海上熱采常開式高溫排氣閥研制與試驗

孫永濤 胡厚猛 白健華 孫玉豹 馬增華 顧啟林

摘要：針對海上熱采用排氣閥在高溫高壓下存在液控管線損壞導致無法正常開啟關閉的問題，設計了常開式高溫排氣閥。常開式高溫排氣閥采用全金屬密封，保證在常溫到350℃高低溫交變工況下密封可靠性，并通過高低溫室內試驗進行驗證；通過常壓開啟、加壓關閉的方式避免井下工具和管線長期高溫承壓，提高了排氣閥啟閉的可靠性；對開啟和關閉2個狀態下的閥體進行了受力分析，利用Hertz接觸理論建立了閥體—下接頭的球頭—錐面接觸力學理論模型，通過對球面半徑、錐面錐角和液控端壓力敏感性分析，優化了地面關閉壓力和密封壓力等工作性能參數，保證在應急狀態下關閉的可靠性。通過理論模型優化設計，球面半徑8.2mm、錐面錐角4.6°時具備最佳的密封性能，并得到了不同環空壓力下的關閉壓力圖版；常開式高溫排氣閥經過高低溫試驗，表明常開式高溫排氣閥開啟關閉動作靈活可靠，在60～350℃下都具有可靠的密封性能，能夠滿足海上熱采井長期注汽—采油需要。常開式高溫排氣閥適合海上熱采井常開高低溫交變工況下長期使用，建議在海上3輪次吞吐井及驅替井推廣應用。

關鍵詞：海上熱采；常開式高溫排氣閥；金屬滑動密封；球頭—錐面密封；接觸應力；室內高溫試驗

中圖分類號：TE952 文獻標識碼：A DOI：10.16082／j．enki．issn．1001-4578.2022.12.010

Development and Laboratory Test of Normally Open High-Temperature Vent Valve for Offshore Thermal Recovery

Sun Yongtao' Hu Houmeng' Bai Jianhua Sun Yubao' Ma Zenghua' Gu Qilin'

（1.CNOOC（China）Limited;2.Tianjin Branch of CNOOC（China）Limited）

Abstract：The vent valve for offshore thermal recovery cannot be opened or closed normally under high tem- perature and high pressure（HTHP）conditions due to the damage of hydraulic control pipeline.To solve this prob- lem，a normally open high-temperature vent valve was designed. It adopts all-metal sealing to ensure its sealing re- liability under the high-low temperature alternating working condition ranging from normal temperature to 350 ℃， which was verified by high-low temperature laboratory tests.Its opening at atmospheric pressure and closing at high pressure prevent the downhole tools and pipeline from long-term exposure to HTHP， thus improving its open- ing/closing reliability.The force analysis of the valve was conducted in the states of opening and closing.Based on the Hertz contact theory，a theoretical model of globe-cone contact mechanics between valve and lower joint was es- tablished.Based on the sensitivity analysis of spherical radus，cone angle and hydraulic control pressure，the working performance parameters of surface closing pressure and sealing pressure were optimized to ensure its closing liability in case of emergency. The optimization design of theoretical model shows that it has the best sealing per- formance at spherical radius of 8.2 mm and cone angle of 4.6°. In addition，the closing pressure charts under different annular pressures were obtained. 'The high-low temperature tests indicate that the normally open high-temper-alure vent valve can be opened and closed flexibly and reliably，and it has reliable sealing performance at 60～350℃，which meets the requirements of long-term steam injection and oil production of offshore thermal recoverywells. The normally open high-temperature vent valve is suitable for long-term use in offshore thermal recovery wellsunder normally open and high-low temperature alternating working conditions. It is recommended to be applied inoffshore three-cycle huff-and-puff wells and displacement wells.

