付強(qiáng)

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

電潛泵機(jī)采完井技術(shù)是中國(guó)海上油氣田應(yīng)用最為廣泛的完井技術(shù)，尤其是在渤海地區(qū)占總井?dāng)?shù)比例超過80%。電泵機(jī)采完井管柱的封隔器采用電纜穿越式封隔器，一方面起到環(huán)空封隔保護(hù)作用，另一方面為潛油電泵動(dòng)力電纜提供穿越和密封通道。然而由于封隔器的環(huán)空阻隔，電潛泵以上至封隔器膠筒以下環(huán)空空間逐漸會(huì)有氣體積聚。如果氣體逼近電潛泵就可能會(huì)造成電泵氣鎖停機(jī)。因此在封隔器位置配置排氣閥，通過控制排氣閥的啟閉來釋放電潛泵以上積聚的氣體。排氣閥是海上電泵機(jī)采完井管柱中的必備工具之一[1]。

常用的排氣閥內(nèi)部均有活塞結(jié)構(gòu)，活塞移動(dòng)通過液壓控制。排氣閥入井前在上端傳液孔位置連接液控管線，液控管線另一端穿越井口密封并連接至井口控制盤。排氣閥內(nèi)部的活塞腔上下密封位置分別是上密封體與活塞本體密封和下密封體與活塞本體密封，腔內(nèi)兩端存在面積差，一般是上端面積大于下端面積[2]。因此，井下作業(yè)需要開啟排氣閥排氣時(shí)，通過井口控制盤加壓，壓力傳遞至排氣閥活塞腔內(nèi)，活塞受到向上作用力大而上移打開排氣孔排氣；井下作業(yè)需要關(guān)閉排氣閥時(shí)，在井口控制盤泄壓，活塞受到向上作用力減小直至復(fù)位彈簧將活塞復(fù)位并關(guān)閉排氣孔。

但是，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求排氣閥控制壓力精度非常高，以滿足實(shí)際的需要。一般情況下，排氣閥出廠測(cè)試時(shí)，要求連續(xù)5次最小開啟壓力和最大關(guān)閉壓力波動(dòng)分別不超過200 psi，然而對(duì)于原有設(shè)計(jì)產(chǎn)品，實(shí)際出廠測(cè)試產(chǎn)品合格率只有20%左右。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該柱塞式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于理想化，要求上下密封體和活塞本體同軸度公差和圓度公差控制在0.2 mm以內(nèi)，才能滿足活塞運(yùn)動(dòng)流暢，啟閉壓力穩(wěn)定。為滿足此要求，首先嚴(yán)格控制制造環(huán)節(jié)加工誤差，配做活塞和上下殼體，能夠有效提升出廠測(cè)試合格率至50%以上。但是該方案治標(biāo)不治本，且大大增加了生產(chǎn)成本和管理成本[3-7]。

為此，本文分析了活塞式排氣閥機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并嘗試通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)解決該問題。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 原有設(shè)計(jì)分析

原有排氣閥機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示?；钊隙伺c上密封體通過密封元件密封，活塞下端與下密封體通過密封元件密封。當(dāng)活塞滑動(dòng)時(shí)同時(shí)在上下密封體內(nèi)腔滑動(dòng)，可能出現(xiàn)以下問題：1）活塞上下兩端密封面分別與上下密封體接觸，無法保證3個(gè)零件同軸度精度要求時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)過程中可能會(huì)有阻滯甚至卡死導(dǎo)致排氣閥打不開或者關(guān)不上，影響生產(chǎn)安全；2）上下密封體與活塞本體為間隙配合，當(dāng)排氣閥運(yùn)輸過程中出現(xiàn)磕碰，可能會(huì)造成零件軸心線偏離，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)使用開啟和關(guān)閉壓力與出廠調(diào)試參數(shù)對(duì)應(yīng)不上；3）原有技術(shù)在加工工藝方面要求零件表面粗糙度級(jí)別高。零件間隙小，零件同軸度和圓度等形位公差嚴(yán)格，因此加工困難，技術(shù)和管理成本高，且無法根治問題。

圖1 原有排氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 提出新機(jī)械結(jié)構(gòu)

