井下安全閥國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與國(guó)產(chǎn)化思考

劉 威，楊 松，買 煜，王益民，江士凱

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司工程技術(shù)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司開(kāi)發(fā)事業(yè)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000；4.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000；5.四川寶石機(jī)械專用車有限公司，四川 廣漢 618300

引 言

在對(duì)油氣井進(jìn)行井下作業(yè)時(shí)，開(kāi)采設(shè)備有時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障（如設(shè)備失效等），造成流管內(nèi)烴類流體流速增大或地面設(shè)施發(fā)生險(xiǎn)情，這時(shí)就需要及時(shí)關(guān)閉流體通道，確保作業(yè)安全，避免發(fā)生更大的事故。現(xiàn)場(chǎng)操作中，通常使用井下安全閥來(lái)關(guān)閉流體通道[1]。當(dāng)關(guān)閉后的油氣井需要再次恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，安全閥必須能夠重新打開(kāi)。

由于井下安全閥在環(huán)保和安全生產(chǎn)方面具有非常重要的作用，全球4大石油服務(wù)公司生產(chǎn)了適合各種條件的井下安全閥，國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)、高校等也都對(duì)已有安全閥進(jìn)行了多方面的研究與改進(jìn)，井下安全閥在國(guó)外已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。而中國(guó)對(duì)井下安全閥的研究尚處于起始階段[2]，設(shè)計(jì)與研發(fā)經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重不足。針對(duì)這些問(wèn)題，分析了井下安全閥國(guó)內(nèi)外科研最新研究情況，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外公司井下安全閥產(chǎn)品情況與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最后針對(duì)井下安全閥國(guó)產(chǎn)化及可能存在的問(wèn)題提出了具體的發(fā)展建議。

1 井下安全閥的基本結(jié)構(gòu)與分類

1.1 基本結(jié)構(gòu)與組成

油氣開(kāi)釆過(guò)程中應(yīng)用最普遍的井下安全閥是地面控制油管回收式井下安全閥[2]，故本文主要研究?jī)?nèi)容為地面控制油管回收式井下安全閥，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 井下安全閥的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of subsurface safety valves

回收式井下安全閥上、下接頭分別連接上、下兩段油管，上接頭上部接有液控管線，通過(guò)地面液壓控制系統(tǒng)可以進(jìn)油（加壓）或回油（減壓），液腔為儲(chǔ)油室，進(jìn)油加壓時(shí)，液壓油會(huì)推動(dòng)柱塞向右移動(dòng)從而壓縮彈簧，液腔體積變大，回油減壓時(shí)，彈簧恢復(fù)彈力反推桿活塞與液壓油朝液控管線方向移動(dòng)，液腔體積變小（圖1）。彈簧位于中間接頭與中心管之間，中間接頭通過(guò)螺紋與上、下接頭連接，中心管凸起端與桿活塞凹槽端形成“J型”連接，確保中心管運(yùn)動(dòng)與桿活塞保持一致。固定套筒被插入中間接頭的凸起和中心管之間，并與扭簧、固定軸、閥板構(gòu)成“鉸鏈”結(jié)構(gòu)，隨著中心管的前、后運(yùn)動(dòng)，閥板可實(shí)現(xiàn)關(guān)閉及開(kāi)啟。此外，安全閥結(jié)構(gòu)中還存在大量的靜密封與動(dòng)密封。

1.2 井下安全閥的分類

按照美國(guó)石油協(xié)會(huì)頒布的API Spec 14A標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)井下安全閥不同屬性可以將其分為4類[3]，具體情況如表1所示。

