孫永濤 胡厚猛 白健華 孫玉豹 馬增華 顧啟林

(1.中海油田服務股份有限公司 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

渤海油田自2008年開始在多個區(qū)塊開展了30井次的海上熱采應用，形成了“全井筒隔熱”“井下安全控制”“水平段均勻注熱”等特色工藝[1-3]，在提高注熱安全性、減少熱損失、降低熱采成本等方面取得了良好的效果。為了保證井下安全，海上熱采井一般采用“高溫環(huán)空安全封隔器+高溫井下安全閥”的管柱組合，同時為了兼顧環(huán)空補氮隔熱的工藝要求，通常在環(huán)空封隔器加裝高溫排氣閥，用來控制環(huán)空注氮通道的開啟和關(guān)閉。

排氣閥是一種安裝于油氣井管柱上，通過地面液壓控制開啟和關(guān)閉的閥門，其主要功能是為排氣、洗壓井等工藝措施提供通道。目前多數(shù)常規(guī)排氣閥及高溫排氣閥均采用加壓開啟、泄壓關(guān)閉的工作方式。對于常溫油氣井采用該工作方式的排氣閥結(jié)構(gòu)成熟，性能可靠[4-5]；但對于海上熱采井，由于其大多數(shù)工作狀態(tài)為開啟狀態(tài)，導致高溫排氣閥的液控管線一直處于高溫高壓的工作狀態(tài)。目前海上試驗的高溫排氣閥均不同程度的出現(xiàn)液控管線應力腐蝕開裂，無法可靠開啟的問題[6]。隨著海上熱采注采一體化工藝以及蒸汽驅(qū)逐步應用，井下工具在多輪次蒸汽吞吐以及驅(qū)替下長期應用的可靠性更是亟需解決的問題。為了提高海上熱采井所用的高溫排氣閥的可靠性，筆者一方面改變常規(guī)思路提出常開式的工作方式降低液控管線長期承壓風險，另一方面通過優(yōu)化密封方式研制了常開式高溫排氣閥。該常開式高溫排氣閥經(jīng)過室內(nèi)試驗驗證，在不同工作壓力下均能靈活的啟閉和密封，適用于海上熱采的高低溫交變工況。

1 結(jié) 構(gòu)

常開式高溫排氣閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由開啟機構(gòu)、滑動密封機構(gòu)和關(guān)閉結(jié)構(gòu)3大部分組成。

1—上接頭；2—活塞桿；3—定位帽；4—定位螺釘；5—彈簧；6—固定套A；7—密封腔；8—金屬密封環(huán)；9—墊片；10—固定套B；11—閥體；12—下接頭。

開啟機構(gòu)由上接頭、定位帽、定位螺釘、彈簧和活塞桿組成；滑動密封機構(gòu)由固定套A、墊片、密封腔、金屬密封環(huán)和固定套B組成；關(guān)閉機構(gòu)由閥體、閥座和下接頭組成。

(1)開啟機構(gòu)：上接頭上部可以連接液控管線，可以地面加壓控制，同時通過定位帽定位壓縮彈簧，保持在地面壓力為0時排氣閥為常開狀態(tài)。

(2)滑動密封機構(gòu)：密封腔上下兩端通過固定套A和B、墊片將金屬密封環(huán)定位于其內(nèi)部腔體內(nèi)，閥體在排氣閥內(nèi)部上下運動時與金屬密封環(huán)保持密封狀態(tài)。

