CN204402424U - 一种外压差式天然气井输气管道安全保护装置 - Google Patents

Abstract

一种外压差式天然气井输气管道安全保护装置，其装置外壳内安装阀座及关闭滑阀。关闭滑阀与调节螺杆的底部联结，调节螺杆的上部有梯形左旋外螺纹，与外压差平衡杆上的内螺纹相配合，外压差平衡杆上部装在可作轴向密封滑动的转轴内，转轴的上部与调节手轮连接，调节手轮可调节关闭滑阀窗孔开度的大小及复位弹簧的压缩量，由于本实用新型采用了外压差平衡杆新结构，因而与已知的各种结构形式相比，是一个能应用在不同产量及工作压力下，适应各种天然气产量的输气管道安全保护装置，工作稳定、调节方便，对天然气井输气管道安全生产、环境保护、降低成本都具有现实意义。

Description

一种外压差式天然气井输气管道安全保护装置

技术领域

本实用新型属于天然气井开采业的技术领域，特别涉及一种用于外压差式天然气井输气管道安全保护装置。

背景技术

天然气井外输管道发生重大泄露事故所造成的环境污染及可能引发的火灾、爆炸，后果严重。因此，在天然气输气管道上安装安全保护装置至关重要。

国外重视天然气井下安全保护装置，国内重视天然气井输气管道安全保护。前者技术复杂、投入成本高，但可保护采油井口装置和外输管道。后者，技术单纯、投入成本低，但只能保护天然气外输管道。目前，国内生产的输气管道安全保护装置，由于设备外形尺寸的限制，通过天然气的容量不够大，因此，当天然气井日产气量超过30万立方米时，已不能稳定地、可靠地保证所有气井正常生产，其表现为在高产气流量下或气流量发生巨幅波动时，安全保护装置出现自动关闭输气管道的情况，造成非正常停产。为此，中国专利“一种用于高产天然气井输气管道安全保护装置”(专利号201420237980)应用内平衡气缸来增大天然气通过的流量，试验证明该装置确有效果，但由于全国各大气田产量大不相同，即使同一气田各域块产量亦有很大不同，因此，存在缺点一，需要各种不同规格的平衡缸尺寸，因而繁琐、互换性差；缺点二，调节过程复杂，需专业技术人员参与；缺点三，结构相对复杂，投入成本较高。

目前尚未见到一种结构简单、通过的流量大、流量调节范围也大、操作容易、能有效解决不同产气量井使用节流式原理的天然气井外输管道安全保护装置的公开报道。

实用新型内容

本实用新型的目的是在目前结构外形尺寸不变的条件下，提供一种 外压差式天然气井输气管道安全保护装置，与当前天然气井外输管道安全保护装置相比，结构简单、通过天然气流量大、流量调节范围也大，不但适用于各种小产气量的气井，而且可解决气产量超过30×10⁴m³/d的气井的非正常关井停产的问题。

本实用新型的目的是这样实现的：设计一种外压差式天然气井输气管道安全保护装置，保护装置外壳(1)内安装有阀芯内套(2)，阀芯内套下部通过螺纹连接着阀座(3)，并与保护装置外壳(1)密封，在正常工作条件下，阀座(3)内所装的关闭滑阀(4)的尾部进入阀座，关闭滑阀(4)上的天然气输出窗孔全畅通，关闭滑阀与阀座采用滑动配合，关闭滑阀下部安装有第一组复位弹簧(5)，关闭滑阀(4)通过双半球体(6)和压盖(9)与调节螺杆(8)下部连接，同时装有防转螺销(9)，调节螺杆(8)的中部有梯形左旋外螺纹与外压差平衡杆(10)下部的梯形左旋内螺纹相配合，调节螺杆(8)上部有指示杆刻度线(19)，与外压差平衡杆(10)中孔密封滑动配合，外压差平衡杆(10)下端座在第二组复位弹簧(11)上，在正常工作条件下，两组复位弹簧始终让关闭滑阀(4)处于打开状态，外压差平衡杆(10)的下端部有两块方形翼板，装入有两个对称长槽的转轴(12)内，成滑动配合，转轴上部与顶盖(13)成密封转动配合，并伸出顶盖，与调节手轮(14)以键相连接，通过压紧套(15)上的螺纹将调节手轮压紧，压紧套(15)上开有窗孔，窗孔两侧均有指示关闭滑阀工作状态下的关闭深度指示刻度线(20)，复位截止阀(16)安装在顶盖(13)外侧，并与内腔相通。