表1 井下安全閥的常用分類方法Tab.1 The common classification of subsurface safety valves

雖然分類依據(jù)有4種，但以“開(kāi)關(guān)方式”分類最為普遍。一類是地面控制式井下安全閥(Surface Controlled Subsurface Safety Valve，SCSSV)[4]，其通過(guò)地面上的液壓系統(tǒng)控制打開(kāi)與關(guān)閉，如圖2所示。按照下入方式又可以分為兩種，一種是鋼絲回收式（通過(guò)鋼絲繩工具下入，在流動(dòng)管內(nèi)部），另一種是油管回收式（通過(guò)短節(jié)安裝在油管上，在流動(dòng)管外部），兩者結(jié)構(gòu)和差別如圖3所示[4]。

圖2 地面控制式井下安全閥安全示意圖Fig.2 The structure diagram of a SCSSV

圖3 鋼絲和油管回收式安全閥的比較Fig.3 Comparisons of slickline and tubing-retrievable SSVs

另一類為井下控制式安全閥(Subsurface Controlled Safety Valves，為SSCSV)[4]，其控制過(guò)程是在井下被動(dòng)式完成的。井下有明顯的流體流動(dòng)或壓力變化都可以用來(lái)關(guān)閉安全閥。早期的井下控制式安全閥工作原理，閥門(mén)上安裝了限制流量的節(jié)流管，隨著管內(nèi)液流變化在流管左、右兩端產(chǎn)生使安全閥被動(dòng)開(kāi)啟的壓差，如圖4所示。

依據(jù)封堵結(jié)構(gòu)劃分，當(dāng)安全閥遇到緊急情況需要安全閥封堵油氣通道，通?？梢酝ㄟ^(guò)球閥或瓣閥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖5，圖6。

圖4 典型井下控制式安全閥Fig.4 An typical downhole control safety valve

若按照平衡方式，目前有兩種方法實(shí)現(xiàn)平衡安全閥上、下的壓力：一種是通過(guò)地面液壓控制系統(tǒng)向油管內(nèi)加壓；一種是在安全閥內(nèi)部安裝平衡機(jī)構(gòu)(鋼絲工具(一般扭簧結(jié)構(gòu)))[5]。

2 國(guó)內(nèi)外井下安全閥現(xiàn)狀

井下安全閥從出現(xiàn)到現(xiàn)在約經(jīng)歷了70 a[4]，國(guó)外可以生產(chǎn)安全閥的公司很多，代表性公司有斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯、威德福，均已推出了多套油管回收式井下安全閥產(chǎn)品，并先后投人現(xiàn)場(chǎng)并成功應(yīng)用。

2.1 斯倫貝謝井下安全閥

斯倫貝謝公司現(xiàn)有安全閥產(chǎn)品主要有5大系列：TRC-II、TRM、Pinnacle、Reliance及SlimTech[6]，產(chǎn)品最大特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了腐蝕的影響。使用溫度為4～149?C，壓力一般有 34.5和68.9 MPa兩個(gè)級(jí)別，但Pinnacle類型可以適合超高溫高壓，溫度可達(dá)204?C，壓力可達(dá)137.9 MPa；可供選擇尺寸為60.33～177.80 mm，較常用為88.90，114.30和139.70 mm；最深安裝一般小于2 000 m，對(duì)于腐蝕嚴(yán)重井況，有SlimTech（2 438 m）和TRCII（3 658 m）兩款安全閥可以供選擇。此外，斯倫貝謝優(yōu)化了幾種安全閥產(chǎn)品的移動(dòng)元件及連接處結(jié)構(gòu)、增加了密封位置的可靠性、采用ScaleGard抗結(jié)垢涂層處理被流體浸泡表面，并對(duì)177.80 mm的SlimTech型安全閥進(jìn)行了“砰然”開(kāi)/關(guān)率測(cè)試。

圖5 安全閥為球閥結(jié)構(gòu)開(kāi)啟與關(guān)閉Fig.5 The open and close of ball-valve structure

圖6 安全閥為瓣閥結(jié)構(gòu)開(kāi)啟與關(guān)閉Fig.6 The open and close of flapper-valve structure

