双井下安全阀管柱及配套强开工具设计与实践

葛俊瑞，李三喜，蔡斌，李艳飞

中海石油（中国）有限公司上海分公司（上海 200335）

井下安全阀是位于油管特定位置的安全装置，在生产设施出现危险、管线破裂等非正常情况下能够实现井下隔离，及时关闭流动通道，实现井筒流体的安全控制[1-3]。海上油气田由于特殊的作业环境，要求必须安装井下安全阀，确保油气井的安全生产，目前常用的是地面控制的油管携带式井下安全阀，采用液压控制的阀板结构[4-6]，具有密封性好、可靠性高的特点。

东海海域某探井是一口高温、异常高压深井，完钻井深4 670 m，储层压力63.2 MPa，井底温度151 ℃，折合日气产量超过百万立方米。为了满足地质油藏的评价需求，将探井转化为生产井，实施延长测试作业，面临着高温、高压、高产、震动等复杂井筒条件。为了实现双重安全保障，降低冲蚀、腐蚀、震动等恶劣工况导致井下安全阀失效的风险，确保生产安全与井筒完整性，设计了双井下安全阀的管柱结构，结合生产实际选择了同尺寸同型号的井下安全阀，并配套研制了选择性强开工具，对井下安全阀结构进行升级改造，取得了良好的应用效果。

1 双井下安全阀管柱设计原则

通常生产管柱中仅安装单个井下安全阀，若针对特殊的作业安全需求，设计采用双井下安全阀，应考虑生产需求、控制方式、风险应对、后续施工等因素，采用以下设计原则：①串联连接两个油管携带式井下安全阀；②每个井下安全阀采用单独的控制管线；③井下安全阀的使用满足操作手册；④两个井下安全阀具备单独实施强开工艺的需求；⑤井下安全阀最小内径满足生产管柱要求，不影响井下安全阀以下后续作业需求，如钢丝作业、电缆作业等。

按照以上设计原则，双井下安全阀的选择方案见表1。

表1 双井下安全阀的选择方案

2 井下安全阀选择与安装设计

2.1 类型选择

基于目标井采用Φ88.9 mm油管、Φ244.5 mm套管的要求，按照双井下安全阀的设计方案，结合东海海域实际库存工具类型，只有两套同尺寸、同型号的井下安全阀满足要求，自平衡式、最小内径为Φ71.4 mm，型号为贝克休斯的TITAN-10E，采用地面控制系统，通过控制管线提高液压腔内压力，从而推动活塞运动，带动中心管压缩弹簧，直至将阀板顶开并保持一定压力，实现持续开启，卸掉压力，阀板在扭簧里作用下实现关闭[7]。这种型号的井下安全阀顶部工作筒为AF 型工作筒，属于非选择性工作筒。

2.2 温度压力及材质选择

选择的安全阀额定工作压力必须不小于其工作时可能出现的最高压力，额定工作温度不小于可能出现的最高温度。根据目标井的温度、压力，模拟计算井口最高温度约109 ℃，储层最高压力为63.2 MPa，因此选择的压力等级70 MPa、温度等级149 ℃的井下安全阀满足作业要求，液压腔体耐压105 MPa[8]。

考虑CO2分压和温度影响情况下，计算腐蚀速率，获得生产年限内油管剩余壁厚，校核管柱强度满足作业需求，选择防腐材质13Cr、钢级L80。

2.3 控制系统选择

由于目标井存在高产且存在一定的腐蚀性，在每个井下安全阀上下配置了流动接箍，材质为防腐材质13Cr、钢级L80。

控制管线采用常规的外径Φ6.35 mm、材质316 L 的连续控制管线，壁厚1.63 mm，压力等级105 MPa。

2.4 下入深度设计

当确定井下安全阀下入深度[9]时，应考虑以下因素：①符合制造商操作手册的最大失效保护下入深度；②环空及控制管线流体梯度和压力；③装运报告中井下安全阀的开、关压力；④在井下安全阀计算中的最大油管压力；⑤要求的安全因素（安全系数一般取1.15～1.25）；⑥阀下入深度处的凝点，预期压力和温度（石蜡、水合物沉积、永冻层等）；⑦海上油气田一般要求至少下至泥线以下30 m。

目标井基本数据：环空流体密度为1.56 g/cm3，井下安全阀关闭压力为5.17 MPa，操作手册中最大下入深度为457 m，最大油管压力63.2 MPa。

最大安全下深=最小关闭压力/（1.15×环空静液柱压力梯度）=293 m。

海上油气田井下安全阀控制系统位于采油树甲板（图1），实际管柱位置应增加油补距15 m左右，最大安全下深约308 m。因此，设计两个井下安全阀的下深分别为200、300 m。

图1 双井下安全阀管柱结构示意图

3 配套选择性强开工具设计

管柱中安装两个井下安全阀，在提供双重安全保障的同时，也给流动通道的畅通带来风险，任何一个井下安全阀发生意外关闭，都将隔离流动通道，导致生产无法进行。因此，为了防止井下复杂情况引起的井下安全阀非正常关闭，设计了配套的强开工具，满足强制开启的作业需求。

