盐穴储气库低节流井下安全阀的研制

刘亚静 姜海涛 康延鹏 李帆 周冬林 赵昕

1. 中国石油华北石油管理局有限公司江苏储气库分公司；2. 中国石油天然气股份有限公司盐穴储气库技术研究中心

天然气地下储气库在解决天然气应急调峰、优化管道运行以及保障国家能源安全等方面发挥着重要作用［1-2］。盐穴储气库注采具有切换灵活、单井注采气能力大、垫底气用量少和垫底气可完全采出等优点；单腔体积大，平均约20 万m3，较大腔体可达40 万m3，一旦发生井喷后果不堪设想。井下安全阀是一种防止井喷、保证生产安全的井下工具［3-5］。为了防止注气排卤过程、井下作业过程以及长期注采气运行中可能发生的腔体内高压天然气井喷事故，建设盐穴储气库时必须在注采完井作业过程中下入井下安全阀，以达到出现异常情况时能及时关闭流体通道，确保生产安全的目的［6-9］。项目组在金坛储气库开展注气排卤管柱一体化工艺现场试验，井下安全阀处存在严重节流导致的排卤效率低的问题，有必要研制一款与本工艺系统配套的新型低节流井下安全阀。

1 研制方案及计算过程

目前，国外大型油田服务公司如Baker Hughes、Schlumberger 和Hajliburton 等都自主研发了各种规格井下安全阀，符合API 标准的Ø139.7 mm 套管用井下安全阀的主要技术规范如表1 所示。通过对比分析，发现Baker Hughes 公司的FVLDS(E) 型套管用井下安全阀设计最为紧凑，其最大外径为Ø193.04 mm，最小内径为Ø115.87 mm。根据套管规格，Ø244.5 mm 套管内径为Ø220.52 mm。

表1 符合API 标准的Ø139.7 mm 套管用井下安全阀主要技术规范表Table 1 Main technical specifations of downhole safety valve used in Ø139.7 mm casing in accordance with API

经计算可得FVLDS(E)型Ø139.7 mm 套管用井下安全阀外最小环空面积为

式中，As为FVLDS(E)型井下安全阀外最小环空面积，mm2；Dm为Ø244.5 mm 套管内径，mm；Ds为FVLDS(E)型井下安全阀最大外径，mm。

经计算可得Ø139.7 mm 套管外环空面积为

式 中，AL为Ø139.7 mm 套 管 外 环 空 面 积，mm2；DL为Ø139.7 mm 套管外径，mm。

计算结果显示，若采用Baker Hughes 公司的FVLDS(E)型Ø139.7 mm 套管用井下安全阀，当气流经过井下安全阀时，其过流面积将由22 865.28 mm2减小为8 925.76 mm2，过流面积缩小了60.96%，从而导致注气排卤过程中存在明显节流。此外，受节流压差影响，高速冲蚀的气流易导致井下安全阀液压管线高频振动从而造成工具失效。依据以上分析，确定了盐穴储气库Ø139.7 mm 套管用低节流井下安全阀的改进设计思路：(1)所设计井下安全阀的外径尽可能小，以减小内外管环空节流影响；(2)所设计井下安全阀的内径尽可能大，以最大限度的提高排卤速度。

确定低节流井下安全阀设计方案：优化设计安全阀本体连接及液控管线与安全阀的连接处的密封形式，保证密封可靠性高；优化活塞杆密封组件材料，具有化学惰性，性能不受环境影响；弧形阀板结构中采用新材料，使之在同样具有压力平衡结构的前提下减小安全阀外径。

经设计，将井下安全阀本体连接及液控管线与井下安全阀的连接处的密封形式改为金属密封，提高了高频振动下工具的可靠性；将活塞杆密封组件设计为非橡胶材料，性能稳定；安全阀的核心部件弧形阀板结构采用机械性能优异的S13Cr-P110 新材料，内径不变的情况下将井下安全阀的外径控制在Ø184.15 mm，该外径尺寸相比目前最为紧凑的Baker Hughes 公司FVLDS(E) 型安全阀外径减小了8.89 mm，同时也保证了安全阀的耐压等级和产品的抗腐蚀能力。

相同井身结构下，新研制的Ø139.7 mm 套管用SVT5 低节流井下安全阀外环空最小过流面积增大为

式中，Ad为低节流井下安全阀外环空最小过流面积，mm2；Dd为低节流井下安全阀最大外径，mm。

相比Baker Hughes 公司FVLDS(E) 型安全阀，新研制SVT5 低节流井下安全阀降低了井下安全阀处29.51%的节流，取得良好效果。

2 结构与技术参数

新研制的SVT5 低节流井下安全阀是一种自平衡、阀板型、地面控制、井下安装的安全阀。它可以通过油管进行下入和回收。当盐穴储气库注气排卤完井作业过程中安全阀正确安装后，可通过连接到地面紧急关井系统的液压控制管线进行操作，即通过地面控制管线加压，液压油通过液控管线传至液压孔到活塞，可推动活塞向下移动的同时压缩弹簧到一定压力时，阀板打开，如果一直保持液控压力条件，则安全阀始终处于打开状态，一旦液控管线压力被释放，弹簧就会推动活塞上移，阀板自动关闭，阻断流通通道，保障地下储气库的安全。SVT5 低节流井下安全阀主要材料采用S13Cr-P110，其结构示意图如图1 所示。

