焦　侃 張　磊 胡志新　

基于雙閥板式的新型井下安全閥設(shè)計

焦侃1,2張磊1,2胡志新1,2

（1.長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué)前沿裝備研究所，陜西 西安 710064）

目前，國內(nèi)井下安全閥的研制還處于初級階段，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封性差、可靠性低等問題。文章在分析研究國產(chǎn)單閥板井下安全閥所存在的問題基礎(chǔ)之上，充分借鑒現(xiàn)有井下安全閥先進(jìn)設(shè)計經(jīng)驗，提出了一種新型雙閥板式井下安全閥。該安全閥采用雙閥板式結(jié)構(gòu)，省去了傳統(tǒng)井下安全閥復(fù)雜的永久鎖定機構(gòu)，簡化了安全閥的結(jié)構(gòu)，提高了其工作效率。最后對安全閥的閥板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，運用有限元分析軟件ABAQUS對在沖擊載荷作用下的閥板進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)可以滿足生產(chǎn)任務(wù)要求。

井下安全閥；雙閥板式；有限元分析；沖擊載荷

引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對石油和天然氣的需求日益增大。隨著我國油田勘探和開發(fā)范圍的日益增大，向東部深海地區(qū)進(jìn)軍已成為必然的趨勢[1]。開發(fā)海洋區(qū)域的油氣資源對緩解我國能源短缺的局勢具有重要的意義。但在海洋區(qū)域采油過程中常因多種因素導(dǎo)致井噴事故，造成附近海域的污染和人員的傷亡。目前，多國對于海上石油天然氣的開采都有條例明確規(guī)定[2]，例如在海上油氣開采過程中，自噴井都必須安裝井下安全閥以保證生產(chǎn)安全。對于陸上的一些高壓自噴井，也要求在進(jìn)行油氣的開采作業(yè)前必須裝有井下安全閥。油氣井安裝井下安全閥系統(tǒng)后，一旦采油平臺出現(xiàn)重大災(zāi)害，油氣井就能自動關(guān)閉，從而避免嚴(yán)重的人員傷亡和海洋污染等惡性事件發(fā)生。

井下安全閥按照控制的方式不同可分為地面控制式和井下控制式，早期的井下安全閥多為井下控制式，這種安全閥的關(guān)閉是憑借節(jié)流管的上下流速差被動完成的[3]，由于節(jié)流管的存在而降低了油氣開采效率，因此現(xiàn)在的井下安全閥多為地面控制式。按照回收方式的不同，井下安全閥又可分為油管回收式和鋼絲繩回收式。一級井下安全閥多為油管回收式，其連接采油管下入井下。二級安全閥多為鋼絲繩回收式，當(dāng)一級井下安全閥失效后由鋼絲繩下入管內(nèi)二級安全閥代替一級閥工作[4]。本文所研制的雙閥板式安全閥為地面控制油管回收式井下安全閥。

對于井下安全閥的研制，國外起步較早[5]，四大石油服務(wù)公司威德福（Weatherford）、斯倫貝謝（Schlumberger）、貝克休斯（Baker Hughes）、哈里伯頓（Halliburton）都研制了多種適合各種不同環(huán)境下井下安全閥。威德福所生產(chǎn)的井下安全閥有兩個系列即Opiti-max TM與Opitimax[6]，特點是可根據(jù)不同的油氣井配置合適的密封閥板。此外威德福公司也對閥板與閥座的密封方式進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計并使用等高平面式薄形閥板的密封的方式，有效提高了閥板與閥座的密封性和穩(wěn)定性。斯倫貝謝公詞所生產(chǎn)的井下安全閥在設(shè)計過程中注重油井中腐蝕介質(zhì)對井下安全閥的影響，其TRM、Slim Tech[7]系列可適應(yīng)高溫高壓且腐蝕嚴(yán)重的油氣井。哈利伯頓公司所設(shè)計的SPTM[8]系列井下安全閥設(shè)計了阻攔柵格結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)能使安全閥臨時打開，方便了在安全閥之下進(jìn)行井下作業(yè)，增加了作業(yè)時的安全性。貝克休斯公司推出的REACHTM系列井下安全閥適用于超深高溫高壓油氣井，該系列井下安全閥對閥身連接處的密封結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)，采用梯形金屬螺紋密封方式，因此其預(yù)設(shè)深度最大可達(dá)6000米[9]。