Keywords： offshore thermal recovery; normally open high-temperature vent valve;metal sliding seal;globe-cone seal;contact stress; laboratory high-temperature test

0引言

渤海油田自 2008 年開始在多個區塊開展了 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，同時為了兼顧環空補氮隔熱的工藝要求，通常在環空封隔器加裝高溫排氣閥，用來控制環空注氮通道的開啟和關閉。

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。目前多數常規排氣閥及高溫排氣閥均采用加壓開啟、泄壓關閉的工作方式。對于常溫油氣井采用該工作方式的排氣閥結構成熟，性能可靠[4—5]；但對于海上熱采井，由于其大多數工作狀態為開啟狀態，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。目前海上試驗的高溫排氣閥均不同程度的出現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逐步應用，井下工具在多輪次蒸汽吞吐以及驅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過室內試驗驗證，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 構

常開式高溫排氣閥的結構如圖1所示，主要由開啟機構、滑動密封機構和關閉結構 3 大部分組成。

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

（1）開啟機構：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。

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

（3）關閉機構：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，在整個熱采作業過程中，除了應急狀況下，高溫排氣閥都保持在開啟狀態。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，排氣閥內部和液控管線內均注滿高溫液壓油，但地面控制盤不加壓，在排氣閥內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方的過流孔與上部環空建立流動通道；當地面需要關閉油套環空通道時，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，由于上接頭采用金屬臺階密封與外部環空和封隔器下部隔絕，上接頭內部形成活塞腔，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部錐面接觸，并保持一定的接觸壓力以封隔環空上下部。

3關鍵參數設計

常開式高溫排氣閥區別于常規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閉。為了達到這個要求就需要在排氣閥的滑動密封優化設計、地面關閉壓力優化設計和閥體球面密封優化設計方面開展工作。

3.1 滑動密封優化設計

為了達到排氣閥在高低溫交變工況下地面加壓來關閉排氣閥的目的，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。

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：①金屬密封環雙向的摩擦力相同；②排氣閥外部壓力范圍為 0～15MPa。

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（F）、液控端的壓力（F2和F2'，分別對應關閉狀態和開啟狀態）、閥體與金屬密封環的摩擦力（F，）、排氣閥本體對于閥體的反向作用力（F）、上部環空壓力（F，）、下部環空壓力（F，和F，分別對應關閉狀態和開啟狀態）[9]。

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

式中：p為高溫液壓油密度， g/mm'； g為重力加速度，取 9.8 m/s2；h為最大下深， 200 m； r為液控活塞半徑，取 6. 48 mm；計算得 F2' = 265 N；F，為閥體金屬密封環摩擦力， 400 N。

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

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

式中：p，為液控端關閉壓力，MPa；p.為下部環空壓力，MPa；r.為球頭—錐面密封半徑，mm。

將F，、F2、F，和F。帶入式（3）可得：

3.3 球頭—錐面密封優化設計

排氣閥需要關閉時，地面加壓推動閥體下行，閥體球面與下接頭內部錐面接觸，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，球面和錐面產生法向過盈，達到關閉壓力時，閥體球面與錐面形成一定接觸寬度的周向密封面。

根據Hertz接觸理論，球頭—錐面的法向接觸應力Py （x）可以表達為[10—11].

式中： E"為當量彈性模量，綜合考慮350 ℃溫度及材質，該數值為195 GPa； w，為密封面接觸半寬，mm; R.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，可得密封面附加軸向預緊力即F，為[10—12]

式中： r，=R，cosa， a為錐面錐角; t，為錐面錐度， mm/mm， t，=2tand。

將式（7）帶入式（8）并求積分即可得在F作用下產生的密封面半寬：

于是可求得閥體—下接頭密封面的平均接觸應力paa、最大接觸應力為Pma：

排氣閥在關閉狀態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p大于下部環空壓力p、，即pa>p，，并且p.越大密封效果越好；

（2）球頭—錐面密封面最大接觸應力px小于閥體和下接頭的屈服強度o，， Pmax<0，。

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

從圖5可以看出，隨著a增加p逐漸減小，隨著R.增加pm逐漸減小。對比4條曲線發現，R，=7.7 mm， α=15°， R.=7.9 mm， α=10°， R.= 8.2 mm、α=5°以及 R.=8.4 mm、α=2.5°共 4 種組合p<σ，并且p相對較大。

