CN102720464B - 一种井下安全阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下安全阀，包括由上接头、中接头、外筒和下接头依次连接构成的本体，所述本体内设置有中心管；所述中接头的管壁中设置有至少一套金属波纹管组件，金属波纹管组件的上端与本体上的与外接油管连接的油路通道连通，金属波纹管组件的下端与固定在所述中心管外周壁上的定位环之间通过伸缩绞架组件相连接，所述外筒下端的内壁上形成有凸台，在所述中心管上位于所述定位环与所述凸台之间套有压簧，所述的外筒的下端设有与所述中心管轴向配合的弹性常闭阀板。本发明是一种能够在高温、高压、腐蚀环境和深海中使用的井下安全阀，不使用橡胶，并且能够满足高压密封要求。
Description
技术领域
本发明属于油气井开采设备，具体涉及一种用于油气开采的井下安全阀。
背景技术
在石油开采业中，进行井下作业时经常出现由于开采设备发生故障等原因造成烃类流体流速加大却又无法控制，这时就必须及时关闭通道，确保作业安全，避免发生更大的事故。实际生产中，必须要有一种装置（井下安全阀）来关闭流体通道，实现阻断功能。井下安全阀是一种防止井喷、保证生产安全的井下设备。当出现紧急情况时通过从中接头连接到地面的控制管线卸压关闭阀板实现油气井的关闭，需要开启时可以通过管线加液压打开阀板进行开采。
世界各国越来越重视环境保护和安全生产，很多国家对油气井的安全生产都有详细的法律法规，强调位于人口稠密地区、重要经济区、海洋和内陆水域可能发生自喷或外溢的油气井都安装井下安全阀。目前，国内海上有自喷能力的油气井都安装有井下安全阀，陆上油田也越来越多地在油气井中使用井下安全阀。
在实际使用中，现有井下安全阀主要需克服的技术困难包括：1）高温性能，由于井深度的不断加深和热采技术的运用需要在250甚至350摄氏度高温环境下工作，目前世界上现有安全阀均不同程度使用了橡胶，其工作温度均不能达到上述温度；2）防止结蜡和水合物，现有的井下安全阀动密封机构采用活塞密封，一旦结蜡或生成水合物将导致安全阀不能正常关闭3）超深安装，要求开启和关闭压力达到20.7MPa(3000psi)；4）抗高压能力，要求内压指标达到69MPa(10000psi)。
“系统调研了国外最知名的几家大公司的井下安全阀技术，哈里伯顿的耐压最为突出，高压137.9MPa，贝壳休斯的产品耐温最高，达到177℃” —— 载录于《石油机械》2008年第36卷第7期由江汉油田分公司采油工艺研究院的一篇调查报告“国外井下安全阀的技术现状”。高温下对设备的密封性影响极大，特别是对密封件的老化加快导致密封失效，控制井下安全阀开关的活塞就会失效，井下安全阀就不能正常工作，目前最好的耐温橡胶是美国派克公司生产的全氟橡胶可以在316℃下工作短期时间，也无法满足数年的井下安全阀工作寿命。当今世界上各大公司一直在研究全金属密封结构的井下安全阀，用于到达最佳的可靠性。
除了耐温指标外，活塞防沙尘、密封件防老化，用于深海的超深安装和活塞、本体的气密封也是井下安全阀的重要技术指标，因此各大公司也针对这些技术指标进行不断的研究，以提高产品性能。
井下安全阀目前需要解决以下技术问题：
1）目前世界上的井下安全阀要么采用活塞式结构，要么采用滑动心轴结构推动阀板的开启和关闭，这两种结构都必须有密封件密封，这就会带来以下缺点：a）无法承受350℃高温；b）井下的沙尘一旦进入密封面可能导致卡死；c）反复的开启关闭可能导致密封件损坏，因此使用次数有限。
2) 传统的井下安全阀由于弹簧的弹力有限，活塞由于杆件的稳定性原因，要求截面面积不能太小，导致开启、关闭压力不能太高，因此很难满足超深安装。
3）传统的井下安全阀连接的控制管线是通过卡套连接到管线后用NPT螺纹缠绕胶带拧入进压孔的。这种结构不能摆脱对胶带的依赖，温度会使密封失效，而且NPT螺纹的10000psi高压密封性能不佳。
