关于井下安全阀的调研报告

　　评论：　更新日期：2015年10月18日

随着全球经济的发展，整个世界对于能源的要求与日俱增，供需矛盾也日益突出。世界各国越来越重视环境保护和安全生产，很多国家对油气井的安全生产都有详细的法律规定，强调位于人口稠密地区、重要经济区、海洋和内陆水域的、有自喷及外溢能力的油气井都要安装井下安全阀。海洋石油开采环境相比陆地石油开采环境恶劣，安全性要求高。目前，我国海上有自喷能力的油气井都安装有井下安全阀，陆上的一些油田也越来越多地在油气井中使用安全阀。海洋采油法规规定：在油气开采过程中，凡具有自喷或自溢能力的井都必须安装井下安全阀。
井下安全阀是一种安放于井筒内的连接于油管上设定位置的安全装置,其作用是在井口装置失控时，油气井就能够自动关闭，从而避免严重的人员伤亡、井喷和海洋污染等恶性事故的发生。

井下安全阀有很多种类型，井下安全阀按控制方式分为地面控制和井下控制; 按回收方式分为油管回收式和钢丝回收式, 目前，地面控制油管下入式应用最广泛。下面以这种类型的井下安全阀的结构说明其工作原理。如图2.1 所示，工作原理是将井下安全阀连接到油管某一深度，同时连接一条小直径不锈钢控制管线，从阀体连到地面并与自动控制系统连接起来，组成一套井下安全阀系统。油气井正常生产时，地面控制系统通过泵给安全阀提供液压油并使其自动保持在设定的打开压力下，液压力推动柱塞及中心管移动，同时压缩弹簧，中心管顶开阀板，井下安全阀处于打开状态。一旦出现紧急情况，地面控制系统可泄掉控制管线内的压力。这时，中心管和柱塞在弹簧力的作用下回到原位，阀板在扭簧的作用下关闭，封住油管的生产空间，井下安全阀处于关闭状态。
井下安全阀从产生到现在已经历了几十年每个零部件都经历了多次改进、完善, 从而使结构发生了较大的变化。下面按井下安全阀的主要零部件的完善、发展来说明其技术现状。
a 阀体密封方式

1—上接头；2、6、10、14、16、23—密封圈；3—活塞套；4—活塞;
5—上密封总成；7—下密封总成；8—中间接头；9—中心管；
11—弹簧垫圈；12—弹簧；13—弹簧套；15—阀板座；17—阀板套；
18—密封垫；19—销轴；20—扭簧；21—阀板；22—阀板总成套；24—下接头
图2.2 井下安全阀结构图
早期的井下安全阀采用球阀密封方式，球阀密封的缺点是球阀转动时摩擦力
大、可靠性差，更换密封件时球体和球座必须同时更换。因此，世界上新投产
的油气井井下安全阀多采用阀板密封方式，代替了球阀转动时摩擦力大、可靠性
差、更换密封件不方便的缺点。阀板密封是靠阀板上的锥面和密封座之间的配合产生的。如图2.2 所示井下安全阀结构的特点是阀板采用铰支结构固定于阀板套上，阀板套与弹簧套用螺纹连接，阀板与阀板座采用锥面密封并配带聚四氟乙烯密封圈，采用低压时阀板软密封、高压时阀板硬密封的双层密封。然而，在井下安全阀关闭过程中，普通阀板与阀座的接触过程为一次性完全接触，这种方式在油管内液体流速很大时，由于液体的冲击作用很有可能把阀板打碎。贝壳石油工具公司新研制井下安全阀在阀板与阀座的密封采用先3 点接触，其它密封部分后接触的方式来增加阀板与阀座的接触时间，减小接触冲击力，防止阀板由于液体冲击损坏，因而，这种密封技术被广泛采用。但我们也发现阀板密封仍存在一些缺点，如：阀板打开需要活塞行程较长，因此，当井下安全阀安装深度较大时，其控制压力容易达到极限，另外，这也增加了安全阀本体的长度，以致重量增加。
b 液缸活塞
井下安全阀的执行机构——液缸活塞机构，用于压缩弹簧推动中心管打开阀板。液腔内要保持压力以防止井下安全阀关闭，所以活塞的密封非常重要。运用活塞的优点是使中心管和活塞在一起运动的过程中，能够沿着同一中轴线推移，增强了执行机构的工作稳定性。但由于活塞直径大，密封圈长，从而增加了泄露的可能性，导致控制系统失灵。另外，由于活塞质量大，在阀板关闭过程中，弹簧需要克服活塞重力就大，这样对弹簧的弹性要求比较高。现有的井下安全阀大多将大直径活塞该为小直径柱塞，当然这种设计需要加工较高精度的细长孔，在加工上有一定难度，另外，也不能保证活塞和中心管沿着同一中轴线移动.
c 锁定方式
井下安全阀在高压情况下，容易导致密封圈刺破，造成液控系统卸压，井下安全阀将关闭并失去安全保护作用。这时，只能强制将阀板打开并锁住，使井下安全阀处于永久打开状态，以保证油气生产的正常进行，待油井作业时对井下安全阀进行更换。如图2.3 所示井下安全阀结构[8]的特点是锁定总成由锁套、锁簧、剪钉等组成，在液控系统失灵时，用钢丝工具使锁套剪短剪钉，强制推动活塞中心管下行顶开阀板，同时通过锁簧锁定中心管，使阀板处于开启状态。这种永久开锁锁定机构非常复杂，且可靠性不高，有时带有副作用。国外新研制的井下安全阀改变了永久开锁锁定方式，省去了复杂的开锁锁定机构，只是在阀板处下入一个弹性的钢圈将阀板撑开，这种设计既完成了永久开锁并锁定又大大简化了结构，给施工带来很大方便。