2.2 哈里伯頓井下安全閥

哈里伯頓公司現(xiàn)有安全閥產(chǎn)品主要有3大系列：NETM、SPTM 及 DepthStar?[7]，產(chǎn)品最大特點(diǎn)是一般用于高溫高壓等惡劣井環(huán)境。壓力一般有34.5和68.9 MPa兩個(gè)級(jí)別；安全閥外徑從60.30～244.50 mm，但以88.90，114.30和 139.70 mm系列最多；最深安裝一般在深水或深井區(qū)域都超過(guò)了1 500 m，DepthStar?系列最為先進(jìn)，使用獨(dú)特的磁耦合器，能根據(jù)完井需要設(shè)定安放深度；此外，哈里伯頓公司增加了安全閥對(duì)巖屑和固體處理能力，不僅有主動(dòng)巖屑柵欄，還有引導(dǎo)槽和清潔環(huán)等，使用非彈性體動(dòng)態(tài)活塞密封、金屬對(duì)金屬閥體連接等增加用以提高作業(yè)可靠性。

2.3 貝克休斯井下安全閥

貝克休斯公司現(xiàn)有井下安全閥產(chǎn)品都是以Select TTM系列為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，先后推出了Onyx 10E系列、REACHTMPerformance系列及DeepShieldTM深水系列等3類安全閥[8]，產(chǎn)品最大特點(diǎn)是使用條件帶有明確目標(biāo)性。有適合高溫相對(duì)中、低壓下大井眼的Onyx 10E系列，還有高溫高壓下的深井、超深水及惡劣環(huán)境的REACHTM系列，以及高溫中、高壓下控制設(shè)備壓力有限的地方的DeepShieldTM系列，可用尺寸為88.90～244.50 mm，但以114.30和139.70 mm的系列最多；能滿足深井和超深井的安裝，最大深度可達(dá)6 096 m；此外，貝克休斯公司對(duì)井下安全閥密封處進(jìn)行了改進(jìn)，主要有非彈性體動(dòng)態(tài)活塞密封、RBTTM金屬對(duì)金屬螺紋技術(shù)、在關(guān)閉位置完全金屬對(duì)金屬密封等，近幾年也陸續(xù)發(fā)展了弧形閥板、自均衡系統(tǒng)、以及重簧載閉合技術(shù)減少開(kāi)啟壓力，同時(shí)，采取了防止巖屑和磨損措施，如活塞使用耐磨軸承與刮油環(huán)，以及兩套獨(dú)立的專利開(kāi)啟系統(tǒng)增加系統(tǒng)可靠性。

2.4 威德福井下安全閥

威德福公司的油管式井下安全閥主要是OpitimaxTM系列[9]，Opitimax系列油管回收式安全

閥包含 Model W(E)-5、WSP(E)-5/7.5/10及WSSP(E)-5幾種產(chǎn)品，其最大特點(diǎn)是可以根據(jù)完井需要配置閥板結(jié)構(gòu)和尺寸，但只供選擇尺寸和壓力等級(jí)不多?？梢赃m合中、低溫壓強(qiáng)不超過(guò)70 MPa固井與一般油氣井生產(chǎn)與注入完井，外徑也只有5種，其中適合114.30 mm安裝系列最多；最深安裝也只有304.8和609.6 m兩種，此外，威德福公司主要對(duì)安全閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，先后研究了非彈性體、弧形及高級(jí)薄型等閥板，通過(guò)使用金屬對(duì)金屬優(yōu)質(zhì)螺紋密封、非彈性體動(dòng)態(tài)密封以及過(guò)閥板自均衡機(jī)構(gòu)減少泄露路徑提高整個(gè)系統(tǒng)密封可靠性。

