井下安全阀力学性能分析

刘 鹏，罗建伟，王新涛

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)①

井下安全阀是一种安放于井筒内连接于油管上设定位置的安全装置，在井口装置失控时防止井喷和污染环境[1-2]。井下安全阀按控制方式分为地面液压控制和井下流体自动控制2类，地面液压控制又分钢丝回收式和油管携带式，其中较常用的是地面液压控制的油管携带式井下安全阀[3-5]。

井下安全阀对安全性和可靠性要求较高，目前油井中使用的安全阀在原理和力学性能上具有相似性[6-7]。笔者以渤海油田常用的一种油管携带式井下安全阀为研究对象，对其工作压力、地面控制压力、全开启和全关闭压力、最大下入深度和自平衡能力等关键力学性能进行分析，为设计和使用井下安全阀提供理论参考。

1 井下安全阀结构原理

井下安全阀主要由控制密封部分、动力弹簧部分、自平衡部分和阀板密封部分等组成，如图1所示。井下安全阀的开启是通过地面的液控系统加压，液压经液控管线作用于活塞，活塞推动中心管并压缩弹簧，推开自平衡机构的平衡销，使阀板的上下压力平衡。随着液压力的增加，中心管推开阀板并移至限定位置，使井下安全阀处于开启状态。井下安全阀的关闭是通过从地面切断液控管线内压力，中心管在弹簧回复力的作用下移至原位，阀板在扭簧回复力作用下迅速关闭，封闭油管。同时，自平衡机构的平衡销也在簧片回复力的作用下回复原位，与阀板的自平衡孔配合形成金属密封，使井下安全阀处于关闭状态。

1—上接头；2—液控管线；3—活塞；4—限位环；5—弹簧；6—中心管；7—连接套；8—平衡销；9—阀板；10—簧片。

2 井下安全阀关键力学性能分析

2.1 工作压力与液控压力

井下安全阀的工作压力是井下安全阀内部压力值，包括阀门关闭时的额定压力[8-9]，其值由设计者依据生产井的实际情况选定，常选用的压力分为常压和高压，常压指34.5～41.4 MPa，高压指69 MPa及以上。液控压力是指在开启和关闭井下安全阀时地面液控系统输出的液压，该压力需克服活塞下方的液压力，而活塞下方液压力与井口压力pt有关。pt的取值根据实际情况取得，当油井正常生产时，pt取值一般不超过10 MPa；当坐封封隔器时，pt取18 MPa左右。在选定工作压力值时已考虑井口压力，设计液控压力常用的计算式为：

p1=p

(1)

式中：p1为地面液控压力，Pa；p为工作压力，Pa。

渤海油田大部分生产井井口允许的最大压力值为21 MPa，井下安全阀的工作压力值通常为34.5 MPa，地面的液控压力值也选为34.5 MPa。

2.2 全开启和全关闭液控压力

井下安全阀的全开启液控压力是指在井下安全阀的阀板打开后，中心管移至限定位置瞬间，地面液控系统输出的液压；全关闭液控压力是指井下安全阀的阀板关闭后，中心管恢复原位瞬间，地面液控系统输出的液压。这2个压力值取决于井下安全阀的弹簧力和活塞移动时所受阻力大小，与井下安全阀的下入深度无关。确定上述2个压力值的方法为压力曲线法。

压力曲线法是在试验室内向井下安全阀的液控管线泵入液压，推动活塞动作，直至液压值与工作压力相等，通过读取液压泵的压力-时间曲线来确定井下安全阀的全开启液控压力值。图2～3分别是井下安全阀开启和关闭时的压力-时间曲线，拐点A对应的压力即为井下安全阀的全开启液控压力。这是因为当向活塞施加液压力时，由于活塞的移动，使活塞上方体积空间变大，从而延缓活塞上方液压力的上升速率。当中心管移至限定位置而使活塞停止移动后，活塞上方液压力的变化速率将远大于活塞移动时压力变化速率，因此A点对应的压力为全开启压力；同理分析得到B点对应的压力是全关闭液控压力，其值与弹簧安装时的预紧力大小有关。全关闭液控压力越大，井下安全阀的关闭性能越可靠。将活塞、限位环和中心管整体作为一个受力体，全开启和全关闭液控压力值为：

图2 开启过程压力-时间曲线

pK=(F+f1)/A

(2)

pG=(F0-f2)/A

(3)

