液控平衡式井下安全阀及使用方法与流程

本发明涉及石油开采，特别涉及一种液控平衡式井下安全阀及使用方法。

背景技术：

1、由于大部分海洋油田地处风暴潮多发区，工作环境恶劣，开发中面临着高温、高压、水深三大世界性难题，开采风险高，在开发中的任何一点小失误都可能导致油气井和人身的重大事故，造成巨大的经济损失，而且可能带来严重的污染海洋环境，其后果不可估量。为保障海上油气井安全、高效开发，国内外相关法律法规均规定：在海床面30m以下，应安装井下安全阀。随着向中深水海域不断进发，井下安全阀也要求越下越深。

2、目前常用的井下安全阀采用液控管线从地面控制井下安全阀的开启或关闭，其工作原理是：高压液体由液控管线传到井下安全阀的活塞部分，当活塞力大于弹簧的弹力时，液压推动活塞克服弹簧的弹力向下运动，带动中心管顶开井下安全阀的阀板，在中心管内部建立起常通的液体通道；当需要关闭安全阀时，将液控线内的液压泄掉，弹簧力大于活塞力，活塞在弹簧的作用下上行，带动中心管上行，此时，阀板在扭簧的弹力作用下，迅速关闭，切断上下液体通道的作用。这样液控管线内的液压压力产生的活塞力与弹簧形成一对相互作用力，从而控制井下安全阀的开启或关闭。

3、但随着向中深水海域开发或陆地深井、超深高温高压井安全开发的需要，井下安全阀越下越深，导致控制井下安全阀的液控管线越来越长，液控管线内液柱压力越来越高，但油气井井筒尺寸有限，井下安全阀内部的弹簧尺寸与弹力受限，弹簧力难以平衡长液控管线内高液柱压力引起的活塞力，无法控制常规井下安全阀实现井下安全控制需要的生产开启或紧急关闭。为此，国内外采用减少活塞面积与n2平衡仓两项技术，实现了井下安全阀下入3000m的下深，但仍存在以下不足：

4、技术1：将活塞缸变为活塞杆，减少活塞面积，减小活塞作用力。这一技术思路能满足井下安全阀约1000m以内的一定下深，但对于更深的下入需求，更细小的活塞杆推拉中心管上下运动时，容易产生失稳的情况。

5、此外，井下安全阀的活塞上端与控制管线内的液压相连通，下端与连接油管内的油层压力相连通。井下安全阀开启时，控制井下安全阀的液控压力需要先克服或平衡油层压力之后，才能在一定的液压压力下产生活塞力来平衡井下安全阀的弹簧力。比如：对于深井，若油层压力90mpa，液控管线的压力需要先克服90mpa的油层压力，然后再增加的液压来平衡弹簧力，控制井下安全阀的开关。这导致液控管线的液压密封压力极高，井下安全阀活塞需要运动+长期高压密封，难度极大，易失效，且高压下细长活塞运动更易出现失稳情况。

6、（3）技术2：加入n2平衡仓，通过氮气的压力来平衡液控管线的液柱压力。但存在问题是：长期高压气密封难度大；氮气n2是气体，根据伯努利方程可知，理想气体下，n2平衡仓的压力受油气井温度、压力等井况影响，需要结合每口井的具体井况条件，设计适应的n2量与匹配压力，操作困难；且若其中任一个因素有误，则可能导致n2平衡仓失效，而引发安全风险。

7、针对这一难题，提出一种液控平衡式井下安全阀及使用方法。

技术实现思路

1、本发明的目的针对现有技术存在的不足，提出了一种液控平衡式井下安全阀及使用方法，两根液控管线的液柱压力作用于中心管的液压平衡相等；油层压力作用在中心管上的作用力平衡相等，两个平衡系统克服了现有技术中的液柱压力与油层压力对液控平衡式井下安全阀开关的不利影响，保障本发明能够下入更深，实现深井、超深井、高压井、中深海等油气井的井下安全控制，也避免了由于无法正常开启或关闭造成的安全隐患和风险的问题。

2、本发明提到的一种液控平衡式井下安全阀，其技术方案是：包括中心管和缸套，缸套内安装中心管，还包括上接头、弹簧、第一液控管线、阀座、阀板、扭簧、销、下接头、第二液控管线，所述缸套的上端活动连接上接头，下端活动连接下接头，在缸套的外壁一侧设有第一液压油通道，另一侧安装第二液压油通道，第一液压油通道的上端面高度高于第二液压油通道的上端面高度，所述第一液压油通道的上端面安装第一液控管线，第二液压油通道的上端面安装第二液控管线；所述缸套的下端内壁安装阀座，阀座的下端活动连接阀板，且阀板的一侧通过销安装扭簧；在中心管的外壁安装弹簧，所述弹簧位于中心管的上部限位凸起与缸套的上端面之间；控制开启与关断的第一液控管线和第二液控管线由井下的连接处至井口处形成u型结构，第一液控管线和第二液控管线的液柱压力作用于中心管的液压平衡，且第一液控管线和第二液控管线内的控制压力独立密封；所述中心管的上下两端的直径相等，油层压力作用在中心管上的作用力平衡相等。

