隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，整個(gè)世界對(duì)于能源的要求與日俱增，供需矛盾也日益突出。世界各國(guó)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)，很多國(guó)家對(duì)油氣井的安全生產(chǎn)都有詳細(xì)的法律規(guī)定，強(qiáng)調(diào)位于人口稠密地區(qū)、重要經(jīng)濟(jì)區(qū)、海洋和內(nèi)陸水域的、有自噴及外溢能力的油氣井都要安裝井下安全閥。海洋石油開(kāi)采環(huán)境相比陸地石油開(kāi)采環(huán)境惡劣，安全性要求高。目前，我國(guó)海上有自噴能力的油氣井都安裝有井下安全閥，陸上的一些油田也越來(lái)越多地在油氣井中使用安全閥。海洋采油法規(guī)規(guī)定：在油氣開(kāi)采過(guò)程中，凡具有自噴或自溢能力的井都必須安裝井下安全閥。
井下安全閥是一種安放于井筒內(nèi)的連接于油管上設(shè)定位置的安全裝置,其作用是在井口裝置失控時(shí)，油氣井就能夠自動(dòng)關(guān)閉，從而避免嚴(yán)重的人員傷亡、井噴和海洋污染等惡性事故的發(fā)生。

井下安全閥有很多種類(lèi)型，井下安全閥按控制方式分為地面控制和井下控制; 按回收方式分為油管回收式和鋼絲回收式, 目前，地面控制油管下入式應(yīng)用最廣泛。下面以這種類(lèi)型的井下安全閥的結(jié)構(gòu)說(shuō)明其工作原理。如圖2.1 所示，工作原理是將井下安全閥連接到油管某一深度，同時(shí)連接一條小直徑不銹鋼控制管線(xiàn)，從閥體連到地面并與自動(dòng)控制系統(tǒng)連接起來(lái)，組成一套井下安全閥系統(tǒng)。油氣井正常生產(chǎn)時(shí)，地面控制系統(tǒng)通過(guò)泵給安全閥提供液壓油并使其自動(dòng)保持在設(shè)定的打開(kāi)壓力下，液壓力推動(dòng)柱塞及中心管移動(dòng)，同時(shí)壓縮彈簧，中心管頂開(kāi)閥板，井下安全閥處于打開(kāi)狀態(tài)。一旦出現(xiàn)緊急情況，地面控制系統(tǒng)可泄掉控制管線(xiàn)內(nèi)的壓力。這時(shí)，中心管和柱塞在彈簧力的作用下回到原位，閥板在扭簧的作用下關(guān)閉，封住油管的生產(chǎn)空間，井下安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)。
井下安全閥從產(chǎn)生到現(xiàn)在已經(jīng)歷了幾十年 每個(gè)零部件都經(jīng)歷了多次改進(jìn)、完善, 從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化。下面按井下安全閥的主要零部件的完善、發(fā)展來(lái)說(shuō)明其技術(shù)現(xiàn)狀。
a 閥體密封方式