4）井下安全阀的本体在高温下的静密封问题。
5）控制管线和本体在高压下的耐压强度问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在高温、高压、腐蚀环境和深海中使用的井下安全阀，不使用橡胶，并且能够满足高压密封要求。
实现本发明目的采用的技术方案如下：
井下安全阀，包括由上接头、中接头、外筒和下接头依次连接构成的本体，所述本体内设置有中心管；所述中接头的管壁中设置有至少一套金属波纹管组件，金属波纹管组件的上端与本体上的与外接油管连接的油路通道连通，金属波纹管组件的下端与固定在所述中心管外周壁上的定位环之间通过伸缩绞架组件相连接，所述外筒下端的内壁上形成有凸台，在所述中心管上位于所述定位环与所述凸台之间套有压簧，所述的外筒的下端设有与所述中心管轴向配合的弹性常闭阀板。
所述金属波纹管组件包括波纹管接头、杆状波纹管封头和金属波纹管，所述波纹管接头的上端设有油嘴，所述波纹管封头位于所述波纹管接头内，波纹管封头的上端与所述波纹管接头的上端之间设有弹性钢球，所述金属波纹管套在所述波纹管封头上，其一端与所述波纹管接头的下端口连接，另一端与所述波纹管封头的下端连接；所述波纹管接头的内壁上设有凸环，所述波纹管封头上设有球头台阶与所述波纹管接头内壁上的凸环下端配合，所述弹性钢珠与所述波纹管接头内壁上的凸环上端配合。
所述金属波纹管的波峰内设置有内支撑环，金属波纹管的波谷外设置有外支撑环。
所述金属波纹管为若干根，金属波纹管之间通过导环连接，金属波纹管与所述波纹管封头之间通过导向环连接。
所述的上接头与中接头之间、中接头与外筒之间、以及外筒与下接头之间的连接为螺纹连接，其螺纹连接部分包括内螺纹部分和外螺纹部分，它们之间采用带斜度的锯齿螺纹连接；螺纹连接部分的前端和后端分别设有带锥度的前部密封面和后部密封面，内螺纹部分和外螺纹部分之间通过前密封面和后部密封面的过盈配合实现内外密封。
本发明的特点是：采用耐高温的金属波纹管组件作为动密封件取代现有井下安全阀中的活塞结构，金属波纹管的波峰内和波谷外设置有内支撑环合外支撑环，可防止高压下波纹管的波形屈服从而提高其抗内外压的强度，提高动密封的使用寿命和高温性能。金属波纹管通过弹性钢珠密封保护机构使安全阀在开启后控制管线压力过载时满足69MPa(10000psi)的强度要求，根据安装深度的要求可以选择普通弹簧或重载荷弹簧。金属波纹管组件采用多个波纹管连接可提高单个波纹管的稳定性。
本发明是一种能够在高温、高压、腐蚀环境和深海中使用的井下安全阀，不使用橡胶，并且能够满足高压密封要求，可用于370℃高温环境，同时具备10000psi高压工作等级并且有效实现防水合物、防沙尘。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中Ⅱ处局部放大图。
图3是图2的B—B向视图。
图4是图1中Ⅲ处局部放大图。
图5是图1的A—A向视图。
图6是本发明中的金属波纹管组件结构示意图。
图7是图6中Ⅳ处局部放大图。
图8是图1中Ⅰ处局部放大图。
图9是本发明中上接头与中接头之间、中接头与外筒之间、以及外筒与下接头之间的螺纹连接示意图。
图10是图9中Ⅴ处局部放大图。
具体实施方式
如图1—图7所示，本发明的井下安全阀，包括有由上接头3、中接头4、外筒6和下接头12依次连接构成的本体，本体的材料是由适合井况的相应金属加工而成，本体是连接油管和其它动作件的载体。本体内设置有中心管9，上接头3的上端和下接头12的下端分别连接外部油管13。