繼續根據密封面半寬對上述4組數據進行優化，繪制了滿足pmar

3.4 關閉力優化設計

常開式高溫排氣閥在遇到緊急狀況需要關閉時，地面通過液控管線加壓關閉。在不同的環空壓力下，需要控制地面加壓的壓力，保證排氣閥能夠有效關閉的同時，避免密封面發生塑性變形。此時Pmx=0，，同時結合式（6）及式（11）即可計算出不同環空壓力下的液控端關閉壓力，具體如下：

實際應用時，推薦關閉壓力為p，的80%～90%，繪制關閉壓力圖版，如圖 7 所示。在環空壓力為 1 MPa 時，推薦的關閉壓力為 8. 9～ 10.0MPa；在環空壓力為15 MPa時，推薦的關閉壓力為 26.7～30.1 MPa。

3.5 常開式高溫排氣閥性能參數

經過結構優化設計，常開式高溫排氣閥性能參數如表 2 所示。

4室內試驗

4.1試驗流程

常開式高溫排氣閥高溫室內試驗設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部容積變動產生的壓力變化，另一方面防止高溫油槽內的熱油返出傷害其他設備；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]。

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 15MPa，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下的關閉動作以及閥體與下接頭密封性能[15—16]。

4.3 試驗結果

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

（2）高溫試驗結果。高溫保壓8h結果如圖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。

然后繼續對上下腔加壓測試， 15 min壓力不降，回到低溫，3 個壓力測試均合格，并且正常關閉。具體數據見表4。

5結論及建議

（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，優化了排氣閥的關鍵尺寸參數和現場操作的關閉壓力。

（3）室內常溫及高溫試驗結果表明，常開式高溫排氣閥在常溫到350 ℃、15 MPa下均能正常關閉、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替井推廣應用。

參考文獻

[1]鄒劍，孟祥海，顧啟林，等.海上熱采井筒隔熱工藝管柱研制與應用[J].石油礦場機械， 2019， 48（2）： 62-65.

ZOU J， MENG X H， GU Q L， et al. Development and application of wellbore heat insulation technology for offshore thermal recovery wells [J]. Oil Field Equip- ment， 2019， 48 （2）： 62-65.

[2]王通，孫永濤，白健華，等.海上耐高溫井下安全控制管柱系統的研制[J].石油鉆探技術， 2017，45 （6）： 49-54.

WANG T， SUN Y T， BAI J H， et al. The develop- ment and testing of heat-resistant subsurface safety con- trol devices in offshore operations [J]. Petroleum Drill- ing Techniques， 2017， 45 （6）： 49-54.

[3]鄒劍，韓曉冬，王秋霞，等.海上熱采井耐高溫井下安全控制技術研究[J].特種油氣藏，2018，25（4）： 154-157， 163.

ZOU J， HAN XD， WANG QX， et al. Heat-resistant dowhole safety control techniques for offshore wells with thermal production [J]. Special Oil & Gas Reservoirs， 2018， 25 （4）： 154-157， 163.

[4]李英松，邊杰. 海上油田 ESP 封隔器（雙電纜）的研制與應用[J].石油機械，2015， 43 （7）： 71—74.

LIY S， BIAN J. Development and application of ESP packer （dual cable） for offshore oilfield [J]. China Petroleum Machinery， 2015， 43 （7）： 71-74.

[5]劉鵬，高斌，羅建偉，等.大通徑高強度過電纜封隔器的研制與應用[J].石油鉆采工藝， 2014， 36（3）：126-127， 130.

LIU P， GAO B， LUO J W， et al. Application of the large bore and high strength cable-through packer [J].Oil Drilling & Production Technology， 2014， 36 （3）： 126-127， 130.