1—上接頭；2、6、10、14、16、23—密封圈；3—活塞套；4—活塞;
5—上密封總成；7—下密封總成；8—中間接頭；9—中心管；
11—彈簧墊圈；12—彈簧；13—彈簧套；15—閥板座；17—閥板套；
18—密封墊；19—銷(xiāo)軸；20—扭簧；21—閥板；22—閥板總成套；24—下接頭
圖2.2 井下安全閥結(jié)構(gòu)圖
早期的井下安全閥采用球閥密封方式，球閥密封的缺點(diǎn)是球閥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦力
大、可靠性差，更換密封件時(shí)球體和球座必須同時(shí)更換。因此，世界上新投產(chǎn)
的油氣井井下安全閥多采用閥板密封方式，代替了球閥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦力大、可靠性
差、更換密封件不方便的缺點(diǎn)。閥板密封是靠閥板上的錐面和密封座之間的配合產(chǎn)生的。如圖2.2 所示井下安全閥結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是閥板采用鉸支結(jié)構(gòu)固定于閥板套上，閥板套與彈簧套用螺紋連接，閥板與閥板座采用錐面密封并配帶聚四氟乙烯密封圈，采用低壓時(shí)閥板軟密封、高壓時(shí)閥板硬密封的雙層密封。然而，在井下安全閥關(guān)閉過(guò)程中，普通閥板與閥座的接觸過(guò)程為一次性完全接觸，這種方式在油管內(nèi)液體流速很大時(shí)，由于液體的沖擊作用很有可能把閥板打碎。貝殼石油工具公司新研制井下安全閥在閥板與閥座的密封采用先3 點(diǎn)接觸，其它密封部分后接觸的方式來(lái)增加閥板與閥座的接觸時(shí)間，減小接觸沖擊力，防止閥板由于液體沖擊損壞，因而，這種密封技術(shù)被廣泛采用。但我們也發(fā)現(xiàn)閥板密封仍存在一些缺點(diǎn)，如：閥板打開(kāi)需要活塞行程較長(zhǎng)，因此，當(dāng)井下安全閥安裝深度較大時(shí)，其控制壓力容易達(dá)到極限，另外，這也增加了安全閥本體的長(zhǎng)度，以致重量增加。
b 液缸活塞
井下安全閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——液缸活塞機(jī)構(gòu)，用于壓縮彈簧推動(dòng)中心管打開(kāi)閥板。液腔內(nèi)要保持壓力以防止井下安全閥關(guān)閉，所以活塞的密封非常重要。運(yùn)用活塞的優(yōu)點(diǎn)是使中心管和活塞在一起運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，能夠沿著同一中軸線(xiàn)推移，增強(qiáng)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性。但由于活塞直徑大，密封圈長(zhǎng)，從而增加了泄露的可能性，導(dǎo)致控制系統(tǒng)失靈。另外，由于活塞質(zhì)量大，在閥板關(guān)閉過(guò)程中，彈簧需要克服活塞重力就大，這樣對(duì)彈簧的彈性要求比較高?，F(xiàn)有的井下安全閥大多將大直徑活塞該為小直徑柱塞，當(dāng)然這種設(shè)計(jì)需要加工較高精度的細(xì)長(zhǎng)孔，在加工上有一定難度，另外，也不能保證活塞和中心管沿著同一中軸線(xiàn)移動(dòng).
c 鎖定方式
井下安全閥在高壓情況下，容易導(dǎo)致密封圈刺破，造成液控系統(tǒng)卸壓，井下安全閥將關(guān)閉并失去安全保護(hù)作用。這時(shí)，只能強(qiáng)制將閥板打開(kāi)并鎖住，使井下安全閥處于永久打開(kāi)狀態(tài)，以保證油氣生產(chǎn)的正常進(jìn)行，待油井作業(yè)時(shí)對(duì)井下安全閥進(jìn)行更換。如圖2.3 所示井下安全閥結(jié)構(gòu)[8]的特點(diǎn)是鎖定總成由鎖套、鎖簧、剪釘?shù)冉M成，在液控系統(tǒng)失靈時(shí)，用鋼絲工具使鎖套剪短剪釘，強(qiáng)制推動(dòng)活塞中心管下行頂開(kāi)閥板，同時(shí)通過(guò)鎖簧鎖定中心管，使閥板處于開(kāi)啟狀態(tài)。這種永久開(kāi)鎖鎖定機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，且可靠性不高，有時(shí)帶有副作用。國(guó)外新研制的井下安全閥改變了永久開(kāi)鎖鎖定方式，省去了復(fù)雜的開(kāi)鎖鎖定機(jī)構(gòu)，只是在閥板處下入一個(gè)彈性的鋼圈將閥板撐開(kāi)，這種設(shè)計(jì)既完成了永久開(kāi)鎖并鎖定又大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，給施工帶來(lái)很大方便。