為此，對(duì)該活塞式排氣閥進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一款新型結(jié)構(gòu)的活塞式排氣閥，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工組裝容易、開啟關(guān)閉壓力穩(wěn)定性好的顯著優(yōu)勢(shì)。

新型活塞式排氣閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。密封體加長(zhǎng)并覆蓋活塞本體整個(gè)移動(dòng)距離；在密封體本體側(cè)壁鉆液壓傳遞孔傳遞液壓力；彈簧套筒不再作為上密封體，不參與活塞本體移動(dòng)。

該排氣閥開啟過程：排氣閥下入井內(nèi)預(yù)定深度后，井口控制盤加壓，液壓力傳遞至排氣閥活塞密封腔室，利用活塞上下兩端密封面面積差產(chǎn)生向上推力，推動(dòng)活塞本體向上滑動(dòng)。繼續(xù)增加液壓力，活塞本體不斷克服復(fù)位彈簧的彈簧力上移直至密封頭到達(dá)密封體限位位置。保持液壓控制力不變，則排氣閥在液壓力作用下保持開啟狀態(tài)。

該排氣閥關(guān)閉過程為通過地面泄液壓控制力，排氣閥的活塞本體所受向上推力逐漸減小，直至小于復(fù)位彈簧的彈簧力。繼續(xù)泄壓，復(fù)位彈簧推動(dòng)活塞本體向下滑動(dòng)直至密封頭與密封座重新接觸關(guān)閉排氣孔。排氣閥恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)。

1.3 參數(shù)分析與計(jì)算

對(duì)新型活塞式排氣閥活塞系統(tǒng)進(jìn)行校核計(jì)算如下。

1.3.1 活塞受力面積

活塞受力面積即活塞腔上下截面的面積差。經(jīng)過計(jì)算，面積差S=349.67 mm2。

1.3.2 彈簧計(jì)算

1.3.2.1 彈簧參數(shù)

彈簧線徑d=7 mm，中徑D=31 mm，經(jīng)過計(jì)算，旋繞比C=D/d=4.43；彈簧有效圈數(shù)n=22；曲度系數(shù)k=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C=1.358；對(duì)于彈簧材料70Si2MnA，取剪切模量G=76 GPa[8]。

1.3.2.2 彈簧剛度

將彈簧參數(shù)代入公式計(jì)算得k=GD/（8nC4）=41.57 N/mm。

1.3.2.3 彈簧工作狀態(tài)安全校核

根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)可知，彈簧總壓縮量L=99 mm。初始安裝狀態(tài)（完全關(guān)閉狀態(tài)）下壓縮量L1=55 mm=55.6%×L，最大工作載荷狀態(tài)（完全打開狀態(tài)）下壓縮量L2=65 mm=65.7%×L，均滿足彈簧設(shè)計(jì)要求。

1.3.3 排氣閥控制壓力計(jì)算

假設(shè)：理想狀態(tài)下，排氣閥的開啟和關(guān)閉不承受任何摩阻。

計(jì)算結(jié)果為：初始開啟狀態(tài)P1=948 psi，完全開啟狀態(tài)P2=1120 psi，初始關(guān)閉狀態(tài)P3=P2=1120 psi，完全關(guān)閉狀態(tài)P4=P1=948 psi。

1.3.4 排氣閥下入深度

計(jì)算公式為H=P/I/S/1.45，其中：H為排氣閥安全下入垂深；P為排氣閥初始關(guān)閉壓力；I為液壓油與水密度比；S為安全系數(shù)，取值1.45；

經(jīng)過計(jì)算H=1042.2 m。原設(shè)計(jì)活塞式排氣閥下入深度552 m，優(yōu)化設(shè)計(jì)的活塞式排氣閥下入深度大大提高。

2 排氣閥室內(nèi)測(cè)試

2.1 排氣閥密封腔密封性能測(cè)試

密封腔密封性能可靠性是決定排氣閥質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是確保排氣閥開啟和關(guān)閉壓力穩(wěn)定的前提。

試驗(yàn)過程：用手壓泵連接排氣閥上端傳液孔。操作手壓泵快速加壓至排氣閥完全打開，然后快速泄壓至排氣閥完全關(guān)閉。反復(fù)操作3次，排凈密封腔內(nèi)的氣體。通過手壓泵打壓，打壓程序：a. 打壓500 psi，保壓5 min；b. 打壓5000 psi，壓力穩(wěn)定后保壓15 min。要求壓力穩(wěn)定后的保壓過程壓降不超過50 psi且無明顯滲漏。

