關于井下安全閥的調(diào)研報告

　　評論：　更新日期：2015年10月18日

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，整個世界對于能源的要求與日俱增，供需矛盾也日益突出。世界各國越來越重視環(huán)境保護和安全生產(chǎn)，很多國家對油氣井的安全生產(chǎn)都有詳細的法律規(guī)定，強調(diào)位于人口稠密地區(qū)、重要經(jīng)濟區(qū)、海洋和內(nèi)陸水域的、有自噴及外溢能力的油氣井都要安裝井下安全閥。海洋石油開采環(huán)境相比陸地石油開采環(huán)境惡劣，安全性要求高。目前，我國海上有自噴能力的油氣井都安裝有井下安全閥，陸上的一些油田也越來越多地在油氣井中使用安全閥。海洋采油法規(guī)規(guī)定：在油氣開采過程中，凡具有自噴或自溢能力的井都必須安裝井下安全閥。
井下安全閥是一種安放于井筒內(nèi)的連接于油管上設定位置的安全裝置,其作用是在井口裝置失控時，油氣井就能夠自動關閉，從而避免嚴重的人員傷亡、井噴和海洋污染等惡性事故的發(fā)生。

井下安全閥有很多種類型，井下安全閥按控制方式分為地面控制和井下控制; 按回收方式分為油管回收式和鋼絲回收式, 目前，地面控制油管下入式應用最廣泛。下面以這種類型的井下安全閥的結(jié)構(gòu)說明其工作原理。如圖2.1 所示，工作原理是將井下安全閥連接到油管某一深度，同時連接一條小直徑不銹鋼控制管線，從閥體連到地面并與自動控制系統(tǒng)連接起來，組成一套井下安全閥系統(tǒng)。油氣井正常生產(chǎn)時，地面控制系統(tǒng)通過泵給安全閥提供液壓油并使其自動保持在設定的打開壓力下，液壓力推動柱塞及中心管移動，同時壓縮彈簧，中心管頂開閥板，井下安全閥處于打開狀態(tài)。一旦出現(xiàn)緊急情況，地面控制系統(tǒng)可泄掉控制管線內(nèi)的壓力。這時，中心管和柱塞在彈簧力的作用下回到原位，閥板在扭簧的作用下關閉，封住油管的生產(chǎn)空間，井下安全閥處于關閉狀態(tài)。
井下安全閥從產(chǎn)生到現(xiàn)在已經(jīng)歷了幾十年每個零部件都經(jīng)歷了多次改進、完善, 從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化。下面按井下安全閥的主要零部件的完善、發(fā)展來說明其技術(shù)現(xiàn)狀。
a 閥體密封方式