中接头4的管壁中设置有金属波纹管组件5，金属波纹管组件5根据设计要求设为1～4套成环形均布在中接头4的管壁中，所述的波纹管组件5的上端与中接头4通过螺纹连接，其密封是通过压帽25压紧顶丝帽251和锁紧环252实现的。金属波纹管组件5下端与固定在中心管9外周壁上的定位环7通过伸缩绞架组件相连接。伸缩绞架组件由多块短板19，长板20，短销21对称排列组成。伸缩绞架组件的上端通过中销22与用螺钉18固定在中接头4上的压板17连接，通过长销23与金属波纹管组件5相连，下端通过螺纹销24与定位环7相连。定位环7的下端通过轴套配合定位到中心管9外圆的小凸台31上，定位环7的上端通过弹性卡圈30限位。外筒6下端口的内壁上形成有凸台601，在中心管9上位于定位环7与凸台601之间套有压簧8，中心管9的外周上还套有挡圈10，挡圈10位于压簧8的下方，被支撑在凸台601的上面。外筒6的下端连接有阀座11，阀座11通过转动销15和扭簧14与阀板16装配在一起，阀板16在扭簧14的作用下处于常关状态。
上接头3上设置有与外接油路连接的控制管线1，控制管线1通过控制管线连接组件2过盈配合装入上接头3上，上接头3与中接头4的环形空间位置形成油路通道26，油路通道26通往中接头4管壁中的金属波纹管组件5内部。通过液压实现金属波纹管组件5向下伸长，金属波纹管组件5的伸长带动绞架组件推动中心管9向下运动，顶开阀板16打开下接头12下部油管13的通道实现开启。当控制管线1内压力释放后，压簧8推动中心管9上移，提离阀板16，阀板16在扭簧14作用下复位关闭流体通道实现井控。
如图6所示，金属波纹管组件5是本发明的核心部件，包括由波纹管上接头501和波纹管中接头505连接而成的波纹管接头、杆状波纹管封头504和多根金属波纹管506，金属波纹管506之间通过导环509连接，金属波纹管506与波纹管封头504之间通过导向环510连接。波纹管上接头501的上端设有油嘴500，波纹管封头504位于波纹管接头内，波纹管封头504的上端与波纹管上接头501的上端之间设有由钢球503和弹簧502组成的弹性钢球，金属波纹管506套在波纹管封头504上，其一端与波纹管中接头505的下端口连接，另一端与波纹管封头504的下端连接；波纹管中接头505的内壁上设有凸环5051，波纹管封头504上设有球头台阶29与波纹管中接头505内壁上的凸环5051的下端28配合，钢球503与所述波纹管接头内壁上的凸环5051的上端27配合。
波纹管上接头501、波纹管封头504、波纹管中接头505、金属波纹管506、导环509和导向环510通过焊接共同组成所述金属波纹管组件5的壳体。各部件均选用与井况适合的不锈钢或高温合金材料，具备密封、伸缩和弹性功能，用于代替传统井下安全阀的活塞结构，提供中心管移动动力源。具有高温下具有稳定的动密封、抗腐蚀和抗疲劳的性能，可达到350℃高温使用要求。导向环510可防止波纹管壁和孔壁摩擦损坏。见图7，金属波纹管506的波峰内设置有内支撑环507，当外压载荷过大时可起到支撑作用防止波峰屈服，金属波纹管506的波谷外设置有外支撑环508，当内压载荷过大时可起到支撑作用防止波谷屈服，支撑环材料选用石棉合成材料或其它耐温耐压材料，工作温度大于400摄氏度。波纹管封头504下部通过螺纹连接推杆511并通过并紧螺母512固定。波纹管上接头501内的钢球503通过弹簧502保持与波纹管封头504的上端面接触。当波纹管封头504受液压作用移动到位置27时，钢球503在此处密封防止波纹管所受压力过载，起到保护作用。当波纹管封头504受外压作用其球头台阶29移动到位置28时，金属波纹管506回缩距离受到限制压差得到平衡，起到外压保护作用。
如图8所示，所述的控制管线连接组件2包括有通过螺扣连接在上接头3内的堵头201，所述的堵头201底端还依次设置有顶丝帽202和锁紧环203，控制管线1依次贯穿堵头201、顶丝帽203和锁紧环203形成液压油路26，并通过锁紧环203的过盈配合实现密封。
锁紧环203为镀铬的不锈钢零件，表面硬度可以达到HRC60可以保证挤入控制管线1。安装时通过堵头201旋紧顶丝帽202，顶丝帽202压紧锁紧环203，锁紧环203有锥度会收紧，消除与控制管线的间隙，实现硬密封。不用锥管NPT螺纹连接，实现高温、高压密封。