2.5 國(guó)內(nèi)井下安全閥產(chǎn)品

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)擁有井下安全閥產(chǎn)品并不多，只發(fā)現(xiàn)川南航天能源有限公司SV系列井下安全閥[10]以及浙江惟其信石油機(jī)械有限公司生產(chǎn)的200W TSV-5B/5X/10B/10X井下安全閥[11]等。國(guó)內(nèi)井下安全閥公司往往與4大石油公司合作，或進(jìn)行聯(lián)合研制生產(chǎn)或代售產(chǎn)品（可選安全閥生產(chǎn)材料均為國(guó)外安全閥常用材料型號(hào)）。以川南航天能源有限公司的SV系列井下安全閥為例進(jìn)行說(shuō)明，SV安全閥是一種油管回收式井下安全閥，它是通過(guò)連接到地面的管線控制閥板的開(kāi)啟和關(guān)閉，腔體采用密封圈+金屬對(duì)金屬硬密封結(jié)構(gòu)技術(shù)，該系列安全閥有平衡式和非平衡式兩種產(chǎn)品可供選擇，根據(jù)所適應(yīng)管徑不同，具體型號(hào)有SV-288TB1-50、SV-350TB1-50及 SV-450TB1-50。

2.6 井下安全閥產(chǎn)品比較

根據(jù)上述的公司網(wǎng)站上的井下安全閥產(chǎn)品公開(kāi)資料[6-11]，對(duì)其進(jìn)行了產(chǎn)品比較，具體情況如表2。

表2 4大石油公司與川南能源井下安全閥產(chǎn)品比較Tab.2 SCSSVs′Comparisons of 4 oil service companies in the world with Chuannan Energy Technology Co.Ltd.

從表2可見(jiàn)，4大石油公司與川南能源井下安全閥產(chǎn)品既有共性又各具特點(diǎn)，共性在于液壓執(zhí)行系統(tǒng)都使用了非彈性體密封，閥板結(jié)構(gòu)都采用弧形閥板與過(guò)閥板均衡系統(tǒng)。而斯倫貝謝公司產(chǎn)品主要特點(diǎn)是產(chǎn)品齊全以及抗結(jié)垢表面涂層，但可在金屬密封與巖屑防護(hù)裝置方面進(jìn)行研究進(jìn)一步增強(qiáng)安全閥可靠性使用壽命；哈里伯頓公司產(chǎn)品主打產(chǎn)品為SPTM系列，涵蓋常用油管尺寸，具有等高線閥板、側(cè)孔自平衡與巖屑防護(hù)裝置、磁耦合器等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但可在金屬密封、閥座結(jié)構(gòu)與表面涂層方面進(jìn)行研究增強(qiáng)安全閥可靠性使用壽命；貝克休斯公司產(chǎn)品特適合深井及深水井，相比較而言具有較低開(kāi)啟壓力，可以在閥座結(jié)構(gòu)與表面處理及巖屑防護(hù)等方面進(jìn)行研究增強(qiáng)安全閥的可靠性與使用壽命；威德福井下安全閥可選產(chǎn)品不多，但可根據(jù)完井需要選擇不同的閥板外形，可在巖屑防護(hù)裝置以及表面涂層方面進(jìn)行研究進(jìn)一步增強(qiáng)安全閥可靠性使用壽命；川南能源公司井下安全閥產(chǎn)品使用了派克公司的OE活塞組合密封進(jìn)行活塞密封，但OE組合密封受到使用溫度與工作壓力限制[12]而只能適合淺井完井，亟需在金屬密封、閥座結(jié)構(gòu)、表面涂層以及液壓執(zhí)行系統(tǒng)等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

根據(jù)產(chǎn)品資料對(duì)井下安全閥環(huán)境溫度壓力環(huán)境使用情況進(jìn)行分類[13]，詳細(xì)情況如表3所示。

表3 井下安全閥應(yīng)用環(huán)境比較Tab.3 SCSSVs′application environment comparisons

由表3可知，現(xiàn)有安全閥水平產(chǎn)品絕大多數(shù)可以滿足高溫與中、低壓條件下使用，也有少量極高溫與極高壓產(chǎn)品，超高溫高壓只有貝克休斯與斯倫貝謝公司所有，而川南機(jī)械廠產(chǎn)品不僅使用溫度與壓力都與國(guó)外同類型產(chǎn)品存在很大差距。根據(jù)石油工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，超高溫高壓井下安全閥是國(guó)外4大石油服務(wù)公司研究與開(kāi)發(fā)的方向。

