35 MPa環空放氣閥設計及試驗

李寶龍，齊海濤，王明杰，左 凱，郝宙正，包陳義，孔學云，姚智翔，閆 紳

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

符號說明

D1—彈簧護筒和活塞密封直徑，mm

D2—外套和活塞密封直徑，mm

D3—金屬密封最大直徑，mm

D4—金屬密封最小直徑，mm

D—金屬密封直徑，mm

Fit—內壓作用下活塞的合力，N

Fet—外壓作用下活塞的合力，N

pi—內部壓力，MPa

pe—外部壓力，MPa

F0—彈簧的初始彈力，N

Fitmin—內壓時金屬密封最小接觸力，N

Fitmax—內壓時金屬密封最大接觸力，N

Fetmin—外壓時金屬密封最小接觸力，N

Fetmax—外壓時金屬密封最大接觸力，N

在油氣田開發過程中，電潛泵采油式的人工舉升方式非常普遍[1-3]，作為電潛泵采油完井工藝的關鍵工具，過電纜封隔器及其上的環空放氣閥是控制油氣井流體流動的重要裝置[4-6]。當環空放氣閥關閉時，過電纜封隔器和環空放氣閥共同控制油管和套管環空的流體通道，當環空放氣閥開啟時，井下的氣體可以通過環空放氣閥的旁通孔流到地面系統，環空放氣閥還為更換管柱時提供了壓井通道。因此，環空放氣閥是完井中的重要工具。目前的環空放氣閥大多采用彈性密封，在閥開啟和關閉過程中，彈性密封要經過本體上的旁通孔，多次開關后，彈性密封容易損壞，導致密封失效[7]。同時，彈性密封暴露在環空流體中，長時間的沖蝕也會導致其密封失效[8-9]。針對上述問題，設計了一種新型的環空放氣閥。

1 結構及工作原理

環空放氣閥由上接頭、彈簧護筒、彈簧、活塞、外套、閥芯、閥座、下接頭、O型密封圈(兩端擋圈)組成，如圖1所示。上接頭(1/4″ NPT螺紋)與液壓控制管線連接，液壓控制管線連接到地面控制系統，下接頭(1.9″NU螺紋)與過電纜封隔器連接。

1—上接頭；2—彈簧護筒；3—彈簧；4—活塞；5—外套；6—閥芯；7—閥座；8—下接頭；B1、B2、B3、B4、B5—密封圈。

該環空放氣閥是一種常閉閥，初始狀態下，彈簧處于壓縮狀態，推動活塞和閥芯壓緊在閥座上，閥芯和閥座之間為金屬密封，密封面為球面。需要開啟時，地面控制系統向液壓控制管線加壓，液壓油通過外套和彈簧護筒之間的間隙進入B2和B3兩道密封圈之間。由于B2處的密封直徑D1大于B3處的密封直徑D2，形成液壓面積差。當液壓力達到一定值后，液壓力克服彈簧彈力，活塞在液壓力的作用下上移，帶動閥芯上移，閥芯臺肩移動到外筒臺肩處時，閥完全開啟。地面控制系統保持一定的液壓力，使閥保持開啟狀態。需要關閉時，液壓控制管線泄壓，在彈簧彈力作用下，活塞下移，帶動閥芯壓到閥座上，形成金屬密封，在彈簧初始彈力的作用下，閥保持關閉狀態。

2 技術參數

最大外徑

55 mm

工具總長

812 mm

上端螺紋

1/4″ NPT Box

下端螺紋

1.9″NU

額定工作壓力

35 MPa

完全關閉壓力

8.5 MPa

3 活塞受力計算

環空放氣閥密封面尺寸如圖1中D1、D2和圖2中的D3、D4。這4個密封尺寸有如下關系：D1>D2>D4>D2。當閥芯和閥座的密封球面接觸后，在D3和D4之間形成金屬密封，記密封處的直徑為D。因此，各密封處直徑存在如下關系：D1>D>D2，其中D4