3、优选的，上述中心管的中下部外壁上设有环形密封凸起，环形密封凸起与缸套的内壁之间形成机械密封，且所述第一液压油通道的下出口位于环形密封凸起的上方，所述第二液压油通道的下出口位于环形密封凸起的下方。

4、优选的，上述的缸套的下端内壁设有下限位密封凸起，中心管的下端外壁与下限位密封凸起形成机械密封。

5、优选的，上述的下接头的内腔下部设有中心管对接通道，在中心管对接通道的上部设有锥形引导槽。

6、优选的，上述的中心管的上部外壁与上接头的内壁形成机械密封结构，且与环形密封凸起与缸套的内壁之间形成机械密封之间形成用于阀门开启的上活塞腔，来自第一液压油通道的高压液压油推动中心管向下方移动，下移的中心管推开阀板，并与下接头的中心管对接通道连通。

7、优选的，上述的中心管的环形密封凸起与缸套的下限位密封凸起之间形成用于阀门关闭的下活塞腔，来自第二液压油通道的高压液压油和弹簧的作用下推动中心管向上方移动，中心管上移一段距离后，阀板通过扭簧复位。

8、优选的，上述的第一液压油通道的上出口处通过第一压帽连接第一液控管线，所述的第二液压油通道的上出口处通过第二压帽连接第二液控管线。

9、优选的，上述的缸套的上端设有缸套上接头，下端设有缸套下接头，在缸套的一侧设有第一液控安装凸起，另一侧设有第二液控安装凸起，其中，第一液压油通道位于第一液控安装凸起的内腔，第二液压油通道位于第二液控安装凸起的内腔，且第一液控安装凸起的高度高于第二液控安装凸起的高度，所述的第一液控安装凸起的上端面设有第一压帽安装孔，第二液控安装凸起的上端面设有第二压帽安装孔。

10、本发明提到的液控平衡式井下安全阀的使用方法，包括以下过程：

11、（一）控制开启时：通过在井口处控制向第一液控管线打压，高压液体沿着第一液控管线向下进入到第一液压油通道，由于上接头、缸套及中心管形成上活塞腔，中心管在高压液体的作用下，克服弹簧作用力下行，使中心管顶开阀板，继续下行，使中心管的下端限定在下接头处，且阀板绕着销向下转动，转动到中心管与下接头之间的环空内，此时，在中心管内建立起常通的液体通道，液控平衡式井下安全阀处于开启状态；

12、（二）控制关闭时：在井口处控制第一液控管线泄压，中心管在弹簧的作用力下，推动中心管上行复位，此时，阀板在失去中心管的支撑作用下，在扭簧的推动下复位关闭，阻断中心管形成的液体通道，实现液控平衡式井下安全阀的关闭；

13、另外，当发生弹簧失效的情况，通过在井口处向第二液控管线打压，高压液体沿着第二液控管线向下进入到第二液压油通道，进入到缸套的下限位密封凸起与中心管的下部之间形成的下活塞腔，从而使中心管受压上行，阀板在失去中心管的支撑作用下，在扭簧的推动下复位关闭，实现液控平衡式井下安全阀被强制关闭。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

15、本发明可以下入海底的井下或地面深井，第一液压油通道的上端面高度略微高于第二液压油通道的上端面高度，所以，下入深井的第一液控管线、第二液控管线接近相等，因此，作用在中心管的上、下的液压，以及中心管受到的弹簧的作用力处于平衡状态，另外，中心管的上下两端的直径相等，油层压力作用在中心管上的作用力平衡相等；因此，不管液控平衡式井下安全阀下入深井的深度有多深，第一液控管线、第二液控管线内的液柱压力是平衡的，因此，液控平衡式井下安全阀的开关动作只受地面控制液压作用，容易控制液控平衡式井下安全阀的开启或关闭，避免由于无法正常开启或关闭造成的安全隐患和风险。本发明的两个平衡系统克服了常规井下安全阀的液压控制系统的液柱压力与油层压力对井下安全阀开关的不利影响，保障本发明的液控平衡式井下安全阀能够下入更深，实现深井、超深井、高压井、中深海等油气井的井下安全控制。