3 油管回收式安全閥研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

3.1.1 安全閥選用與可靠性方面

Imbo等總結(jié)了當(dāng)?shù)孛婵刂埔簤合到y(tǒng)出現(xiàn)故障，地面液壓控制油管回收式（第一選項(xiàng)）以及常用鋼絲可回收式井下安全閥（第二選項(xiàng)）均不能使用時(shí)，但鋼絲電磁地面控制井下安全閥（第三選項(xiàng)）是合格的，并具有良好的安全性[14]。

Rausand等以近海石油和天然氣生產(chǎn)井使用的地面控制式井下安全閥為特定數(shù)據(jù)組，主要討論了選擇威布爾壽命分布來(lái)替代指數(shù)分布的結(jié)果：對(duì)隨機(jī)審查數(shù)據(jù)集的平均故障時(shí)間和平均死區(qū)時(shí)間率進(jìn)行了評(píng)估，而這些評(píng)估顯示出相對(duì)于威布爾參數(shù)多樣性的非魯棒性[15]。

Robinson通過(guò)分析井下安全閥的應(yīng)用可靠性及適用性，得出其可靠性歷史記錄可以用作指導(dǎo)并預(yù)測(cè)流體控制的表現(xiàn)，且所顯現(xiàn)的期望流量控制性能比預(yù)測(cè)更佳[16]。

Thai等根據(jù)第十二版API 14A標(biāo)準(zhǔn)和新的V-1H驗(yàn)證等級(jí)，結(jié)合高溫高壓環(huán)境下井下安全閥應(yīng)用情況，制定了一套由供應(yīng)商和操作員進(jìn)行合作“適合于服務(wù)”的驗(yàn)證測(cè)試方案[17]。

3.1.2 新型安全閥與閥間相互轉(zhuǎn)化

LeBoeuf等舉例說(shuō)明墨西哥灣海底完井使用磁耦合井下安全閥能夠解決普通井下安全閥不能適合海洋復(fù)雜環(huán)境下完井等問(wèn)題[18]。

Yateem等利用油管可回收式安全閥轉(zhuǎn)化為鋼絲回收式井下安全閥，進(jìn)而避免修井作業(yè)。同時(shí)，也列舉了防止它們之間相互轉(zhuǎn)換常見(jiàn)的緩解措施[19]。

3.1.3 表面涂層研究

Charpentie等針對(duì)井下安全閥表面結(jié)垢問(wèn)題用7個(gè)不同性質(zhì)的涂層進(jìn)行過(guò)測(cè)試，并對(duì)防垢涂料的控制因素進(jìn)行了討論[20]。

Kumar等利用微痕測(cè)試儀研究一種基于特殊設(shè)計(jì)微、微納米表面紋理處理的低表面能材料涂層的機(jī)械強(qiáng)度以及在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了結(jié)垢增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)[21]。

3.1.4 安全閥新型用途

Ehtesham等提出了一種可在連續(xù)油管、連接管和連續(xù)油管-連接管混合管使用井下安全閥的技術(shù)。安全閥于在連續(xù)油管和連接管的交界處，且是混合管的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，可以被壓力驅(qū)動(dòng)，從而打開(kāi)或關(guān)閉所述井筒的流路[22]。