(3)關(guān)閉機構(gòu)：閥體下行到位后形成球頭對錐面的金屬密封，閥座與密封腔和上接頭的連接同樣采用金屬臺階密封。

2 工作原理

在海上熱采作業(yè)中，高溫排氣閥一般安裝在熱采封隔器上(見圖2)，下入200 m左右深度，在整個熱采作業(yè)過程中，除了應急狀況下，高溫排氣閥都保持在開啟狀態(tài)。具體的開啟原理如下：在常開式高溫排氣閥隨熱采管柱入井的過程中，排氣閥內(nèi)部和液控管線內(nèi)均注滿高溫液壓油，但地面控制盤不加壓，在排氣閥內(nèi)部彈簧回彈力以及外部壓力的作用下推動閥體和活塞桿克服液控管線液柱壓力，使排氣閥保持在開啟位置，封隔器下部通過閥座側(cè)方的過流孔與上部環(huán)空建立流動通道；當?shù)孛嫘枰P(guān)閉油套環(huán)空通道時，地面液壓控制盤加壓，壓力通過液控管線傳遞至常開式高溫排氣閥上接頭內(nèi)，由于上接頭采用金屬臺階密封與外部環(huán)空和封隔器下部隔絕，上接頭內(nèi)部形成活塞腔，隨著液控管線壓力增加推動活塞桿和閥體壓縮彈簧下行，最終閥體下部球面與下接頭內(nèi)部錐面接觸，并保持一定的接觸壓力以封隔環(huán)空上下部。

圖2 海上熱采井注熱管柱示意圖

3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

常開式高溫排氣閥區(qū)別于常規(guī)排氣閥在于其需要在常溫到350 ℃溫度下，能夠承受15 MPa壓差而靈活開啟和關(guān)閉。為了達到這個要求就需要在排氣閥的滑動密封優(yōu)化設(shè)計、地面關(guān)閉壓力優(yōu)化設(shè)計和閥體球面密封優(yōu)化設(shè)計方面開展工作。

3.1 滑動密封優(yōu)化設(shè)計

為了達到排氣閥在高低溫交變工況下地面加壓來關(guān)閉排氣閥的目的，對于閥體的滑動密封采用了彈性金屬密封，而彈性金屬密封相較于橡膠材料，其不受溫度變化影響，但同時其摩擦力較大[7-8]。為了更好地平衡摩擦力和密封性能，使用直徑過盈量從0.12～0.18 mm的多組尺寸的閥體進行了摩擦力和密封性能測試，結(jié)果見表1。從表1可以看到，12.96 mm的閥體摩擦力適中(400 N)，同時具有較好的密封可靠性。

表1 閥體-金屬密封環(huán)動密封試驗結(jié)果

3.2 受力分析

以排氣閥的主要運動部件閥體為目標，對其進行受力分析，首先給出以下假設(shè)：①金屬密封環(huán)雙向的摩擦力相同；②排氣閥外部壓力范圍為0～15 MPa。

基于以上條件，閥體在工作過程中的受力(見圖3)有：彈簧回彈力(F1)、液控端的壓力(F2和F2′，分別對應關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài))、閥體與金屬密封環(huán)的摩擦力(F3)、排氣閥本體對于閥體的反向作用力(F4)、上部環(huán)空壓力(F5)、下部環(huán)空壓力(F6和F6′分別對應關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài))[9]。

圖3 常開式高溫排氣閥關(guān)閉和開啟狀態(tài)下閥體的受力分析

常開式高溫排氣閥在極限條件下(最大下深200 m，外部環(huán)空壓力為0，F(xiàn)6′=0)保持開啟狀態(tài)的受力分析如下：

(1)

F2′=ρgh·πrl2

(2)

式中：ρ為高溫液壓油密度，g/mm3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為最大下深，200 m；rl為液控活塞半徑，取6.48 mm；計算得F2′=265 N；F3為閥體金屬密封環(huán)摩擦力，400 N。

將F2′、F3帶入式(1)中可得，F(xiàn)1>665 N。為了保障排氣閥穩(wěn)定開啟，選擇F1=900 N。

常開式高溫排氣閥在極限條件下(上部壓力為0，F(xiàn)5=0，下部壓力為15 MPa)保持關(guān)閉狀態(tài)的受力分析如下：

F2=F1+F3+F4+F6

(3)

F2=pl·πrl2

(4)

F6=px·πrs2

(5)

