一種高壓液面自動監測儀限壓閥的設計

鄧衛平　周文強　謝觀福

【摘? 要】在氣井生產的過程中，氣井積液過多會導致產氣量下降，甚至氣井報廢，過度排液又會使生產成本嚴重超支。因此有必要進行井筒積液診斷，為此全國各大氣田都對液面測試越來越重視，但氣井井口壓力較高，現有儀器不能滿足現場的測試需要，因此各大廠商都在進行高壓氣井液面自動監測儀的研制，針對高壓氣井液面自動監測儀的設計需要，本文提出了一種高壓氣井液面自動監測儀限壓閥的設計，對限壓閥的結構及閥芯組件進行了分析，證明了限壓閥設計的可行性，滿足了液面自動監測儀現場的測試的需要。

【關鍵詞】液面自動監測儀;高壓氣井;限壓閥

1? 引言

常規的液面自動監測儀主要用于油井測試，壓力較低，因此傳統的液面自動監測儀只能測試套管壓力低于10MPa的井，無法滿足10MPa以上的高壓井測試，近年來，由于天然氣能源的勘探與開發，而公司液面測試產品也逐漸轉向高壓油氣井測試，一些氣井的井口壓力有的高達25MPa，并且每口氣井壓力各不相同，為保證液面自動監測儀擊發測試后閥桿能密封關閉和擊發壓差，從而獲得更好的測試效果，因此設計一個性能可靠的限壓閥就顯得至關重要。

本文針對高壓氣井液面自動監測儀測試需要提出了一種高壓氣井液面自動監測儀用限壓閥，通過限壓閥來限制高壓液面自動監測儀氣室內的出口壓力以及擊發測試時所需擊發壓差，從而保證高壓液面自動監測儀測試時閥桿能正常關閉，密封可靠，以下將對這種限壓閥的原理及結構參數進行分析說明。

2? 限壓閥的工作原理及結構特點

限壓閥的結構由氣室接頭（序號1）、限壓閥閥體（序號2）、閥芯組件（序號3）、彈簧（序號4）、接頭（序號5）和調節螺桿（序號6）等幾部分組成，閥芯組件（序號3）與限壓閥閥體（序號2）的密封為軟密封，密封處為線密封方式，保證密封可靠。通過調節調壓螺桿（序號6）改變彈簧（序號4）的壓縮量，進而改變彈簧（序號4）的預緊力，從而調節閥芯組件（序號3）的密封壓力，進而起到限制輸出壓力的作用，保證液面自動監測儀主機氣室的壓力，從而保證液面自動監測儀在高壓下能正常擊發和關閉，讓氣室與井口有一定的擊發壓差，獲得更好的測試效果，保證儀器在井口壓力超過10MPa都能正常運行，限壓閥的結構如圖1所示。

該限壓閥具有結構簡單、能手動調節關閉壓力、密封可靠、氣室內液體順利排出等特點。

限壓閥的工作原理，限壓閥的氣室接頭（序號1）與液面自動監測儀主機的氣室相連，高壓氣體從氣室接頭進入限壓閥的限壓閥閥體，高壓氣體對閥芯組件（序號3）的作用力向右，然而彈簧（序號4）在預緊力的作用下對閥芯組件（序號3）的作用力向左，通過調節調壓螺桿（序號6）改變彈簧（序號4）的壓縮量，從而調節彈簧（序號4）對閥芯組件（序號3）的預緊力。當高壓氣體對閥芯組件（序號3）向右的作用力小于彈簧（序號4）對閥芯組件（序號3）向左的作用力時，則閥芯組件（序號3）密封關閉，當高壓氣體對閥芯組件（序號3）向右的作用力大于彈簧（序號4）對閥芯組件（序號3）向左的作用力時，彈簧（序號4）被壓縮，則閥芯組件（序號3）打開，從而起到限壓作用。

3? 限壓閥閥芯組件的設計與受力分析

從限壓閥的結構圖可以看出，限壓閥的設計主要是閥芯組件的設計和彈簧的設計，為保證液面自動監測儀在高壓25MPa下打開后能自動關閉，則限壓閥的最大密封壓力為P1，限壓閥閥體溢流孔的大小對閥芯組件的作用力影響較大，作用面積越小則單位壓強產生的作用力越小，在彈簧的作用力一定情況下，彈簧的作用力就遠大于氣體對閥芯組件產生的壓力，密封就越牢靠。

閥芯組件的結構及受力情況如圖2所示，因液面自動監測儀安裝在井上長期測試，測試頻率高，結合現場條件，硬密封方式不能滿足現場使用要求，故采用軟密封的方式，閥芯組件密封部位選用了一種具有抗拉強度高、氧化穩定性好、較高的柔韌性和回彈性、耐沖擊、耐磨、耐油和耐腐蝕等特點的材料，將密封閥芯加工成球面，這樣閥芯組件在彈簧力的作用下與限壓閥閥體小孔接觸形成線密封，有利于液面自動監測儀氣室內的氣體快速釋放，保證測試所需壓差，使得密封也更加可靠。

高壓氣體對閥芯組件的作用力為F1，彈簧對閥芯組件的作用力為F2，φd1為限壓閥閥體與閥芯組件的密封接觸位置。

根據力公式得：

F1=P1×S………………………………………（1）

將壓力和密封口直徑代入公式（1）即可求得作用力F1。

根據所得數據即可計算處彈簧力，設計出彈簧，因彈簧的設計較簡單，不在敘述。

4? 結束語

本文對限壓閥的工作原理及特點進行了說明，對限壓閥的閥芯組件進行了分析，說明了限壓閥在滿足高壓氣井液面自動監測儀測試要求的可行性，達到了高壓氣井液面自動監測儀限壓閥的預期設計目的。

參考文獻：

[1]（中國航空材料手冊，張巧華，1988.10，中國標準出版社）

[2]（機械設計手冊，聞邦椿，2010.08，機械工業出版社）

[3]（機械設計，濮良貴、紀名剛等，2001.06，高等教育出版社）