Wagner針對(duì)典型井下安全閥的擋板式關(guān)閉機(jī)構(gòu)禁止安裝毛細(xì)管或過(guò)管通道而保證緊急情況能完全關(guān)閉，提出通過(guò)在地面控制安全閥/安全閥坐落短節(jié)里面配置過(guò)管毛細(xì)管系統(tǒng)，重新連接液壓系統(tǒng)到地面控制安全閥/安全閥坐落短節(jié)可以增加少鉆能力，同時(shí)保持了安全閥的功能，但未見(jiàn)產(chǎn)品與相關(guān)試驗(yàn)報(bào)道[23]。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

3.2.1 井下安全閥設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

周大偉等采用理論研究、分析計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法對(duì)井下安全閥開(kāi)展研究，完成了三維實(shí)體建模以及重要零部件的有限元分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)安全閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[24]。然而作者所建立的有限元模型未能給出簡(jiǎn)化和假設(shè)的參考依據(jù)。

牛貴鋒等采用準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)值模擬方法，對(duì)井下安全閥閥板受流場(chǎng)影響進(jìn)行了研究。在流體模擬計(jì)算過(guò)程中將濕蒸汽兩相流理論與工程熱物理中的流體熱物性計(jì)算方法有機(jī)結(jié)合，解決了閥體內(nèi)流體參數(shù)及溫度場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題。由于閥板打開(kāi)過(guò)程是一個(gè)困難和緩慢的過(guò)程，文中很多結(jié)論得出基于一般假設(shè)，未進(jìn)一步用試驗(yàn)進(jìn)行論證[25]。

李英松等針對(duì)海上油氣田常用的井下安全閥，通過(guò)有限元分析的方法對(duì)啟閉閥板的流體動(dòng)力學(xué)和應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)分析，得出了安全閥啟閉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓差隨開(kāi)啟角度的增大，兩側(cè)壓差呈減小趨勢(shì)[26]。

黎偉等設(shè)計(jì)了一種滑套式井下安全閥，采用有限元的方法對(duì)井下安全閥由開(kāi)啟到關(guān)閉的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬，針對(duì)不同倒角情況下，對(duì)滑套閥內(nèi)部流場(chǎng)特性和所受壓力的變化規(guī)律進(jìn)行分析，但未見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相關(guān)報(bào)道[27]。

李美求等針對(duì)現(xiàn)有自平衡井下安全閥的自平衡時(shí)間和中心管下移時(shí)間匹配與協(xié)調(diào)的問(wèn)題，首先建立自平衡安全閥振動(dòng)力學(xué)模型，隨后推導(dǎo)了自平衡式井下安全閥開(kāi)閥時(shí)自平衡響應(yīng)時(shí)間與平衡閥的幾何尺寸及位置之間的函數(shù)關(guān)系，最后通過(guò)某公司的FVL型井下安全閥進(jìn)行實(shí)例論證[28]。

李常友等針對(duì)淺海油田開(kāi)發(fā)和安全環(huán)保的要求，研制了SC35–120A型井下安全閥，并對(duì)其進(jìn)行了開(kāi)關(guān)靈活性、密封性和安全可靠性的室內(nèi)試驗(yàn)及淺海油田10余口油井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。但存在不銹鋼工件的螺紋加工難度較大，廢品率高，加工成本過(guò)高等問(wèn)題[29]。

中國(guó)海油所屬海油發(fā)展工程技術(shù)公司自主研發(fā)并獲專利的耐高溫井下安全閥，于2015年5月成功進(jìn)行350?C高溫試驗(yàn)，但未見(jiàn)進(jìn)一步公開(kāi)報(bào)道[30]。

孔學(xué)云等在分析井下安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制了88.9mm油管攜帶式井下安全閥，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)油氣井中流體的控制。但安全閥在高溫、高壓和深水等油氣井中應(yīng)用的技術(shù)難題仍未解決[31]。