式中：pl為液控端關(guān)閉壓力，MPa；px為下部環(huán)空壓力，MPa；rs為球頭-錐面密封半徑，mm。

將F1、F2、F3和F6帶入式(3)可得：

(6)

3.3 球頭-錐面密封優(yōu)化設(shè)計

排氣閥需要關(guān)閉時，地面加壓推動閥體下行，閥體球面與下接頭內(nèi)部錐面接觸，形成了球頭-錐面密封面，如圖4所示。閥體球面與下接頭錐面首先發(fā)生以初始接觸點為半徑的圓周線接觸，隨著地面壓力上升,球面和錐面產(chǎn)生法向過盈，達到關(guān)閉壓力時,閥體球面與錐面形成一定接觸寬度的周向密封面。

圖4 球頭-錐面密封示意圖

根據(jù)Hertz接觸理論，球頭-錐面的法向接觸應力PsN(x)可以表達為[10-11]：

(7)

式中：E*為當量彈性模量，綜合考慮350 ℃溫度及材質(zhì)，該數(shù)值為195 GPa；ws為密封面接觸半寬，mm；Rs為閥體球面半徑，mm；x為以球頭-錐面初始接觸點為原點，以球面切向(x)和法向(y)建立坐標系中的切向位置，mm。

密封面錐度和實際接觸寬度一般都很小，密封面半徑可視為常數(shù)，可得密封面附加軸向預緊力即F4為[10-12]：

(8)

式中：rs=Rscosα，α為錐面錐角；ts為錐面錐度，mm/mm，ts=2tanα。

將式(7)帶入式(8)并求積分即可得在F4作用下產(chǎn)生的密封面半寬：

(9)

于是可求得閥體-下接頭密封面的平均接觸應力pava、最大接觸應力為pmax：

(10)

(11)

排氣閥在關(guān)閉狀態(tài)下保持良好的長效密封性則需要滿足以下條件[13]：

(1)球頭-錐面密封面平均接觸應力pava大于下部環(huán)空壓力px，即pava>px，并且pava越大密封效果越好；

(2)球頭-錐面密封面最大接觸應力pmax小于閥體和下接頭的屈服強度σs，pmax<σs。

給定排氣閥液控端最大壓力pl=35 MPa，閥體和閥座屈服強度σs=603 MPa，計算了Rs=7～9 mm、錐角α=2.5°～15.0°條件下的pmax，如圖5所示。

圖5 不同組合下的最大接觸應力

從圖5可以看出，隨著α增加pmax逐漸減小,隨著Rs增加pmax逐漸減小。對比4條曲線發(fā)現(xiàn)，Rs=7.7 mm、α=15°，Rs=7.9 mm、α=10°，Rs=8.2 mm、α=5°以及Rs=8.4 mm、α=2.5°共4種組合pmax<σs并且pava相對較大。

繼續(xù)根據(jù)密封面半寬對上述4組數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，繪制了滿足pmax<σs條件的不同α和Rs的ws曲線，如圖6所示。從圖6可見，在給定液控端壓力下，隨著α增加ws逐漸減小，隨著Rs增加ws逐漸減小，Rs=8.2 mm、α=4.6°擁有最大的密封面半寬。

圖6 不同組合下的密封面半寬

3.4 關(guān)閉力優(yōu)化設(shè)計

常開式高溫排氣閥在遇到緊急狀況需要關(guān)閉時，地面通過液控管線加壓關(guān)閉。在不同的環(huán)空壓力下，需要控制地面加壓的壓力，保證排氣閥能夠有效關(guān)閉的同時，避免密封面發(fā)生塑性變形。此時pmax=σs，同時結(jié)合式(6)及式(11)即可計算出不同環(huán)空壓力下的液控端關(guān)閉壓力，具體如下：

(12)

實際應用時，推薦關(guān)閉壓力為pl的80%～90%，繪制關(guān)閉壓力圖版，如圖7所示。在環(huán)空壓力為1 MPa時，推薦的關(guān)閉壓力為8.9～10.0 MPa;在環(huán)空壓力為15 MPa時，推薦的關(guān)閉壓力為26.7～30.1 MPa。

