双井下安全阀管柱及配套强开工具设计与实践

双井下安全阀管柱及配套强开工具设计与实践

胡云锋

中国石化集团公司中原工程公司井下特种作业公司 河南省濮阳市 457001

摘要：为确保油气井生产安全，设计一种管柱和工具，以便在需要时能够快速、有效地打开安全阀。设计时考虑管柱长度、材料、连接方式和直径，以及配套强开工具的结构、材料、操作方式和安全性等因素。制造时遵循规范和标准，并进行试验和检测，以确保质量和可靠性。实践表明，本次设计的井下安全阀管柱及配套强开工具，为井下复杂作业提供双重控制措施，具有一定的应用价值。

关键词：双井下安全阀；管柱；配套强开工具

引言：随着石油、天然气等能源的开采，井下作业的安全性愈发引人关注。在施工作业过程中，井下安全阀作为防止井内压力过高,引发井喷事故的重要装置，其作用不容忽视。然而，在实际操作中，由于种种因素，井下安全阀可能会遇到卡死、失效等问题，从而威胁到作业的安全进行。为此，设计一种双井下安全阀管柱及配套强开工具，对提升施工作业安全性具有重要意义。

一、项目概况

本次双井下安全阀管柱及配套强开工具设计主要以某探井为例，该探井是一口异常高压、高温探井，井深为4780m，储层压力为64.58MPa，井底温度平均为150.38℃。为确保生产井安全作业，本次设计双重安全保障，即双井下安全阀管柱结构，避免因震动、腐蚀以及冲蚀等恶劣工况下，出现井下安全阀失效问题。

二、双井下安全阀管柱设计要点分析

（一）设计原则

井下安全阀的使用需满足操作手册的要求，这是确保设备正常运行和安全生产的重要前提。在常规的生产管柱设计中，通常只在需要的地方安装一个井下安全阀。然而，在面对高压、井下地层出砂严重等特殊情况下，为降低井控风险，进一步提升施工作业安全，需要采用双井下安全阀管柱设计。以下是双井下安全阀管柱设计的主要原则：

1.串联安全阀

将两个井下安全阀串联连接，可确保即使其中一个安全阀出现故障，另一个仍能正常工作，从而提高系统的可靠性。

2.安全阀采用单独控制管线

每个安全阀都采用独立控制管线，这样可以避免一个安全阀的误动作对另一个安全阀产生影响，同时也能独立地对每个安全阀进行控制和调节。

  3.具备强开功能

强开工艺是指当井下压力超过安全阀的设定值时，安全阀能够自动打开，释放过高的压力，保护井下设备不受损坏。对于双井下安全阀管柱，每个安全阀都具备强开工艺功能，并且可以独立进行操作。

  4.满足管柱生产要求

在设计双井下安全阀管柱时，确保每个井下安全阀的最小内径满足生产管柱的要求。这样可以保证流体在通过安全阀时的流量和压力损失在可接受的范围内，不影响正常的生产操作。

（二）选择井下安全阀

  1.选择类型

基于双井下安全阀设计原则，考虑实际试验井主要采用Φ246.8mm套管、Φ88.4mm油管的情况。在设计期间，发现只有两套同型号、同尺寸的井下安全阀符合本次设计要求，选择贝克休斯TITAN-10E井下安全阀，最小内径为71.45mm。该类型安全阀主要通过地面控制系统，提高液压腔内压力，在推动活塞运动的同时压缩弹簧， 直至顶开筏板之后，实现持续开启，并在扭簧作用下，实现关闭筏板。

  2.选择材质及温度压力

为确保安全阀正常工作，在选择时应关注其额定工作压力和温度。考虑到井下最高压力和温度，选择压力等级为70MPa、温度等级为149℃的井下安全阀。除工作压力和温度，还要考虑CO2分压和温度对安全阀的影响。为确保安全阀在腐蚀环境下稳定工作，进行腐蚀速率计算和油管剩余壁厚评估，以便及时发现和解决潜在的腐蚀问题，延长安全阀的使用寿命。此外，还要确保安全阀的强度和材质满足工作需求。为提升管柱强度，本次设计期间，主要选择具有优越防腐性能的13Cr材料和钢级L80作为安全阀的主要材料，以确保安全阀长时间内稳定的性能。在控制管线方面，采用高性能连续型管线，其外径为6.12mm，壁厚为1.58mm，压力等级达到106MPa。这种管线具有优良的耐压性能和抗腐蚀能力，能够确保整个控制系统的稳定运行。