1—上接头；2、6、10、20—密封圈；3—传压套；4—锁套；5—锁簧；7—剪钉；
8—活塞；9—连接管；11—过度接头；12—中心管；13—弹簧；14—弹簧套；
15—固定套；16—阀板座；17—销子；18—扭簧；19—阀板；21—下接头
图2.3 井下安全阀结构
d 连通转换方式
井下安全阀液控管线内的压力在正常时与井下安全阀内部液体通道不连通，当井下安全阀阀板密封失效后，要用钢丝下入小直径的管内安全阀，并通过原来的液控管线对油井进行安全控制。九十年代的井下安全阀，液控压力被内密封套密封在液压腔内，当内密封套被钢丝工具撞击并将剪钉剪断下移后，液孔压腔就与井下安全阀的内部流体通道相通，再下入管内安全阀对油井进行安全控制。这种井下安全阀在连通转换结构上有许多缺点：
① 结构复杂、内密封套密封要求高，导致制造成本高；
② 在钢丝作业过程中，有可能撞坏内密封套，而导致井下安全阀失效。
国外新研制的井下安全阀克服了这些缺点，对连通方式进行了改进，由内密封套下移式改为打眼式。当需要连通时，只需下入机械打眼工具在其薄弱部分钻眼可完成。然而， Dennistoun提出一种更便于后期补救的井下安全阀结构，在阀板失效后，可在井口用钢丝下入一管内安全阀装置，该管内安全阀可自身在井下安全阀薄弱部分完成钻孔，使液控管线柱式压腔与井下安全阀内部液体相通来控制管内安全阀。Dennistoun 提出的结构省略了从井口下入机械打眼工具,使施工更加方便。
随着世界上深井、超深井的数量和比例逐渐增多，对井下安全阀的要求也越来越高，使井下安全阀的研制增加了更多新的技术难点。例如在一些超深井中井下安全阀的安装深度达3048 米（10000 英尺），在这种高压情况下安全阀会出现很多问题：
① 控制压腔和安全阀内油气液体之间的动密封泄漏，导致油气进入控制压腔。
② 作用在柱塞上的控制压力要克服弹簧力和管内油气液体压力之和使柱塞推动中心管下移来打开阀板，这就要求相当大的控制压力，对控制管线的要求高。针对这些问题，国外的井下安全阀技术取得了飞快的发展。Vick发明了一种结构，该结构包括柱塞、弹簧、阀板、磁耦合装置(7、8)、中心管，如图2.4所示。其原理是控制压腔与环空腔之间的压差在柱塞上形成向下的力，柱塞带动磁体克服弹簧压力向下运动，由于存在磁耦合，油管内磁铁带动中心管推动阀板，直到井下安全阀完全打开。然而，Vick 的发明也有一定的缺点，在阀板关闭过程中仍需要很大的弹簧力克服控制管线流体静压力，当静压力过大时，阀板不能正常关闭。为此，Lauderdale设计出在阀板关闭过程中运用一平衡柱塞结构来平衡控制管线流体静压力，当控制系统卸压时，弹簧克服柱塞和中心管重力向上运动，直到阀板完全关闭。

1—上接头；2—控制管线；3—液压腔；4—密封圈；5—柱塞；6—中间接头；
7—环型永久磁铁1；8—环型永久磁铁2；9—弹簧1；10—弹簧2；11—中心管；
12—卸压孔；13—下接头；14—扭簧；15—阀板；
图2.4 安全阀结构图
（5）井下安全阀应用情况
由于海上油田环境恶劣、投资高、风险大，任何一点失误都会造成严重事故，
给国家财产带来重大损失，甚至威胁人员生命。因此，为了确保海上油气井的安
全生产，井下安全阀在油气井中取得了广泛的应用，在自喷井、电动潜油泵井和
注水井都装有安全阀。
我国海上油气井使用的地面控制油管下入式安全阀系统主要依赖于进口，在这方面的研究还相对薄弱。我国井下安全阀技术现处于初始研究阶段，国内现有井下安全阀系统由井下安全阀、管内安全阀、井口控制等部分组成。根据对国内井下安全阀系统相关研究成果技术资料的研究看出，国内井下安全阀技术在结构上仍存在不足，导致安全性不高。近些年来，国内一些科研机构逐渐对这方面进行了研究工作，但现有的设计还多处于测绘、仿制阶段，没有建设自己的设计方法和理论。国内生产井下安全阀的厂家也逐渐增多，但一些厂家生产出来的井下安全阀在技术上比较落后，结构上比较复杂，可靠性差，更不便于井下安全阀失效后的补救工作。