鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)低節(jié)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(guó)石油華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司；2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)研究中心

天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)在解決天然氣應(yīng)急調(diào)峰、優(yōu)化管道運(yùn)行以及保障國(guó)家能源安全等方面發(fā)揮著重要作用［1-2］。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(yōu)點(diǎn)；單腔體積大，平均約20 萬m3，較大腔體可達(dá)40 萬m3，一旦發(fā)生井噴后果不堪設(shè)想。井下安全閥是一種防止井噴、保證生產(chǎn)安全的井下工具［3-5］。為了防止注氣排鹵過程、井下作業(yè)過程以及長(zhǎng)期注采氣運(yùn)行中可能發(fā)生的腔體內(nèi)高壓天然氣井噴事故，建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)時(shí)必須在注采完井作業(yè)過程中下入井下安全閥，以達(dá)到出現(xiàn)異常情況時(shí)能及時(shí)關(guān)閉流體通道，確保生產(chǎn)安全的目的［6-9］。項(xiàng)目組在金壇儲(chǔ)氣庫(kù)開展注氣排鹵管柱一體化工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，井下安全閥處存在嚴(yán)重節(jié)流導(dǎo)致的排鹵效率低的問題，有必要研制一款與本工藝系統(tǒng)配套的新型低節(jié)流井下安全閥。

1 研制方案及計(jì)算過程

目前，國(guó)外大型油田服務(wù)公司如Baker Hughes、Schlumberger 和Hajliburton 等都自主研發(fā)了各種規(guī)格井下安全閥，符合API 標(biāo)準(zhǔn)的?139.7 mm 套管用井下安全閥的主要技術(shù)規(guī)范如表1 所示。通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)Baker Hughes 公司的FVLDS(E) 型套管用井下安全閥設(shè)計(jì)最為緊湊，其最大外徑為?193.04 mm，最小內(nèi)徑為?115.87 mm。根據(jù)套管規(guī)格，?244.5 mm 套管內(nèi)徑為?220.52 mm。

表1 符合API 標(biāo)準(zhǔn)的?139.7 mm 套管用井下安全閥主要技術(shù)規(guī)范表Table 1 Main technical specifations of downhole safety valve used in ?139.7 mm casing in accordance with API

經(jīng)計(jì)算可得FVLDS(E)型?139.7 mm 套管用井下安全閥外最小環(huán)空面積為

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

經(jīng)計(jì)算可得?139.7 mm 套管外環(huán)空面積為

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

計(jì)算結(jié)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(dāng)氣流經(jīng)過井下安全閥時(shí)，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(dǎo)致注氣排鹵過程中存在明顯節(jié)流。此外，受節(jié)流壓差影響，高速?zèng)_蝕的氣流易導(dǎo)致井下安全閥液壓管線高頻振動(dòng)從而造成工具失效。依據(jù)以上分析，確定了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)?139.7 mm 套管用低節(jié)流井下安全閥的改進(jìn)設(shè)計(jì)思路：(1)所設(shè)計(jì)井下安全閥的外徑盡可能小，以減小內(nèi)外管環(huán)空節(jié)流影響；(2)所設(shè)計(jì)井下安全閥的內(nèi)徑盡可能大，以最大限度的提高排鹵速度。

確定低節(jié)流井下安全閥設(shè)計(jì)方案：優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yōu)化活塞桿密封組件材料，具有化學(xué)惰性，性能不受環(huán)境影響；弧形閥板結(jié)構(gòu)中采用新材料，使之在同樣具有壓力平衡結(jié)構(gòu)的前提下減小安全閥外徑。

經(jīng)設(shè)計(jì)，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(dòng)下工具的可靠性；將活塞桿密封組件設(shè)計(jì)為非橡膠材料，性能穩(wěn)定；安全閥的核心部件弧形閥板結(jié)構(gòu)采用機(jī)械性能優(yōu)異的S13Cr-P110 新材料，內(nèi)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(shí)也保證了安全閥的耐壓等級(jí)和產(chǎn)品的抗腐蝕能力。

相同井身結(jié)構(gòu)下，新研制的?139.7 mm 套管用SVT5 低節(jié)流井下安全閥外環(huán)空最小過流面積增大為

式中，Ad為低節(jié)流井下安全閥外環(huán)空最小過流面積，mm2；Dd為低節(jié)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(jié)流井下安全閥降低了井下安全閥處29.51%的節(jié)流，取得良好效果。