3.2.2 井下安全閥室內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

2012年，吳迪對(duì)井下安全閥的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一套符合API 14A標(biāo)準(zhǔn)的井下安全閥液體綜合檢測(cè)系統(tǒng)，并完成包括泄漏試驗(yàn)在內(nèi)的相關(guān)井下安全閥驗(yàn)證試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，王戰(zhàn)友也完成氣體綜合試驗(yàn)系統(tǒng)及相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。兩人試驗(yàn)研究都存在著試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性欠缺的問(wèn)題，只能進(jìn)行了單一（液體或氣體）檢測(cè)試驗(yàn)[32-33]。

尚春民等在研究井下安全閥測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)API 14標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一套基于PLC和Lab-VIEW軟件控制程序的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并完成該系統(tǒng)在使用前所需進(jìn)行的功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)：泄漏測(cè)試、欠平衡測(cè)試、一級(jí)流測(cè)試以及二級(jí)流測(cè)試。但該系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果未與API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比[34]。

李政從井下安全閥的主要試驗(yàn)內(nèi)容出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器和PCI板卡的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，完成安全閥測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)多項(xiàng)液體試驗(yàn)和氣體試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)獲取的液控壓力信號(hào)應(yīng)用小波分析進(jìn)行信號(hào)處理，取得了較好的識(shí)別效果[35]。但測(cè)試系統(tǒng)只模擬了高壓環(huán)境下井下安全閥的工作情況，還需增加測(cè)試溫度方面的考慮。

張福濤根據(jù)API 14A關(guān)于井下安全閥檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)了液體壓力與泄漏檢測(cè)、液體循環(huán)檢測(cè)等系統(tǒng)，且滿足了API 14A規(guī)定的檢測(cè)內(nèi)容，但該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未在實(shí)際作業(yè)中做進(jìn)一步檢測(cè)與改進(jìn)[36]。

肖忠哲通過(guò)對(duì)氣井安全控制技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于紫金橋6.0為上位機(jī)工控軟件的氣井安全控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。但應(yīng)用條件很有限，而且未能按照API 14A或ISO的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[37]。

4 井下安全閥國(guó)產(chǎn)化思考

4.1 目前現(xiàn)狀問(wèn)題

總的來(lái)說(shuō)，在井下安全閥領(lǐng)域內(nèi)，核心的關(guān)鍵的技術(shù)基本上為全球4大石油服務(wù)公司所掌握，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也被它們壟斷，而國(guó)內(nèi)不僅缺乏相關(guān)的理論研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等方面的積累及專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)(軟件方面），還缺乏安全閥相應(yīng)使用材料、先進(jìn)加工方法以及檢測(cè)設(shè)備（硬件方面）[38-40]。

4.2 亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)

井下安全閥研發(fā)加工涉及到機(jī)械、液壓、密封、流體、控制、材料等諸多學(xué)科[41]，而且要考慮溫度、壓力、地層深度、腐蝕性以及安全閥開(kāi)啟時(shí)高壓差等影響因素；研發(fā)過(guò)程中需要考慮在高溫高壓下液壓執(zhí)行器來(lái)回運(yùn)行過(guò)程中的密封與可靠性，同時(shí)需要解決安全閥多個(gè)元件金屬對(duì)金屬密封等問(wèn)題；加工生產(chǎn)過(guò)程中需要保證安全閥金屬對(duì)金屬螺紋加工精度，閥板及閥座安裝配合間隙；功能測(cè)試與API/ISO試驗(yàn)階段需要利用專業(yè)認(rèn)證安全閥的檢測(cè)設(shè)備；現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)驗(yàn)證中又存在施工單位對(duì)國(guó)產(chǎn)井下設(shè)備信心等問(wèn)題。相對(duì)國(guó)外，中國(guó)在材料高級(jí)加工制造等領(lǐng)域還存在不少差距，且對(duì)高溫高壓下金屬對(duì)金屬密封與可靠性方面研究較少[42]，國(guó)外可借鑒的地方也不多。

