shí)與金屬密封環(huán)保持密封狀態(tài)。

（3）關(guān)閉機(jī)構(gòu)：閥體下行到位后形成球頭對錐面的金屬密封，閥座與密封腔和上接頭的連接同樣采用金屬臺階密封。

2工作原理

在海上熱采作業(yè)中，高溫排氣閥一般安裝在熱采封隔器上（見圖 2），下入 200 m 左右深度，在整個(gè)熱采作業(yè)過程中，除了應(yīng)急狀況下，高溫排氣閥都保持在開啟狀態(tài)。具體的開啟原理如下：在常開式高溫排氣閥隨熱采管柱入井的過程中，排氣閥內(nèi)部和液控管線內(nèi)均注滿高溫液壓油，但地面控制盤不加壓，在排氣閥內(nèi)部彈簧回彈力以及外部壓力的作用下推動(dòng)閥體和活塞桿克服液控管線液柱壓力，使排氣閥保持在開啟位置，封隔器下部通過閥座側(cè)方的過流孔與上部環(huán)空建立流動(dòng)通道；當(dāng)?shù)孛嫘枰P(guān)閉油套環(huán)空通道時(shí)，地面液壓控制盤加壓，壓力通過液控管線傳遞至常開式高溫排氣閥上接頭內(nèi)，由于上接頭采用金屬臺階密封與外部環(huán)空和封隔器下部隔絕，上接頭內(nèi)部形成活塞腔，隨著液控管線壓力增加推動(dòng)活塞桿和閥體壓縮彈簧下行，最終閥體下部球面與下接頭內(nèi)部錐面接觸，并保持一定的接觸壓力以封隔環(huán)空上下部。

3關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

常開式高溫排氣閥區(qū)別于常規(guī)排氣閥在于其需要在常溫到 350 ℃ 溫度下，能夠承受 15 MPa 壓差而靈活開啟和關(guān)閉。為了達(dá)到這個(gè)要求就需要在排氣閥的滑動(dòng)密封優(yōu)化設(shè)計(jì)、地面關(guān)閉壓力優(yōu)化設(shè)計(jì)和閥體球面密封優(yōu)化設(shè)計(jì)方面開展工作。

3.1 滑動(dòng)密封優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了達(dá)到排氣閥在高低溫交變工況下地面加壓來關(guān)閉排氣閥的目的，對于閥體的滑動(dòng)密封采用了彈性金屬密封，而彈性金屬密封相較于橡膠材料，其不受溫度變化影響，但同時(shí)其摩擦力較大[7—8]。為了更好地平衡摩擦力和密封性能，使用直徑過盈量從0.12～0.18 mm的多組尺寸的閥體進(jìn)行了摩擦力和密封性能測試，結(jié)果見表1。從表1可以看到，12.96 mm 的閥體摩擦力適中（400 N），同時(shí)具有較好的密封可靠性。

3.2 受力分析

以排氣閥的主要運(yùn)動(dòng)部件閥體為目標(biāo)，對其進(jìn)行受力分析，首先給出以下假設(shè)：①金屬密封環(huán)雙向的摩擦力相同；②排氣閥外部壓力范圍為 0～15MPa。

基于以上條件，閥體在工作過程中的受力（見圖3）有：彈簧回彈力（F）、液控端的壓力（F2和F2'，分別對應(yīng)關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)）、閥體與金屬密封環(huán)的摩擦力（F，）、排氣閥本體對于閥體的反向作用力（F）、上部環(huán)空壓力（F，）、下部環(huán)空壓力（F，和F，分別對應(yīng)關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)）[9]。

常開式高溫排氣閥在極限條件下（最大下深200 m，外部環(huán)空壓力為0，F(xiàn)。'=0）保持開啟狀態(tài)的受力分析如下：

式中：p為高溫液壓油密度， g/mm'； g為重力加速度，取 9.8 m/s2；h為最大下深， 200 m； r為液控活塞半徑，取 6. 48 mm；計(jì)算得 F2' = 265 N；F，為閥體金屬密封環(huán)摩擦力， 400 N。