本实用新型的有益效果是：可以根据各天然气田的生产压力和产量，制定出所需外压差平衡杆的直径大小、复位弹簧的刚度以及天然气输出窗孔的宽度及孔数量，即可保证该气田各种产量及生产压力的天然气井使用相同结构的安 全保护装置，且只需转动手轮(14)来调节天然气输出窗孔的开度，以达到通过所需的产量而不会造成非正常自动关闭。因而，本实用新型的有益效果是：与中国专利“一种用于高产天然气井输气管道安全保护装置”相比，避免了同一气田、不同井况需求不同规格的平衡气缸，本实用新型只需几种不同直径的外压差平衡杆，就能够覆盖国内各气田从小气量到特大气产量井的外输管道安全保护装置的正常运行，同时，调节简单，对关闭滑阀工作状态有直观性的了解；结构简单、互换性好、投入成本较低，对天然气井的安全生产、环境保护、降低成本等都具有现实意义。

附图说明

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型外压差平衡杆工作原理示意图。

图3是图1中的G向视图。

图中，1-保护装置外壳；2-阀芯内套；3-阀座；4-关闭滑阀；5-第一组复位弹簧；6-双半球体；7-压盖；8-调节螺杆；9-防转螺销；10-外压差平衡杆；11-第二组复位弹簧；12-转轴；13-顶盖；14-调节手轮；15-压紧套；16-复位截止阀；17-天然气输入口；18-天然气输出口；19-指示杆刻度线；20-关闭深度指示刻度线。

具体实施方式

图1是本实用新型的结构示意图，所示的实施例中，保护装置外壳(1)内，安装了阀芯内套(2)，阀芯内套下部通过螺纹连接着阀座(3)，并与保护装置外壳相密封。在正常工作条件下，阀座(3)内所装的关闭滑阀(4)尾部进入阀座。此时，关闭滑阀(4)上的通气窗孔畅通。关闭滑阀(4)与阀 座(3)采用滑配合。关闭滑阀(4)通过双半球体(6)和压盖(7)与调节螺杆(8)的底部联结，这一结构，将保证装置中轴线各零件不同心度引起的偏差在球形铰链结构中，得到修正，以保证关闭滑阀(4)的正常工作。调节螺杆(8)中部的梯形左旋外螺纹与外压差平衡杆(10)下部梯形左旋内螺纹相配合。外压差平衡杆(10)的外部有两块方形翼板，装入有两个对称长槽的转轴(12)内，成滑动配合，可做轴向滑动。转轴(12)的上部与顶盖(13)密封，并伸出顶盖，伸出部分用键与调节手轮(14)连接。两组复位弹簧的刚度及预压缩量由气田的产气量及外压差平衡杆直径决定，在正常工作状态下，始终让关闭滑阀窗孔处于打开状态。

图2是本实用新型外压差平衡杆工作原理示意图。所示的实施例中，当天然气由天然气输入口(17)输入，并以Q流量进入关闭滑阀(4)的流道，然后由天然气输出口(18)进入外输管道。由于流道(主要是窗孔)的流阻必然产生压降ΔP＝P-P₀，P为关闭滑阀上腔的压力(气井流压)，P₀为关闭滑阀下腔的压力(进入外输管道压力)，压差ΔP与通过的流量的平方成正比，即ΔP＝K Q²，K是一系数，在结构、温度、天然气组分等理化参数不变的情况下为一常数。因此作用在关闭滑阀(4)上的关闭力F＝ΔP(d²-a²)(π/4)，外压差平衡杆上的反作用力F₃＝a²π(P-P_at)/4，式中，P_at为本装置的外部压力，即大气压力。因此，已知气井工作压力P，为保证气井最大工作流量下还能正常运转，即可确定外压差平衡杆的直径a。对于那些小流量的气井则可通过调节天然气输出窗孔的开度来达到正常运行。在平衡状态下，F＝F₁+F₂+F₃，F₁为第一组复位弹簧的反关闭力，F₂为第二组复位弹簧的反关闭力，代入上述值后，得到

ΔP(d²-a²)π/4＝F₁+F₂+a²π(P-P_at)/4，

化简后，a＝{[d²KQ²-(F₁+F₂)4/π]/[ΔP+(P-P_at)]}^1/2，式中参数P₁、Q、K、ΔP等均为已知，因此可由上式计算出外压差平衡杆的直径a。工作流量越大，a越大；气井工作压力越大，a越小。a值是平衡状态下求得的，此条件下，关闭滑阀(4)尚不能关闭。当外输管道发生断裂，P接近大气压P_at，或操作过于剧烈，将使Q突然变得很大，此时上式变成：F₁+F₂＝ΔP(d²-a²)π/4，当陡增的流量Q使阻力压差ΔP非常之大时，右端的数值远超过两组复位弹簧的反滑阀关闭力，而使滑阀关闭，从而获得了安全保护。当然，也可由上式按气田最大的单井产量来设计出a的直径，或者在假定a的大小和最大产量条件下，求出复位弹簧刚度的大小。在实施这一过程时，应对比多种设计方案后确定。