4.3 解決方法與國(guó)產(chǎn)化思考

由于目前國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行井下安全閥的較為系統(tǒng)的研究工作，而國(guó)外已有較為成熟的系列產(chǎn)品，因此，進(jìn)行井下安全閥國(guó)產(chǎn)化研究，應(yīng)采用引進(jìn)吸收再創(chuàng)新的方式，結(jié)合一般陸上油田采用井深3 000 m×114.3 mm的不加厚型的生產(chǎn)管柱工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，技術(shù)路線如圖7所示。

首先，需結(jié)合全球4大石油服務(wù)公司的井下安全閥產(chǎn)品對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行研究，按照其主要實(shí)現(xiàn)功能，分成3部分：連通系統(tǒng)、金屬-金屬密封以及過(guò)閥板壓力平衡系統(tǒng)，隨后進(jìn)一步細(xì)化研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合3 000 m×114.3 mm完井管柱一般工況和相關(guān)的配套設(shè)備（一般為井口壓力設(shè)備）來(lái)確定井下安全閥的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析的方法對(duì)設(shè)計(jì)方案與要求進(jìn)行初步判定，若達(dá)到要求則先后進(jìn)行功能試驗(yàn)與樣機(jī)試制，若未能達(dá)到要求則返回最初的工作機(jī)理方面的研究。同理，依次進(jìn)行功能試驗(yàn)與樣機(jī)試制、API/ISO檢測(cè)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)驗(yàn)證試驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)驗(yàn)證試驗(yàn)之前，還得對(duì)安全閥進(jìn)行侵泡表面涂層處理，這樣可以增加井下安全閥使用壽命和可靠性。待上述步驟進(jìn)行完后，所設(shè)計(jì)的安全閥可以定型并進(jìn)行小批量加工生產(chǎn)。

圖7 井下安全閥國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)思路Fig.7 The design concept of localization of SCSSVs

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）井下安全閥經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外井下閥已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，而國(guó)內(nèi)對(duì)井下安全閥的研究尚處于起步階段；目前國(guó)外研究主要集中在安全閥最優(yōu)選用與可靠性方面、與其他井下設(shè)備搭配實(shí)現(xiàn)新功能、以及被流體侵泡表面的涂層研究，國(guó)內(nèi)暫時(shí)只能對(duì)井下安全閥進(jìn)行初步設(shè)計(jì)與生產(chǎn)以及外國(guó)成熟產(chǎn)品的室內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

（2）4大石油服務(wù)公司安全閥產(chǎn)品各具特點(diǎn)，能滿足不同完井作業(yè)需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大同小異，現(xiàn)有產(chǎn)品創(chuàng)新基本上集中在液壓控制管線與閥體液壓腔連接處管線集成系統(tǒng)，高效活塞執(zhí)行器與動(dòng)態(tài)密封、金屬對(duì)金屬密封技術(shù)以及過(guò)閥板壓力均衡系統(tǒng)等方面，新型產(chǎn)品呈現(xiàn)在深井、超深井智能化控制領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)（安全閥開(kāi)啟壓力不受控制系統(tǒng)、最深安裝及環(huán)境壓力溫度）；國(guó)內(nèi)公司產(chǎn)品只能適合淺井壓力不高條件，密封一般采用國(guó)外彈性體密封組合。

（3）井下安全閥要實(shí)現(xiàn)真正國(guó)產(chǎn)化，需要解決連通系統(tǒng)、金屬對(duì)金屬密封及過(guò)閥板壓力均衡系統(tǒng)等核心難題，而中國(guó)不僅缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)積累，還缺少專有研發(fā)相關(guān)檢驗(yàn)設(shè)備等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，中國(guó)應(yīng)加緊安全閥的研制，發(fā)展性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、智能化并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全閥產(chǎn)品，并進(jìn)行市場(chǎng)開(kāi)拓和推廣，形成標(biāo)準(zhǔn)化與系列化，打破國(guó)外公司在中國(guó)市場(chǎng)的壟斷局面。

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