國內(nèi)井下安全閥起步發(fā)展晚，自主研發(fā)井下安全閥的公司不多，主要依賴于進(jìn)口或與四大石油公司合作聯(lián)合生產(chǎn)開發(fā)井下安全閥。目前國內(nèi)比較有代表性的井下安全閥有勝利油田有限公司采油工藝研究院設(shè)計的SC—120A型井下安全閥[10]和浙江惟其信石油機械有限公司設(shè)計的TSV系列井下安全閥[11]，前者采用了金屬非金屬雙重密封的閥板密封方式，后者在安全閥內(nèi)腔設(shè)計使用密封圈加金屬的結(jié)構(gòu)，提高了安全閥的整體密封性能。為實現(xiàn)高壓井下安全閥國產(chǎn)化，中石化石油工程技術(shù)研究院設(shè)計了一款適用于高壓油氣井的井下安全閥[12]，該安全閥采用擬合曲面的方式設(shè)計出閥板的密封接觸面。

通過對國內(nèi)外地面控制油管回收式井下安全閥的研究[13]，傳統(tǒng)的安全閥在閥板密封失效后只能通過下入井下工具強行撐起并鎖死閥板，讓安全閥永久地開啟，然后下入鋼絲繩回收式的二級安全閥，并將原有液控管線與二級安全閥的液壓腔相連接。因二級安全閥為鋼絲繩回收式安全閥，在實際操作中，內(nèi)部密封套管可能會因鋼絲繩的緣故而被撞毀，導(dǎo)致油氣的泄露，這種現(xiàn)象的發(fā)生容易導(dǎo)致井下安全閥失去其原有作用。針對上述問題，本文提出并設(shè)計了一種新型雙板閥式井下安全閥，該安全閥一級閥板失效后可切換為二級閥板，工作效率高，結(jié)構(gòu)簡單，且可靠性及安全性高。

1 井下安全閥的分類

目前國內(nèi)外的井下安全閥有多種分類方式，具體分類方式如表1所示。

續(xù)表1

閥板開啟輔助方式油管內(nèi)加壓式自平衡機構(gòu)式油管內(nèi)加壓式：由地面向井中注入壓力油來平衡閥板上下壓差；自平衡機構(gòu)：通過自平衡裝置平衡閥板上下壓差

其中，有兩大類井下安全閥應(yīng)用最為普遍。一類為井下控制式安全閥（SSCSV），對于這種類型的井下安全閥，當(dāng)井下有十分劇烈的流體流動時，可以利用流體流動所形成的壓力差來關(guān)閉井下安全閥[14]。這種井下安全閥的啟閉方式是根據(jù)設(shè)定的流量閾值實現(xiàn)自動啟閉，無需地面控制。

另一類是地面控制式井下安全閥（SCSSV），這種井下安全閥的開啟閉合是由位于地面的井下安全閥液壓控制系統(tǒng)控制的。而對于地面控制井下安全閥其之下又可以分為兩類[15]，一類是油管回收式的，該類井下安全閥是通過油管下入和回收的。而另一類是鋼絲繩回收式，這種井下安全閥是由地面通過鋼絲繩帶動下入到井下的，使其下入到油管管內(nèi)設(shè)定位置，一般是位于油管回收式井下安全閥之內(nèi)的。

2 井下安全閥系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 井下安全閥技術(shù)參數(shù)

本文所設(shè)計的井下安全閥設(shè)計都按照API標(biāo)準(zhǔn)與ISO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。設(shè)計特點為：采用雙閥板式設(shè)計與剪釘擋圈結(jié)構(gòu)相配合，省去了安全閥的永久鎖定機構(gòu)，也便于在一級閥板密封時候切換為二級閥板工作，提高了安全閥的使用效率與安全性；在閥座處設(shè)計自平衡機構(gòu)，減小閥板打開時所需的壓力，也減少了平衡閥板上下壓差的響應(yīng)時間。其具體技術(shù)參數(shù)如下所示。

適用套管直徑：159.8 mm～161.8 mm；

安全閥長度：1298 mm；

最大外徑：138 mm；

最小內(nèi)徑：68 mm；

安全閥工作壓力：40 MPa；

上閥板打開壓力：15 MPa；

接通中心管所需升壓：15 MPa；

下閥板打開壓力：20 MPa；

安裝深度：500 m；

額定溫度范圍：-15℃～150℃。

2.2 井下安全閥地面控制系統(tǒng)