當承受內壓pi時，活塞受到的合力為：

由于D1>D，所以Fit>0，活塞合力向右。

當承受外壓pe時，活塞受到的合力為：

由于D>D2，所以Fet>0，活塞合力向右。

綜上，無論該環空放氣閥承受內壓還是外壓，液壓力均使閥芯壓緊在閥座上。內壓或者外壓越大，閥芯在閥座上的壓緊力越高，提高了密封性能。同時，該設計避免了井下作業產生壓力波動而誤打開環空放氣閥的風險，提高了作業安全性。

a 閥芯金屬密封最大直徑

b 閥座金屬密封最小直徑

4 密封面受力分析

4.1 球面密封接觸力

球面密封承受彈簧初始彈力F0和內壓/外壓產生的軸向作用力的作用，球面密封的接觸力如下：

當承受內壓pe時，

當承受外壓pe時，

在不同內壓和外壓條件下，球面密封的接觸力如表1。由表1數據可知，在相同的內壓/外壓條件下，內壓/外壓產生的金屬密封面接觸力相近。

4.2 球面密封應力和接觸壓力

建立閥芯-閥座有限元模型如圖3所示，采用四面體網格劃分，球面密封處網格加密處理，閥芯上的球面設置為目標面，閥座上的球面設置為接觸面。采用摩擦接觸，摩擦因數為0.05。材料彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3。閥座底面施加固定約束，閥芯頂面僅保留y方向的自由度，在閥芯頂面施加5 025 N的軸向壓縮載荷，閥座應力和接觸面壓力云圖如圖4所示。由分析可知，閥座最大應力為193.36 MPa，閥座球面密封面最大接觸壓力為194.25 MPa。滿足強度要求。

表1 不同內壓/外壓條件下金屬密封面接觸力

a 閥芯-閥座有限元模型

b 閥座有限元模型

a 閥座應力云圖

b 閥座接觸壓力云圖

5 室內試驗及分析

5.1 閥的開啟/關閉試驗

將環空放氣閥上接頭連接控制管線，然后連接到測試設備上。由于環空放氣閥的活塞腔體積很小，在測試之前將試壓泵的排量和泄壓閥的開度調節到合適，并提高數據采集頻率，以捕捉環空放氣閥開啟和關閉時的關鍵參數(初始開啟壓力、完全開啟壓力、初始關閉壓力、完全關閉壓力)。

環空放氣閥開啟關閉5次記錄曲線如圖5所示。

由于環空放氣閥是靠控制壓力克服彈簧彈力開啟，泄壓后靠彈簧彈力關閉，與井下安全閥原理類似[10]。因此，環空放氣閥開啟、關閉曲線和井下安全閥開啟、關閉曲線類似。

記錄的關鍵參數如表2所示。

圖5 開啟/關閉閥5次壓力顯示界面

表2 閥的開啟和關閉壓力數據

該環空放氣閥完全開啟的平均壓力為12.9 MPa，完全關閉的平均壓力為8.36 MPa。每次的完全開啟壓力和完全關閉壓力在平均值的±1%以內波動，開啟和關閉壓力穩定。

5.2 密封性能測試

密封性能測試包括內部壓力測試和外部壓力測試。進行內部壓力測試時，將加壓接頭與下接頭連接，通過加壓接頭加壓35 MPa。進行外部壓力測試時，將環空加壓接頭套在環空放氣閥上，在外套和下接頭之間形成密封，通過環空加壓接頭加壓35 MPa。

內部壓力測試和外部壓力測試記錄曲線如圖6～7所示，加壓35 MPa壓力，穩壓20 min，壓力不降，環空放氣閥密封性能測試合格。

圖6 內部壓力顯示界面

6 結論

1) 設計了一種油氣井用環空放氣閥。該環空放氣閥通過下接頭螺紋與過電纜封隔器連接，通過?6.35 mm(1/4英寸)控制管線連接到地面控制系統，密封機構采用金屬密封。

圖7 外部壓力顯示界面

2) 環空放氣閥承受內壓或者外壓，液壓力均使閥芯壓緊在閥座上，且壓力越大，閥芯在閥座上的壓緊力越高，提高了密封性能。該設計避免了井下作業產生壓力波動而誤打開環空放氣閥的風險，提高了作業安全性。

3) 35 MPa壓力條件下金屬密封最大接觸壓力為5 025 N，最大應力為193.36 MPa，滿足強度要求。

4) 完全開啟的平均壓力為12.9 MPa，完全關閉的平均壓力為8.36 MPa。每次的完全開啟壓力和完全關閉壓力在平均值的±1%以內波動，開啟和關閉壓力穩定。

5) 密封性能測試結果表明，環空放氣閥可滿足35 MPa內壓和外壓密封要求。