[6]仇朝軍，周小杰，施曾寶，等.渤海某井蒸汽吞吐管線斷裂原因分析[J].涂層與防護， 2019， 40（5）： 16-26.

QIU CJ， ZHOUXJ， SHI ZB， et al. Fracture analy- sis of steam huff and puff pipeline in a well in Bohai Sea [J]. Coating and Protection， 2019， 40 （5）： 16-26.

[7]張文亮，王雪，劉繼文，等.彈性金屬密封技術[J].液壓氣動與密封， 2009， 29 （3）： 4—7.

ZHANG WL， WANG X， LIU J W， et al. Elastic metal seal technology [J]. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2009， 29 （3）： 4-7.

[8]蔡力勛，葉裕明，左國.Inconel 718 合金 0 形環的高溫壓扁彈塑性行為[J].上海交通大學學報，2005， 39 （5）： 818-822.

CAILX， YEYM， ZUO G. Elastie and plastic behav- compressing at elevated temperatures [J]. Joumal of ior of O-ring specimens of Inconel 718 alloy under side- Shanghai Jiaotong University， 2005， 39 （5）： 818-822.

[9]程文佳，董社霞，付強，等.采用雙弧面金屬密封結構的新型環空排氣閥性能研究[J].潤滑與密封，2019， 44 （6）： 138-142.

CHENG WJ， DONG S X， FU Q， et al. Research on performance of new annular vent valve with double are surface metal sealing structure [J]. Lubrication Engi- neering， 2019， 44 （6）： 138-142.

[10] JOHNSON KL.接觸力學[M].徐秉業，羅學富，劉信聲，等譯.北京：高等教育出版社，1992.

JOHNSON KL. Contact mechanics [M]. XU BY，LUO XF， LIUXS， et al translated. Beijing： Higher Education Press， 1992.

[11]李峪嵐.球與內錐面接觸時的局部應力計算[J].甘肅工業大學學報，1993，19 （2）：61—64.

LI Y L. Caleulation of contact stress of ball with coni- cal interior [J]. Joumal of Gansu University of Tech- nology， 1993， 19 （2）： 61-64.

[12]許紅林.油套管特殊螺紋連接強度和密封理論研究[D].成都：西南石油大學， 2015.

XU H L. Study on joint strength and sealing theory for casing and tubing premium connections [D]. Cheng- du： Southwest Petroleum University， 2015.

[13]李連進，彭羽，李牧. 石油套管特殊螺紋接頭密封結構設計方法[J].潤滑與密封，2015， 40 （4）：106-109， 114.

LILJ， PENG Y， LI M. Design method of seal struc- ture of premium threaded casing connections [J]. Lu- brication Engineering， 2015， 40 （4）： 106-109， 114.

[14]胡厚猛，孫永濤，劉花軍，等.海上熱采井防污染工藝管柱及配套工具[J].石油鉆采工藝， 2016，38 （1）： 118-122.

HUHM， SUN YT， LIUHJ， et al. Research on contamination-proof technique strings and supporting tools for offshore thermal recovery wells [J]. Oil Drill- ing & Production Technology， 2016， 38 （1）： 118- 122.

[15]國家能源局，注蒸汽封隔器及井下補償器技術條件： SY/T 6304—2013 [S].北京：石油工業出版社，2014.

National Energy Administration. Technical conditions of steam injection packer and downhole compensator： SY/T 6304—2013 [S]. Beijing： Petroleum industry press， 2014.

[16]API. Specification for subsurface safety valve equip- ment： API Spec 14A [S]. Washington： API， 2015.

第一作者簡介：孫永濤，高級工程師，生于 1979年，2020 年畢業于中國石油大學（華東）油氣田開發工程專業，獲博士學位，現從事油氣開采技術研發及管理工作。地址： （300459）天津市塘沽區。電話： （022） 59551935。E—mail： eartharea@ 163. com

收稿日期：2022—07—31

（本文編輯 劉 鋒）