本文所設(shè)計的井下安全閥總體系統(tǒng)由井下安全閥、地面控制系統(tǒng)組成。地面控制系統(tǒng)[16]包括溫度壓力等傳感器與微機控制器、液壓泵、電磁換向閥、蓄能器、先導(dǎo)式溢流閥等組成部分。通過油管將井下安全閥輸送到油管設(shè)定的深度，同時在井下安全閥上接頭處有一連接口，接口上連接著一條直徑較小的液壓控制管線，該管線上接地面控制系統(tǒng)，這樣地面控制系統(tǒng)就可以通過控制這條液壓控制管線中的液壓力來控制井下安全閥的啟閉[17]。

當(dāng)油氣井進(jìn)行正常生產(chǎn)作業(yè)時，地面控制系統(tǒng)控制液壓泵運轉(zhuǎn)來向液控管線中注入并維持一定壓力的液壓油，從而使井下安全閥的液壓腔中的液壓油達(dá)到設(shè)定壓力，在液壓力的作用下推動活塞桿帶動中心管向下移動，并在中心管下移的過程中壓縮彈簧，當(dāng)中心管向下移動一定的距離后可頂起閥板，這時井下安全閥處于開啟狀態(tài)，油管中的流體可以自由流動，生產(chǎn)活動正常進(jìn)行。

若出現(xiàn)一些難以預(yù)測的非正常情況，如地震、海嘯、火災(zāi)等重大災(zāi)害或油氣井的井口安全系統(tǒng)失效等非自然災(zāi)害時，此時井口的各種傳感器就把井口的溫度值與壓力值通關(guān)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號傳給微機處理器[18]。通過微機處理器對液壓泵下達(dá)停止工作的指令，這樣就可以馬上降低液控管線中的液壓力。在液壓腔沒有足夠液壓力的情況下，在彈簧回彈推力的作用下活塞桿與中心管將會被推回到初始位置。在扭簧的扭轉(zhuǎn)力作用下閥板也將自動關(guān)閉，閥板與閥座之間將形成密封的封閉區(qū)域阻斷井下流體向井口流動的趨勢。此時井下安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)，油管的采油通道會被阻斷住使油管停止生產(chǎn)作業(yè)，避免造成井噴等重大事故。

3 雙閥板式井下安全閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 雙閥板式井下安全閥的結(jié)構(gòu)

了解了國內(nèi)外有關(guān)井下安全閥的最新研究成果[19-21]，并系統(tǒng)的分析了各種井下安全閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣之處，對國內(nèi)現(xiàn)有井下安全閥結(jié)構(gòu)上存在的一些通病進(jìn)行了改進(jìn)，最終確定了本文所設(shè)計的井下安全閥的結(jié)構(gòu)。該井下安全閥主要由驅(qū)動部分、執(zhí)行部分以及輔助部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）驅(qū)動總成：驅(qū)動總成主要由液壓缸、活塞桿、中心管等組成，驅(qū)動部分的主要功能是推動中心管。

（2）執(zhí)行總成：執(zhí)行總成即安全閥的執(zhí)行元件，主要由上下閥座、過度接頭、雙扭簧、上下閥板組成，其主要功能是在驅(qū)動部分的作用下，執(zhí)行井下安全閥的啟閉動作。

（3）輔助總成：輔助總成主要由下閥座、自平衡裝置組成。它的主要功能是在安全閥閥板關(guān)閉后想要重新打開時，平衡閥板上下工作腔的壓力，使閥板容易打開。

本文所設(shè)計安全閥的為一種新型雙級閥板式的地面控制油管回收式井下安全閥，當(dāng)該井下安全閥的第一級閥板密封失效后，可以不用下入二級管內(nèi)安全閥，簡單地通過改變控制管線中的壓力，就可以控制該安全閥第二級閥板的啟用。通過油管將此井下安全閥送到井下預(yù)定的深度，同時在井下安全閥的上接頭處連有液壓控制管線，地面控制系統(tǒng)可以通過液壓控制管線來控制井下安全閥的工作狀態(tài)。

