水下油管掛送入管柱系統液控球閥技術研究

摘要：水下油管掛送入管柱系統為完井作業期間的主要井控安全屏障，在出現井下安全風險時可通過控制液控球閥實現水下管柱的應急關斷，也可實現剪斷連續油管、電纜和鋼絲等柔性措施管串后實現緊急關斷，提高井控反應的時間。球閥本體總成的設計與加工制造工藝是實現液控球閥剪斷柔性措施管串后密封的關鍵技術。針對球閥本體總成的設計結構、選材和表面措施處理的工藝，闡述液控球閥實現剪切后密封關鍵技術，提供了一種可行的球閥總成結構及其制造工藝方案。研究成果對水下油管掛送入管柱技術國產化研究和現場應用具有指導意義。

關鍵詞：油管掛送入管柱；液控球閥；剪切

中圖分類號：TE952 " " " " "文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.002

Research on Hydraulic Control Ball Valve Technology of Subsea Tubing Hanging into Pipe String System

WANG Mingchun，MA Yingwen，WEI Jianfei，WANG Yu，TAO Liang

（CNOOC Research Institute，Bei jing 100028，China）

Abstract： The subsea string is the primary safety barrier for well control during completion operations. When well safety risks occur，the subsea string can be shut down in an emergency by controlling the hydraulic control ball valve，or the flexible pipe string such as coiled tubing，cable and steel wire can be cut，and the response time of good control can be improved. The design and manufacturing technology of the ball valve body assembly is the key technology to realise the sealing of the hydraulic control ball valve after cutting the flexible measuring pipe string. Based on the design structure， material selection and surface treatment process of ball valve body assembly，this paper describes the key technology of realizing the shear seal of hydraulic control ball valves，and provides a feasible ball valve body assembly structure and manufacturing process scheme. "The research results of this paper have a guiding significance for the domestic research and field application of the subsea pipe hanger feed string technology.

Key words： tubing hanging into pipe string system；hydraulic control ball valve；cutting

水下油管掛送入管柱系統作為完井、清井放噴、修井的主要井控屏障，為鉆完井作業提供安全保障。水下油管掛送入管柱系統中水下液控球閥可實現水下樹關閉失效或者沒有配置水下測試樹的情況下，當突發緊急情況時，可遠程操作液控球閥對坐落管柱內部的連續油管和鋼絲/電纜等柔性管串進行剪切，并實現關井作業。在處理完緊急措施以后可使用球閥具備的泵通功能進行壓井作業，可對水下測試樹的替代部分功能，減少水下油管掛送入管柱的配置，降低作業成本。

1 水下油管掛送入管柱簡介

水下油管掛送入管柱是在水下完井作業時應用于鉆井隔水套內的一套管柱組合，其基本功能是建立地層流體清噴通道、提供油管掛及管柱設備的控制管線以及應急情況下井控功能。由上到下的部件依次為：安全短節、配長油管、水下液控球閥和油管掛適配接頭，其中安全短節與防噴器的半封閘板配合使用，實現管柱環空隔離并進行試壓或壓井循環作業；使用配長油管針對不同作業水深調節管柱配長，確保安全短節下入深度能夠與防噴器半封閘板配合；水下液控球閥為水下安全控制閥門，應急情況下可液控關閉球閥阻斷管柱內流體，球閥具備的泵通功能使得球閥關閉后可通過正循環操作泵入壓井液，同時具備鋼絲及連續油管剪切功能。油管掛送入管柱同時配備有油管掛坐掛及壓力測試操作的液控管線，實現油管掛的鎖定、試壓、脫手、回接等操作功能。由于淺水作業過程中不會因洋流、風暴等自然因素形成平臺于水下井口間的緊急脫手，由此相較于深水完井油管掛送入管柱，淺水管柱采用水下液控球閥進行緊急關斷作業，實現對水下樹的替代，在遇卡等無法脫手或緊急需求的情況下也可采用防噴器剪斷剪切短節進行脫手，降低作業的管柱風險。相對于深水完井油管掛送入管柱，淺水送入管柱減少了承留閥和水下樹及其配套的排氣及化學注入裝備。相對于水下樹，水下液控球閥少了緊急脫的功能，并可在一個球閥的結構中實現對柔性措施管串的剪切和關井作業，簡化了設計結構，降低了管柱成本，減少了現場組裝、測試和維護的時間，在降低管柱失效風險點數量的同時也對管柱的整體成本進行了有效的控制，能夠節省大量現場組裝、測試和維護時間，減少作業管柱失效風險點的同時提升作業時效，如圖1所示。