图1 SVT5 低节流井下安全阀结构Fig. 1 Structure of SVT5 low-throttling downhole safety valve

SVT5 低节流井下安全阀的主要技术参数见表2。活塞排液体积是指开启安全阀需要的控制液体积，此参数是理论计算值且未包含液体的可压缩性等因素。如果控制管线损坏，失效深度将取决于环空井液的密度。另外，安全阀的安全拉力指安全阀内部连接的强度参数，不包含两端的连接(其可能更低)。若两端的油管螺纹连接强度与产品的拉伸强度不同时应取两者中的较小值。

3 室内测试

针对新研制的SVT5 低节流井下安全阀，以GB/T 28259—2012 石油天然气工业-井下设备-井下安全阀与ANSI/API Spec 14A 井下安全阀设备规范为依据进行了室内测试［10-11］。测试结果表明，新研制的SVT5 低节流井下安全阀的各项技术性能指标达到设计要求，符合ANSI/API Spec 14A 井下安全阀设备规范要求。室内测试内容如下。

表2 SVT5 低节流井下安全阀主要技术参数Table 2 Main technical parameters of SVT5 low-throttling downhole safety valve

(1)液压控制管线及液控系统压力测试结果见表3。通过表3 的数据可以看出，在保压5 min 的时间里，液压控制管线及液控系统压力基本保持不变，控制腔和本体接头无泄漏，符合安全设备规范要求。

表3 液控系统压力测试数据Table 3 Pressure test data of hydraulic control system

(2)安全阀的开启关闭功能测试及5 次综合测试结果见表4。从中可以得出安全阀的平均全开压力约为11 MPa，平均全关压力约为4.5 MPa。

(3)阀板下方100%压力时液体泄漏速率测试结果见表5。在保压5 min 的时间里，每分钟液体泄漏量为0.028 mL，符合规范要求。

(4)本体在1.38 MPa 和8.27 MPa 的N2压力下，安全阀的关闭功能测试结果见表6。在保压5 min的时间里，不同测试压力下液控泄漏速率均为0，安全阀关闭功能可靠，符合规范要求。

表4 安全阀测试数据Table 4 Test data of the safety vale

表5 液体泄漏速率测试数据Table 5 Test data of liquid leakage rate

表6 安全阀的关闭功能测试数据Table 6 Shutdown function test data of the safety valve

(5)阀板下方在1.38 MPa 和8.27 MPa 的N2压力下，泄漏速率测试结果见表7。在保压5 min 的时间内，每分钟最大泄漏速率仅为0.02 m3，符合规范要求。

表7 阀板下方N2 泄漏速率测试数据Table 7 N2 leakage rate tested below the valve plate

4 现场应用情况

2018 年12 月1 日，开始进行井下安全阀功能现场试验。12 月6 日，开井下安全阀开始注气，至12 月8 日，注气压力为12.7 MPa，温度为20.6 ℃，日注天然气量为180 790 Nm3，低压排卤进卤水站，排卤压力0.73 MPa，日排卤1 426 m3；累计注气386 542 Nm3(含试注气量)，累计排卤2 885 m3(含试注排卤量)，关井，关闭井下安全阀。油管放压至0，观察油压均为0，井口无压力且无水溢出，证明新型井下安全阀开启及关阀功能可靠，水密封试验合格。

2019 年4 月24 日，开始进行采气作业，采气流量54 358～44 893 Nm3/h，采气温度8.8～26.9 ℃，油压由13.2 MPa 下降至7.5 MPa，采气出口压力7.5 MPa，日采气124 053 Nm3。停止采气，关闭翼阀，安装油压表，关井。期间关闭井下安全阀，油管放空压力降落为0 后关闭，观察油管压力为0，放空无气体溢出，证明新型井下安全阀气密试压合格。

5 结论

(1)新研制的SVT5 低节流井下安全阀密封形式及密封材料的改变，提高了高频振动下工具的可靠性及抗腐蚀性能；安全阀的核心部件弧形阀板结构采用的S13Cr-P110 新材料，实现了内径不变的情况下将井下安全阀的外径大幅缩小，从而降低了井下安全阀处29.51%的节流，同时减小了高速冲蚀的气流导致的安全阀液压管线高频振动。

(2)通过室内测试，井下安全阀的开关功能及密封性指标均达到设计要求，符合ANSI/API Spec 14A井下安全阀设备规范要求。经过现场试验，新研制安全阀开关灵活可靠，水密封试验及气密封试验均合格，证明其能够满足现场使用条件。