圖7 常開式高溫排氣閥關(guān)閉壓力圖版

3.5 常開式高溫排氣閥性能參數(shù)

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，常開式高溫排氣閥性能參數(shù)如表2所示。

表2 常開式高溫排氣閥性能參數(shù)

4 室內(nèi)試驗

4.1 試驗流程

常開式高溫排氣閥高溫室內(nèi)試驗設(shè)備主要包括高溫油槽、常開式高溫排氣閥、壓力平衡容器、壓力表和加壓泵。室內(nèi)試驗流程示意圖如圖8所示。常開式高溫排氣閥兩端及中部分別連接內(nèi)部容積大于0.004 m3的壓力平衡容器，一方面用來平衡排氣閥閥體移動時內(nèi)部容積變動產(chǎn)生的壓力變化，另一方面防止高溫油槽內(nèi)的熱油返出傷害其他設(shè)備；排氣閥連出的3路管線，分別形成上腔、中間腔體和下腔，這3個腔體分別可以連接壓力表和加壓泵[14]。

圖8 室內(nèi)試驗流程示意圖

4.2 試驗方法

(1)常溫試驗：①下腔壓力為0情況下，上腔加壓33 MPa，測試閥體滑動密封性能；②下腔加壓10 MPa，然后上腔加壓33 MPa，放掉中間腔體壓力，測試排氣閥在10 MPa下的關(guān)閉動作以及閥體與下接頭密封性能；③下腔加壓15 MPa，然后上腔加壓33 MPa，放掉中間腔體壓力，測試排氣閥在15 MPa下的關(guān)閉動作以及閥體與下接頭密封性能。

(2)高溫試驗：①將高溫油槽升溫至350 ℃；②上腔加壓33 MPa，下腔加壓15 MPa，高溫下保壓8 h；③上腔補壓至33 MPa、下腔補壓至15 MPa，測試高溫下的密封性能；④高溫油槽停止加熱冷卻至室溫，下腔加壓15 MPa，然后上腔加壓33 MPa，放掉中間腔體壓力，測試排氣閥回到室溫后在15 MPa下的關(guān)閉動作以及閥體與下接頭密封性能[15-16]。

4.3 試驗結(jié)果

(1)常溫試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出,排氣閥在常溫下上腔耐壓33 MPa，下腔關(guān)閉狀態(tài)下承壓15 MPa，3次啟閉正常。

表3 常開式高溫排氣閥常溫試驗結(jié)果

(2)高溫試驗結(jié)果。高溫保壓8 h結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，上腔壓力下降2.42 MPa，下腔壓力下降2.07 MPa。

圖9 高溫試驗曲線

然后繼續(xù)對上下腔加壓測試，15 min壓力不降，回到低溫，3個壓力測試均合格，并且正常關(guān)閉。具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 常開式高溫排氣閥高溫試驗結(jié)果

5 結(jié)論及建議

(1)針對海上熱采井液控管線高溫高壓容易損壞的問題，設(shè)計了常開式高溫排氣閥。該排氣閥采用常開式工作方式，避免了井下管線長期承壓，提高了排氣閥長期工作的可靠性；同時采用全金屬的動密封及靜密封設(shè)計，能夠滿足常溫到350 ℃高低溫交變的工況。

(2)對常開式高溫排氣閥不同工作狀態(tài)進行受力分析，通過建立球頭-錐面接觸應力理論模型及不同尺寸金屬滑動密封組合試驗，優(yōu)化了排氣閥的關(guān)鍵尺寸參數(shù)和現(xiàn)場操作的關(guān)閉壓力。

(3)室內(nèi)常溫及高溫試驗結(jié)果表明，常開式高溫排氣閥在常溫到350 ℃、15 MPa下均能正常關(guān)閉、可靠密封，適合海上熱采高低溫交變工況長期使用。建議在海上3輪次蒸汽吞吐井及驅(qū)替井推廣應用。