從20世紀60年代開始應用水下采油樹及水下管柱以來，液控球閥作為水下完井作業的關鍵設備，目前在國外已經形成完整的產業鏈，進行了多次迭代升級，功能形式由最初的密封要求，逐步增加了剪切、泵通等附加要求。國外主流的水下送入管柱液控球閥設計制造公司有Enovate、Interventek、FMC、HAL、Schlumberger，幾家公司均具備定制化設計、制造、測試能力，具有多年該產品的設計制造經驗。在該領域內，以往都是國內采購國外成型產品進行實際應用，國外企業仍處于技術壟斷地位。

我國進入該領域較晚，近幾十年，隨著石油化工的不斷發展，工程項目中對管道閥門的需求越來越多。國內相關企業一直在對不同環境、工具中的球閥進行結構設計研究，致力于以國產球閥代替進口閥門，及復雜工況下球閥密封技術的突破。經過不斷的摸索研究，已經積累了豐富的經驗。從設計、工藝到制造日趨成熟，已經能夠完成該項技術的國產化研制。

2 液控球閥設計

2.1 標準規范

計算標準參照API STANDARD 6X，對于彈性分析，計算應力分量，并基于設計應力強度的倍數比較每個應力類別，確定安全系數。

設計應力強度應為最小規定屈服強度的2/3。

靜水壓殼體試驗（參照API 6A標準，靜水壓測試：1.5×額定壓力）中的最大許用普通原膜應力強度是最小規定屈服強度的 90%（安全系數為1.11），基本技術參數如表1所示。

2.2 技術參數（如表1）

2.3 液控球閥結構設計

液控球閥采用齒輪齒條的傳動方式，將齒條的直線運動，轉換為球閥的旋轉運動。采用齒輪齒條的傳動方式，因為其具有傳動精度高，齒輪承載能力大和傳動穩定性高等特點。現有技術通過控制球籠位移距離使球閥產生旋轉，但由于旋轉角度由根據球籠的位置進行限位，球閥存在開啟不到位的問題。本文根據球閥兩端面平臺與支撐爪限位，限制開關角度，解決液控球閥開關穩定性、大尺寸連續油管難剪切和液控球閥轉動不平穩的問題，液控球閥的結構如圖2所示。

液控球閥兩端平面上設有圓柱臺，圓柱臺外側連接有齒輪，齒輪和液控球閥通過鍵固定連接，液控球閥下端設有支撐筒，支撐筒的外壁上設有支撐爪，液控球閥兩端平面上設有凸起，保證液控球閥在轉動過程中開合角度符合設計要求。支撐筒外側設有傳動筒，傳動筒的端面分別設有齒條和扶正爪，齒條與齒輪按照設計要求高度嚙合，扶正爪內壁上開設有滑槽，液控球閥兩端平面上圓柱臺在滑槽中移動，保證液控球閥能夠平穩運動，不會造成傾斜，有利于液控球閥轉動。扶正爪上端設有活塞推環，活塞推環與齒條固定連接，保證傳動筒兩側打壓的同時不僅能夠向上推動，還能夠向下推動活塞推環，使球閥完成順時針和逆時針的轉動。

液控球閥與上球座密封面接觸，兩球面在上球座自身重力和彈簧彈力作用下形成初封，在液壓作用下是上球座與球閥壓緊，使上球座產生彈性變形而達到密封作用。金屬與金屬之間的硬密封效果，取決于兩金屬面在液壓作用下，補償兩球面圓度和表面粗糙度的能力。考慮到球閥、球座的高精密球面保護問題，液壓球閥選擇金屬+非金屬密封的方式，閥座底部設有環槽，環槽中裝有非金屬材質的刮泥環，用來清理管柱內的油污、殘渣等，防止球閥開關作業過程中劃傷高精密球面而影響密封效果。材質為（聚四氟乙烯）PTFE+二硫化鉬，聚四氟乙烯具有良好的耐熱性和耐寒性，能夠適應井下的惡劣環境，并且具有不沾性、良好的自潤滑性和低摩擦因數的特點；在PTFE中填料二硫化鉬，同時增加了耐磨性和潤滑性。液控球閥與閥座接觸密封時，球閥與非金屬刮泥環擠壓，在壓力較低的情況下與球座上端彈簧彈力共同使球閥形成初封，同時刮泥環在開關過程中，清理球閥表面上的油污、殘渣，防止金屬碎屑對球面形成劃傷，影響密封。

