安全阀原理与其应用研究

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1、 I 安全阀原理及其应用研究 王 川 （中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司，广东深圳，518067） 摘摘 要要：安全阀在我国的化工和石油工业中都发挥着巨大作用！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。我国井下安全阀的技术目前还处于初始 研究阶段。本文是在对国内外井下安全阀相关资料进行广泛调研分析的基础上，从井口地面控制系 统开始对井下安全阀的类型、原理和控制等作了一个比较系统的介绍，并讨论了井下安全阀的校准、 回收方式选择、类型选择等问题。最后在本文的末尾，简要地补充了一些井口安全阀和水下安全阀 的相关资料。 关键词：关键词：井下安全阀；

2、原理；控制系统 The Principal And Application Research of SSSV Wang Chuan (Ener Tech-Drilling SSSV; characteristic; principle; control system 安全阀原理及其应用研究 1 1.引言引言 众所周知，安全问题一直是困扰能源部门中的最重要的问题。我国海洋石油作业安全法规也对 油井安全控制技术的应用有明确的规定。规定指出： “海上采油（气）井投产前，应装备完整的采油 （气）树、井口及井下安全阀和监测、控制系统，并应进行耐压和关闭实验，确保安全可靠。 ” 井下安全阀是一种安放于井筒

3、内的连接于油管上设定位置的安全装置，安装井下安全阀(SSSV) 的目的是为了在井口安全阀(SSSV)或其执行机构失效或破坏时，仍然可以把井关闭。当井流流量超 过一个项定值时(这种情况表明某处已发生大量漏油漏气事故)，如果是井下控制的井下安全阀 (SSCSV)，它们会自动把井关闭；如果是井上控制的井下安全阀(SCSSV)，则由一紧急停车系统，或 由一火警回路系统，或由两者同时对它发出关闭信号，把井关闭。 从多年的现场事件看来，井下安全阀在防止平台火灾和海洋污染方面确实发挥着很大作用。例 如，在美国加利福利亚州附近的滨海水域内的一生产平台发生了一次爆炸事故，由于所有生产井都 装了井下安全阀，控制平

4、台的计算机立即作出反应，不到一分钟内统统关闭了全部油井的井下安全 阀，避免了一次严重的海洋污染事故。又如，中东有一采油平台由于原油流到海上，平台下面着了 火，附近的钻井平台上的工作人员通过遥控设备立即把这个生产平台的所有生产井的井下安全阀都 关闭，同时把另一个生产平台也关闭掉，因而没有造成任何损失。另外，在高酸性完井中，井下安 全阀也发挥着很大的作用。因为对于这些高腐蚀性的大产量井，井口工作环境非常恶劣，必须考虑 多道安全防线。 2.井下安全阀的分类井下安全阀的分类 井下安全阀主要根据油气井产出流体所含腐蚀介质的情况、阀体密封形式和阀的开关控制形式 分类。 2 2.1.1 根据油气井所含腐蚀介

5、质的情况分级根据油气井所含腐蚀介质的情况分级 油气井所含的腐蚀介质中主要包括硫化氢（H2S） 、二氧化碳（CO2） ，其它还有地层砂、胺类抑 制剂、氧和氯化物等。其中危害最大的是 H2S （硫化氢） ，它能使钢材发生应力脆裂。硫化物应力 腐蚀脆裂也称氢脆，NACEMR-01-75(最新版本)给出了判断各种 H2S 含量下存在氢脆的方法，指出 在总压力低于 0.448MPa 绝对压力或 H2S 的分压低干 0.000345MPa 下， 可不必考虑本标准的限制 H2S 的分压等干井压乘以其摩尔百分数。 有研究指出：在潮湿情况下，只需微量的 H2S 就会引起钢材氢脆。其作用原理还没有完全弄明 白，但

6、显然是氢原子渗透到高强度钢的晶格结构中引起的。氢原子比钢材晶格结构小，并且它能够 安全阀原理及其应用研究 2 像细砂通过充填的砾石一样迁移到钢材中去。当两个氢原子在钢材的晶格中碰到一起时，它们结合 成一个氢分子，从而引起体积的增大，由体积增大产生的应力，可能使低延展性钢的晶粒断裂。低 强度高延展性钢，在不破坏情况下将减轻应力的作用，因此它更适用于有硫化氢存在的环境。普遍 认为，低于洛氏硬度 22 度的钢材不会发生氢脆。 在有硫化氢和水存在的情况下，具有洛氏硬度约 35 的 P-105 油管，如果在几天内承受荷载超过 其屈服应力的 50%，就会因为氢脆而破坏。 CO2的腐蚀作用需要水的存在， 两