經(jīng)過測(cè)試，活塞式排氣閥密封腔密封性能良好。

2.2 排氣閥控制壓力測(cè)試

排氣閥控制壓力是現(xiàn)場(chǎng)使用過程的關(guān)鍵操作壓力，需符合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能力，并且控制壓力穩(wěn)定可靠[9]。

試驗(yàn)過程：在排氣閥密封腔密封性能測(cè)試時(shí)連接的裝置基礎(chǔ)上，對(duì)排氣閥進(jìn)行開啟和關(guān)閉壓力測(cè)試，測(cè)試并獲取實(shí)際控制壓力參數(shù)。通過手壓泵平穩(wěn)加壓至排氣閥初始開啟和完全開啟，然后緩慢泄壓至排氣閥初始關(guān)閉和完全關(guān)閉，并記錄相關(guān)數(shù)值。要求反復(fù)測(cè)試5次以上，并取平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 排氣閥控制壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)根據(jù)設(shè)備能力要求排氣閥初始開啟壓力P1≤2500 psi，完全開啟壓力P2≤4000 psi，完全關(guān)閉壓力P4≥900 psi。結(jié)合作業(yè)時(shí)液控管線內(nèi)摩阻影響，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以滿足要求。

經(jīng)過測(cè)試，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的活塞式排氣閥開啟關(guān)閉壓力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 排氣閥反向密封性能測(cè)試

排氣閥反向密封指的是驗(yàn)證密封頭和下接頭之間的密封效果，是排氣閥關(guān)閉狀態(tài)下保持封隔作用的關(guān)鍵。

試驗(yàn)過程：在排氣閥下端連接試壓堵頭，并通過高壓管線連接手壓泵。通過手壓泵對(duì)排氣閥快速加壓，然后快速泄壓，反復(fù)操作3次，排凈測(cè)試腔內(nèi)氣體。通過手壓泵打壓，打壓程序：a. 打壓500 psi，保壓5 min；b. 打壓5000 psi，壓力穩(wěn)定后保壓15 min。要求壓力穩(wěn)定后的保壓過程壓降不超過50 psi且無明顯滲漏。

經(jīng)過測(cè)試，活塞式排氣閥反向密封性能良好。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推廣

得益于中國(guó)海上油田對(duì)排氣閥的大量需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的活塞式排氣閥通過室內(nèi)測(cè)試和驗(yàn)證后，迅速得到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和推廣的機(jī)會(huì)。2016年8月，南海東部EP油田某開發(fā)井作業(yè)，由于施工設(shè)計(jì)要求電泵下深達(dá)到800 m以下，因此要求放氣閥配合過電纜封隔器下深約760 m。原設(shè)計(jì)活塞式排氣閥設(shè)計(jì)下深552 m，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的活塞式排氣閥作業(yè)，排氣閥下入過程和控制過程順利，完井施工優(yōu)質(zhì)，受到客戶贊揚(yáng)。

目前，優(yōu)化設(shè)計(jì)的活塞式排氣閥已經(jīng)全面替代了原設(shè)計(jì)的排氣閥，廣泛應(yīng)用于中國(guó)渤海和南海西部油田機(jī)采開發(fā)中，并且產(chǎn)品制造終檢合格率提升至90%以上，解決了原設(shè)計(jì)排氣閥的弊端。

4 結(jié)論

1）對(duì)原有活塞式排氣閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)了滑動(dòng)配合零件數(shù)量，最終方案由兩個(gè)零件配合即可實(shí)現(xiàn)活塞軸向滑動(dòng)，大大提高了活塞運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和產(chǎn)品制造終檢合格率，并降低了成本。

2）室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，優(yōu)化后的排氣閥控制壓力穩(wěn)定，下入深度由原來的552 m增加到1000 m以下，可以滿足南海地區(qū)電泵機(jī)采完井需求。

3）目前優(yōu)化后的活塞式排氣閥已經(jīng)全面替代了原結(jié)構(gòu)排氣閥，為生產(chǎn)提質(zhì)、降本、增效做出了貢獻(xiàn)。