2.4 FMECA風險分析

液控球閥失效因素及FMECA風險分析如表2～3所示。

此次FMECA分析，對液控球閥中的7個不同零件的不同失效模式/失效機理進行了分析，其中H高風險0個（占比0%），M中風險14個（占比87.5%），L低風險2個（占比12.5%）。

在采取控制措施后，風險嚴重等級會隨之降低。14個M中風險失效概率均得到了有效的下降，其中有8個M中風險等級下降到了L低風險區域。在采用控制措施進行風險改善后，在所有失效模式中，L低風險增加到10個（占比62.5%），M中風險降低至6個（占比37.5%），H高風險0個（占比0%）。

經過此次風險分析，對液控球閥各個零部件進行了失效模式分析，并做出相對的控制措施。有效改善、降低了風險發生的頻率，有效地降低了風險發生的等級。

3 材料選型

3.1 金屬部件材料

3.1.1 選擇依據

依照API 6A 4.3.3材料級別中表3的規定，對每個零件的功能及應用環境進行分析，從而選擇符合EE級的材料。

在API 6A 6.1 中說明了用于含壓或壓力控制部件的時效硬化鎳基合金應符合API 6A CRA規定。3.1.2 材料的選擇

金屬零件在不同功能及應用環境下材料的選擇條件，如表4所示。

3.2 非金屬部件材料

3.2.1 選擇依據

依照ISO-23936石油、石化和天然氣工業與石油和天然氣生產相關介質接觸的非金屬材料，對每個零件的功能及應用環境進行分析，從而選擇符合井況條件的材料。

3.2.2 "材料的選擇

具體的非金屬零件材料，如表5所示。

3.3 涂層材料

液控球閥與閥座在開啟和關閉過程中，兩金屬圓弧面實現金屬密封、防止球閥與閥座在運動過程中造成損傷，同時保證球閥能夠有足夠的硬度剪切連續油管、鋼絲和電纜，采用PVD涂層技術對兩者進行表面處理。

PVD涂層技術是利用氣相中發生的物理、化學過程，改變工件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層的技術。PVD涂層技術一般在工件表面覆蓋厚度約0.5～10 μm厚，對球閥這種需要高精度尺寸的零件影響微乎其微，在工件表面覆蓋一層過渡族元素與碳、氮、氧和硼的化合物。

PVD涂層技術的應用，使球閥、球座表面具有很高的硬度、低的摩擦因數和自潤滑性能，其耐磨損性能良好，涂層具有很高的熔點、化學穩定性好，基體金屬在涂層中的溶解度小，摩擦因數較低，因而具有很好的抗黏著磨損能力。采用該技術的球閥在管柱內能完成多次開、關動作而不出現磨損、劃傷等情況。另外具有較強的耐蝕能力，以及在高溫下具有良好的抗大氣氧化能力，足以應對復雜的井況環境，保證球閥、球座的密封性不受影響。

4 有限元仿真分析

4.1 三維建模

針對液控球閥在水下油管掛送入管柱系統中的作用，使用SOLIDWORKS軟件自帶的Simualtion對其進行受力分析，模擬其在關閉狀態下承受壓力狀態。

球閥承壓時，密封球面與閥座貼合密封。此時球閥只有與閥座接觸的密封球面承壓，其余位置處于壓力平衡狀態，所以將不必要特征刪除，完成模型的簡化如圖3 所示。

4.2 設置材料、約束及載荷

模擬球閥設置的材料參數表如表6所示。

模擬球閥在關閉狀態下，球閥承下部壓力時的球閥閥座的應力狀態，設定下部測試壓力為68.9 MPa。

4.3 分析結果

應力分析如圖4 所示，將其最大應力點顯示出來，可以看到最大應力為723.4 MPa，最大應力不超過材料屈服強度（827 MPa）的90%（即安全系數大于1.11）。

