李寶龍，齊海濤，王明杰，左 凱，郝宙正，包陳義，孔學(xué)云，姚智翔，閆 紳

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

符號說明

D1—彈簧護(hù)筒和活塞密封直徑，mm

D2—外套和活塞密封直徑，mm

D3—金屬密封最大直徑，mm

D4—金屬密封最小直徑，mm

D—金屬密封直徑，mm

Fit—內(nèi)壓作用下活塞的合力，N

Fet—外壓作用下活塞的合力，N

pi—內(nèi)部壓力，MPa

pe—外部壓力，MPa

F0—彈簧的初始彈力，N

Fitmin—內(nèi)壓時(shí)金屬密封最小接觸力，N

Fitmax—內(nèi)壓時(shí)金屬密封最大接觸力，N

Fetmin—外壓時(shí)金屬密封最小接觸力，N

Fetmax—外壓時(shí)金屬密封最大接觸力，N

在油氣田開發(fā)過程中，電潛泵采油式的人工舉升方式非常普遍[1-3]，作為電潛泵采油完井工藝的關(guān)鍵工具，過電纜封隔器及其上的環(huán)空放氣閥是控制油氣井流體流動(dòng)的重要裝置[4-6]。當(dāng)環(huán)空放氣閥關(guān)閉時(shí)，過電纜封隔器和環(huán)空放氣閥共同控制油管和套管環(huán)空的流體通道，當(dāng)環(huán)空放氣閥開啟時(shí)，井下的氣體可以通過環(huán)空放氣閥的旁通孔流到地面系統(tǒng)，環(huán)空放氣閥還為更換管柱時(shí)提供了壓井通道。因此，環(huán)空放氣閥是完井中的重要工具。目前的環(huán)空放氣閥大多采用彈性密封，在閥開啟和關(guān)閉過程中，彈性密封要經(jīng)過本體上的旁通孔，多次開關(guān)后，彈性密封容易損壞，導(dǎo)致密封失效[7]。同時(shí)，彈性密封暴露在環(huán)空流體中，長時(shí)間的沖蝕也會(huì)導(dǎo)致其密封失效[8-9]。針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種新型的環(huán)空放氣閥。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

環(huán)空放氣閥由上接頭、彈簧護(hù)筒、彈簧、活塞、外套、閥芯、閥座、下接頭、O型密封圈(兩端擋圈)組成，如圖1所示。上接頭(1/4″ NPT螺紋)與液壓控制管線連接，液壓控制管線連接到地面控制系統(tǒng)，下接頭(1.9″NU螺紋)與過電纜封隔器連接。

1—上接頭；2—彈簧護(hù)筒；3—彈簧；4—活塞；5—外套；6—閥芯；7—閥座；8—下接頭；B1、B2、B3、B4、B5—密封圈。

該環(huán)空放氣閥是一種常閉閥，初始狀態(tài)下，彈簧處于壓縮狀態(tài)，推動(dòng)活塞和閥芯壓緊在閥座上，閥芯和閥座之間為金屬密封，密封面為球面。需要開啟時(shí)，地面控制系統(tǒng)向液壓控制管線加壓，液壓油通過外套和彈簧護(hù)筒之間的間隙進(jìn)入B2和B3兩道密封圈之間。由于B2處的密封直徑D1大于B3處的密封直徑D2，形成液壓面積差。當(dāng)液壓力達(dá)到一定值后，液壓力克服彈簧彈力，活塞在液壓力的作用下上移，帶動(dòng)閥芯上移，閥芯臺肩移動(dòng)到外筒臺肩處時(shí)，閥完全開啟。地面控制系統(tǒng)保持一定的液壓力，使閥保持開啟狀態(tài)。需要關(guān)閉時(shí)，液壓控制管線泄壓，在彈簧彈力作用下，活塞下移，帶動(dòng)閥芯壓到閥座上，形成金屬密封，在彈簧初始彈力的作用下，閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

2 技術(shù)參數(shù)

最大外徑

55 mm

工具總長

812 mm

上端螺紋

1/4″ NPT Box

下端螺紋

1.9″NU

額定工作壓力

35 MPa

完全關(guān)閉壓力

8.5 MPa

3 活塞受力計(jì)算

環(huán)空放氣閥密封面尺寸如圖1中D1、D2和圖2中的D3、D4。這4個(gè)密封尺寸有如下關(guān)系：D1>D2>D4>D2。當(dāng)閥芯和閥座的密封球面接觸后，在D3和D4之間形成金屬密封，記密封處的直徑為D。因此，各密封處直徑存在如下關(guān)系：D1>D>D2，其中D4

