井下安全阀的工作原理及技术分析

井下安全阀的工作原理及技术分析

【摘要】本文介绍了井下安全阀的工作原理和发展概况，分析了井下安全阀在活塞密封、阀板开关以及自平衡等方面在设计上的独特之处。重点介绍了井下安全阀的技术改进、结构特征，以供同行的工作人员参考。

【关键词】井下安全阀技术分析原理

在海洋油气井进行生产过程中，为防止井喷，常在生产管柱上连接井下安全阀，当井下流体出现异常，可以通过地面控制装置迅速关闭生产管柱的生产通道，防止井中高压流体涌出地面。

1 井下安全阀的结构和工作原理

1.1 井下安全阀的结构

井下安全阀在结构上分为活塞运动部分、动力弹簧部分、自平衡部分和阀板开关部分。

活塞运动部分主要由活塞和液控管线组成，该部分主要是用来传递地面液压系统的压力，并在液压力的作用下推动中心管；动力弹簧部分主要包括弹簧和中心管，中心管预先压缩弹簧，使弹簧在安装后就有一定的预紧力，当弹簧压缩中心管时，中心管需要继续压缩弹簧，因此动力弹簧部分决定着井下安全阀的开启压力大小，自平衡部分主要由钢球和自平衡本体组成，在阀板上下压力不相等的情况下可轻易实现阀板上下压力平衡的功能，阀板开关部分主要由阀板、橡胶密封件和阀座组成，是井下安全阀的核心，阀板和橡胶密封件与阀座的密封程度决定井下排气阀应对井喷等异常情况的

能力大小。1.2 井下排气阀的工作原理

井下安全阀的开启：井下安全阀随油管下入井中设计深度，其侧面连有液控管线，延伸至地面，与地面的压力自动控制系统进行密封连接，组成一套完整的井下安全阀操作系统。当油井进行正常生产时，地面的压力控制系统通过液控管线将压力传给井下安全阀的活塞部分，活塞推动中心管，并继续压缩弹簧，随着液控管线内的压力的升高，中心管先推开自平衡机构中的钢球，使阀板上下压力平衡，并最终推开阀板。地面液控系统保持在设定的压力下，让井下安全阀保持在开启的状态。

井下安全阀的关闭：当井下流体的压力出现异常，则需在地面通过液压系统紧急切断液控管线内压力，在井下安全阀的弹簧的回复力的作用下，安全阀将紧急关闭阀板，使生产管柱的生产通道紧急关闭，从而实现安全阀的防井喷功能。

2 井下安全阀的技术分析

（1）采用平面较宽的阀座和阀板表面，一些安全阀的阀板周围用硬度较小的橡胶进行初始密封，压力较小的时候主要通过橡胶与阀座进行密封，当压力较大时主要依靠阀板与阀座的金属对金属的密封，以此保证阀板即使在含杂质较多的环境中仍可以有效地进行密封，同时也避免其在打开和闭合的过程中因为高压差而造成密封性和稳定性不好的问题。

（2）井下安全阀的阀体接头的连接处采用技术先进的螺纹，这种螺纹具有精确定位、强度高和应力低等优良性能。而且采用的是

双层不同大径的接头，插口部位直接加工成与阀体想配合的结构。在涂层方面，井下安全阀的中心管和阀座的外表面进行了涂层处理，从而减少了摩擦，延长了使用寿命，该涂层在外界恶劣的环境下不会脱落，因此能够防止化学药品的侵蚀和污垢物的累积，保证井下安全阀的正常开启和关闭。当井下安全阀需要提高压力时，控制系统的控制气阀需自动打开，卸压阀及时关闭，电磁阀通过电流接通管道，控制系统根据要求输出液压，给电气化比例阀一个设定的控制电流信号，控制它的比例占有量来调节气压驱动泵形成气源的压力值，因为气动增压泵增压的比例很固定，所以气动增压活塞可以往复进行工作，把液体加压输出，直接达到了设定的控制液体压力值。

（3）井下安全阀的侧面小孔采用自平衡的设计，用1个小弹簧推动钢球的结构，钢球的表面需要打磨光滑，且阀座内部的锥形密封面需与钢球的外表面进行金属密封，在井下安全阀的开启过程中，中心管推动钢球的外圆面使钢球脱离阀座内部的锥形密封面，从而打开阀板附近的平衡通道，当阀板上下压力平衡后，中心管便轻易推开阀板。以前，由于安全阀的活塞直径大，活塞密封件与配合件的摩擦力较大，另一方面有时地层压力在短期聚集，也使阀板上下压力相差很大，导致活塞在使用的过程中无法顺利移动，同时也容易出现密封件磨损而泄压。安全阀的阀板和阀座采用了最新研究出来的三点式接触，减小了接触表面的冲击力，防止了阀板因为液体的冲击而被损坏，增加了阀板和阀座的接触时间，让我们使用

起来更加快捷、高效、省时。

（4）井下安全阀在失效时可以钢丝下入永久开启工具，永久开启工具锁定在井下安全阀内部的台阶内，利用原液控管线进行液压控制，将阀板强制打开，从而恢复生产并延缓修井时间。

（5）压力的控制比较智能，井下安全阀主要是通过气动增压泵和电气比例阀联合控制输出控制油液的压力。其中电力比例阀这个本身就是一个闭路环状的控制系统，压力控制回路使用的是pid的控制方式，只要依靠pid控制器进行调节，具体的比较详细的pid 调节参数可以通过实验进行核定。

3 结语

井下安全阀技术的发展已经经过了很多年，国外公司由于比我们起步早，他们都形成了标准化、产业化和高科技化，从密封方式、控制的操作等等各方面都要比我们先进很多。而我国还处在比较落后的发展阶段，在这个领域内，我们没有核心的关键的技术，缺乏这方面的高科技技术团队进行开发研究，我们应该奋勇直追，提高我国的安全阀技术，为我国海洋事业的发展提供技术支持。

参考文献

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作者简介

刘鹏（1982-），男，天津市人，工程师，本科，研究方向：采油工艺设计及井下工具研发。