图3是图1中的G向视图。所示实施例中，调节螺杆(8)上部有指示杆刻度线(19)的零点基线在顶部，读数代表关闭滑阀窗孔的开度，压紧套窗孔两侧的关闭深度指示刻度线(20)零点基线在下端，读数代表该装置在正常工作下，产生的压差作用下，窗口关闭的的剩余高Y，滑阀关闭的总高度和可调节的窗孔最大开度都是Y_m，此时复位弹簧的总压缩量为2Y_m-(x+y)，x是指示杆刻度的总高度。

本实用新型是这样工作的：由于装置内的外压差平衡杆直径事先按一个气田或一个区块的最大天然气产量及气井压力设计的，已能确保正常工作。但由于各井产量不同、计算误差等因素，因此可以通过顺时针旋转调节手轮(14)，使转轴(12)转动，带动梯形左旋外螺纹调节螺杆(8)转动，由于调节螺杆(8)中部装有防转螺销(9)，故只能作轴向位移，向下进一步压缩两组复位弹簧(5)和(11)，增大了关闭滑阀(4)的反关闭力，减少了天然气的通过量，但同时 减小了输出窗孔的开度，因而流阻加大，压差升高，关闭力增大，后者增加的关闭力将远大于前者，减小了天然气的通过量。反之，逆时针旋转手轮，则关闭滑阀(4)的关闭力减小，允许的天然气流量增大。通过上述连续地微调，即可调定各井自动保护动作起点值。

依据一个气田或一个区块的最大产气量和气井压力，选用不同的外压差平衡杆(9)的直径，直径越大，通过的天然气产量越大，复位弹簧的刚度越大，通过天然气的产量越大。首先要按理论计算值设计，经过室内模拟试验初步调整，再投入现场生产。

当外输管道发生严重泄露事故，或集气站操作很不平稳，而使流经本实用新型的天然气流量陡增，关闭滑阀(4)在两端的压差作用下，向下的关闭力大大超过保护动作起点值，而使关闭滑阀瞬间关闭，从而将天然气源切断，达到自动保护的目的。

本实用新型的复位操作如下：外输管道泄漏或集气站进行平稳操作得到了整改后，关闭井口生产阀门，打开复位截止阀，将本实用新型内腔的压力降至大气压，此时两组复位弹簧将使调节螺杆(10)上升，带动关闭滑阀(4)至正常工作位置，然后缓慢、平稳地开启生产阀，恢复正常输气工作。

Claims (3)

1.一种外压差式天然气井输气管道安全保护装置，其特征是，保护装置外壳内安装有阀芯内套，阀芯内套下部通过螺纹连接着阀座，并与保护装置外壳密封，在正常工作条件下，阀座内所装的关闭滑阀的尾部进入阀座，关闭滑阀上的天然气输出窗孔全畅通，关闭滑阀与阀座采用滑动配合，关闭滑阀下部安装有第一复位弹簧，关闭滑阀通过双半球体和压盖与调节螺杆下部连接，同时装有防转螺销，调节螺杆的中部有梯形反螺纹与外压差平衡杆下部的母螺纹相配合，调节螺杆上部有指示杆，与外压差平衡杆中孔成密封滑动配合，指示杆上有刻度，指示出天然气输出窗孔的开度大小，外压差平衡杆下端座在第二复位弹簧上，并在下端部有两块方形翼板，装入有两个对称长槽的转轴内，成滑动配合，转轴上部与顶盖成密封转动配合，并伸出顶盖，与调节手轮以键相连接，通过压紧套上的螺纹将调节手轮压紧，压紧套上开有窗孔，窗孔两侧均有指示关闭滑阀工作状态下的关闭深度的指示刻度线，复位阀安装在顶盖外侧，并与内腔相通。

2.根据权利要求1所述的一种外压差式天然气井输气管道安全保护装置，其特征是，外压差平衡杆的直径是可变的，其范围为10到30毫米之间。

3.根据权利要求1所述的一种外压差式天然气井输气管道安全保护装置，其特征是，指示杆上的刻度零点基线在顶部，压紧套窗孔两侧的刻度线零点基线在下端。