1—上接頭；2、6、10、14、16、23—密封圈；3—活塞套；4—活塞;
5—上密封總成；7—下密封總成；8—中間接頭；9—中心管；
11—彈簧墊圈；12—彈簧；13—彈簧套；15—閥板座；17—閥板套；
18—密封墊；19—銷軸；20—扭簧；21—閥板；22—閥板總成套；24—下接頭
圖2.2 井下安全閥結(jié)構(gòu)圖
早期的井下安全閥采用球閥密封方式，球閥密封的缺點是球閥轉(zhuǎn)動時摩擦力
大、可靠性差，更換密封件時球體和球座必須同時更換。因此，世界上新投產(chǎn)
的油氣井井下安全閥多采用閥板密封方式，代替了球閥轉(zhuǎn)動時摩擦力大、可靠性
差、更換密封件不方便的缺點。閥板密封是靠閥板上的錐面和密封座之間的配合產(chǎn)生的。如圖2.2 所示井下安全閥結(jié)構(gòu)的特點是閥板采用鉸支結(jié)構(gòu)固定于閥板套上，閥板套與彈簧套用螺紋連接，閥板與閥板座采用錐面密封并配帶聚四氟乙烯密封圈，采用低壓時閥板軟密封、高壓時閥板硬密封的雙層密封。然而，在井下安全閥關閉過程中，普通閥板與閥座的接觸過程為一次性完全接觸，這種方式在油管內(nèi)液體流速很大時，由于液體的沖擊作用很有可能把閥板打碎。貝殼石油工具公司新研制井下安全閥在閥板與閥座的密封采用先3 點接觸，其它密封部分后接觸的方式來增加閥板與閥座的接觸時間，減小接觸沖擊力，防止閥板由于液體沖擊損壞，因而，這種密封技術(shù)被廣泛采用。但我們也發(fā)現(xiàn)閥板密封仍存在一些缺點，如：閥板打開需要活塞行程較長，因此，當井下安全閥安裝深度較大時，其控制壓力容易達到極限，另外，這也增加了安全閥本體的長度，以致重量增加。
b 液缸活塞
井下安全閥的執(zhí)行機構(gòu)——液缸活塞機構(gòu)，用于壓縮彈簧推動中心管打開閥板。液腔內(nèi)要保持壓力以防止井下安全閥關閉，所以活塞的密封非常重要。運用活塞的優(yōu)點是使中心管和活塞在一起運動的過程中，能夠沿著同一中軸線推移，增強了執(zhí)行機構(gòu)的工作穩(wěn)定性。但由于活塞直徑大，密封圈長，從而增加了泄露的可能性，導致控制系統(tǒng)失靈。另外，由于活塞質(zhì)量大，在閥板關閉過程中，彈簧需要克服活塞重力就大，這樣對彈簧的彈性要求比較高?，F(xiàn)有的井下安全閥大多將大直徑活塞該為小直徑柱塞，當然這種設計需要加工較高精度的細長孔，在加工上有一定難度，另外，也不能保證活塞和中心管沿著同一中軸線移動.
c 鎖定方式
井下安全閥在高壓情況下，容易導致密封圈刺破，造成液控系統(tǒng)卸壓，井下安全閥將關閉并失去安全保護作用。這時，只能強制將閥板打開并鎖住，使井下安全閥處于永久打開狀態(tài)，以保證油氣生產(chǎn)的正常進行，待油井作業(yè)時對井下安全閥進行更換。如圖2.3 所示井下安全閥結(jié)構(gòu)[8]的特點是鎖定總成由鎖套、鎖簧、剪釘?shù)冉M成，在液控系統(tǒng)失靈時，用鋼絲工具使鎖套剪短剪釘，強制推動活塞中心管下行頂開閥板，同時通過鎖簧鎖定中心管，使閥板處于開啟狀態(tài)。這種永久開鎖鎖定機構(gòu)非常復雜，且可靠性不高，有時帶有副作用。國外新研制的井下安全閥改變了永久開鎖鎖定方式，省去了復雜的開鎖鎖定機構(gòu)，只是在閥板處下入一個彈性的鋼圈將閥板撐開，這種設計既完成了永久開鎖并鎖定又大大簡化了結(jié)構(gòu)，給施工帶來很大方便。