將 F2'、F，帶入式（1）中可得，F(xiàn)，>665 N。為了保障排氣閥穩(wěn)定開啟，選擇F，=900 N。

常開式高溫排氣閥在極限條件下（上部壓力為0， F，=0，下部壓力為15 MPa）保持關(guān)閉狀態(tài)的受力分析如下：

式中：p，為液控端關(guān)閉壓力，MPa；p.為下部環(huán)空壓力，MPa；r.為球頭—錐面密封半徑，mm。

將F，、F2、F，和F。帶入式（3）可得：

3.3 球頭—錐面密封優(yōu)化設(shè)計(jì)

排氣閥需要關(guān)閉時(shí)，地面加壓推動(dòng)閥體下行，閥體球面與下接頭內(nèi)部錐面接觸，形成了球頭—錐面密封面，如圖4所示。閥體球面與下接頭錐面首先發(fā)生以初始接觸點(diǎn)為半徑的圓周線接觸，隨著地面壓力上升，球面和錐面產(chǎn)生法向過盈，達(dá)到關(guān)閉壓力時(shí)，閥體球面與錐面形成一定接觸寬度的周向密封面。

根據(jù)Hertz接觸理論，球頭—錐面的法向接觸應(yīng)力Py （x）可以表達(dá)為[10—11].

式中： E"為當(dāng)量彈性模量，綜合考慮350 ℃溫度及材質(zhì)，該數(shù)值為195 GPa； w，為密封面接觸半寬，mm; R.為閥體球面半徑，mm;x 為以球頭- 錐面初始接觸點(diǎn)為原點(diǎn)，以球面切向（x）和法向（y）建立坐標(biāo)系中的切向位置，mm。

密封面錐度和實(shí)際接觸寬度一般都很小，密封面半徑可視為常數(shù)，可得密封面附加軸向預(yù)緊力即F，為[10—12]

式中： r，=R，cosa， a為錐面錐角; t，為錐面錐度， mm/mm， t，=2tand。

將式（7）帶入式（8）并求積分即可得在F作用下產(chǎn)生的密封面半寬：

于是可求得閥體—下接頭密封面的平均接觸應(yīng)力paa、最大接觸應(yīng)力為Pma：

排氣閥在關(guān)閉狀態(tài)下保持良好的長效密封性則需要滿足以下條件[13]

（1）球頭—錐面密封面平均接觸應(yīng)力p大于下部環(huán)空壓力p、，即pa>p，，并且p.越大密封效果越好；

（2）球頭—錐面密封面最大接觸應(yīng)力px小于閥體和下接頭的屈服強(qiáng)度o，， Pmax<0，。

給定排氣閥液控端最大壓力p=35 MPa，閥體和閥座屈服強(qiáng)度。.=603 MPa，計(jì)算了R.=7～9mm、錐角a=2.5°—15.0°條件下的p，如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著a增加p逐漸減小，隨著R.增加pm逐漸減小。對比4條曲線發(fā)現(xiàn)，R，=7.7 mm， α=15°， R.=7.9 mm， α=10°， R.= 8.2 mm、α=5°以及 R.=8.4 mm、α=2.5°共 4 種組合p<σ，并且p相對較大。

繼續(xù)根據(jù)密封面半寬對上述4組數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，繪制了滿足pmar

3.4 關(guān)閉力優(yōu)化設(shè)計(jì)

常開式高溫排氣閥在遇到緊急狀況需要關(guān)閉時(shí)，地面通過液控管線加壓關(guān)閉。在不同的環(huán)空壓力下，需要控制地面加壓的壓力，保證排氣閥能夠有效關(guān)閉的同時(shí)，避免密封面發(fā)生塑性變形。此時(shí)Pmx=0，，同時(shí)結(jié)合式（6）及式（11）即可計(jì)算出不同環(huán)空壓力下的液控端關(guān)閉壓力，具體如下：

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，推薦關(guān)閉壓力為p，的80%～90%，繪制關(guān)閉壓力圖版，如圖 7 所示。在環(huán)空壓力為 1 MPa 時(shí)，推薦的關(guān)閉壓力為 8. 9～ 10.0MPa；在環(huán)空壓力為15 MPa時(shí)，推薦的關(guān)閉壓力為 26.7～30.1 MPa。