如图9、图10所示，所述的上接头3与中接头4之间、中接头4与外筒6之间、以及外筒6与下接头12之间的连接均为螺纹连接，其螺纹连接部分包括内螺纹部分32和外螺纹部分33，它们之间采用带斜度的锯齿螺纹连接。螺纹连接部分的前端和后端分别设有带锥度的前部密封面34和后部密封面35，内螺纹部分32和外螺纹部分33之间通过前密封面34和后部密封面35的过盈配合实现内外密封。即，带锥度的前部密封面34和后部密封面35，靠螺纹机紧后提供硬密封，前部密封面34主要承受内压高压气密封，后部密封面35提供辅助内压气密封同时提供外压气密封，彻底阻断泄漏，螺纹牙型为前面带锥度的锯齿螺纹提供足够的拉力强度，前部锥度方便旋入。螺纹连接采用金属对金属密封形式提高耐高温性能和密封可靠性。
由于本体是连接油管和其它动作件的壳体，因为要承受高温、高压和拉力载荷，因此对密封和螺纹的强度要求很高。因此，所述的上接头3与中接头4之间、中接头4与外筒6之间、以及外筒6与下接头12之间的连接螺纹采用前后小锥面硬密封设计，充足的预紧力使内外锥面贴合当加工精度足够在不使用任何密封件的情况下满足高温和气密封要求，螺纹为有斜度的锯齿螺纹，牙高为1-1.5mm。不使用任何橡胶材料，保证高温、高压下的密封性能，如图5所示。
工作原理：
本发明的井下安全阀，其上接头3和下接头12的螺纹处连接油管13并在上接头3的位置安装一根连续的控制管线1下入井中，控制管线从地面加压，液压推动金属波纹管组件5向下伸出，通过伸缩绞架组件推动中心管9向下运动压缩压簧8并推开阀板16，打开石油、天然气的生产通道。当遇到突发情况需要关闭时，控制管线卸压，弹簧8推动中心管9和金属波纹管组件5上移，阀板16在扭簧14的作用下关闭，下部的高压流体通道被封闭实现井控。
Claims (4)
1.一种井下安全阀，该井下安全阀包括由上接头、中接头、外筒和下接头依次连接构成的本体，所述本体内设置有中心管；其特征是所述中接头的管壁中设置有至少一套金属波纹管组件，金属波纹管组件的上端与本体上的与外接油管连接的油路通道连通，金属波纹管组件的下端与固定在所述中心管外周壁上的定位环之间通过伸缩绞架组件相连接，所述外筒下端的内壁上形成有凸台，在所述中心管上位于所述定位环与所述凸台之间套有压簧，所述的外筒的下端设有与所述中心管轴向配合的弹性常闭阀板；
所述金属波纹管组件包括波纹管接头、杆状波纹管封头和金属波纹管，所述波纹管接头的上端设有油嘴，所述波纹管封头位于所述波纹管接头内，波纹管封头的上端与所述波纹管接头的上端之间设有弹性钢球，所述金属波纹管套在所述波纹管封头上，其一端与所述波纹管接头的下端口连接，另一端与所述波纹管封头的下端连接；所述波纹管接头的内壁上设有凸环，所述波纹管封头上设有球头台阶与所述波纹管接头内壁上的凸环下端配合，所述弹性钢珠与所述波纹管接头内壁上的凸环上端配合。
2.根据权利要求1所述的井下安全阀，其特征是所述金属波纹管的波峰内设置有内支撑环，金属波纹管的波谷外设置有外支撑环。
3.根据权利要求1或2所述的井下安全阀，其特征是所述金属波纹管为若干根，金属波纹管之间通过导环连接，金属波纹管与所述波纹管封头之间通过导向环连接。
4.根据权利要求3所述的井下安全阀，其特征是所述的上接头与中接头之间、中接头与外筒之间、以及外筒与下接头之间的连接为螺纹连接，所述上接头与中接头之间、中接头与外筒之间、以及外筒与下接头之间的螺纹连接部分包括内螺纹部分和外螺纹部分，它们之间采用带斜度的锯齿螺纹连接；螺纹连接部分的前端和后端分别设有带锥度的前部密封面和后部密封面，内螺纹部分和外螺纹部分之间通过前部密封面和后部密封面的过盈配合实现内外密封。
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