7、者起化学反应产生酸而对金属有害。 gCr-IM0 材料的耐酸性要 比 4lXX 合金钢好。 CO2的腐蚀程度可用其在油气井中的分压 （等于井压乘以其摩尔百分数） 来判断。 CO2在井中分压低于 0.049MPa，则没有腐蚀性。 CO2在井中分压介于 0.049MPa 和 0.211MPa 之间，有较强腐蚀性。 CO2在井中分压高于 0.211MPa，则有明显的腐蚀性。 井液含砂会磨损安全阀。 胺类抑制剂对粉碳密封有害.需用 Aflas 和 Kalrez 橡胶。 鉴于以上情况，API14A 规范根据油气井所含腐蚀介质情况将井下安全阀分成三级。 第一级：常规型井下安全阀，用于不存在有害腐蚀物质或不

8、含砂的油气井。 第二级：防砂型井下安全阀，用干预计能使常规安全阀损坏（如有砂粒物质）的油气井，这一 级安全阀必须满足第一级的所有要求。 第三级：抗应力腐蚀开裂型井下安全阀，用于预计能产生应力腐蚀脆裂作用的油气井，这级的 设备必须能满足第一、二级情况的所有需要，所用材料必须能够防止应力腐蚀脆裂。 根据腐蚀介质不同，第三级又可分为： 3S 级主要用于硫化物应力脆裂生产井中。 3C 级主要用于氯化物应力脆裂生产井中。 2 2.2.2 按阀体密封方式分为球阀和板阀两种按阀体密封方式分为球阀和板阀两种 球阀：当球体受力产生 90旋转后，球体的通道就被堵住而起 隔 离 作用。密封是靠球体和球座之问的充分磨

9、合产生的。因此，在更换 密 封 件时，两部分必须同时更换。 （见图 3.1） 板阀的密封是靠阀板上的锥面和密封座锥面之间的配合产生的。当 开关内管向上移动后，阀板在本身弹簧的作用下向中心转动井跟密 封 座 接触而起密封作用。目前，世界上新投产的油气井绝大多数选用板 阀 方 图 1 球阀示意图 安全阀原理及其应用研究 3 式。 球阀和板阀的特点比较如下： 板阀几乎没有运动部件，因此开关要比球阀更加灵活自如； 从地面正挤压井液时，板阀非常容易泵开。而正常泵开球阀时，则需要 1.4MPa 的压力；若由 于安全阀失灵需要修井，靠泵压不易打开安全阀。易造成压力困难，这一点是球阀的最大弱点； 当板阀的开关

10、内管下移通过阀板销中心线后，阀板就可以靠边并且很容易让钢丝作业工具通 过（由干内管连续地通过阀板移动，在完全打开时可能会使板阀产生较大的偏移而影响其密封性） 。 球阀则必须完全精确地旋转才能避免出现唇边或凸缘以使钢丝工具顺利通过； 由于板阀需要的空间大，所以，板阀的外径要稍大于球阀； 板阀的活塞行程较长，需要较大的弹簧力和保持打开的压力，因此，当安装深度较大时，其 控制压力容易达到极限。 实践证明，板阀优于球阀，因此，一般情况下都选用板阀。 2 2.3.3 按井下安全阀的开关控制方式分为两种按井下安全阀的开关控制方式分为两种 （1）地面控制式井下安全阀（井上控制井下安全阀） 地面控制式井下安全

11、阀是通过液压控制管线在地面控制的。因此，控制系统可配备各种探测指 示控制器，紧急关闭系统、安全控制管汇和遥控系统等。 地而控制式井下安全阀又可分为钢丝下入式和油管下入式两种。 （2）井下控制井下安全阀 它又分为压差式井下安全阀和环境压力式井下安全阀两种。 3.井下控制式井下安全阀井下控制式井下安全阀 井下控制安全阀是通过钢丝作业安装的、非常灵活。大多数油井在完井时安装有可供放安全阀 的工作筒（座落接头） ，因此，在生产过程中可随时设计安装。其安 装不需要控制管线，下入深度也不受限制。但设计时要有较准确的油 气片压力数据及其今后的预测值。这种安全阀较适合于高产井。 3 3.1.1 压差式井下安全