3.5 常開式高溫排氣閥性能參數(shù)

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，常開式高溫排氣閥性能參數(shù)如表 2 所示。

4室內(nèi)試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)流程

常開式高溫排氣閥高溫室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備主要包括高溫油槽、常開式高溫排氣閥、壓力平衡容器、壓力表和加壓泵。室內(nèi)試驗(yàn)流程示意圖如圖8所示。常開式高溫排氣閥兩端及中部分別連接內(nèi)部容積大于0.004 m3的壓力平衡容器，一方面用來平衡排氣閥閥體移動(dòng)時(shí)內(nèi)部容積變動(dòng)產(chǎn)生的壓力變化，另一方面防止高溫油槽內(nèi)的熱油返出傷害其他設(shè)備；排氣閥連出的 3 路管線，分別形成上腔、中間腔體和下腔，這3個(gè)腔體分別可以連接壓力表和加壓泵[14]。

4.2 試驗(yàn)方法

（1）常溫試驗(yàn)：①下腔壓力為0情況下，上腔加壓33 MPa，測試閥體滑動(dòng)密封性能； ②下腔加壓10 MPa，然后上腔加壓33 MPa，放掉中間腔體壓力，測試排氣閥在 10 MPa 下的關(guān)閉動(dòng)作以及閥體與下接頭密封性能；③下腔加壓 15 MPa，然后上腔加壓33 MPa，放掉中間腔體壓力，測試排氣閥在 15 MPa 下的關(guān)閉動(dòng)作以及閥體與下接頭密封性能。

（2）高溫試驗(yàn)：①將高溫油槽升溫至 350 ℃；②上腔加壓 33 MPa，下腔加壓 15 MPa，高溫下保壓 8 h；③上腔補(bǔ)壓至 33 MPa、下腔補(bǔ)壓至 15MPa，測試高溫下的密封性能；④高溫油槽停止加熱冷卻至室溫，下腔加壓 15 MPa，然后上腔加壓33 MPa，放掉中間腔體壓力，測試排氣閥回到室溫后在15 MPa下的關(guān)閉動(dòng)作以及閥體與下接頭密封性能[15—16]。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）常溫試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，排氣閥在常溫下上腔耐壓 33 MPa，下腔關(guān)閉狀態(tài)下承壓15 MPa， 3次啟閉正常。

（2）高溫試驗(yàn)結(jié)果。高溫保壓8h結(jié)果如圖9 所示。由圖 9 可知，上腔壓力下降 2.42 MPa，下腔壓力下降 2.07 MPa。

然后繼續(xù)對上下腔加壓測試， 15 min壓力不降，回到低溫，3 個(gè)壓力測試均合格，并且正常關(guān)閉。具體數(shù)據(jù)見表4。

5結(jié)論及建議

（1）針對海上熱采井液控管線高溫高壓容易損壞的問題，設(shè)計(jì)了常開式高溫排氣閥。該排氣閥采用常開式工作方式，避免了井下管線長期承壓，提高了排氣閥長期工作的可靠性；同時(shí)采用全金屬的動(dòng)密封及靜密封設(shè)計(jì)，能夠滿足常溫到350℃高低溫交變的工況。

（2）對常開式高溫排氣閥不同工作狀態(tài)進(jìn)行受力分析，通過建立球頭—錐面接觸應(yīng)力理論模型及不同尺寸金屬滑動(dòng)密封組合試驗(yàn)，優(yōu)化了排氣閥的關(guān)鍵尺寸參數(shù)和現(xiàn)場操作的關(guān)閉壓力。

（3）室內(nèi)常溫及高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，常開式高溫排氣閥在常溫到350 ℃、15 MPa下均能正常關(guān)閉、可靠密封，適合海上熱采高低溫交變工況長期使用。建議在海上3輪次蒸汽吞吐井及驅(qū)替井推廣應(yīng)用。

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第一作者簡介：孫永濤，高級工程師，生于 1979年，2020 年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣開采技術(shù)研發(fā)及管理工作。地址： （300459）天津市塘沽區(qū)。電話： （022） 59551935。E—mail： eartharea@ 163. com

收稿日期：2022—07—31

（本文編輯 劉 鋒）