井下安全閥力學性能分析

劉 鵬，羅建偉，王新濤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)①

井下安全閥是一種安放于井筒內(nèi)連接于油管上設定位置的安全裝置，在井口裝置失控時防止井噴和污染環(huán)境[1-2]。井下安全閥按控制方式分為地面液壓控制和井下流體自動控制2類，地面液壓控制又分鋼絲回收式和油管攜帶式，其中較常用的是地面液壓控制的油管攜帶式井下安全閥[3-5]。

井下安全閥對安全性和可靠性要求較高，目前油井中使用的安全閥在原理和力學性能上具有相似性[6-7]。筆者以渤海油田常用的一種油管攜帶式井下安全閥為研究對象，對其工作壓力、地面控制壓力、全開啟和全關閉壓力、最大下入深度和自平衡能力等關鍵力學性能進行分析，為設計和使用井下安全閥提供理論參考。

1 井下安全閥結(jié)構(gòu)原理

井下安全閥主要由控制密封部分、動力彈簧部分、自平衡部分和閥板密封部分等組成，如圖1所示。井下安全閥的開啟是通過地面的液控系統(tǒng)加壓，液壓經(jīng)液控管線作用于活塞，活塞推動中心管并壓縮彈簧，推開自平衡機構(gòu)的平衡銷，使閥板的上下壓力平衡。隨著液壓力的增加，中心管推開閥板并移至限定位置，使井下安全閥處于開啟狀態(tài)。井下安全閥的關閉是通過從地面切斷液控管線內(nèi)壓力，中心管在彈簧回復力的作用下移至原位，閥板在扭簧回復力作用下迅速關閉，封閉油管。同時，自平衡機構(gòu)的平衡銷也在簧片回復力的作用下回復原位，與閥板的自平衡孔配合形成金屬密封，使井下安全閥處于關閉狀態(tài)。

1—上接頭；2—液控管線；3—活塞；4—限位環(huán)；5—彈簧；6—中心管；7—連接套；8—平衡銷；9—閥板；10—簧片。

2 井下安全閥關鍵力學性能分析

2.1 工作壓力與液控壓力

井下安全閥的工作壓力是井下安全閥內(nèi)部壓力值，包括閥門關閉時的額定壓力[8-9]，其值由設計者依據(jù)生產(chǎn)井的實際情況選定，常選用的壓力分為常壓和高壓，常壓指34.5～41.4 MPa，高壓指69 MPa及以上。液控壓力是指在開啟和關閉井下安全閥時地面液控系統(tǒng)輸出的液壓，該壓力需克服活塞下方的液壓力，而活塞下方液壓力與井口壓力pt有關。pt的取值根據(jù)實際情況取得，當油井正常生產(chǎn)時，pt取值一般不超過10 MPa；當坐封封隔器時，pt取18 MPa左右。在選定工作壓力值時已考慮井口壓力，設計液控壓力常用的計算式為：

p1=p

(1)

式中：p1為地面液控壓力，Pa；p為工作壓力，Pa。

渤海油田大部分生產(chǎn)井井口允許的最大壓力值為21 MPa，井下安全閥的工作壓力值通常為34.5 MPa，地面的液控壓力值也選為34.5 MPa。

2.2 全開啟和全關閉液控壓力

井下安全閥的全開啟液控壓力是指在井下安全閥的閥板打開后，中心管移至限定位置瞬間，地面液控系統(tǒng)輸出的液壓；全關閉液控壓力是指井下安全閥的閥板關閉后，中心管恢復原位瞬間，地面液控系統(tǒng)輸出的液壓。這2個壓力值取決于井下安全閥的彈簧力和活塞移動時所受阻力大小，與井下安全閥的下入深度無關。確定上述2個壓力值的方法為壓力曲線法。

壓力曲線法是在試驗室內(nèi)向井下安全閥的液控管線泵入液壓，推動活塞動作，直至液壓值與工作壓力相等，通過讀取液壓泵的壓力-時間曲線來確定井下安全閥的全開啟液控壓力值。圖2～3分別是井下安全閥開啟和關閉時的壓力-時間曲線，拐點A對應的壓力即為井下安全閥的全開啟液控壓力。這是因為當向活塞施加液壓力時，由于活塞的移動，使活塞上方體積空間變大，從而延緩活塞上方液壓力的上升速率。當中心管移至限定位置而使活塞停止移動后，活塞上方液壓力的變化速率將遠大于活塞移動時壓力變化速率，因此A點對應的壓力為全開啟壓力；同理分析得到B點對應的壓力是全關閉液控壓力，其值與彈簧安裝時的預緊力大小有關。全關閉液控壓力越大，井下安全閥的關閉性能越可靠。將活塞、限位環(huán)和中心管整體作為一個受力體，全開啟和全關閉液控壓力值為：

圖2 開啟過程壓力-時間曲線

pK=(F+f1)/A

(2)

pG=(F0-f2)/A

(3)