1-上接頭；2-液壓控制管線；3-液壓控制管線接頭；4-接頭密封組件；5，6，12-密封圈；7-活塞桿；8-彈簧套；9，14-彈簧；10-中心管；11-上閥座；13-緊定螺釘；15-鋼球；16-扭簧；17-銷；18-上閥板；19，27-組合密封墊圈；20，26-過渡接頭；21-剪釘；22-擋圈；23-下閥座；24-對接中心管；25-下閥板；28-下接頭

在設(shè)計井下安全閥時，運用Solidworks的三維軟件繪制井下安全閥的三維零件圖并進(jìn)行裝配，如圖2所示。

圖2 井下安全閥三維結(jié)構(gòu)圖

3.2 雙閥板式井下安全閥的工作原理

此安全閥具體由上下接頭與油管相連接，通過油管使井下安全閥下入到油氣井預(yù)先設(shè)定位置。上接頭處開有兩處對稱的液壓腔，腔內(nèi)裝有活塞桿用于推動中心管下行打開閥板。相較于一般常用的井下安全閥，該安全閥有上下兩級閥板來控制井下安全閥的通斷。正常工作情況下，下閥板由于對接中心管的作用使下閥板一直處于常開狀態(tài)，地面控制系統(tǒng)控制液壓管線中的壓力為上閥板完全打開的設(shè)定壓力，此時此安全閥上閥板、下閥板都處于打開狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況，地面控制系統(tǒng)控制液控管線中的液壓力下降到上閥板完全關(guān)閉的壓力值之下，在活塞桿和彈簧的共同作用下使中心管上移動來控制上閥板的閉合。

若由于啟閉次數(shù)過多或其他原因?qū)е律祥y板與上閥座配合密封失效時，該安全閥可由下閥板來代替上閥板來控制安全閥的通斷。此時可以通過地面液壓控制系統(tǒng)控制液壓控制管線內(nèi)液壓油的壓力到達(dá)設(shè)定的剪釘剪斷壓力，中心管下行間斷剪釘完成與對接中心管的連接。這時上閥板處于常開狀態(tài)，下閥板代替上閥板工作。而一般井下安全閥在閥板密封失效時的處理方式是下入管內(nèi)二級安全閥，這樣不但操作繁瑣，而且容易損壞安全閥。因此本文所設(shè)計的雙閥板式井下安全閥不但可以簡化安全閥的操作程序，而且還能提高安全閥的可靠性。

結(jié)合井下安全閥的實際工作環(huán)境，考慮到閥板關(guān)閉后上下面會形成較大的壓力差使閥板不易打開，因此在上下閥座處都設(shè)計了壓力自平衡機構(gòu)[22]，如圖3所示。在中心管打開閥板以前，將會先將平衡孔中的鋼球下壓，使閥板下部的油氣通過鋼球與閥座之間的間隙流入閥板上部，經(jīng)過一段時間后使閥板上下壓力差減小，這時中心管只需要克服閥板上的扭簧扭矩與少量的上下壓力差就可以打開閥板。這種結(jié)構(gòu)極大地減少了控制管線的壓力，提高了安全閥的可靠性。此自平衡機構(gòu)采用Φ5的鋼球，中徑為Φ4的不銹鋼絲彈簧。

圖3 壓力自平衡機構(gòu)

4 閥板的有限元分析

4.1 閥板的失效分析

在井下安全閥的失效損毀事故中[23,24]，多由閥板的密封失效或閥板被破壞所引起。由于閥板在打開關(guān)閉的過程中中心管與閥板的作用位置不斷變化，且閥板也受到上下壓差與扭簧的共同作用，目前對于閥板完整啟閉過程的分析國內(nèi)外還沒有建立系統(tǒng)的理論模型[25]。但從閥板的失效破壞機理上，可以推斷出閥板在啟閉過程中最容易發(fā)生失效破壞。這是由于閥板在啟閉過程中會與中心管或閥座產(chǎn)生較強的撞擊[26]，在多次沖擊載荷的作用下閥板會發(fā)生不可接受的應(yīng)變造成密封失效。另一個常見因素是修井時工具的掉落，撞擊閥板使其損壞[27]。

因此考慮到上述所分析的問題，對所設(shè)計的雙閥板式井下安全閥的閥板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，如圖4所示。并對閥板在關(guān)閉過程中與閥座的碰撞進(jìn)行了仿真模擬，分析了閥板在碰撞過程中的應(yīng)力應(yīng)變。