式中：pK为全开启液控压力值，Pa；pG为全关闭液控压力值，Pa；A为活塞面积，m2；F为井下安全阀的中心管移至限定位置时弹簧的张力，N；F0为弹簧安装时的预紧力，N；f1为活塞下移过程中受到的摩擦阻力，N；f2为活塞上移过程中受到的摩擦阻力，N。

图3 关闭过程压力-时间曲线

2.3 下入深度

2.3.1 最大下入深度

井下安全阀的最大下入深度指井下安全阀下入深度未超过该深度时，生产井无论处于何种状态，井下安全阀均可正常开启和关闭。阀板开启过程的力学关系式为：

(p1+ρ2gH)A=F+(pt+ρ1gH)A+f1

(4)

式中：pt为井口油管压力，Pa；H为井下安全阀下入深度，m；ρ1为生产液密度，kg/m3；ρ2为液控管线内液压油密度，kg/m3。

由式(4)知，井下安全阀在开启过程中，ρ1值可由地面液控系统控制，因此阀板的开启可不考虑下入深度的影响。但阀板的关闭则需考虑，因为当ρ1=0时，控制井下安全阀的液控管线内有静液柱，静液柱高度即为下入深度，该静液柱压力也可能开启井下安全阀。阀板关闭过程的力学关系式

(p1+ρ2gH)A=F0+(pt+ρ1gH)A-f2

(5)

其中，H的最小值即为井下安全阀的最大下入深度。

在阀板关闭过程中，p1=0，F、f2和ρ2为定值，当井中液面低于井下安全阀下入深度时，pt=0，ρ1gH=0，由此得到H的最小值为：

Hmin=(F0-f2)/(ρ2gA)

(6)

式中：Hmin为H的最小值，m。

由式(6)知，井下安全阀的活塞面积越大，下入的深度越浅。当下入深度大于最大下入深度，且油管内液面高度低于井下安全阀下入深度时，可得，此时井下安全阀仅靠液控管线内静液柱压力即可开启，并处于常开状态。

2.3.2 实际下入深度

实际下入深度考虑了井下安全阀的液控管线破裂或出现泄露等情况。当出现上述情况，井下安全阀活塞上方的静液柱压力将由油套环空内的完井液产生，且完井液的密度通常大于液压油的密度，为确保安全，取极限情况，即井下安全阀活塞上方的静液柱压力全由完井液产生，且完井液的液面到达井口。

Hpra=(F0-f2)/(ρ3gA)

(7)

式中：Hpra为实际下入的最大深度，m；ρ3为完井液的密度，kg/m3。

对于普通井，只计算最大下入深度即可，因为已考虑了液控管线漏失等情况，并采取了相应的措施，例如设计2套独立的液控系统。对井中流体要求较高的特殊井，例如高压气井、高含蜡井和稠油井等，需考虑井液密度和井内温度等因素，以准确估算井下安全阀的实际下入深度。

3.4 自平衡能力

井下安全阀在开启时，若阀板下方压力较高，即阀板的上下压差较大时，仅靠液压力推动活塞无法打开阀板。为解决此问题，井下安全阀通常具有自平衡机构，且常用阀板上下允许的最大压差来衡量该机构的自平衡能力[10-12]。自平衡过程中平衡销和中心管的受力如图4所示。

图4 平衡销和中心管的受力分析

阀板上下允许的最大压差为：

pu=K[(p1+ρ2gH)A-F1]/A1

(8)

式中：pu为阀板上下允许的最大压差，Pa；F1为簧片的回复力，N；A1为阀板上自平衡孔面积，m2；K为安全系数，其值可通过试验取得。

F1值较小，可忽略，则：

pu=K(p1+ρ2gH)A/A1

(9)

由式(9)可知，活塞面积与自平衡孔面积的比值越大，pu越大，自平衡能力越强，开启时允许阀板的上下压差越大。在安全阀实际开启过程中，无论是否有自平衡机构，通常都先向油管内加平衡液压，再向液控管线加压，将阀板打开。

3 结论

1) 由地面液压控制的油管携带式井下安全阀的工作压力值与地面液控压力值相等，其值选取依据为井口压力值。

2) 全开启和全关闭液控压力值可通过压力曲线法得到，其值与弹簧力和活塞所受阻力值有关。

3) 最大下入深度和实际下入深度均取决于弹簧安装时的预紧力，预紧力越大，可下入的深度越深。当下入深度超过最大下入深度，井下安全阀可能因处于常开状态而失效。

4) 井下安全阀的自平衡能力与活塞面积和自平衡孔面积的比值有关，比值越大，自平衡能力越强，阀板越容易打开。