  3.确定井下安全阀下入深度

在确定井下安全阀深度时，应考虑以下因素：（1）最大失效保护深度：根据制造商的操作手册，确定安全阀的最大失效保护深度。（2）环空和控制管线流体的梯度和压力：在确定安装深度时，需要考虑环空和控制管线中流体的梯度和压力。（3）开关压力：根据装运报告中提供的井下安全阀的开关压力，可以进一步确定安装深度。（4）最大油管压力：在计算过程中，需要考虑井下安全阀的最大油管压力。（5）安全系数：为了确保安全阀的可靠性，通常会考虑一定的安全系数。根据不同的应用和环境条件，安全系数通常取值为1.15~1.25。

    本次目标井基础数据如下：操作手册中最大深度与最大油管压力分别461m，63.5MPa，井下安全阀压力为5.28MPa。

图1 双井下安全阀管柱示意图

    井下安全阀控制系统如图1所示，管柱位置需增加油补距离16.0m，最大安全下深约300-310m。因此，本次双井安全阀分别安装在190、295m。

三、配套选择性强开工具设计要点分析

（一）强开工具设计原则

针对同型号同尺寸双井下安全阀管柱实际情况，在设计强开工具时，应遵循以下原则：

1.独立操作原则

任何一个安全阀出现复杂情况时，强开工具都能够单独下入并对其进行操作，两个安全阀之间互不干扰，确保操作的独立性和灵活性。

2.最小内径保护

在实施强开操作后，井下安全阀的最小内径不会受到影响，确保后续井筒作业的顺利进行。这样可以避免因强开工具导致通道变窄而引发的一系列问题。

3.简洁稳定设计

强开工具应具备结构简单、操作性强和稳定可靠的特点。简单的设计可以减少故障发生的可能性，而易于操作则能提高工作效率。同时，稳定可靠的性能是确保工具在各种环境条件下都能发挥其功能的必要条件。

4.防腐防冲蚀

强开工具应采用防腐材质，以增强其耐久性和可靠性。在井下环境中，工具会面临各种腐蚀因素的挑战，因此防腐处理至关重要。此外，工具还应具备防冲蚀能力，以应对井下流体对工具的冲刷和磨损。

（二）改造井下安全阀

改造井下安全阀期间，主要是将X型选择性工作筒安装在安全阀上部位置，实现钢丝作业的下入和锁定功能，同时也能避免因安全阀上部尺寸影响下入作业，确保上部井下油管不受影响，实现强制开启配套工具强开的目的。但在实践过程中，发现下部安全阀依然受到上部安全阀尺寸影响，致使顶部AF工作筒无法正常作业。因此，将X型工作筒安装在安全阀上部区域，不仅可消除同型号同尺寸上下安全阀无法正常作业的问题，还能确保下入工艺有序进行。为进一步提高井下安全阀的性能，确保其在使用过程中更加稳定、可靠，对安全阀的结构进行优化。通过采用新型材料和改进设计，使安全阀的密封性能得到提高，减少磨损和渗漏现象。同时，对安全阀的开启、关闭机构进行简化，降低操作难度，提高工作效率。优化后的井下安全阀结构更加合理，使用更加便捷，为石油开采作业提供了更好的安全保障。

（三）设计强开工具

  随着井下安全阀的不断更新换代，原先强开工具已无法满足新的设计要求。因此，需重新设计强开工具，以确保改造后安全阀具有较强的兼容性和功能性。

1.工具类型选择

考虑到井下的特定环境和工作需求，应选择具有高耐用性和防腐蚀能力的材料来制造强开工具。X型工作筒作为一种常用的强开工具，其结构和功能能够满足大多数井下安全阀的开启需求。

2.调整工作筒长度

根据实际坐挂定位点位置和安全阀的结构，重新设计工作筒的长度，以确保强开工具能够准确到达阀门开启位置。

3.组合与定位

在确定阀门开启位置与X型筒台阶距离之后，需要将强开工具与选择性定位工具进行组合。这种组合应能够通过强开操作精确地释放蜗簧和锁定阀板至开启位置。蜗簧是一种具有防腐蚀功能的金属片，其弹性力较强，能够为阀板的开启提供稳定的支持。

4.考虑内径

由于蜗簧释放后几乎不影响生产管柱的内通径，因此在设计强开工具时，应充分考虑阀板开启位置的内径大小。过大的内径可能会影响安全阀的整体性能，而过小的内径则可能限制强开工具的操作范围，需依据实际情况，相应调整筏板开启位置内径。

三、双井下安全阀管柱及配套强开工具评价与应用
（一）改造效果评价

在完成双井下安全安全阀管柱及配套强开工具优化设计改造后，需对长度、工具内外径等数据进行检测，对比X型工作筒与下部井下安全阀的尺寸，并将强开工具与钢丝工具相连接，模拟具体作业流程，以便精准确定X型工具筒的具体位置。采用高精度制造工艺和材料，确保安全阀与阀板位置的紧密贴合，提高工作效率。强开工具设计考虑了下入工艺的可行性，采用简单、可靠的结构设计，降低了操作难度，减少了操作者的劳动强度。该工具整体结构简单、下入工艺可行，能够满足现场施工要求。在安全阀维护过程中，选择合适的强开工具至关重要。该工具的设计考虑了井下环境的特殊性和安全性。

