一种新型井下安全阀全通径强开工具的研究与应用

万宏春,李三喜,李艳飞,蔡斌,葛俊瑞

1.中海油能源发展股份有限公司 上海工程技术公司（上海 200335）2.中海石油（中国）有限公司 上海分公司(上海 200335）

0 引言

海上常用油管携带式井下安全阀，其采用液压控制的阀板结构[1-2]，具有密封性好、可靠性高的特点。由于井下环境恶劣，井下安全阀可能发生故障而无法正常开启，导致无法进行钢丝、电缆、连续油管等作业，给生产、完井、修井带来一系列的难题。

井下安全阀因故障出现阀瓣意外关闭常采用临时强开工具和永久锁定强开工具[3]。临时强开工具利用隔离套筒将安全阀阀瓣临时强行打开，可以实现继续生产的要求，后续可以通过钢丝作业取出隔离套筒[4]，使安全阀阀瓣再次关闭，但因隔离套筒内径较小，不能满足钢丝、电缆、连续油管等作业。永久锁定强开工具主要是通过锁定安全阀阀瓣[5]，使阀瓣保持永久打开，虽然阀瓣无法再次关闭，但实现了安全阀保持原有通径，可以满足钢丝、电缆、连续油管等特殊作业的要求。

针对井下安全阀阀瓣意外关闭，为使安全阀保持原有通径，研制了一种新型井下安全阀全通径强开工具。该强开工具采用释放卷簧锁定阀瓣原理，使安全阀保持原有通径，实现永久强开，是安全阀阀瓣意外关闭后一种很好的处理手段。

1 结构分析

1.1 结构原理

新型井下安全阀全通径强开工具主要由送入工具、卷簧释放装置、卷簧3部分组成，其结构如图1所示。

图1 全通径井下安全阀强开工具结构示意图

井下安全阀全通径强开工具采用释放卷簧锁定阀瓣原理，使安全阀保持原有通径实现永久强开，如图2所示。

图2 卷簧在安全阀阀瓣中的位置

卷簧释放装置送入工具主要由打捞颈、限位销、剪切销钉、外层可选择性推筒、内层中心杆组成，如图3所示，送入工具上部接头连接卷簧释放装置时，靠弹性爪、内层中心杆连接销钉、下拉杆与卷簧释放装置连接；可下击钢丝工具串，剪断销钉，送入工具上部接头外层推筒下移，使弹性爪与卷簧释放装置连接处脱开；在确认堵塞器坐牢后，可上击震击器，使剪切销钉、下拉杆与卷簧释放装置脱开，起出送入工具。

投送卷簧、释放卷簧、回收卷簧释放装置原理如下：

图3 送入工具

1）X型堵塞器锁芯锁在X型坐落接头内。如图1 所示，由钢丝工具串带着送入工具及卷簧释放装置，下至井下安全阀阀瓣位置，工具前端底堵首先强制顶开阀瓣，如图4 所示。X 型堵塞器锁芯到达安全阀上端X 型坐落接头内，通过合拢钢丝机械震击器，向下震击整个钢丝工具串，使堵塞器锁芯卡瓦撑开完全坐落在X 锁芯槽内，同时卷簧定位至安全阀阀瓣、阀腔位置，送入工具上部接头中的剪切销钉剪断。

2）送入工具与卷簧释放装置脱开。向上提钢丝工具串，判断是否过提，确认X 型堵塞器锁芯坐牢，继续上提钢丝工具串，送入工具与卷簧释放装置连接固定剪切销钉剪断。

3）卷簧释放。送入工具上部接头中上连接杆带动整个中心杆上移，使得支撑瓦固定销钉剪断，卷簧工具上的弹簧套上移，漏出卷簧，卷簧因为自身弹力作用，在没有弹簧套的阻挡之后，自动弹出，外径变大，永久留在安全阀阀瓣阀腔位置，将阀瓣撑开，保持安全阀永久打开。

油管携带式安全阀一般要求至少要下在海底泥线以下30 m[6]，安全阀阀瓣打开后，会漏出一块长约110 mm，厚3 mm圆环体狭小空间，利用此圆环体空间，释放卷簧将阀瓣进行永久锁定强开。设计卷簧释放装置能够精准定位，卷簧能够可靠释放在圆环体空间。