2 結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

新研制的SVT5 低節(jié)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(jìn)行下入和回收。當(dāng)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)注氣排鹵完井作業(yè)過程中安全閥正確安裝后，可通過連接到地面緊急關(guān)井系統(tǒng)的液壓控制管線進(jìn)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(dòng)活塞向下移動(dòng)的同時(shí)壓縮彈簧到一定壓力時(shí)，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(tài)，一旦液控管線壓力被釋放，彈簧就會(huì)推動(dòng)活塞上移，閥板自動(dòng)關(guān)閉，阻斷流通通道，保障地下儲(chǔ)氣庫(kù)的安全。SVT5 低節(jié)流井下安全閥主要材料采用S13Cr-P110，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 SVT5 低節(jié)流井下安全閥結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of SVT5 low-throttling downhole safety valve

SVT5 低節(jié)流井下安全閥的主要技術(shù)參數(shù)見表2?；钊乓后w積是指開啟安全閥需要的控制液體積，此參數(shù)是理論計(jì)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(huán)空井液的密度。另外，安全閥的安全拉力指安全閥內(nèi)部連接的強(qiáng)度參數(shù)，不包含兩端的連接(其可能更低)。若兩端的油管螺紋連接強(qiáng)度與產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度不同時(shí)應(yīng)取兩者中的較小值。

3 室內(nèi)測(cè)試

針對(duì)新研制的SVT5 低節(jié)流井下安全閥，以GB/T 28259—2012 石油天然氣工業(yè)-井下設(shè)備-井下安全閥與ANSI/API Spec 14A 井下安全閥設(shè)備規(guī)范為依據(jù)進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試［10-11］。測(cè)試結(jié)果表明，新研制的SVT5 低節(jié)流井下安全閥的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合ANSI/API Spec 14A 井下安全閥設(shè)備規(guī)范要求。室內(nèi)測(cè)試內(nèi)容如下。

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

(1)液壓控制管線及液控系統(tǒng)壓力測(cè)試結(jié)果見表3。通過表3 的數(shù)據(jù)可以看出，在保壓5 min 的時(shí)間里，液壓控制管線及液控系統(tǒng)壓力基本保持不變，控制腔和本體接頭無泄漏，符合安全設(shè)備規(guī)范要求。

表3 液控系統(tǒng)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Pressure test data of hydraulic control system

(2)安全閥的開啟關(guān)閉功能測(cè)試及5 次綜合測(cè)試結(jié)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(guān)壓力約為4.5 MPa。

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

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

表4 安全閥測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Test data of the safety vale

表5 液體泄漏速率測(cè)試數(shù)據(jù)Table 5 Test data of liquid leakage rate

表6 安全閥的關(guān)閉功能測(cè)試數(shù)據(jù)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(cè)試結(jié)果見表7。在保壓5 min 的時(shí)間內(nèi)，每分鐘最大泄漏速率僅為0.02 m3，符合規(guī)范要求。

表7 閥板下方N2 泄漏速率測(cè)試數(shù)據(jù)Table 7 N2 leakage rate tested below the valve plate

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2018 年12 月1 日，開始進(jìn)行井下安全閥功能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。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(jìn)鹵水站，排鹵壓力0.73 MPa，日排鹵1 426 m3；累計(jì)注氣386 542 Nm3(含試注氣量)，累計(jì)排鹵2 885 m3(含試注排鹵量)，關(guān)井，關(guān)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(guān)閥功能可靠，水密封試驗(yàn)合格。

2019 年4 月24 日，開始進(jìn)行采氣作業(yè)，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(guān)閉翼閥，安裝油壓表，關(guān)井。期間關(guān)閉井下安全閥，油管放空壓力降落為0 后關(guān)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(jié)論

(1)新研制的SVT5 低節(jié)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(dòng)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(jié)構(gòu)采用的S13Cr-P110 新材料，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)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(jié)流，同時(shí)減小了高速?zèng)_蝕的氣流導(dǎo)致的安全閥液壓管線高頻振動(dòng)。

(2)通過室內(nèi)測(cè)試，井下安全閥的開關(guān)功能及密封性指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合ANSI/API Spec 14A井下安全閥設(shè)備規(guī)范要求。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，新研制安全閥開關(guān)靈活可靠，水密封試驗(yàn)及氣密封試驗(yàn)均合格，證明其能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件。