1—上接頭；2、6、10、20—密封圈；3—傳壓套；4—鎖套；5—鎖簧；7—剪釘；
8—活塞；9—連接管；11—過度接頭；12—中心管；13—彈簧；14—彈簧套；
15—固定套；16—閥板座；17—銷子；18—扭簧；19—閥板；21—下接頭
圖2.3 井下安全閥結(jié)構(gòu)
d 連通轉(zhuǎn)換方式
井下安全閥液控管線內(nèi)的壓力在正常時與井下安全閥內(nèi)部液體通道不連通，當井下安全閥閥板密封失效后，要用鋼絲下入小直徑的管內(nèi)安全閥，并通過原來的液控管線對油井進行安全控制。九十年代的井下安全閥，液控壓力被內(nèi)密封套密封在液壓腔內(nèi)，當內(nèi)密封套被鋼絲工具撞擊并將剪釘剪斷下移后，液孔壓腔就與井下安全閥的內(nèi)部流體通道相通，再下入管內(nèi)安全閥對油井進行安全控制。這種井下安全閥在連通轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上有許多缺點：
① 結(jié)構(gòu)復雜、內(nèi)密封套密封要求高，導致制造成本高；
② 在鋼絲作業(yè)過程中，有可能撞壞內(nèi)密封套，而導致井下安全閥失效。
國外新研制的井下安全閥克服了這些缺點，對連通方式進行了改進，由內(nèi)密封套下移式改為打眼式。當需要連通時，只需下入機械打眼工具在其薄弱部分鉆眼可完成。然而， Dennistoun提出一種更便于后期補救的井下安全閥結(jié)構(gòu)，在閥板失效后，可在井口用鋼絲下入一管內(nèi)安全閥裝置，該管內(nèi)安全閥可自身在井下安全閥薄弱部分完成鉆孔，使液控管線柱式壓腔與井下安全閥內(nèi)部液體相通來控制管內(nèi)安全閥。Dennistoun 提出的結(jié)構(gòu)省略了從井口下入機械打眼工具,使施工更加方便。
隨著世界上深井、超深井的數(shù)量和比例逐漸增多，對井下安全閥的要求也越來越高，使井下安全閥的研制增加了更多新的技術(shù)難點。例如在一些超深井中井下安全閥的安裝深度達3048 米（10000 英尺），在這種高壓情況下安全閥會出現(xiàn)很多問題：
① 控制壓腔和安全閥內(nèi)油氣液體之間的動密封泄漏，導致油氣進入控制壓腔。
② 作用在柱塞上的控制壓力要克服彈簧力和管內(nèi)油氣液體壓力之和使柱塞推動中心管下移來打開閥板，這就要求相當大的控制壓力，對控制管線的要求高。針對這些問題，國外的井下安全閥技術(shù)取得了飛快的發(fā)展。Vick發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括柱塞、彈簧、閥板、磁耦合裝置(7、8)、中心管，如圖2.4所示。其原理是控制壓腔與環(huán)空腔之間的壓差在柱塞上形成向下的力，柱塞帶動磁體克服彈簧壓力向下運動，由于存在磁耦合，油管內(nèi)磁鐵帶動中心管推動閥板，直到井下安全閥完全打開。然而，Vick 的發(fā)明也有一定的缺點，在閥板關閉過程中仍需要很大的彈簧力克服控制管線流體靜壓力，當靜壓力過大時，閥板不能正常關閉。為此，Lauderdale設計出在閥板關閉過程中運用一平衡柱塞結(jié)構(gòu)來平衡控制管線流體靜壓力，當控制系統(tǒng)卸壓時，彈簧克服柱塞和中心管重力向上運動，直到閥板完全關閉。

1—上接頭；2—控制管線；3—液壓腔；4—密封圈；5—柱塞；6—中間接頭；
7—環(huán)型永久磁鐵1；8—環(huán)型永久磁鐵2；9—彈簧1；10—彈簧2；11—中心管；
12—卸壓孔；13—下接頭；14—扭簧；15—閥板；
圖2.4 安全閥結(jié)構(gòu)圖
（5）井下安全閥應用情況
由于海上油田環(huán)境惡劣、投資高、風險大，任何一點失誤都會造成嚴重事故，
給國家財產(chǎn)帶來重大損失，甚至威脅人員生命。因此，為了確保海上油氣井的安
全生產(chǎn)，井下安全閥在油氣井中取得了廣泛的應用，在自噴井、電動潛油泵井和
注水井都裝有安全閥。
我國海上油氣井使用的地面控制油管下入式安全閥系統(tǒng)主要依賴于進口，在這方面的研究還相對薄弱。我國井下安全閥技術(shù)現(xiàn)處于初始研究階段，國內(nèi)現(xiàn)有井下安全閥系統(tǒng)由井下安全閥、管內(nèi)安全閥、井口控制等部分組成。根據(jù)對國內(nèi)井下安全閥系統(tǒng)相關研究成果技術(shù)資料的研究看出，國內(nèi)井下安全閥技術(shù)在結(jié)構(gòu)上仍存在不足，導致安全性不高。近些年來，國內(nèi)一些科研機構(gòu)逐漸對這方面進行了研究工作，但現(xiàn)有的設計還多處于測繪、仿制階段，沒有建設自己的設計方法和理論。國內(nèi)生產(chǎn)井下安全閥的廠家也逐漸增多，但一些廠家生產(chǎn)出來的井下安全閥在技術(shù)上比較落后，結(jié)構(gòu)上比較復雜，可靠性差，更不便于井下安全閥失效后的補救工作。