1）通过安全阀上端设计X 型坐落接头，可以悬挂对应，根据锁芯位置可以精确定位阀瓣开启后圆环体狭小空间具体的位置，如图5所示，距离B即为锁芯到阀瓣开启位置距离（mm），根据距离B决定卷簧释放装置的具体长度；距离C 为阀瓣开启后漏出的圆环体空间，根据距离C 及圆环体厚度决定卷簧的具体尺寸（mm）；确定尺寸之后，可以保证卷簧释放装置能精确定位，卷簧能够准确投放至安全阀阀瓣开启后的狭小的空间内，保证阀瓣永久开启。

2）测量距离C长度为110 mm，阀瓣至下接头距离为3 mm，设计卷簧长度80 mm，厚度2 mm，材料为不锈钢耐腐蚀长方形钢板，卷缩而成，具有一定的弹性力。该卷簧要求放在卷簧释放装置内不能发生塑性变形，弹力满足正常回弹，且卷簧回弹至正常位置能够克服扭簧的弹力将安全阀阀瓣撑开。卷簧释放后内径满足≥71.5 mm，不能影响生产管柱的内通径，卷簧大于圆周弹性防腐蚀金属片，具有较强的弹性力。

1.2 作业步骤

图4 全通径强开工具原理图

图5 油管携带式安全阀结构示意图

全通径安全阀强开工具用于强行开启井下安全阀阀瓣，并对阀瓣进行永久性锁定。该全通径强开工具可实现一趟下入和一趟回收，主要技术参数见表1。

1）下入步骤：全通径强开工具用送入工具上部接头工具下入，一旦全通径强开工具进入并锁定到油管携带式井下安全阀X 型坐落接头台阶，向上震击下入工具，脱手送入工具上部接头，同时剪断销钉释放卷簧，继续向上震击将下入工具回收到地面。

2）起出步骤：全通径强开工具使用GS工具一趟回收，GS 回收工具下到位之后，会抓住全通径强开工具卷簧释放装置上部的打捞颈，向上震击，将全通径强开工具卷簧释放装置回收到地面。

表1 主要技术参数

2 室内性能评价

室内将卷簧释放装置与X 型堵塞器、送入工具进行组装，测量各个工具内外径、长度等关键数据。测试表明，各个连接工具配合良好，销钉安装准确。模拟实际施工过程，进行强开工具投送、释放卷簧实验、回收卷簧释放装置及通径实验。

2.1 强开工具投送、释放卷簧实验

实验流程如图6 所示。工具准备：Φ 88.9 mm油管，Φ 71.45 mm 油管携带式井下安全阀，卷簧释放装置一套，送入工具一套，主要包括X 型堵塞器、卷簧释放装置、卷簧；送入工具主要包括送入工具上部接头、探杆等。实验步骤如下：

1）投送过程。将送入工具上部接头置于非选择位，送入工具和卷簧释放装置连接在一起，通过钢丝作业送至安全阀以上，将堵塞器锁键锁在安全阀内置X 型坐落接头卡槽内，通过合拢钢丝机械震击器，向下震击钢丝工具串。

2）释放过程。缓慢上提送入工具，剪切送入工具上部接头与卷簧释放装置连接销钉。继续上提工具串，将工具串提出卷簧释放装置。

实验结果显示，全通径强开工具能够顺利下至安全阀阀瓣，X 型堵塞器能够准确定位X 型坐落接头位置，并顺利坐落；卷簧顺利释放；送入工具上部接头工具能够正常脱手，正常起出。

2.2 回收卷簧释放装置实验

实验流程如图7所示。工具准备：Φ 88.9 mm GS回收工具，Φ 47.625 mm钢丝机械震击器，Φ 47.625 mm加重杆等各一套。

实验步骤：缓慢将GS工具送入至X型堵塞器打捞颈内，缓慢上提GS工具串，拉开堵塞器锁定块，堵塞器锁定块支撑块下移，堵塞器锁定块脱离坐落接头锁芯槽，堵塞器上移，带动整个卷簧释放装置上移，顺利从安全阀内取出。