（二）井下安全阀故障实例分析

2023年6月13日，在实际测试井中，顺利下入2套同型号同尺寸的井下安全阀，下入深度分别为201.4,291.9m。同时，在安装期间按照相关规定，对其进行安全阀与筏板测试、开关功能试验以及控制管线测试，均符合既定要求。

    在延长测试期间，发现隔水管和测试井存在较大的晃动幅度，且生产管柱呈现出无规律运动。这些运动导致了套管与管道的磨损，进而导致控制管线在不同程度上受到损坏。经过189天的使用后，井下安全阀的控制压力大幅度下降。技术人员对地面控制系统进行了检查，未发现明显的泄露点。因此，判断控制管线发生了泄露，导致井下安全阀无法正常开启和关闭。

（三）强开施工

本次强开施工作业主要有以下四个步骤：

  1.通井作业

在开始任何强开操作之前，都需要进行通井作业，目的是确保井筒内部畅通无阻。使用Φ70.0 mm的通径规对井筒进行通径，一是确保安全阀以上井筒处于畅通无阻状态。二是通过将通径规下至井下安全阀的阀板位置，并进行轻探，记录具体位置，达到确定作业位置的目的。通过通井作业，可以清除掉可能阻碍作业进行的杂质或堵塞物，确保井筒内部的清洁与畅通。这样可以提高作业效率，降低事故风险，并确保整个强开操作的安全与顺利进行。

  2.有选择性的进行强开作业

为了确保工具管串能够稳定地送入井下，需要将绳帽连接到提升系统上。通过使用工具管串中的旋转节、加重杆和万向节，可以将强开工具安全地送达至井下安全阀的阀板位置。同时，使用井下安全阀选择性强开工具对安全阀进行选择性强开操作，以确保强开工具与安全阀的配合紧密，避免卡阻情况的发生。

  3.回收强开工具

将回收强开工具的专用工具串下放到井下，一直放置到下部井下安全阀的位置。在这一步中，需要确保工具串与井下安全阀的连接牢固可靠，以避免在回收过程中出现意外脱落或松动。在工具串到达下部井下安全阀后，进行尝试回收操作。通过适当的操作，如转动工具串或调整工具串的长度等，尝试回收井下安全阀强开工具。在这一步骤施工过程中，需要特别小心，确保操作不会损坏工具串或强开工具。在成功回收强开工具后，需要将其从工具串中取出并进行检查。确保强开工具没有损坏，并且蜗簧已经成功释放。如果发现任何异常或问题，应及时进行处理或更换，以确保下一次使用时能正常工作。

4.通井作业（二次通井）

  在完成强开作业后，为了确保井筒的畅通和完整性，需要进行二次通井作业。这一步可以借助先前使用的通径规或其他适当的工具来完成。通过通井作业，可以进一步确认井筒的状态，并清理可能存在的杂物或碎屑。

（四）效果分析

    在下部井下安全阀被成功强制开启后，井筒内的生产通道得以迅速恢复。经过重新投产，井筒的产量与故障前的水平保持一致，这表明井下作业的生产能力得到有效保障。在随后的延长测试期间，井筒的生产表现持续平稳，这进一步证明了强制开启功能的稳定性和可靠性。在整个测试过程中，没有发生其他异常情况，这为井筒的安全生产提供了有力支撑。

双井下安全阀的设计起到了两道双保险安全措施的作用，增加了井筒的安全性。当其中一个安全阀出现故障时，另一个安全阀能够及时介入，确保生产流程不受影响。这种设计理念在保障井筒安全生产方面发挥了重要作用。

此外，选择性强开工具的研制对于确保在复杂情况下井筒流动通道的恢复具有重要意义。通过该工具，可以快速、准确地找到故障安全阀并将其强制开启。这不仅节省了故障排除的时间，还有助于降低因停产带来的经济损失。

结语：总之，在解决安全阀故障导致生产中断的问题时，必须慎重考虑管柱与强开工具设计过程中的各个要素，包括材料选择、结构设计、密封性能和连接方式。只有当管柱和强开工具能够完美兼容、操作简便、安全可靠时，才能充分发挥其作用。在现场应用中，应做好充分的准备工作，严格按照设计图纸和操作规程安装管柱，并确保其安装牢固且位置准确。此设计不仅能提高生产效率，同时也能显著提升安全性 ，有效降低生产中断的风险。

参考文献

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