1—上接頭；2、6、10、20—密封圈；3—傳壓套；4—鎖套；5—鎖簧；7—剪釘；
8—活塞；9—連接管；11—過(guò)度接頭；12—中心管；13—彈簧；14—彈簧套；
15—固定套；16—閥板座；17—銷(xiāo)子；18—扭簧；19—閥板；21—下接頭
圖2.3 井下安全閥結(jié)構(gòu)
d 連通轉(zhuǎn)換方式
井下安全閥液控管線(xiàn)內(nèi)的壓力在正常時(shí)與井下安全閥內(nèi)部液體通道不連通，當(dāng)井下安全閥閥板密封失效后，要用鋼絲下入小直徑的管內(nèi)安全閥，并通過(guò)原來(lái)的液控管線(xiàn)對(duì)油井進(jìn)行安全控制。九十年代的井下安全閥，液控壓力被內(nèi)密封套密封在液壓腔內(nèi)，當(dāng)內(nèi)密封套被鋼絲工具撞擊并將剪釘剪斷下移后，液孔壓腔就與井下安全閥的內(nèi)部流體通道相通，再下入管內(nèi)安全閥對(duì)油井進(jìn)行安全控制。這種井下安全閥在連通轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上有許多缺點(diǎn)：
① 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)密封套密封要求高，導(dǎo)致制造成本高；
② 在鋼絲作業(yè)過(guò)程中，有可能撞壞內(nèi)密封套，而導(dǎo)致井下安全閥失效。
國(guó)外新研制的井下安全閥克服了這些缺點(diǎn)，對(duì)連通方式進(jìn)行了改進(jìn)，由內(nèi)密封套下移式改為打眼式。當(dāng)需要連通時(shí)，只需下入機(jī)械打眼工具在其薄弱部分鉆眼可完成。然而， Dennistoun提出一種更便于后期補(bǔ)救的井下安全閥結(jié)構(gòu)，在閥板失效后，可在井口用鋼絲下入一管內(nèi)安全閥裝置，該管內(nèi)安全閥可自身在井下安全閥薄弱部分完成鉆孔，使液控管線(xiàn)柱式壓腔與井下安全閥內(nèi)部液體相通來(lái)控制管內(nèi)安全閥。Dennistoun 提出的結(jié)構(gòu)省略了從井口下入機(jī)械打眼工具,使施工更加方便。
隨著世界上深井、超深井的數(shù)量和比例逐漸增多，對(duì)井下安全閥的要求也越來(lái)越高，使井下安全閥的研制增加了更多新的技術(shù)難點(diǎn)。例如在一些超深井中井下安全閥的安裝深度達(dá)3048 米（10000 英尺），在這種高壓情況下安全閥會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題：
① 控制壓腔和安全閥內(nèi)油氣液體之間的動(dòng)密封泄漏，導(dǎo)致油氣進(jìn)入控制壓腔。
② 作用在柱塞上的控制壓力要克服彈簧力和管內(nèi)油氣液體壓力之和使柱塞推動(dòng)中心管下移來(lái)打開(kāi)閥板，這就要求相當(dāng)大的控制壓力，對(duì)控制管線(xiàn)的要求高。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)外的井下安全閥技術(shù)取得了飛快的發(fā)展。Vick發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括柱塞、彈簧、閥板、磁耦合裝置(7、8)、中心管，如圖2.4所示。其原理是控制壓腔與環(huán)空腔之間的壓差在柱塞上形成向下的力，柱塞帶動(dòng)磁體克服彈簧壓力向下運(yùn)動(dòng)，由于存在磁耦合，油管內(nèi)磁鐵帶動(dòng)中心管推動(dòng)閥板，直到井下安全閥完全打開(kāi)。然而，Vick 的發(fā)明也有一定的缺點(diǎn)，在閥板關(guān)閉過(guò)程中仍需要很大的彈簧力克服控制管線(xiàn)流體靜壓力，當(dāng)靜壓力過(guò)大時(shí)，閥板不能正常關(guān)閉。為此，Lauderdale設(shè)計(jì)出在閥板關(guān)閉過(guò)程中運(yùn)用一平衡柱塞結(jié)構(gòu)來(lái)平衡控制管線(xiàn)流體靜壓力，當(dāng)控制系統(tǒng)卸壓時(shí)，彈簧克服柱塞和中心管重力向上運(yùn)動(dòng)，直到閥板完全關(guān)閉。

1—上接頭；2—控制管線(xiàn)；3—液壓腔；4—密封圈；5—柱塞；6—中間接頭；
7—環(huán)型永久磁鐵1；8—環(huán)型永久磁鐵2；9—彈簧1；10—彈簧2；11—中心管；
12—卸壓孔；13—下接頭；14—扭簧；15—閥板；
圖2.4 安全閥結(jié)構(gòu)圖
（5）井下安全閥應(yīng)用情況
由于海上油田環(huán)境惡劣、投資高、風(fēng)險(xiǎn)大，任何一點(diǎn)失誤都會(huì)造成嚴(yán)重事故，
給國(guó)家財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失，甚至威脅人員生命。因此，為了確保海上油氣井的安
全生產(chǎn)，井下安全閥在油氣井中取得了廣泛的應(yīng)用，在自噴井、電動(dòng)潛油泵井和
注水井都裝有安全閥。
我國(guó)海上油氣井使用的地面控制油管下入式安全閥系統(tǒng)主要依賴(lài)于進(jìn)口，在這方面的研究還相對(duì)薄弱。我國(guó)井下安全閥技術(shù)現(xiàn)處于初始研究階段，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有井下安全閥系統(tǒng)由井下安全閥、管內(nèi)安全閥、井口控制等部分組成。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)井下安全閥系統(tǒng)相關(guān)研究成果技術(shù)資料的研究看出，國(guó)內(nèi)井下安全閥技術(shù)在結(jié)構(gòu)上仍存在不足，導(dǎo)致安全性不高。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)逐漸對(duì)這方面進(jìn)行了研究工作，但現(xiàn)有的設(shè)計(jì)還多處于測(cè)繪、仿制階段，沒(méi)有建設(shè)自己的設(shè)計(jì)方法和理論。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)井下安全閥的廠家也逐漸增多，但一些廠家生產(chǎn)出來(lái)的井下安全閥在技術(shù)上比較落后，結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，可靠性差，更不便于井下安全閥失效后的補(bǔ)救工作。

參考文獻(xiàn)；
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《井下作業(yè)井控技術(shù)》 2007-7 王林