检查卷簧释放情况，发现卷簧释放装置正常工作，卷簧挡环正常动作，卷簧释放完成。

实验证明，卷簧释放装置能够顺利回收，工具能按照设定机构动作，且卷簧不影响释放装置回收。

2.3 通径实验

通径实验流程如图8 所示。工具准备：内含释放卷簧的油管携带式安全阀（Φ 71.45 mm），Φ 70 mm 通径规，Φ 47.625 mm 钢丝机械震击器，Φ 47.625 mm加重杆等各一套。

图6 投送、释放卷簧测试示意图

图7 回收卷簧释放装置测试示意图

图8 通径测试示意图

实验步骤：将Φ 70 mm通径规+Φ 47.625 mm机械震击器+Φ 47.625 mm 加重杆组合缓慢通过井下安全阀，在安全阀阀瓣位置来回移动几次，无阻挂现象；验证卷簧释放后，卷簧内通径无台阶，无缩径。

实验结果：通过反复3次实验，Φ 70 mm通径规可以正常通过安全阀。

3 某区块B5井应用效果

3.1 应用井基本数据

海上油气田某区块B5井为一口开发生产气井，生产后期需起管柱进行上返补孔作业。上返补孔作业前需进行井筒处理，井筒处理期间要进行钢丝作业打开滑套反循环压井、电缆切割油管、起出上部油管、套铣封隔器等作业。由于井下安全阀控制管线泄漏，导致阀瓣自动关闭[7]，造成生产管柱通道堵塞，无法进行钢丝作业开滑套及电缆切割油管作业，给压井、切割油管作业带来困难。因此需将井下安全阀阀瓣强制打开，保持生产管柱内通道畅通，满足钢丝、电缆作业[8]。生产管柱结构如图9所示。

图9 生产管柱示意图

3.2 应用过程

具体作业步骤如下：

1）井口组装钢丝防喷管，对防喷器及工具串进行试压，试压合格。

2）通径作业。工具串组合：Φ 47.625 mm绳帽+Φ 47.625 mm 旋转节+ Φ 47.625 mm 加重杆254 mm（10"）+ Φ 47.625 mm 万向节+ Φ 47.625 mm 机械震击器762 mm（30"）+Φ 53.6 mm 扶正器+ Φ 38.1 mm加重杆203.2 mm（8"）+Φ 70.0 mm通径规。

下入通径工具串，通径至井下安全阀阀板以下50 m，轻探并记录阀瓣位置。

3）下入卷簧释放装置，释放卷簧。工具串组合：绳帽+旋转节+加重杆+万向节+机械震击器+万向节+送入工具+卷簧释放装置。连接全通径强开工具，送入工具、卷簧释放装置，设定送入工具上部接头工具处于非选择位，缓慢下放至井下安全阀的阀板位置，半合机械震击器；缓慢下放钢丝工具串将X 锁芯坐落于X 型坐落接头，向下震击完全释放X 锁芯，过提验证锁芯锁紧后，向上震击，脱手卷簧释放装置送入工具，起出工具串，检查卷簧释放装置送入工具上部接头脱手销钉、中心杆销钉正常剪切[9-11]。

4）回收卷簧释放装置。工具串组合：绳帽+旋转节+加重杆+万向节+机械震击器+万向节+GS 工具。下入工具串至井下安全阀，到位后尝试回收卷簧释放装置，缓慢下放后上提确认捞住卷簧释放装置本体，起出后检查工具正常，卷簧释放成功。

5）再次通径作业。工具串组合：绳帽+旋转节+加重杆+万向节+机械震击器+扶正器+加重杆+Φ 70.0 mm 通径规。下入通径工具串，通径至井下安全阀阀板以下50 m，验证卷簧释放后未影响管柱内通径，满足后续其他作业需求。

6）通过钢丝作业打开滑套，反循环压井。

7）下入电缆切割工具至4 200 m，切割油管，起出原井生产管柱。

4 结论

1）通过室内实验和现场应用，证明该新型井下安全阀全通径强开工具连接简便、强度合格、释放卷簧性能可靠，且送入工具及回收工具相关机构能够在设定压力下准确动作。充分说明该工具设计合理，满足施工作业要求，具备现场应用条件。

2）该工具在某区块B5井成功应用，且在施工过程中操作方便，安全高效，当安全阀出现同类问题时可提供实践经验。

3）该工具的成功应用，表明针对不同型号的安全阀，可根据安全阀具体结构尺寸进行卷簧装置的重新设计，具有推广应用的条件。