12、阀压差式井下安全阀 最初采用简单的菌形阀在生产井流量增大到一定限度时，阀门关 闭。流量减小后，阀芯依靠自身重量落下，重新打开阀门。此阀用的 很成功，但有一个缺点：不能准确控制关闭流量，对于涌流又十分 图 2 菌形安全阀 安全阀原理及其应用研究 4 敏感，常常过早地关井。 压差式井下安全阀又叫“流暴截止阀”(Storm Choke)，在井流暴涨时，阀就自动关闭，把井流 切断。流暴截止阀就是在原始的菌形阀基础上加以改进而成的。它在阀瓣上加一弹簧和一节流嘴。 变更弹簧的垫圈高度和节流嘴的孔径，即 图 3 流 量控制 的压差 式井下 安全阀 可 改 变 关 闭 流 量。假定节流嘴两端压力为 P1 和

13、P2，压缩弹簧的力为 F，并假定阀瓣的摩擦力可以忽略不计，则关 阀条件是（P1-P2）AcF 流暴截止阀是目前使用的最多的一种井下安全阀。此阀的优点是可以准确计算关阀流量，具有 较大的整定范围，对涌流不敏感。 3.23.2 环境压力式井下安全阀环境压力式井下安全阀 环境压力式井下安全阀的启闭由阀门附近的油管压力所控制。油管压力超过某一预定值时，阀 门打开；低于此值时（一般由流量增加造成） ，阀就关闭。 环境压力式井下安全阀的阀瓣与阀座的壳体之间有一密封充气腔，腔内压力低于油井在正常生 产条件下安全阀附近的油管压力，阀就处于打开状态。只要这个正常生产条件没有改变，阀门就始 终打开着。如果地面上的

14、控制系统使流量变得太大，或者根本失去控制，井口阻力下降，阀门附近 的环境压力降低到低于密封腔内的充气压力时，阀瓣上升，阀关闭。 这种井下安全阀适用于井底压力须要保持在一个狭窄范围内的油井。另外，由于此阀不靠节流 嘴造成的压降来操纵阀门启闭，通过阀门的压力损失较小。 3.3.3 3 井下井下控制井下安全阀的筛选控制井下安全阀的筛选 在选用井下控制井下安全阀的场合，井的流出物和采油特点成为主要因数。因为这些阀一般都 是用钢丝绳起下的，套管与油管的间隙不是主要因数。油井流出物所引起的生产问题，例如冲蚀、 腐蚀、结蜡必须给予考虑。 （1）在出砂的油井里，井下控制井下安全阀其部件的冲蚀和控制机构的堵塞是

15、主要问题。应按 安全阀原理及其应用研究 5 照 API spec 14A 专门选择抗冲蚀和抗堵塞的井下控制井下安全阀； （2）生垢和结蜡的范围，在很大程度上决定井下控制井下安全阀必须安装的深度； （3）对于产量未接近井的最大生产能力的自喷井，压差式井下安全阀可能是适用的。对依靠连 续气举采油或产量接近井的最大生产能力的油井，应考虑选用油管压力型（环境压力式）井下安全 阀。环境压力式井下安全阀是依靠压力降低，而不是依靠液流增加进行关闭的。因此它对间歇自喷 井或依靠间断气举的生产井不适用。 3. 3.3 3.1 .1. .压差式井下安全阀的筛选程序：压差式井下安全阀的筛选程序： （1）取得一个具有

16、代表性的油井试井产量。这一测试是油、气井所需要的； （2）计算或测量生产状况下的井底流动压力。在作这种计算时利用适宜的垂直流动对比系数， 如果安装了井下控制井下安全阀，当测试时，为了确定正确的井底流动压力，必须计算通过安全阀 阀孔的压力降； （3）根据步骤 1 和步骤 2 所取得的数据计算该井的流入特性时，对于油井，就应该计算采油指 数或溶解气驱油井流入特性关系。一旦该井的流入特性确定，其它产量的井底流动压力就能计算； （4）针对特定类型、规格的压差式井下安全阀选择油嘴尺寸或需要的压力降时，油嘴尺寸要足 够小，以便产生足以关闭井下控制井下安全阀的压力降。另外，为了防止过大的压力降和过多的生 产损失，油嘴的直径要足够大。对于不同规格的压差式井下安全阀，要遵照制造厂所推荐的压力差 范围。如果油嘴孔径超过流动管径的 80%，因为压力降的计算欠可靠性，切勿采用。对于气井所计 算的流动速度不要超过临界速度。为了进行可靠的气孔计算，经过油嘴的压力降正常不应该超过紧 靠井下安全阀下面的压力值的 15