3.1 强开工具设计原则

针对同尺寸同型号双井下安全阀的管柱结构，依据以下原则：

1）任何一个安全阀出现复杂情况，均可以下入强开工具，且互不影响。

2）井下安全阀实施强开后，最小内径不受影响，便于后续井筒作业。

3）强开工具具有结构简单、操作性强、稳定可靠的特点。

4）强开工具采用防腐材质，具备防冲蚀能力。

3.2 井下安全阀改造

上部井下安全阀以上为油管，不受任何影响，采用配套强开工具即可实现强制开启。

下部井下安全阀由于受到上部同尺寸井下安全阀的影响，顶部AF工作筒属于非选择性工作筒，标准的强开工具无法通过同尺寸同型号的上部井下安全阀，又无法对成品安全阀实施内部结构改造，难以消除同尺寸对下入工艺的影响。

为了满足下部井下安全阀的选择性下入工艺，创造性地在安全阀上部安装X 型选择性工作筒，满足钢丝作业选择性送入工具的下入及锁定功能，避免同尺寸上部井下安全阀对下入工艺的限制。改造示意图如图2所示。

图2 下部井下安全阀改造示意图

3.3 选择性强开工具设计

由于采用X型工作筒作为强开工具送入工具的实际坐挂定位点，导致标准的强开工具尺寸不适用改造后的井下安全阀，需要重新测量X 型工作筒长度，X 型工作筒NO-GO 至AF 工作筒NO-GO、井下安全阀阀板、阀板开启后底端位置的距离。

通过准确测量X型工作筒定位台阶与阀板开启位置的距离，将标准强开工具与选择性定位工具组合使用，采用钢丝作业下入选择性工具定位于X 型工作筒的NO-GO 位置，同时实现强开工具即锁定蜗簧正对阀板位置，通过强开操作释放蜗簧、锁定阀板至开启位置，蜗簧是一种圆周弹性防腐蚀金属片，具有较强的弹性力，厚约2 mm。阀板开启位置内径较大，蜗簧释放后几乎不影响生产管柱的内通径，具有定位准确、永久强开、不影响其他作业的特点。选择性强开工具结构如图3 所示，蜗簧强制开启功能如图4所示。

图3 选择性强开工具结构图

图4 蜗簧强制开启示意图

4 强开工具评价与应用

4.1 室内实验评价

组装井下安全阀选择性强开工具，测量了工具内外径、长度等关键数据，对比下部井下安全阀与X型工作筒的尺寸，连接钢丝工具与选择性强开工具，模拟实际施工过程，测试工具配合良好，选择性工具动作正常，能够准确定位X型工作筒位置，拆卸井下安全阀检查蜗簧能够顺利弹开并紧贴阀板位置的工具内壁，不影响管柱内通径，工具整体结构简单、下入工艺可行，满足现场施工要求。

4.2 井下安全阀故障

2017年6月12日，东海海域某延长测试井顺利下入2 套同尺寸同型号的井下安全阀，实际下入深度分别为202.4、295.9 m，安装过程中按照测试标准进行了开关功能试验、安全阀本体及阀板测试、控制管线测试，均合格。

延长测试过程中井口及隔水管晃动幅度较大，引起生产管柱不规律摆动，生产管柱与套管出现长期的高频碰撞与磨损，导致控制管线出现损坏，在使用187 d 后，下部井下安全阀控制压力出现快速下降，检查地面控制系统无泄漏，综合判断为井下控制管线泄漏[10]，井下安全阀无法维持开启、关闭。

4.3 选择性强开施工

强开作业共分为4趟钢丝作业：

1）通井作业：采用Φ70.0 mm 通径规通径至下部井下安全阀阀板，轻探并记录位置。

2）选择性强开作业。

工具串：绳帽+旋转节+加重杆+万向节+机械震击器+万向节+井下安全阀选择性强开工具。

工艺过程：连接选择性强开工具，设定工具处于选择位，顺利通过上部井下安全阀后，重新上提通过上部井下安全阀，再下放通过，将选择性工具切换至非选择位，缓慢下放至下部井下安全阀的阀板位置，半合机械震击器；固井泵对油管内正打压，打开下部井下安全阀，缓慢下放钢丝工具串将X 锁芯坐于X型工作筒，向下震击完全释放X锁芯，过提验证X锁芯锁定后，向上震击成功脱手服务工具，起出工具串检查脱手销钉、中心杆销钉正常剪切。

3）回收强开工具作业。下工具串至下部井下安全阀，到位后尝试回收井下安全阀强开工具，缓慢下放后再上提确认捞住强开工具本体，起出后检查工具正常，蜗簧释放成功。

4）通井作业：采用Φ70.0 mm 通径规通径至下部井下安全阀阀板以下50 m，验证实施强开后未影响管柱内通径，满足后续其他作业需求。

4.4 实施效果分析

下部井下安全阀实施强制开启后，恢复了井筒生产通道，重新投产后产量与故障前保持一致，平稳生产至延长测试结束，强制开启功能正常，未发生其他异常状况，确保了延长测试的持续平稳进行。双井下安全阀发挥了两道安全措施的作用，选择性强开工具的研制保障了复杂情况下井筒的流动通道恢复。

5 结论与建议

1）双井下安全阀的管柱结构是特殊复杂井具备双重安全控制手段的重要途径，能够采用同尺寸同型号的井下安全阀进行串联配置、单独控制的方式。

2）配套强开工具的研制是双井下安全阀可靠工作的前提，在井下安全阀意外关闭的情况下能够实施强制开启，恢复井筒流动通道。

3）采用同尺寸同型号井下安全阀，且安全阀无选择性工作筒，通过增加选择性工作筒的方式能够实现下部井下安全阀的选择性强开。

4）井下安全阀的选择性强开应在确认井筒安全的前提下，强开过程中准确切换选择性工具，通过送入工具与强开工具本体状态判断工作状态，进而验证井筒强开后的状态。