單獨對球閥進行分析如圖5所示，球閥承受下壓時，根據應力云圖分析，可以看到最大應力為526.2 MPa，最大應力不超過材料屈服強（827MPa）的90%（即安全系數大于1.11）。即球閥球座符合設計要求。

5 測試驗證

5.1 性能驗證測試DVT

5.1.1 "DVT測試

根據API 6A 21st（井口裝置和采油樹設備）附錄F標準，測試水下液控關井閥的承壓能力、水下液控關井閥的承氣壓能力和不同溫度下的承壓能力，如表7所示。

5.1.2 DVT測試記錄（部分測試曲線）

根據試驗順序，所有測試結果均在標準范圍內，符合設計標準，如圖6所示。

5.2 工廠驗收測試FAT

5.2.1 FAT試驗大綱

根據API 6A 21st（井口裝置和采油樹設備）和API 17G（水下修井設備的設計與制造）標準，測試水下液控關井閥的承液壓能力、水下液控關井閥的承氣壓能力、水下液控關井閥驅動器的承載能力和水下液控關井閥出廠前驗證，如表8所示。

5.2.2 FAT試驗記錄

根據試驗順序，所有測試結果均在標準范圍內，符合設計標準，如圖7所示。

6 結語

水下油管掛送入管柱系統作為水下完井作業的重要安全屏障，液壓球閥在油管掛送入管柱系統中起到了至關重要的作用。液壓球閥中的球閥和閥座是其關鍵部件，兩者應具有一定的剛度和強度，應滿足高溫、高壓、低溫、耐腐蝕和耐壓耐磨等功能，針對現有液控球閥開關穩定性差，且開關過程不流暢的情況，對其驅動部分做出改進，使液控球閥的開關得到有效控制。為未來海洋石油水下完井作業提供有力保障。

參考文獻：

［1］ 金衍臣，張清明，張磊.球閥閥座結構分析［J］.閥門，2010（3）：19-22.

［2］ 孫子剛，王星.深水臥式采油樹完井坐落管柱應用技術研究［J］.石油化工應用，2018，37（6）：100-103.

［3］ 王星.深水完井油管掛送入管柱技術及應用研究［J］.海洋工程裝備與技術，2020，7（6）：352-355.

［4］ 邱浩，陶亮，王名春，等.自升平臺臥式采油樹水下完井簡易坐落管柱技術應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2022，42（10）：169-171.

［5］ 曹平富.超低溫浮動球閥密封結構設計［J］.中國高新技術企業，2015（26）：26-27.

［6］ 柳琪，王進，王小連，等.PVD涂層工業化應用及發展現狀［J］.鑄造技術，2018，39（2）：440-444.

［7］ 范白濤，王名春，王彬，等.一種液壓式油管懸掛器的設計［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2022，24（4）：16-20.

［8］ 張永磊.一種油管掛回接提升工具在渤海油田的試驗［J］.天津科技，2021，48（8）：73-74.

［9］ 朱元坤，劉健，秦浩智，等.基于ANSYS的油管掛結構可靠性分析［J］.石油礦場機械，2017，46（4）：28-31.

［10］ 姜立杰. 臥式采油樹油管掛設計研究［D］.北京：中國石油大學，2011.

［11］ 馬銳.水下采油樹關鍵技術研究［J］.中國石油和化工標準與質量，2017，37（13）：158-159.

［12］ 李博. 水下采油樹的結構設計及仿真分析［D］.大慶：東北石油大學，2017.

［13］ 郭駿，朱生東，張鵬舉，等.油管掛環空金屬密封制造技術研究［J］.中國海洋平臺，2016，31（1）：12-16+22.

［14］ 袁曉兵，歐宇鈞，盧沛偉，等.流花11-1油田水下采油樹測試方法研究［J］.石油機械，2015，43（6）：35-39.

［15］ 張鵬舉.水下采油樹測試單元試制［Z］.上海：美鉆能源科技，2011-05-23.

［16］ 龐達. 水下采油樹測試場地及安裝測試裝置研究［D］.北京：中國石油大學（北京），2022.