式中：pK為全開啟液控壓力值，Pa；pG為全關閉液控壓力值，Pa；A為活塞面積，m2；F為井下安全閥的中心管移至限定位置時彈簧的張力，N；F0為彈簧安裝時的預緊力，N；f1為活塞下移過程中受到的摩擦阻力，N；f2為活塞上移過程中受到的摩擦阻力，N。

圖3 關閉過程壓力-時間曲線

2.3 下入深度

2.3.1 最大下入深度

井下安全閥的最大下入深度指井下安全閥下入深度未超過該深度時，生產(chǎn)井無論處于何種狀態(tài)，井下安全閥均可正常開啟和關閉。閥板開啟過程的力學關系式為：

(p1+ρ2gH)A=F+(pt+ρ1gH)A+f1

(4)

式中：pt為井口油管壓力，Pa；H為井下安全閥下入深度，m；ρ1為生產(chǎn)液密度，kg/m3；ρ2為液控管線內(nèi)液壓油密度，kg/m3。

由式(4)知，井下安全閥在開啟過程中，ρ1值可由地面液控系統(tǒng)控制，因此閥板的開啟可不考慮下入深度的影響。但閥板的關閉則需考慮，因為當ρ1=0時，控制井下安全閥的液控管線內(nèi)有靜液柱，靜液柱高度即為下入深度，該靜液柱壓力也可能開啟井下安全閥。閥板關閉過程的力學關系式

(p1+ρ2gH)A=F0+(pt+ρ1gH)A-f2

(5)

其中，H的最小值即為井下安全閥的最大下入深度。

在閥板關閉過程中，p1=0，F(xiàn)、f2和ρ2為定值，當井中液面低于井下安全閥下入深度時，pt=0，ρ1gH=0，由此得到H的最小值為：

Hmin=(F0-f2)/(ρ2gA)

(6)

式中：Hmin為H的最小值，m。

由式(6)知，井下安全閥的活塞面積越大，下入的深度越淺。當下入深度大于最大下入深度，且油管內(nèi)液面高度低于井下安全閥下入深度時，可得，此時井下安全閥僅靠液控管線內(nèi)靜液柱壓力即可開啟，并處于常開狀態(tài)。

2.3.2 實際下入深度

實際下入深度考慮了井下安全閥的液控管線破裂或出現(xiàn)泄露等情況。當出現(xiàn)上述情況，井下安全閥活塞上方的靜液柱壓力將由油套環(huán)空內(nèi)的完井液產(chǎn)生，且完井液的密度通常大于液壓油的密度，為確保安全，取極限情況，即井下安全閥活塞上方的靜液柱壓力全由完井液產(chǎn)生，且完井液的液面到達井口。

Hpra=(F0-f2)/(ρ3gA)

(7)

式中：Hpra為實際下入的最大深度，m；ρ3為完井液的密度，kg/m3。

對于普通井，只計算最大下入深度即可，因為已考慮了液控管線漏失等情況，并采取了相應的措施，例如設計2套獨立的液控系統(tǒng)。對井中流體要求較高的特殊井，例如高壓氣井、高含蠟井和稠油井等，需考慮井液密度和井內(nèi)溫度等因素，以準確估算井下安全閥的實際下入深度。

3.4 自平衡能力

井下安全閥在開啟時，若閥板下方壓力較高，即閥板的上下壓差較大時，僅靠液壓力推動活塞無法打開閥板。為解決此問題，井下安全閥通常具有自平衡機構(gòu)，且常用閥板上下允許的最大壓差來衡量該機構(gòu)的自平衡能力[10-12]。自平衡過程中平衡銷和中心管的受力如圖4所示。

圖4 平衡銷和中心管的受力分析

閥板上下允許的最大壓差為：

pu=K[(p1+ρ2gH)A-F1]/A1

(8)

式中：pu為閥板上下允許的最大壓差，Pa；F1為簧片的回復力，N；A1為閥板上自平衡孔面積，m2；K為安全系數(shù)，其值可通過試驗取得。

F1值較小，可忽略，則：

pu=K(p1+ρ2gH)A/A1

(9)

由式(9)可知，活塞面積與自平衡孔面積的比值越大，pu越大，自平衡能力越強，開啟時允許閥板的上下壓差越大。在安全閥實際開啟過程中，無論是否有自平衡機構(gòu)，通常都先向油管內(nèi)加平衡液壓，再向液控管線加壓，將閥板打開。

3 結(jié)論

1) 由地面液壓控制的油管攜帶式井下安全閥的工作壓力值與地面液控壓力值相等，其值選取依據(jù)為井口壓力值。

2) 全開啟和全關閉液控壓力值可通過壓力曲線法得到，其值與彈簧力和活塞所受阻力值有關。

3) 最大下入深度和實際下入深度均取決于彈簧安裝時的預緊力，預緊力越大，可下入的深度越深。當下入深度超過最大下入深度，井下安全閥可能因處于常開狀態(tài)而失效。

4) 井下安全閥的自平衡能力與活塞面積和自平衡孔面積的比值有關，比值越大，自平衡能力越強，閥板越容易打開。