當(dāng)承受內(nèi)壓pi時(shí)，活塞受到的合力為：

由于D1>D，所以Fit>0，活塞合力向右。

當(dāng)承受外壓pe時(shí)，活塞受到的合力為：

由于D>D2，所以Fet>0，活塞合力向右。

綜上，無論該環(huán)空放氣閥承受內(nèi)壓還是外壓，液壓力均使閥芯壓緊在閥座上。內(nèi)壓或者外壓越大，閥芯在閥座上的壓緊力越高，提高了密封性能。同時(shí)，該設(shè)計(jì)避免了井下作業(yè)產(chǎn)生壓力波動(dòng)而誤打開環(huán)空放氣閥的風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)安全性。

a 閥芯金屬密封最大直徑

b 閥座金屬密封最小直徑

4 密封面受力分析

4.1 球面密封接觸力

球面密封承受彈簧初始彈力F0和內(nèi)壓/外壓產(chǎn)生的軸向作用力的作用，球面密封的接觸力如下：

當(dāng)承受內(nèi)壓pe時(shí)，

當(dāng)承受外壓pe時(shí)，

在不同內(nèi)壓和外壓條件下，球面密封的接觸力如表1。由表1數(shù)據(jù)可知，在相同的內(nèi)壓/外壓條件下，內(nèi)壓/外壓產(chǎn)生的金屬密封面接觸力相近。

4.2 球面密封應(yīng)力和接觸壓力

建立閥芯-閥座有限元模型如圖3所示，采用四面體網(wǎng)格劃分，球面密封處網(wǎng)格加密處理，閥芯上的球面設(shè)置為目標(biāo)面，閥座上的球面設(shè)置為接觸面。采用摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.05。材料彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3。閥座底面施加固定約束，閥芯頂面僅保留y方向的自由度，在閥芯頂面施加5 025 N的軸向壓縮載荷，閥座應(yīng)力和接觸面壓力云圖如圖4所示。由分析可知，閥座最大應(yīng)力為193.36 MPa，閥座球面密封面最大接觸壓力為194.25 MPa。滿足強(qiáng)度要求。

表1 不同內(nèi)壓/外壓條件下金屬密封面接觸力

a 閥芯-閥座有限元模型

b 閥座有限元模型

a 閥座應(yīng)力云圖

b 閥座接觸壓力云圖

5 室內(nèi)試驗(yàn)及分析

5.1 閥的開啟/關(guān)閉試驗(yàn)

將環(huán)空放氣閥上接頭連接控制管線，然后連接到測試設(shè)備上。由于環(huán)空放氣閥的活塞腔體積很小，在測試之前將試壓泵的排量和泄壓閥的開度調(diào)節(jié)到合適，并提高數(shù)據(jù)采集頻率，以捕捉環(huán)空放氣閥開啟和關(guān)閉時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)(初始開啟壓力、完全開啟壓力、初始關(guān)閉壓力、完全關(guān)閉壓力)。

環(huán)空放氣閥開啟關(guān)閉5次記錄曲線如圖5所示。

由于環(huán)空放氣閥是靠控制壓力克服彈簧彈力開啟，泄壓后靠彈簧彈力關(guān)閉，與井下安全閥原理類似[10]。因此，環(huán)空放氣閥開啟、關(guān)閉曲線和井下安全閥開啟、關(guān)閉曲線類似。

記錄的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

圖5 開啟/關(guān)閉閥5次壓力顯示界面

表2 閥的開啟和關(guān)閉壓力數(shù)據(jù)

該環(huán)空放氣閥完全開啟的平均壓力為12.9 MPa，完全關(guān)閉的平均壓力為8.36 MPa。每次的完全開啟壓力和完全關(guān)閉壓力在平均值的±1%以內(nèi)波動(dòng)，開啟和關(guān)閉壓力穩(wěn)定。

5.2 密封性能測試

密封性能測試包括內(nèi)部壓力測試和外部壓力測試。進(jìn)行內(nèi)部壓力測試時(shí)，將加壓接頭與下接頭連接，通過加壓接頭加壓35 MPa。進(jìn)行外部壓力測試時(shí)，將環(huán)空加壓接頭套在環(huán)空放氣閥上，在外套和下接頭之間形成密封，通過環(huán)空加壓接頭加壓35 MPa。

內(nèi)部壓力測試和外部壓力測試記錄曲線如圖6～7所示，加壓35 MPa壓力，穩(wěn)壓20 min，壓力不降，環(huán)空放氣閥密封性能測試合格。

圖6 內(nèi)部壓力顯示界面

6 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種油氣井用環(huán)空放氣閥。該環(huán)空放氣閥通過下接頭螺紋與過電纜封隔器連接，通過?6.35 mm(1/4英寸)控制管線連接到地面控制系統(tǒng)，密封機(jī)構(gòu)采用金屬密封。

圖7 外部壓力顯示界面

2) 環(huán)空放氣閥承受內(nèi)壓或者外壓，液壓力均使閥芯壓緊在閥座上，且壓力越大，閥芯在閥座上的壓緊力越高，提高了密封性能。該設(shè)計(jì)避免了井下作業(yè)產(chǎn)生壓力波動(dòng)而誤打開環(huán)空放氣閥的風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)安全性。

3) 35 MPa壓力條件下金屬密封最大接觸壓力為5 025 N，最大應(yīng)力為193.36 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4) 完全開啟的平均壓力為12.9 MPa，完全關(guān)閉的平均壓力為8.36 MPa。每次的完全開啟壓力和完全關(guān)閉壓力在平均值的±1%以內(nèi)波動(dòng)，開啟和關(guān)閉壓力穩(wěn)定。

5) 密封性能測試結(jié)果表明，環(huán)空放氣閥可滿足35 MPa內(nèi)壓和外壓密封要求。