圖4 閥板的三維結(jié)構(gòu)圖

4.2 閥板的碰撞模型

考慮到閥板在關(guān)閉時與閥座的碰撞是瞬時完成的，并且一般情況下井口控制系統(tǒng)控制井下安全閥完成關(guān)閉的動作響應(yīng)時間為0.5 s左右[28]，因此閥板與閥座碰撞是一個瞬時完成的動作，借助ABAQUS動態(tài)分析功能對閥板與閥座瞬時碰撞過程進(jìn)行仿真分析。

假定分析碰撞過程的時間為9×10-5s，并簡化閥座與閥板的碰撞模型如圖5所示。為分析了瞬時碰撞過程中閥板所受應(yīng)力與變形，在閥板與閥座接觸地方進(jìn)行了網(wǎng)格密劃分。

圖5 閥板與簡化閥座的碰撞模型

4.3 閥板的碰撞結(jié)構(gòu)分析

閥板材料選取30CrNiMo8，其質(zhì)量密度為7800 kg/m3，楊氏模量為212 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為1050 MPa，抗剪模量為790 MPa。在仿真分析時，約束閥座底部的全部自由度，約束閥板三個方向上移動與兩個方向上轉(zhuǎn)動的自由度，使其只能在繞著轉(zhuǎn)軸的方向上轉(zhuǎn)動。最終碰撞模型的分析結(jié)果如圖6與圖7所示。

圖6　閥板碰撞模型的應(yīng)力云圖

圖7　碰撞模型的位移云圖

從圖6可以看出，在閥板與閥座的碰撞過程中，閥板的主要應(yīng)力集中區(qū)域在與閥座直接接觸的環(huán)形密封區(qū)，從仿真結(jié)果圖可看出最大應(yīng)力為441 MPa，小于閥板的屈服強度滿足強度要求。碰撞過程中最大位移區(qū)域出現(xiàn)在閥板中心部分，從圖7可以看出碰撞過程中最大位移量為0.04565 mm?？紤]到閥板轉(zhuǎn)軸處為間隙配合，在與閥座碰撞過程中難免會出現(xiàn)配合錯位，這回導(dǎo)致閥板與閥座的碰撞區(qū)域變?yōu)殚y板內(nèi)側(cè)凸起部位，因此可使該凸起部做出一定的錐度以改善閥板的碰撞效果。

5 結(jié)論

從國內(nèi)外井下安全閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向上來看，未來井下安全閥的發(fā)展趨勢必然向著結(jié)構(gòu)簡單可靠，利用率高的方向發(fā)展。本文結(jié)合國內(nèi)外井下安全閥研究現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)井下安全閥閥板密封失效后補救工作困難問題，設(shè)計了雙閥板式井下安全閥。該井下安全閥簡化了傳統(tǒng)井下安全閥的永久鎖定裝置，并改單層閥板式結(jié)構(gòu)為雙層閥板式結(jié)構(gòu)，提高了井下安全閥的利用率，降低了操作的復(fù)雜性，增加了可靠性。與傳統(tǒng)井下安全閥相比，該雙閥板式井下安全閥若用于生產(chǎn)中，可以提高安全閥的利用率，該創(chuàng)新設(shè)計為國內(nèi)井下安全閥的研制提供了一個新的方向。

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Design of a New Subsurface Safety Valve Based on Double Valve Plate Type

At present, the development of subsurface safety valve in China is still in the initial stage, and it has many problems such as complex structure, poor sealing performance and low reliability. In this paper, a new type of double-valve plate type subsurface safety valve is proposed after analyzing the problems existing in domestic subsurface safety valve and drawing on the advanced design experience of existing subsurface safety valve. This safety valve adopts double valve plate structure, which eliminates the complicated permanent locking mechanism of traditional subsurface safety valve, simplifies the safety valve structure and improves its working efficiency. Finally, the design of the valve plate structure is improved, and the finite element analysis software ABAQUS is used to simulate the valve plate under the impact load. The results show that this structure can meet the requirements of production tasks.

Subsurface safety valve; double valve plate type; finite element analysis; impact load

TE92

A

1008-1151(2022)03-0019-05

2021-12-11

焦侃（1997－），男，陜西渭南人，長安大學(xué)工程機械學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向為機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與自動化控系統(tǒng)的設(shè)計。

胡志新（1965－），男，陜西西安人，長安大學(xué)工程機械學(xué)院、長安大學(xué)前沿裝備研究所副教授，博士，研究方向為機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計。